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金属材料的3D打印制造技术

一般而言,激光快速成型需要用高功率的激光照射试件表面,融化金属粉末,形成液态的熔池,然后移动激光束,熔化前方的粉末而让后方的金属液冷却凝固。周边需要有送粉装臵、惰性气体保护、喷头控制等来配套。
金属材料的3D打印制造技术之所以难度大,是因为金属的熔点比较高,涉及到了金属的固液相变、表面扩散以及热传导等多种物理过程。需要考虑的问题还包括,生成的晶体组织是否良好、整个试件是否均匀、内部杂质和孔隙的大小等等。另外,快速的加热和冷却还将引起试件内较大的残余应力。为了解决这些问题,一般需要在多种制造参数配合,例如激光的功率和能量分布、激光聚焦点的移动速度和路径、加料速度、保护气压、外部温度等等。
 
1.3D金属零件快速制造技术

1.1选区激光烧结(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。 

1.1.1 SLS 技术原理及其特点 

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。

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。由于烧结好的零件强度较低,需要经过后处理才能达到较高的强度并且制造的三维零件普遍存在强度不高、精度较低及表面质量较差等问题。 

在SLS出现初期,相对于其他发展比较成熟的快速成型方法,选择性激光烧结具有成型材料选择范围广,成型工艺比较简单(无需支撑)等优点。但由于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(表现为先进高能光纤激光器的使用、铺粉精度的提高等),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)已被类似更为先进的技术代替。 

1.2直接金属激光成形(DMLS) 

SLS制造金属零部件,通常有两种方法,其一为间接法,即聚合物覆膜金属粉末的SLS;其二为直接法,即直接金属粉末激光烧结(DirectMetalLaserSintering, DMLS)。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。 

1.2.1直接金属粉末激光烧结(DMLS)的特点 

DMLS技术作为SLS技术的一个分支,原理基本相同。但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”。 

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。 

1.2.2直接金属粉末激光烧结(DMLS)的问题 

作为SLS技术的一个重要分支的DMLS技术尚处在不断发展和完善的过程之中,其烧结的物理过程及烧结致密化机理仍不明了,不同金属粉末体系的激光烧结工艺参数仍需摸索,专用粉末的研制与开发还有待突破。因此,建立金属粉末直接激光烧结过程的数学、物理模型,定量研究DMLS烧结致密化过程中的烧结行为和组织结构变化,成为粉末冶金科学与工程研究中的重要内容之一。 

DMLS中,金属粉末的物性对于烧结质量有着及其重要的影响,相同的工艺参数条件下,不同的粉末体系的烧结效果往往有很大的区别。把握粉末体系的物性,为其选择最优化的工艺参数,是DMLS的最基本、最重要的要求。大量研究表明,影响DMLS质量的三个关键物性参数主要为:烧结特性、摊铺特性和稳定性。 

1.3选区激光熔化(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(Mining and Chemical Products Limited)集团公司下辖的德国 MCP-HEK 分公司已于 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(表现为先进高能光纤激光器的使用、铺粉精度的提高等),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。 

1.3.1选区激光熔化的原理  

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。SLM与DMLS的界限目前很模糊,区别不明显, DMLS技术虽翻译为金属的烧结,实际成型过程中多数时候已将金属粉末完全熔化。DMLS技术使用材料都为不同金属组成的混合物,各成分在烧结(熔化)过程中相互补偿,有利于保证制作精度。而SLM技术使用材料主要为单一组分的粉末,激光束快速熔化金属粉末并获得连续的扫描线。