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3D打印技术

详细说明5种金属材料三维打印技术


发布日期:2020-12-17 来源: 凌云3D


三维打印技术已经迅速不断创新的生产过程和生活习惯,做为战略新型产业,英国、法国等资本主义国家重视并积极主动营销推广该技术。自然在我国的三维打印技术也在持续的发展趋势,在2017年的达沃斯****我国国家领导人就在发布名为《共担时代责任 共促全球发展》的中心思想演说中就提及三维打印、人工智能技术等新技术层出不穷,但并未产生新的经济发展突破点。许多权威专家觉得,以智能化、数字化、人性化、订制化作特性的三维打印技术为意味着的新生产制造技术将促进第三次科技革命。金属材料零件三维打印技术做为全部三维打印管理体系中更为最前沿和最有发展潜力的技术,是智能制造技术的关键发展前景。伴随着智能科技及应用推广的要求,运用快速成型技术立即生产制造金属材料作用零件变成了快速成型技术关键的发展前景。现阶段可用以立即生产制造金属材料作用零件的快速成型技术方式关键有:包含选区激光烧结(Selective Laser Sintering, SLS)技术、立即金属粉末激光烧结(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)技术和离子束选区熔化(Electron Beam Selective Melting, EBSM)技术等。

海外对金属材料零件三维打印技术的基础理论与加工工艺科学研究相对性较早。尽管在我国在技术上落伍于这种欧美国家强国,可是历经这么多年中国的技术的持续累积,一些生产厂家也都发布了自身的商业化的金属材料三维打印机,接下去我就立即生产制造金属材料作用零件的快速成型技术的关键方式开展了归纳总结。

选区激光烧结(SLS)

可选择性激光烧结技术(SLS)最开始是由英国得克萨斯州高校奥斯汀校区的Carl Deckard于1989年在其研究生论文中明确提出的, 选区激光烧结,说白了,所选用的冶金工业体制为高效液相烧结体制,成形全过程中粉体设备原材料产生一部分熔化,粉体设备顆粒保存其固相关键,并根据事后的固相顆粒重新排列、高效液相凝结粘合完成粉体设备高密度化。英国DTM企业于1992年发布了该加工工艺的商业化的生产线设备SinterSation。法国的EOS企业在这里一行业也干了许多 科学研究工作中,并开发设计了相对的系列产品成形机器设备。中国如同华南理工大学、南京航空航天大学、西北工业大学、中北大学和北京市隆源全自动成形有限责任公司等,好几家企业开展SLS的有关科学研究工作中,也获得了重大突破。

SLS 技术基本原理以及特性

全部加工工艺设备由粉末状缸和成形缸构成,工作中粉末状缸活塞杆(送粉活塞杆)升高,由铺粉辊将粉末状在成形缸活塞杆(工作中活塞杆)上匀称铺平一层,电子计算机依据原形的切成片实体模型操纵激光束的二维扫描仪运动轨迹,有选择烧结固态粉末状原材料以产生零件的一个方面。进行一层后,工作中活塞杆降低一个层厚,铺粉系统软件铺平新用户,操纵激光束再扫描仪烧结新层。这般周而复始,逐层累加,直至三维零件成形。

SLS加工工艺选用半固体高效液相烧结体制,粉体设备未产生彻底熔化,虽可在一定水平上减少成形原材料堆积的内应力,但成形件中带有未熔固相顆粒,立即造成 气孔率高、致相对密度低、抗拉强度差、粗糙度高加工工艺缺点,在SLS 半固体成形管理体系中,非均相混和管理体系黏度一般较高,造成 熔化原材料流通性差,将出現 SLS 迅速成形加工工艺独有的冶金工业缺点——“灰铸铁”效用。灰铸铁状况不但会提升成形件粗糙度,更会造成 铺粉设备无法在已烧结层表层匀称铺粉事后粉层,进而阻拦SLS 全过程顺利进行。

因为烧结好的零件抗压强度较低,必须历经后处理工艺才可以做到较高的抗压强度而且生产制造的三维零件普遍现象抗压强度不高、精密度较低及工艺性能较弱等难题。在SLS出現前期,相对性于别的发展趋势较为完善的快速成型技术方式,可选择性激光烧结具备成形原材料挑选覆盖面广,成形加工工艺非常简单(不用支撑点)等优势。但因为成形全过程中的动能来源于为激光,激光器的运用使其成形机器设备的成本费较高,伴随着2000 年以后激光迅速成形机器设备的巨大进步(主要表现为优秀较高能光纤线激光器的应用、铺粉精密度的提升 等),粉体设备彻底熔化的冶金工业体制被用以金属结构的激光迅速成形。可选择性激光烧结技术(SLS)已被相近更加优秀的技术替代。

立即金属材料激光成形(DMLS)

SLS生产制造金属材料零部件,一般有二种方式,其一为间接性法,即高聚物覆亚膜金属粉末的SLS;其二为立即法,即立即金属粉末激光烧结(DirectMetalLaserSintering, DMLS)。自打1991年金属粉末立即激光烧结科学研究在Leuvne的Chatofci高校进行至今,运用SLS加工工艺立即烧结金属粉末成形三维零部件是迅速原形生产制造的终极目标之一。与间接性SLS技术对比,DMLS加工工艺最关键的优势是取消了价格昂贵且费时间的预备处理和后工艺处理流程。

立即金属粉末激光烧结(DMLS)的特性

DMLS技术做为SLS技术的一个支系,基本原理基本一致。但DMLS技术精准成形样子繁杂的金属材料零部件有很大难度系数,说到底,主要是因为金属粉末在DMLS中的“灰铸铁”效用和烧结形变,灰铸铁状况,是为使熔化的金属材料液表层与附近物质表层组成的管理体系具备最少活化能,在形状记忆合金与附近物质的表面张力功效下,金属材料液表层样子向球型表层变化的一种状况.球化会使金属粉末熔化后没法凝结产生持续光滑的溶池,因此产生的零件松散多孔结构,导致成形不成功,因为单组元金属粉末在高效液相烧结环节的黏度相对性较高,故“灰铸铁”效用尤其比较严重,且球型直徑通常超过粉末状顆粒直徑,这会造成 很多孔隙度存有于烧结件中,因而,单组元金属粉末的DMLS具备显著的加工工艺缺点,通常必须事后解决,并不是真实实际意义上的“立即烧结”。

为摆脱单组元金属粉末DMLS中的“灰铸铁”状况,及其从而导致的烧结形变、相对密度松散等加工工艺缺点,现阶段一般能够根据应用溶点不一样的多个元金属粉末或应用预合金粉末来完成。多组分金属粉末管理体系一般由高熔****属、低熔****属及一些加上原素混和而成,在其中高熔****属粉末状做为框架金属材料,能在 DMLS 中保存其固相关键;低熔****属粉末状做为粘接金属材料,在 DMLS 中熔化产生高效液相,形成的高效液相包复、湿润和粘接固相金属材料顆粒,为此完成烧结高密度化。

立即金属粉末激光烧结(DMLS)的难题

做为SLS技术的一个关键支系的DMLS技术尚处于持续发展趋势和健全的全过程当中,其烧结的物理学全过程及烧结高密度化原理仍未知了,不一样金属粉末管理体系的激光烧结加工工艺主要参数仍需探索,专用型粉末状的研制开发与开发设计也有待提升。因而,创建金属粉末立即激光烧结全过程的数学课、概念模型,定量分析法DMLS烧结高密度化全过程中的烧结个人行为和组织架构转变,变成粉未冶金科学研究与工程项目科学研究中的关键內容之一。DMLS中,金属粉末的物理性能针对烧结品质拥有 以及关键的危害,同样的加工工艺主要参数标准下,不一样的粉末状管理体系的烧结实际效果通常有非常大的差别。掌握粉末状管理体系的物理性能,为其挑选最优控制的加工工艺主要参数,是DMLS的最基础、最重要的规定。很多研究表明,危害DMLS品质的三个重要物理性能主要参数关键为:烧结特点、铺筑特点和可靠性。

选区激光熔化(SLM)

SLM 的观念最开始由法国Fraunhofer研究室于1995年明确提出,2002年该研究室对SLM 技术的科学研究获得极大的取得成功。全世界第一台SLM机器设备由美国MCP企业集团所辖的法国 MCP-HEK 子公司已于 2003 年末发布。为获得全高密度的激光成形件,另外也获益于2000年以后激光迅速成形机器设备的巨大进步(主要表现为优秀较高能光纤线激光器的应用、铺粉精密度的提升 等),粉体设备彻底熔化的冶金工业体制被用以金属结构的激光迅速成形。比如,法国知名的迅速成形企业EOS企业,是全世界较早进行金属粉末激光烧结的系统化企业,关键从业SLS金属粉末、加工工艺及机器设备产品研发。而该企业近期产品研发的EOSINTM270/280型机器设备,虽再次延用“烧结”这一描述,但已安装200W光纤线激光器,并选用彻底熔化的冶金工业体制成形金属结构,成形特性得到明显提升 。现阶段,做为SLS技术的拓宽,SLM术已经法国、美国等欧洲各国迅猛发展。就算再次延用“选区激光烧结”(SLS)这一描述,具体所选用的成形体制已变化为粉体设备彻底熔化体制。

选区激光熔化的基本原理

SLM技术是在SLS基本上发展趋势起來的,二者的基本概念相近。SLM技术必须使金属粉末彻底熔化,立即成形金属产品,因而必须高功率激光器激光束刚开始扫描仪前,水准铺粉辊先把金属粉末铺平到生产加工室的基钢板上,随后激光束将按当今层的轮廊信息内容可选择性地熔化基钢板上的粉末状,生产加工出当今层的轮廊,随后可升降机构降低一个涂层薄厚的间距,翻转铺粉辊再在已生产加工好的当今层下铺金属粉末,机器设备加入下一涂层开展生产加工,这般逐层生产加工,直至全部零件加工结束。全部生产过程在真空包装或通有汽体维护的生产加工室中开展,以防止金属材料在高溫下与别的汽体产生反映。SLM与DMLS的界线现阶段很模糊不清,差别不显著, DMLS技术虽汉语翻译为金属材料的烧结,具体成形全过程中大部分情况下已将金属粉末彻底熔化。DMLS技术应用原材料都为不一样金属材料构成的化合物,各成份在烧结(熔化)全过程中互相赔偿,有益于确保制做精密度。而SLM技术应用原材料关键为单一成分的粉末状,激光束迅速熔化金属粉末并得到 持续的扫描线。

选区激光熔化技术的发展趋势难题

激光选区成形件中,Fe钴合金(主要是钢)SLM成形科学研究较多,但SLM成形加工工艺有待提升、成形特性有待进一步提高;对SLM成形特性(尤其是占基本影响力的致相对密度),现阶段SLM成形的钢预制构件一般难以达到全高密度。处理钢原材料SLM成形的高密度化难题,是迅速成形科学研究的至关重要发展瓶颈。钢原材料激光成形的难度系数,关键在于钢中主要元素的有机化学特点。基材原素Fe及铝合金原素Cr对氧都具备较强的亲和性,在基本粉末状解决和激光成形标准下难以完全防止空气氧化状况。因而,在SLM全过程中,钢溶体表层金属氧化物等环境污染层的存有,将明显减少润滑性,造成激光熔化独有的冶金工业缺点灰铸铁效用及凝结微裂痕,进而明显减少激光成形致相对密度及相对的物理性能。另一方面,钢中C成分是决策激光成形特性的又一个首要条件。一般,过高的C成分将对激光成形性造成不好,随C成分上升,溶体表层C原素层的薄厚亦会提升。这与空气氧化层的不好危害相近,也会减少润滑性,造成 溶体溶合性减少,并造成灰铸铁效用。除此之外,在位错上产生的繁杂渗碳体会扩大钢原材料激光成形件的延性。因而,一般对钢原材料SLM成形,需提升 激光比能量及SLM成形溫度,可推动渗碳体的融解,也可使铝合金原素匀称化。

根据粉体设备原材料及SLM加工工艺提升,包含:

1,严控初始粉体设备原材料及激光成形系统软件中的氧含量以改进润滑性;

2,有效管控键入激光比能量以获得适合的高效液相黏度以及流变性特点,可合理抑止灰铸铁效用及微裂痕产生,从而获得近全高密度构造。

针对以Al铝合金为意味着的轻铝合金零件激光迅速成形,此前绝大部分科学研究报导是根据SLS半固体烧结成形体制,但因比较严重的灰铸铁效用及孔隙度缺点,故研究成果并不大;而SLM技术有望为性能卓越繁杂构造Al铝合金零件近净成形与快速制造出示全新的技术方式。Al钴合金零件SLM成形具备难度很大,是由原材料本身独特物理学特点实质所决策的。一方面,,一般低输出功率CO2激光无法使Al合金粉体产生合理熔化,而规定应用比能量高些的光纤线或Nd:YAG激光,这毫无疑问对激光器特性明确提出了更严苛的规定。另一方面,Al合金制品导热系数高,SLM成形全过程中激光动能键入非常容易沿基钢板或在粉床中传送耗费,造成 激光溶池溫度减少,溶体黏度提升且流通性减少,所以无法合理湿润基材原材料,造成 SLM成形灰铸铁效用及內部孔隙度、裂痕等缺点。其三,从成形加工工艺角度,Al合金材料密度较低,粉体流动性差。

  需指出的是,基于SLM/SLRM成形机制,虽能在一定程度上改善激光成形件的致密度和表面光洁度,但因成形过程中粉末发生完全熔化/凝固,故在固液转变过程中将出现明显的收缩变形,致使成形件中积聚较大的热应力,并将在冷却过程中得以释放,使得成形件发生变形、甚至开裂。由于激光选区熔化成形技术成形粉末需求量大,需要在整个成形平面铺设金属粉末,因而不适宜成形贵重的金属;整个成形平台较大,惰性气体保护效果较差,因而也不适宜成形易氧化的金属粉末。

  选区激光熔化技术的优势

  在原理上,选区激光熔化与选区激光烧结相似,但因为采用了较高的激光能量密度和更细小的光斑直径,成型件的力学性能、尺寸精度等均较好,只需简单后处理即可投入使用,并且成型所用原材料无需特别配制。选区激光熔化技术的优点可归纳如下:

  1.直接制造金属功能件件,无需中间工序;

  2.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;

  3.金属粉末完全熔化,所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;

  4.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;

  5.可直接制造出复杂几何形状的功能件;

  6.特别适合于单件或小批量的功能件制造。

  文章来源:搜狐


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