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金屬材料的3D打印制造技術

一般而言,激光快速成型需要用高功率的激光照射試件表面,融化金屬粉末,形成液態的熔池,然后移動激光束,熔化前方的粉末而讓后方的金屬液冷卻凝固。周邊需要有送粉裝臵、惰性氣體保護、噴頭控制等來配套。
金屬材料的3D打印制造技術之所以難度大,是因為金屬的熔點比較高,涉及到了金屬的固液相變、表面擴散以及熱傳導等多種物理過程。需要考慮的問題還包括,生成的晶體組織是否良好、整個試件是否均勻、內部雜質和孔隙的大小等等。另外,快速的加熱和冷卻還將引起試件內較大的殘余應力。為了解決這些問題,一般需要在多種制造參數配合,例如激光的功率和能量分布、激光聚焦點的移動速度和路徑、加料速度、保護氣壓、外部溫度等等。
 
1.3D金屬零件快速制造技術

1.1選區激光燒結(SLS) 

選擇性激光燒結技術(SLS)最初是由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的Carl Deckard于1989年在其碩士論文中提出的, 選區激光燒結,顧名思義,所采用的冶金機制為液相燒結機制,成形過程中粉體材料發生部分熔化,粉體顆粒保留其固相核心,并通過后續的固相顆粒重排、液相凝固粘接實現粉體致密化。美國DTM公司于1992年推出了該工藝的商業化生產設備SinterSation。德國的EOS公司在這一領域也做了很多研究工作,并開發了相應的系列成型設備。國內有如華中科技大學、南京航空航天大學、西北工業大學、中北大學和北京隆源自動成型有限公司等,多家單位進行SLS的相關研究工作,也取得了重大成果。 

1.1.1 SLS 技術原理及其特點 

整個工藝裝置由粉末缸和成型缸組成,工作粉末缸活塞(送粉活塞)上升,由鋪粉輥將粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均勻鋪上一層,計算機根據原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡,有選擇地燒結固體粉末材料以形成零件的一個層面。完成一層后,工作活塞下降一個層厚,鋪粉系統鋪上新粉,控制激光束再掃描燒結新層。如此循環往復,層層疊加,直到三維零件成型。

SLS工藝采用半固態液相燒結機制,粉體未發生完全熔化,雖可在一定程度上降低成形材料積聚的熱應力,但成形件中含有未熔固相顆粒,直接導致孔隙率高、致密度低、拉伸強度差、表面粗糙度高等工藝缺陷,在SLS 半固態成形體系中,固液混合體系粘度通常較高,導致熔融材料流動性差,將出現 SLS 快速成形工藝特有的冶金缺陷——“球化”效應。球化現象不僅會增加成形件表面粗糙度,更會導致鋪粉裝置難以在已燒結層表面均勻鋪粉后續粉層,從而阻礙SLS 過程順利開展。由于燒結好的零件強度較低,需要經過后處理才能達到較高的強度并且制造的三維零件普遍存在強度不高、精度較低及表面質量較差等問題。 

在SLS出現初期,相對于其他發展比較成熟的快速成型方法,選擇性激光燒結具有成型材料選擇范圍廣,成型工藝比較簡單(無需支撐)等優點。但由于成型過程中的能量來源為激光,激光器的應用使其成型設備的成本較高,隨著2000 年之后激光快速成形設備的長足進步(表現為先進高能光纖激光器的使用、鋪粉精度的提高等),粉體完全熔化的冶金機制被用于金屬構件的激光快速成形。選擇性激光燒結技術(SLS)已被類似更為先進的技術代替。 

1.2直接金屬激光成形(DMLS) 

SLS制造金屬零部件,通常有兩種方法,其一為間接法,即聚合物覆膜金屬粉末的SLS;其二為直接法,即直接金屬粉末激光燒結(DirectMetalLaserSintering, DMLS)。自從1991年金屬粉末直接激光燒結研究在Leuvne的Chatofci大學開展以來,利用SLS工藝直接燒結金屬粉末成形三維零部件是快速原型制造的最終目標之一。與間接SLS技術相比,DMLS工藝最主要的優點是取消了昂貴且費時的預處理和后處理工藝步驟。 

1.2.1直接金屬粉末激光燒結(DMLS)的特點 

DMLS技術作為SLS技術的一個分支,原理基本相同。但DMLS技術精確成形形狀復雜的金屬零部件有較大難度,歸根結底,主要是由于金屬粉末在DMLS中的“球化”效應和燒結變形,球化現象,是為使熔化的金屬液表面與周邊介質表面構成的體系具有最小自由能,在液態金屬與周邊介質的界面張力作用下,金屬液表面形狀向球形表面轉變的一種現象.球化會使金屬粉末熔化后無法凝固形成連續平滑的熔池,因而形成的零件疏松多孔,致使成型失敗,由于單組元金屬粉末在液相燒結階段的粘度相對較高,故“球化”效應尤為嚴重,且球形直徑往往大于粉末顆粒直徑,這會導致大量孔隙存在于燒結件中,因此,單組元金屬粉末的DMLS具有明顯的工藝缺陷,往往需要后續處理,不是真正意義上的“直接燒結”。 

為克服單組元金屬粉末DMLS中的“球化”現象,以及由此造成的燒結變形、密度疏松等工藝缺陷,目前一般可以通過使用熔點不同的多組元金屬粉末或使用預合金粉末來實現。多組分金屬粉末體系一般由高熔點金屬、低熔點金屬及某些添加元素混合而成,其中高熔點金屬粉末作為骨架金屬,能在 DMLS 中保留其固相核心;低熔點金屬粉末作為粘結金屬,在 DMLS 中熔化形成液相,生成的液相包覆、潤濕和粘結固相金屬顆粒,以此實現燒結致密化。 

1.2.2直接金屬粉末激光燒結(DMLS)的問題 

作為SLS技術的一個重要分支的DMLS技術尚處在不斷發展和完善的過程之中,其燒結的物理過程及燒結致密化機理仍不明了,不同金屬粉末體系的激光燒結工藝參數仍需摸索,專用粉末的研制與開發還有待突破。因此,建立金屬粉末直接激光燒結過程的數學、物理模型,定量研究DMLS燒結致密化過程中的燒結行為和組織結構變化,成為粉末冶金科學與工程研究中的重要內容之一。 

DMLS中,金屬粉末的物性對于燒結質量有著及其重要的影響,相同的工藝參數條件下,不同的粉末體系的燒結效果往往有很大的區別。把握粉末體系的物性,為其選擇最優化的工藝參數,是DMLS的最基本、最重要的要求。大量研究表明,影響DMLS質量的三個關鍵物性參數主要為:燒結特性、攤鋪特性和穩定性。 

1.3選區激光熔化(SLM) 

SLM 的思想最初由德國Fraunhofer研究所于1995年提出,2002年該研究所對SLM 技術的研究取得巨大的成功。世界上第一臺SLM設備由英國MCP(Mining and Chemical Products Limited)集團公司下轄的德國 MCP-HEK 分公司已于 2003 年底推出。為獲取全致密的激光成形件,同時也受益于2000年之后激光快速成形設備的長足進步(表現為先進高能光纖激光器的使用、鋪粉精度的提高等),粉體完全熔化的冶金機制被用于金屬構件的激光快速成形。例如,德國著名的快速成形公司EOS公司,是世界上較早開展金屬粉末激光燒結的專業化公司,主要從事SLS金屬粉末、工藝及設備研發。而該公司新近研發的EOSINTM270/280型設備,雖繼續沿用“燒結”這一表述,但已裝配200W光纖激光器,并采用完全熔化的冶金機制成形金屬構件,成形性能得以顯著提高。目前,作為SLS技術的延伸,SLM術正在德國、英國等歐洲國家蓬勃發展。即便繼續沿用“選區激光燒結”(SLS)這一表述,實際所采用的成形機制已轉變為粉體完全熔化機制。 

1.3.1選區激光熔化的原理  

SLM技術是在SLS基礎上發展起來的,二者的基本原理類似。SLM技術需要使金屬粉末完全熔化,直接成型金屬件,因此需要高功率密度激光器激光束開始掃描前,水平鋪粉輥先把金屬粉末平鋪到加工室的基板上,然后激光束將按當前層的輪廓信息選擇性地熔化基板上的粉末,加工出當前層的輪廓,然后可升降系統下降一個圖層厚度的距離,滾動鋪粉輥再在已加工好的當前層上鋪金屬粉末,設備調入下一圖層進行加工,如此層層加工,直到整個零件加工完畢。整個加工過程在抽真空或通有氣體保護的加工室中進行,以避免金屬在高溫下與其他氣體發生反應。SLM與DMLS的界限目前很模糊,區別不明顯, DMLS技術雖翻譯為金屬的燒結,實際成型過程中多數時候已將金屬粉末完全熔化。DMLS技術使用材料都為不同金屬組成的混合物,各成分在燒結(熔化)過程中相互補償,有利于保證制作精度。而SLM技術使用材料主要為單一組分的粉末,激光束快速熔化金屬粉末并獲得連續的掃描線。 

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