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金屬3D 打印技術探究

作者:2017-06-20 16:34文章來源:未知
  1 引言
  3D 打印技術也叫增材制造技術,在近些年得到了快速發展。它與傳統制造工藝不同,是一種全新的制造思想。其本質原理是離散與堆積,即在計算機軟件的輔助下,通過對三維模型實體進行切片分層處理,把三維實體的制造轉換成二維層面的堆積,再沿成形方向上的不斷疊加,最終生成零件實體。3D 打印技術的最大優點是簡化了加工制造流程,節省材料,縮短了產品研發周期,降低了開發成本和風險。相比傳統工藝,3D 打印用料只有原來的1/3到1/2,但制造速度卻快3~4 倍。
  金屬零件3D 打印是整個3D 打印體系中最前沿和最具潛力的技術,是增材制造技術的重要發展方向。按照金屬粉末的添加方式的不同,將金屬3D 打印技術分為3 類: ①激光工程化凈成形(Laser Engineered Net Shaping, LENS)技術;②激光選區熔化(Selective LaserMelting,SLM)技術;③金屬粉末的電子束熔化(Electron Beam Selective Melting,EBSM)技術。以下分別對三種快速成型技術的成型原理和成型特點進行介紹。
  2 金屬3D 打印技術的發展
  2.1 激光選區熔化技術
  SLM 是金屬3D 打印領域的重要部分,SLM 技術用高強度激光束選擇性地熔化金屬粉末,是3D 打印技術的主要發展方向。SLM 的基本原理是:計算機將設計好的三維模型進行切片分層處理,激光束則根據每一層的形狀數據,選擇性地熔化金屬粉末。每完成一層粉末的“打印”,平臺下降一個層厚,鋪粉輥重新鋪上一層相同厚度的粉末,激光束繼續在新的粉層上掃描截面輪廓,不斷地重復疊加直到完成零部件的成形。
  SLM 技術的特點:(1)成型精度高。在現有的金屬3D 打印技術中成型精度最高,尺寸精度達20~50μm。(2)力學性能良好。由于該技術在制造零件時,激光束將金屬粉末完全熔化,液態金屬再凝結而成,所以致密度接近100%。(3)材料廣泛。SLM 技術可對金屬粉末、合金粉末,甚至陶瓷等固體無機物粉末進行燒結。
  2.2 激光工程化凈成形技術
  激光工程化凈成形技術LENS,是一種金屬零件直接成型較快的技術手段。它與SLM 快速成型技術工藝基本相同,區別在于送粉結構不同。LENS 技術是通過噴嘴輸送金屬粉末,而SLM 技術則是通過送粉缸和刮板或鋪粉輥進行鋪粉燒結。LENS 成型系統中,同軸送粉器主要由三大部分構成,即送粉器、送粉頭和保護氣路。其工作原理如下,在保護氣體的作用下,送粉裝置將金屬粉末吹到熔池內進行熔化燒結,通過噴嘴的移動和工作臺的移動,更換燒結區域,如此循環,層層疊加,最終成型金屬零件。
  LENS 技術的特點,(1)與SLM 技術相比,LENS 技術可制造出更大尺寸的金屬零件;(2)LENS技術不僅僅能用于金屬零件的制造,還能進行金屬零件的焊接、修復和添加等;(3)LENS 技術特別適于高熔點金屬的激光快速成形;(4)LENS 技術生成的零件成型質量較差。
  2.3 電子束選區熔化技術
  電子束選區熔化技術簡稱“EBSM 技術”,其加工熱源是高能電子束,通過操縱磁偏轉線圈進行掃描。電子束選區熔化成形與激光選區燒結類似,金屬粉末在電子束轟擊下熔化的原理,首先在鋪粉平面上鋪展一層粉末并壓實;然后,電子束在計算機的控制下按照截面輪廓的信息進行有選擇的燒結,層層堆積,直至整個零件燒結完成。
  EBSM 技術特點:(1)功率能量利用率高。電子束加工的最大功率能達到激光的數倍,激光燒結的能量利用率為15%,而電子束燒結能量利用率為75%,能量利用率高出很多;(2)對焦容易。激光在理論上光斑直徑可達1nm,但在實際應用中一般達不到。而電子束則可以通過調節聚束透鏡的電流來對焦,束徑可以達到0.1nm;(3)真空環境無污染,成形速度高。電子束設備可以進行二維掃描,掃描頻率可達到20kHz,無機械慣性,可以實現快速掃描,在真空環境下作業,無污染。
  3 總結
  金屬零件3D 打印是整個3D 打印體系中最前沿和最具潛力的技術,是增材制造技術的重要發展方向。但與國外發達國家相比,我國金屬3D 打印技術還處于起步階段,技術水平比較落后,面對科學技術的不斷創新和制造業對技術研發的新要求,我國應加大投入,組織各學科各行業協同努力,攻克金屬3D 打印技術中各種難關,制造出具有我國自主知識產權的金屬3D 打印設備。

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