产品概述

 

　　增材制作技能是根据分层制作原理，选用资料逐层累加的办法，直接将数字化模型制作为实体零件的一种新式制作技能。美国资料与实验协会（ASTM）F42世界委员会给出了增材制作的界说：增材制作是根据三维模型数据将资料衔接制作成物体的进程，相关于减法制作，它通常是逐层累加的进程。增材制作技能集成了数字化技能、制作技能、激光技能以及新资料技能等多个学科技能，能够直接将CAD数字模型快速而精细地制作成三维实体零件，完成真实的“自在制作”。与传统制作技能比较，增材制作技能具有柔性高、无模具、周期短、不受零件结构和资料束缚等一系列长处，在航天航空、轿车、电子、医疗、军工等范畴得到了广泛运用。

　　增材制作技能已成为制作业的研讨热门，许多国家包含我国都对其打开了许多深化的研讨，欧美更有专家以为这项技能代表着制作业打开的新趋势，被誉为有望成为“第三次工业革命”的代表性技能。激光增材制作（LAM）技能是一种以激光为能量源的增材制作技能，激光具有能量密度高的特色，可完成难加工金属的制作，比方航空航天范畴选用的钛合金、高温合金等，一同激光增材制作技能还具有不受零件结构束缚的长处，可用于结构杂乱、难加工以及薄壁零件的加工制作。

　　现在，激光增材制作技能所运用的资料已包含钛合金、高温合金、铁基合金、铝合金、难熔合金、非晶合金、陶瓷以及梯度资料等，在航空航天范畴中高功能杂乱构件和生物制作范畴中多孔杂乱结构制作具有明显优势。激光增材制作技能依照其成形原理进行分类，最具代表性的为以粉床铺粉为技能特征的激光选区熔化（SLM）和以同步送粉为技能特征的激光金属直接成形（LMDF）技能。本文在论述了这两种典型的激光增材制作技能原理与特色的根底上，侧重概括了这两种技能的打开和研讨现状，并探讨了现在激光增材制作技能的打开趋势。

　　激光选区熔化（SelectiveLaserMelting，SLM）技能是运用高能量的激光束，依照预订的扫描途径，扫描预先铺覆好的金属粉末将其彻底熔化，再经冷却凝结后成形的一种技能。其技能原理如图1所示。

　　（1）成形质料一般为一种金属粉末，首要包含不锈钢、镍基高温合金、钛合金、钴-铬合金、高强铝合金以及宝贵金属等。

　　（2）选用纤细聚集光斑的激光束成形金属零件，成形的零件精度较高，外表稍经打磨、喷砂等简略后处理即可到达运用精度要求。

　　（4）进给速度较慢，导致成形功率较低，零件尺度会遭到铺粉作业箱的束缚，不适合制作大型的全体零件。

　　SLM技能实际上是在选区激光烧结（SLS）技能根底上打开起来的一种激光增材制作技能。SLS技能最早由德克萨斯大学奥斯汀分校的Deckard教授提出，可是在SLS成形进程中存在粉末衔接强度较低的问题，为了处理这一问题，1995年德国弗劳恩霍夫激光技能研讨所的Meiners提出了根据金属粉末熔凝的选区激光熔化技能构思，并且在1999年与德国的Fockle和Schwarze一同研制了第一台根据不锈钢粉末的SLM成形设备，随后许多国家的研讨人员都对SLM技能打开了许多的研讨。

　　现在，对SLM技能的研讨首要会集在德国、美国、日本等国家，首要是针对SLM设备的制作和成形工艺两方面打开。国外有许多专业出产SLM设备的公司，如美国的PHENIX、3DSYSTEM公司；德国的EOS、CONCEPT、SLMSOULITION公司；日本的MATSUUR、SODICK公司等，均出产有功能优越的SLM设备，现在德国EOS公司出产的EOSM400型SLM设备最大加工体积可达400mm×400mm×400mm。在我国对SLM设备的研讨首要会集在高校，华中科技大学、西北工业大学和华南理工大学等高校在SLM设备出产研制方面做了许多的研讨作业，并且成功运用，其间华中科技大学史玉升团队以大尺度激光选区烧结设备研讨与运用取得2011年国家技能创造二等奖。可是国内老练的商业化设备仍旧存在空白，现在国内运用的SLM设备首要还是以国外的产品为主，这将是往后我国SLM技能打开的一个要点方向。在SLM成形工艺方面，许多的研讨安排都对此进行了深化研讨。

　　白俄罗斯科学院的Tolcochko研讨了在选区激光熔化时金属粉末球化构成的详细进程，指出金属粉末的球化首要会构成碟形、杯形、球形3种典型的形状，并剖析了各自构成的机理。德国鲁尔大学的Meier研讨了不锈钢粉末在激光选区熔化成形的相对密度与工艺参数的联系，发现高的激光功率有利于成形出高密度的金属零件，低的扫描速度有利于扫描线的接连，促进细密化。英国利兹大学Badrossamay等对不锈钢和东西钢合金粉末进行了SLM研讨，剖析了扫描速率、激光功率和扫描距离对成形件质量的影响。华中科技大学Shi等对SLM成形进程中熔池鸿沟对成形件功能的影响进行了深化的研讨，研讨标明熔池鸿沟对成形件的力学功能尤其是延展性与耐性有很大的影响。华南理工大学杨永强等[17]对SLM成形金属零件上外表的粗糙度影响要素进行了研讨，发现成形件上的外表粗糙度首要受熔道宽度、扫描距离和铺粉层厚3个要素的一起影响，并提出运用电化学处理进步外表精度的办法。

　　近年来SLM技能打开遭到了许多国家的大力扶持，2012年美国国防部成立了国家选区熔化成形立异联盟（NAMII），国防部、能源部、商务部、国家科学基金会（NSF）以及国防航空航天局（NASA）一起许诺向激光选区熔化成形试点联盟出资4500万美元，立异联盟共包含40家企业、9个研讨型大学、5个社区学院以及11个非营利安排[18]。众所周知的美国Boeing公司、LockheedMartin公司、GE航空发动机公司、Sandia国家实验室和LosAlomos国家实验室均参加其间。

　　此外，意大利AVIO公司、加拿大国家研讨院、澳大利亚国家科学研讨中心等大型公司、国家研讨安排以及我国的华中科技大学、华南理工大学等高校也都对SLM技能打开了许多研讨作业。美国的GE公司于2012年收买了MorrisTechnologies公司，并且运用Morris的SLM设备与工艺技能制作出了喷气式飞机专用的发动机组件，如图2（a）、（b）所示，GE公司明确地将激光增材制作技能认定为推动未来航空发动机打开的要害技能。一同SLM技能在医学范畴也有重要的运用，西班牙的Salamanca大学运用澳大利亚科学协会研制的Arcam型SLM设备成功制作出了钛合金胸骨与肋骨，如图2（c）所示，并成功植入了罹患胸廓癌的患者体内。西北工业大学、华中科技大学和华南理工大学是我国从事SLM技能研讨较早较深化的科研单位，在SLM技能的研讨中取得了许多可喜的效果，他们别离运用SLM技能制作出了许多的具有杂乱结构的金属零件，如图2（d）~（f）所示。

　　激光金属直接成形（LMDF）技能是运用快速原型制作的根本原理，以金属粉末为原资料，选用高能量的激光作为能量源，依照预订的加工途径，将同步送给的金属粉末进行逐层熔化，快速凝结和逐层堆积，然后完成金属零件的直接制作。通常情况下，激光金属直接成形体系渠道包含：激光器、CNC数控作业台、同轴送粉喷嘴、高精度可调送粉器及其他辅佐设备。其原理如图3所示[19]。激光金属直接成形技能集成了激光熔覆技能和快速成形技能的长处，具有以下特色：

　　LMDF技能是在快速原型技能的根底上结合同步送粉和激光熔覆技能打开起来的一项激光增材制作技能。LMDF技能起源于美国Sandai国家实验室的激光近净成形技能（LENS），随后在多个世界研讨安排快速打开起来，并且被赋予了许多不同的称号，如美国LosAlamos国家实验室的直接激光制作（DLF），斯坦福大学的形状堆积制作（SDM），密西根大学的直接金属堆积（DMD），德国弗劳恩霍夫（Fraunhofer）激光技能研讨所的激光金属堆积（LMD），我国西北工业大学的激光立体成形技能（LSF）等，尽管称号各不相同，可是技能原理却简直是一起的，都是根据同步送粉和激光熔覆技能。

　　现在，关于LMDF技能的研讨首要是针对成形工艺以及成形安排功能两方面打开，美国的Sandai国家实验室和LosAlomos国家实验室针对镍基高温合金、不锈钢、钛合金等金属资料进行了许多的激光金属直接成形研讨，所制作的金属零件不只形状杂乱，且其力学功能挨近乃至超越传统铸造技能制作的零件。瑞士洛桑理工学院的Kurz等深化研讨了激光快速成形工艺参数对成形进程稳定性，成形零件的精度操控，资料的显微安排以及功能的影响，并将该技能运用于单晶叶片的修正。

　　清华大学的钟敏霖和宁国庆等在激光快速成形同轴送粉体系的研制及熔覆高度检测及操控方面取得了研讨进展；西北工业大学的黄卫东等经过对单层涂覆厚度、单道涂覆宽度、搭接率等首要参数进行准确操控，取得件内部细密，外表质量杰出的成形件；西安交通大学的张安峰、李涤尘等研讨了激光金属直接成形DZ125L高温合金零件进程中不同工艺参数（如激光功率、扫描速度、送粉率、Z轴进步量等）对单道熔覆层高度、宽度、宽高比和成形质量的影响规则，并优化了工艺参数。

　　近年来，LMDF技能相同也遭到了许多国家的重视和大力打开，2013年欧洲空间局（ESA）提出了“以完成高技能金属产品的高效出产与零糟蹋为方针的增材制作项目”（AMAZE）方案，该方案于2013年1月正式发动，汇集了法国Airbus公司、欧洲宇航防务集团（EADS）的Astrium公司、英国Rolls·Royce公司以及英国的CranfieldUniversity和UniversityofBirmingham等28家安排来一起从事激光金属增材制作方面的研讨，旨在将增材制作带入金属年代，其首要方针是快速出产大型零缺点增材制作金属零件，简直完成零糟蹋。与此一同，美国的Sandai国家实验室、LosAlomos国家实验室、GE公司以及美国国防航空航天局（NASA），德国的弗劳恩霍夫（Fraunhofer）激光技能研讨所，我国的北京航空航天大学、西安交通大学、西北工业大学等也对LMDF打开深化的研讨。

　　美国国防航空航天局（NASA）喷气推动实验室开宣布一种新的激光金属直接成形技能，可在一个部件上混合打印多种金属或合金，处理了长期以来飞行器尤其是航天器零部件制作中所面对的一大难题——在同一零件的不同部位具有不同功能，如图4（a）所示。英国的罗·罗（Rolls·Royce）公司方案运用激光金属直接成形技能，来出产TrentXWB-97（罗·罗研制的涡轮电扇系列发动机）由钛和铝的合金构成的前轴承座，其前轴承座包含48片机翼叶，直径为1.5m，长度为0.5m，如图4（b）所示。北京航空航天大学的王华明团队也运用激光金属直接成形技能制作出了大型飞机钛合金主承力构件加强框，如图4（c）所示，并取得了国家技能创造一等奖。西安交通大学在国家“973项目”的赞助下，打开了运用激光金属直接成形技能制作空心涡轮叶片方面的研讨，并成功制备出了具有杂乱结构的空心涡轮叶片，如图4（d）所示。

　　经济、高效的设备是激光增材制作技能广泛推行和打开的根底[30]，跟着现在大功率激光器的运用以及送粉功率的不断进步，激光增材制作的加工功率现已有明显的进步，可是关于大尺度零件的制作功率依然偏低，并且激光增材制作设备的价格也偏高，因而进一步进步设备的加工功率一同下降设备的本钱有侧重要的含义。此外，激光增材制作设备还能够与传统加工复合，例如德国DMGMORI旗下的Lasertec系列，整合了激光增材制作技能与传统切削技能，不只能够制作出传统工艺难以加工的杂乱形状，还改进了激光金属增材制作进程中存在的外表粗糙问题，进步了零件的精度。

　　关于金属资料激光增材制作技能来说，金属粉末便是其原资料，金属粉末的质量会直接影响到成形零部件终究的质量。可是，现在还没有专门为激光增材制作出产的金属粉末，现在激光增材制作工艺所运用的金属粉末都是之前为等离子喷涂、真空等离子喷涂和高速氧燃料火焰喷涂等热喷涂工艺开发的，根本都是运用雾化工艺制作。这类金属粉末在出产进程中可能会构成一些空心颗粒，将这些空心颗粒的金属粉末用于激光增材制作时，会导致在零件中呈现孔洞、裂纹等缺点。在2015年3月美国奥兰多举行的第七届激光增材制作研讨会上，激光增材制作用的金属粉末成为本次会议的焦点议题，遭到了与会专家、学者的高度重视，因而激光增材制作运用的金属粉末将成为往后的一个研讨要点。

　　尽管现在对激光增材制作的工艺打开了许多研讨，可是在零件的成形进程中依然存在许多问题。在SLM成形进程中伴跟着杂乱的物理、化学、冶金等进程，简单发生球化、孔隙、裂纹等缺点，在LMDF成形进程中跟着高能激光束长期周期性剧烈加热和冷却、移动熔池在池底强束缚下的快速凝结缩短及其伴生的短时非平衡循环固态相变，会在零件内部发生极大的内应力，简单导致零件严峻变形开裂。进一步优化激光增材制作技能的工艺，战胜成形进程中的缺点，加强对激光增材制作进程中零件内应力演化规则、变形开裂行为及凝结安排构成规则以及内部缺点构成机理等要害根底问题的研讨，依然是往后的研讨要点。

　　我国的激光增材制作技能起步较早，现已取得了不少研讨效果，可是依然与国外存在必定的距离，应当进一步加大投入力度，加速研讨进展。激光增材制作技能作为一种新式的技能，在往后的打开中应该更重视“产、学、研”一体化打开，以市场需求为导向，拟定出一系列工艺规范与规范，并逐渐处理要害的工艺问题，下降本钱，使激光增材制作技能提前成为我国工业转型的一个重要东西。

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