激光增材制造及其工业应用

激光增材制造及其工业应用17121593马栋0304-0506-07技术简介技术原理技术背景0908技术优缺点技术应用技术背景：传统金属零件增材或受迫成形制造方法为锻造和铸造。传统锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法。铸造是指将固态金属熔化为液态倒入特定形状的铸型，待其凝固成形的加工方法。但传统的加工方法往往工序多、工模具成本高、从设计到零件制造周期长，且对具有复杂内腔结构的零件往往无能为力，难以满足新产品的快速响应制造需求。20世纪90年代以来，随着激光技术、计算机技术、CAD/CAM技术以及机械工程技术的发展，金属零件激光增材制造技术在激光熔覆技术和快速原型技术基础上应运而生。传统锻造传统铸造技术简介•激光增材制造或称3D打印技术，是基于微积分的思想，采用激光分层扫描、叠加成形的方式逐层增加材料将数字模型转换成三维实体零件。相对于传统的材料去除技术，是一种“自下而上”材料累加的制造方法。它的形成过程为高功率激光束在基体上聚焦形成熔池，金属粉末同时被同轴送粉器送入熔池中。金属粉末在熔池中与基体熔液融合，并随着激光束的移动，在液体表面张力的作用下熔池开始向着激光束移动方向运动，前面的熔液固化形成沉积层，激光束移动的轨迹便是沉积层的形成轨迹。技术简介关桥院士提出了“广义”和“狭义”增材制造的概念（如图所示），“狭义”的增材制造是指不同的能量源与CAD/CAM技术结合、分层累加材料的技术体系；而“广义”增材制造则以材料累加为基本特征，以直接制造零件为目标的大范畴技术群。技术原理激光熔覆技术利用激光束将合金粉末与基体表面迅速加热并熔化，快速凝固后形成稀释率低、呈冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体表面的耐磨、耐蚀等性能的表面改性技术，其材料供应方式为预置法和同步送粉法。该技术具有热影响区小、可获得具有良好性能的支晶微观结构、熔覆件变形比较小、过程易于实现自动化等优点，已广泛应用于耐磨涂层和新材料制备。若同种金属材料多层熔覆，熔覆层间仍属于良好的冶金结合，这为制造和修复高性能致密金属零部件提供了可能性。快速原型技术激光熔覆技术同轴送粉侧向送粉预置法技术原理激光熔覆技术快速原型技术快速原型技术快速原型技术是一种基于离散/堆积成形思想的新型制造技术，是集成计算机、数控、激光和新材料等最新技术而发展起来的先进产品研究与开发技术。其基本过程是将三维模型沿一定方向离散成一系列有序的二维层片；根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码；成形机制造一系列层片并自动将它们联接起来，得到三维物理实体[5-6]。这样将一个物理实体的复杂三维加工离散成一系列层片的加工，大大降低了加工难度，且成形过程的难度与待成形的物理实体形状和结构的复杂程度无关。该技术的主要特点有：高柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体；CAD模型直接驱动，设计制造高度一体化；成形过程无需专用夹具或工具；无需人员干预或只需较少干预，是一种自动化的成形过程CAD模型离散分层及扫描路径规划沉积零件完成技术优缺点优点（1）制造速度快，节省材料，降低成本;（2）不需采用模具，使得制造成本降低15%~30%，生产周期节省45%~70%;（3）可以生产用传统方法难于生产甚至不能生产的形状复杂的功能金属零件；（4）可在零件不同部位形成不同成分和组织的梯度功能材料结构，不需反复成形和中间热处理等步骤；（5）激光直接制造属于快速凝固过程，金属零件完全致密、组织细小，性能超过铸件；（6）近成形件可直接使用或者仅需少量的后续机加工便可使用。缺点（1）成形件内部存在气孔，气孔形貌呈规则球形或类球形，分布具有随机性;（2）成形件内部存在熔合不良和开裂，熔合不良缺陷形貌不规则，多分布在熔覆层间或道间。技术应用激光增材制造高性能钛合金在航空航天领域的研究进展高性能钛合金增材制造技术在航空航天领域的应用最早始于美国AeroMet公司，它是世界上第一家掌握钛合金结构件激光增材制造并成功实现装机应用的企业。AeroMet公司在美国军方的资助下，同波音、洛克希德马丁公司等军用飞机制造商密切合作，开展飞机机身钛合金复杂结构件激光增材制造技术研究，于2001年起开始小批量为波音公司生产钛合金飞机零件。北京航空航天大学是国内最早利用激光增材制造技术研究并制备出钛合金工业用件的研究机构。王华明教授及其科研团队于2005年7月成功实现激光快速成形钛合金飞机角盒、钛合金飞机座椅支座及腹鳍接头等四种飞机钛合金次承力结构件在三种飞机上的装机应用，并制造出了迄今世界尺寸最大的飞机钛合金大型结构件激光快速成形工程化成套设备2013年其团队成功成形出歼－31战机“眼镜式”钛合金主承力构件加强框，标志着我国高性能钛合金增材制造技术进入世界的领先地位。钛合金主承力构件加强框Ｆ－18E/F翼根吊环航空发动机单叶轮零部件航空发动机多层复合整体叶轮技术应用激光增材制造高性能钛合金在生物医学领域的研究进展由于钛合金具有优秀的抗腐蚀性、生物相容性、低密度和高的比强度等特点而被广泛应用于生物医学方面，特别是骨植入和牙修复领域，但其制作大多是采用锻造或铸造方法，加工工艺复杂、制造周期长。然而，为了避免杨氏模量上的差异使得载荷不能由植入体很好的传到相邻的骨组织，造成应力屏蔽现象，致使植入体周围出现骨应力吸收，导致植入体的松动和断裂，就必须通过制备多孔材料或采用合金化来降低钛合金的杨氏模量，其工艺复杂性自然就会上升，这就体现了激光增材制造的工艺优势。激光增材制造人体脊柱激光增材制造技术成形的钛合金膝盖骨