探究主流金属3D打印工艺



 由3D打印带来的创新设计及智能制造逐渐演变成一种潮流,并引发制造方式的转变和制造体系转型升级的思考。颠覆传统制造模式的3D打印,为制造业发展开辟全新的广阔天地。尤其是金属3D打印,作为整个3D打印体系中最前沿和最有潜力的技术,是先进制造技术的重要发展方向。随着科技发展及推广应用的需求,利用快速成型直接制造金属功能零件成为了快速成型主要的发展方向。

目前可用于直接制造金属功能零件的快速成型方法主要有:选区激光烧结(Selective Laser Sintering, SLS)技术、直接金属粉末激光烧结(Direct Metal Laser Sintering,DMLS)、选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)技术、激光近净成形(Laser Engineered Net Shaping, LENS)技术和电子束选区熔化(Electron Beam Selective Melting, EBSM)技术等。这些技术的工艺原理是什么,又各有何特点?本期笔者将给大家带来详尽解析。

选区激光烧结技术(SLS)

选择性激光烧结技术(SLS)最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl Deckard于1989年在其硕士论文中提出的。选区激光烧结,顾名思义,所采用的冶金机制为液相烧结机制,成形过程中粉体材料发生部分熔化,粉体颗粒保留其固相核心,并通过后续的固相颗粒重排、液相凝固粘接实现粉体致密化。美国DTM公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备SinterSation。德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作,并开发了相应的系列成型设备。国内有如华中科技大学、南京航空航天大学、西北工业大学、中北大学和北京隆源自动成型有限公司等,多家单位进行SLS的相关研究工作,也取得了重大成果。

选区激光烧结技术原理及特点

SLS整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成,工作粉末缸活塞(送粉活塞)上升,由铺粉辊将粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均匀铺上一层,计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹,有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。完成一层后,工作活塞下降一个层厚,铺粉系统铺上新粉,控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复,层层叠加,直到三维零件成型。

选区激光烧结技术存在的问题

SLS工艺采用半固态液相烧结机制,粉体未发生完全熔化,虽可在一定程度上降低成形材料积聚的热应力,但成形件中含有未熔固相颗粒,直接导致孔隙率高、致密度低、拉伸强度差、表面粗糙度高等工艺缺陷,在SLS半固态成形体系中,固液混合体系粘度通常较高,导致熔融材料流动性差,将出现SLS快速成形工艺特有的冶金缺陷——“球化”效应。球化现象不仅会增加成形件表面粗糙度,更会导致铺粉装置难以在已烧结层表面均匀铺粉后续粉层,从而阻碍SLS过程顺利开展。

由于SLS成型过程中的能量来源为激光,激光器的应用使其成型设备的成本较高,随着2000年之后激光快速成形设备的长足进步,粉体完全熔化的冶金机制被用于金属构件的激光快速成形。选择性激光烧结技术(SLS)逐渐被类似更为先进的技术代替。

直接金属粉末激光烧结技术(DMLS)

DMLS技术作为SLS技术的一个分支,其成型原理基本相同。自从1991年金属粉末直接激光烧结研究在Leuvne的Chatofci大学开展以来,利用SLS工艺直接烧结金属粉末成形三维零部件是快速原型制造的最终目标之一。与间接SLS技术相比,DMLS工艺最主要的优点是取消了昂贵且费时的预处理和后处理工艺步骤。

直接金属粉末激光烧结技术的特点

DMLS技术精确成形形状复杂的金属零部件有较大难度,归根结底,主要是由于金属粉末在DMLS中的“球化”效应和烧结变形,球化现象,是为使熔化的金属液表面与周边介质表面构成的体系具有最小自由能,在液态金属与周边介质的界面张力作用下,金属液表面形状向球形表面转变的一种现象。球化会使金属粉末熔化后无法凝固形成连续平滑的熔池,因而形成的零件疏松多孔,致使成型失败,由于单组元金属粉末在液相烧结阶段的粘度相对较高,故“球化”效应尤为严重,且球形直径往往大于粉末颗粒直径,这会导致大量孔隙存在于烧结件中,因此,单组元金属粉末的DMLS具有明显的工艺缺陷,往往需要后续处理,不是真正意义上的“直接烧结”。

直接金属粉末激光烧结技术存在的问题

为克服单组元金属粉末DMLS中的“球化”现象,以及由此造成的烧结变形、密度疏松等工艺缺陷,目前一般可以通过使用熔点不同的多组元金属粉末或使用预合金粉末来实现。多组分金属粉末体系一般由高熔点金属、低熔点金属及某些添加元素混合而成,其中高熔点金属粉末作为骨架金属,能在DMLS中保留其固相核心;低熔点金属粉末作为粘结金属,在DMLS中熔化形成液相,生成的液相包覆、润湿和粘结固相金属颗粒,以此实现烧结致密化。

选区激光熔化技术(SLM)

SLM 的思想最初由德国Fraunhofer研究所于1995年提出,2002年该研究所对SLM 技术的研究取得巨大的成功。世界上第一台SLM设备由英国MCP集团公司下辖的德国 MCP-HEK分公司于2003年底推出。为获取全致密的激光成形件,同时也受益于2000年之后激光快速成形设备的长足进步,粉体完全熔化的冶金机制被用于金属构件的激光快速成形。例如,德国著名的快速成形公司EOS公司,是世界上较早开展金属粉末激光烧结的专业化公司,主要从事SLS金属粉末、工艺及设备研发。而该公司新近研发的EOSINTM270/280型设备,虽继续沿用“烧结”这一表述,但已装配200W光纤激光器,并采用完全熔化的冶金机制成形金属构件,成形性能得以显著提高。目前,作为SLS技术的延伸,SLM技术正在德国、英国等欧洲国家蓬勃发展。即便继续沿用“选区激光烧结”(SLS)这一表述,实际所采用的成形机制已转变为粉体完全熔化机制。

国内SLM技术的发展也在紧追着这些国外巨头,广州雷佳增材科技有限公司对SLM这项技术的研发处于国内领先地位,雷佳增材是一家专业从事金属3D打印设备研发、制造、销售以及提供3D打印服务的高新技术企业。公司创始团队由华南理工大学激光3D打印团队和同行外企的技术市场团队共同组成,致力于打造LASERADD品牌成为国际领先的3D打印解决方案提供商。创新团队在DiMetal系列工业级金属3D打印机有多年的技术积累。设备可加工材料包括钛合金,高温合金,钴铬合金,不锈钢以及铝合金等多种金属粉末。主要应用于航空航天,汽车制造,生命科学,口腔医疗,工业手板,模具生产等领域,是世界最新工业4.0的核心技术之一。

选区激光熔化技术的原理

SLM技术是在SLS基础上发展起来的,二者的基本原理类似。SLM技术需要使金属粉末完全熔化,直接成型金属件,因此需要高功率密度激光器激光束开始扫描前,水平铺粉辊先把金属粉末平铺到加工室的基板上,然后激光束将按当前层的轮廓信息选择性地熔化基板上的粉末,加工出当前层的轮廓,然后可升降系统下降一个图层厚度的距离,滚动铺粉辊再在已加工好的当前层上铺金属粉末,设备调入下一图层进行加工,如此层层加工,直到整个零件加工完毕。整个加工过程在抽真空或通有气体保护的加工室中进行,以避免金属在高温下与其他气体发生反应。

选区激光熔化技术的特点

选区激光熔化技术可以直接制造金属功能件件,无需中间工序;具有良好的光束质量,可获得细微聚焦光斑,从而可以直接制造出较高尺寸精度和较好表面粗糙度的功能件;而且可以让金属粉末完全熔化,直接制造的金属功能件具有冶金结合组织,致密度较高,具有较好的力学性能,无需后处理;粉末材料可为单一材料也可为多组元材料,原材料无需特别配制;值得一体的是,SLM特别适合于单件或小批量的功能件制造。

选区激光熔化技术存在的问题

激光选区成形件中,Fe基合金(主要是钢)SLM成形研究较多,但SLM成形工艺尚需优化、成形性能尚需进一步提高;对SLM成形性能(特别是占基础地位的致密度),目前SLM成形的钢构件通常难以实现全致密。解决钢材料SLM成形的致密化问题,是快速成形研究的关键性瓶颈问题。

电子束选区熔化技术(EBM)

1994年瑞典ARCAM公司申请的一份专利,所开发的技术称为电子束熔化成形技术(Electron Beam Melting),ARCAM公司也是世界上第一家将电子束快速制造商业化的公司,并于2003年推出第一代设备,此后美国麻省理工学院、美国航空航天局、北京航空制造工程研究所和我国清华大学均开发出了各自的基于电子束的快速制造系统。瑞典ARCAM公司与清华大学电子束开发的选区熔化(EBSM)利用电子束熔化铺在工作台面上的金属粉末,与激光选区熔化技术类似,利用电子束实时偏转实现熔化成形,该技术不需要二维运动部件,可以实现金属粉末的快速扫描成形。

电子束选区熔化技术原理

类似激光选区烧结和激光选区熔化工艺,电子束选区熔化技术(EBSM)是一种采用高能高速的电子束选择性地轰击金属粉末,从而使得粉末材料熔化成形的快速制造技术。EBSM技术的工艺过程为:先在铺粉平面上铺展一层粉末,然后,电子束在计算机的控制下按照截面轮廓的信息进行有选择的熔化,金属粉末在电子束的轰击下被熔化在一起,并与下面已成形的部分粘接,层层堆积,直至整个零件全部熔化完成。最后,去除多余的粉末便得到所需的三维产品。上位机的实时扫描信号经数模转换及功率放大后传递给偏转线圈,电子束在对应的偏转电压产生的磁场作用下偏转,达到选择性熔化。

电子束选区熔化技术的特点

电子束直接金属成形技术采用高能电子束作为加工热源,扫描成形可通过操纵磁偏转线圈进行,没有机械惯性,且电子束具有的真空环境还可避免金属粉末在液相烧结或熔化过程中被氧化。电子束与激光相比,具有能量利用率高、作用深度大、材料吸收率高、稳定及运行维护成本低等优点。EBSM技术优点是成型过程效率高,零件变形小,成型过程不需要金属支撑,微观组织更致密等电子束的偏转聚焦控制更加快速、灵敏。激光的偏转需要使用振镜,在激光进行高速扫描时振镜的转速很高。在激光功率较大时,振镜需要更复杂的冷却系统,而振镜的重量也显著增加。因而在使用较大功率扫描时,激光的扫描速度将受到限制。在扫描较大成形范围时,激光的焦距也很难快速的改变。电子束的偏转和聚焦利用磁场完成,可以通过改变电信号的强度和方向快速灵敏的控制电子束的偏转量和聚焦长度。电子束偏转聚焦系统不会被金属蒸镀干扰。用激光和电子束熔化金属的时候,金属蒸汽会弥散在整个成形空间,并在接触的任何物体表面镀上金属薄膜。电子束偏转聚焦都是在磁场中完成,因而不会受到金属蒸镀的影响;激光器振镜等光学器件则容易受到蒸镀污染。

电子束选区熔化技术存在的问题

真空室抽气过程中粉末容易被气流带走,造成真空系统的污染;但其存在一个比较特殊的问题即粉末溃散现象,其原因是电子束具有较大动能,当高速轰击金属原子使之加热、升温时,电子的部分动能也直接转化为粉末微粒的动能。当粉末流动性较好时,粉末颗粒会被电子束推开形成溃散现象。防止炊粉的基本原则是提高粉床的稳定性,克服电子束的推力,主要有四项措施:降低粉末的流动性,对粉末进行预热,对成型底板进行预热,优化电子束扫描方式。

激光熔覆式成型技术(LMD)

激光熔化沉积(Laser Metal Deposition,LMD)于上世纪90年代由美国Sandia国家实验室首次提出,随后在全世界很多地方相继发展起来,由于许多大学和机构是分别独立进行研究的,因此这一技术的名称繁多。例如,美国Sandia国家实验室的激光近净成形技术LENS(LaserEngineeredNetShaping),美国Michigan大学的直接金属沉积DMD(DirectMetalDeposition),英国伯明翰大学的直接激光成形DLF(DirectedLaserFabrication),中国西北工业大学的激光快速成形LRF(LaserRapidForming)等。虽然名字不尽相同,但是他们的原理基本相同,成型过程中,通过喷嘴将粉末聚集到工作平面上,同时激光束也聚集到该点,将粉光作用点重合,通过工作台或喷嘴移动,获得堆积的熔覆实体。

激光熔覆式成型技术特点

DMD/LENS的实质是计算机控制下金属熔体的三维堆积成形。与DMLS和SLM/SLRM不同的是,金属粉末在喷嘴中即已处于加热熔融状态,故其特别适于高熔点金属的激光快速成形。事实上,美国Sandia国家实验室在美国能源部资助下,在LENS开发初期,就将其定位于直接精密制造航空航天、军事装备领域的复杂形状高熔点金属零部件;并以此为基础,将成形材料体系拓展为工具钢、不锈钢、钛合金、镍基高温合金等。

激光熔覆式成型技术存在的问题

然而,由于LMD的层层添加性,沉积材料在不同的区域重复经历着复杂的热循环过程。LMD热循环过程涉及到熔化和在较低温度众多的再加热周期过程,这种复杂的热行为导致了复杂相变和微观结构的变化。因此,控制成形零件所需要的成分和结构存在较大的难度。另一方面,采用细小的激光束快速形成熔池导致较高的凝固速率和熔体的不稳定性。由于零件凝固成形过程中热量的瞬态变化,容易产生复杂的残余应力。残余应力的存在必然导致变形的产生,甚至在LMD成形件中产生裂纹。成分、微观结构的不可控性及残余应力的形成是LMD技术面临的主要困境。

更多行业资讯信息,请关注3D打印在线(news.3d2013.com)或扫描下方二维码哦

 



上一篇:浅析陶瓷3D打印技术
下一篇:返回列表


【本文仅代表作者看法,如有不同观点,欢迎添加3D打印在线微信号(dayinzaixian)进行讨论交流。尊重别人劳动成果,原创文章转载务必注明作者出处】

发布评论    共有  条评论





不登录直接评论

3D打印在线资讯频道 提供有价值的信息参考 http://news.3d2013.com

返回顶部