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标题: 选择性激光打印的选区熔化成形技术 [打印本页]

作者: 风轻扬 时间: 2016-1-25 14:13
标题: 选择性激光打印的选区熔化成形技术
　　这让美国NASA深感意外，因为NASA去年8月才刚刚成功实践这一技术，并自诩其是该技术在航天领域应用的领导者。以至直接发文要求中国不要过早公开项目文件！美国人为什么会如此紧张？这个技术到底是干什么用的？
　　据悉，激光选区熔化成形技术是3D打印技术的一种，它打破传统的刀具、夹具和机床加工模式，根据零件或物体的三维模型数据，通过成型设备以材料累加的方式制成实物零件。“基于激光选区熔化成形技术的多垦合金结构件的设计与制造”技术，利用铂力特公司自主研制的激光选区熔化成形技术及装备，针对多垦合金镂空结构/结构件设计、成形、精度控制等技术问题重点研究，提出了功能优先的多垦合金结构/结构件减重设计理念，解决了传统制造技术难以解决的多孔、镂空、点阵等轻量化复杂结构零件的加工制造问题，该技术是“基于功能优先结构设计理念”的一次革新，为解决我国航空、航天、船舶、汽车、能源、化工、医疗等广大制造业领域的复杂结构件减重设计及制造问题提供了一种新的解决途径。
　　让我们更详细的剖析一下“激光选区熔化成形技术”：
　　1 技术原理
　　激光选区熔化成形技术是以原型制造技术为基本原理发展起来的一种先进的激光增材制造技术。通过专用软件对零件三维数模进行切片分层，获得各截面的轮廓数据后，利用高能量激光束根据轮廓数据逐层选择性地熔化金属粉末，通过逐层铺粉，逐层熔化凝固堆积的方式，制造三维实体零件。
　　图1和图2分别是激光选区熔化成形零件示意图和原理示意图。如图2所示，零件的三维数模完成切片分层处理并导入成形设备后，水平刮板首先把薄薄的一层金属粉末均匀地铺在基板上，高能量激光束按照三维数模当前层的数据信息选择性地熔化基板上的粉末，成形出零件当前层的形状，然后水平刮板在已加工好的层面上再铺一层金属粉末，高能束激光按照数模的下一层数据信息进行选择熔化，如此往复循环直至整个零件完成制造。
　　

　　图1 激光选区熔化成形零件示意图

　　图2 激光选区熔化成形基本原理示意图
　　2 技术特点
　　图3为激光选区熔化成形技术制造的零件。激光选区熔化成形技术突破了传统制造工艺的变形成形和去除成形的常规思路，可根据零件三维数模，利用金属粉末无需任何工装夹具和模具，直接获得任意复杂形状的实体零件，实现“净成形”的材料加工新理念，特别适用于制造具有复杂内腔结构的难加工钛合金、高温合金等零件。

　　（a）激光选区熔化成形金属样件

　　（b）激光选区熔化成形高温合金零件
　　图3 激光选区熔化成形技术制造的零件
　　激光选区熔化成形技术通常采用粒径30μm左右的超细粉末为原材料，图4为激光选区熔化成形技术制造钛合金零件所使用的TC4超细球形粉，通常铺粉厚度＜100μm（最薄铺粉厚度可达20μm），每个加工层控制的很薄，可达到30μm。另外该技术还使用了光斑很小的激光束，可使成形的零件具有很高的尺寸精度（可达0.1mm）以及优异的表面质量（粗糙度Ra可达30~50μm）[7-8]，图5为选区激光熔化成形TC4钛合金表面形貌。因此该技术具有精度高、表面质量优异等特点，制造的零件只需进行简单的喷砂或抛光即可直接使用。由于材料及切削加工的节省，其制造成本可降低20%~40%，生产周期也将缩短80%[5]。

　　图4 激光精密成形用TC4超细粉

　　图5 选区激光熔化成形TC4钛合金表面形貌
　　从材料性能角度看，该技术制造的结构件具有微细、均匀的快速凝固组织，各项同性，且综合性能优异。表1为激光选区熔化成形、激光直接沉积成形、锻造、铸造TC4钛合金的力学性能比较[7]。
　　表1 激光增材制造钛合金与锻造、铸造钛合金的力学性能比较

　　综上所述，激光选取熔化工艺突破了传统的去除加工思路，有效解决了传统加工工艺不可达部位的加工问题，尤其适合传统工艺如锻造、铸造、焊接等工艺无法制造的内部有异形复杂结构的零件制造。同时，由于该技术成形精度较高，在普通零件应用中可保留更多的非加工面，因此可更好地解决难切削材料的加工问题。
　　激光选区熔化成形技术在钛合金、铝合金、高温合金、结构钢、不锈钢等材料上的成功应用，已对航空航天工业产生了非常重要的影响。

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