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加工金属不仅仅只有机床中的车钳刨铣磨

导读: 激光选区熔化(SLM)技术是利用高能量的激光束,按照预定的扫描路径,扫描预先铺覆好的金属粉末将其完全熔化,再经冷却凝固后成形的一种技术。

一、SLM技术的原理和特点

激光选区熔化(SLM)技术是利用高能量的激光束,按照预定的扫描路径,扫描预先铺覆好的金属粉末将其完全熔化,再经冷却凝固后成形的一种技术。其技术原理如下图所示。

加工金属不仅仅只有机床中的车钳刨铣磨,还有…

图1 激光选区熔化技术原理图

SLM技术具有以下几个特点:

①成形原料一般为一种金属粉末,主要包括不锈钢、镍基高温合金、钛合金、钴一铬合金、高强铝合金以及贵重金属等。

②采用细微聚焦光斑的激光束成形金属零件,成形的零件精度较高,表面稍经打磨、喷砂等简单后处理即可达到使用精度要求。

③成形零件的力学性能良好,一般拉伸性能可超铸件,达到锻件水平。

④进给速度较慢,导致成形效率较低,零件尺寸会受到铺粉工作箱的限制,不适合制造大型的整体零件。

二、SLM技术的发展现状

SLM技术实际上是在选区激光烧结(SLS)技术基础上发展起来的一种激光增材制造技术。但是在SLS成形过程中存在粉末连接强度较低的问题,为了解决这一问题,1995年德国弗劳恩霍夫激光技术研究所提出了基于金属粉末熔凝的选区激光熔化技术构思,并且在1999年在德国研发出了第一台基于不锈钢粉末的SLM成形设备,随后许多国家的研究人员都对SLM技术展开了大量的研究。

目前,对SLM技术的研究主要集中在德国、美国、日本等国家,主要是针对SLM设备的制造和成形工艺两方面展开。国外有许多专业生产SLM设备的公司,如美国的PHENIX、3D SYSTEM公司;德国的EOS、CONCEPT、SLM SOULITION公司;日本的MATSUUR、SODICK公司等,均生产有性能优越的SLM设备,目前德国EOS公司生产的EOSM400型SLM设备最大加工体积可达400mm×400mm×400mm。

在中国对SLM设备的研究主要集中在高校,华中科技大学、西北工业大学和华南理工大学等高校在SLM设备生产研发方面做了大量的研究工作,并且成功应用,其中华中科技大学史玉升团队以大尺寸激光选区烧结设备研究与应用获得2011年国家技术发明二等奖。但是国内成熟的商业化设备依旧存在空白,目前国内使用的SLM设备主要还是以国外的产品为主,这将是今后中国SLM技术发展的一个重点方向。

三、SLM技术的运用

SLM技术自成功开发后,其轻量化的零件构造特点就被各大航空、汽车公司所青睐。下图是著名的航空工业供应商LiebherrAirbus和德国开姆尼茨工业大学合作开发,借助EOS公司生产完成的印液压阀,目前已通过Airbus A380的飞行测试。

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图2 传统方法制造的阀体(左)和经过优化的金属3D打印阀体(右)

全新的增材制造阀体由钛合金制成,性能与传统阀门相同,但重量减少了35%,使用的零部件更少。可以将10个功能性元件集成到新的阀体中,而不必使用具有大量横向孔的管道系统。与传统的铣削工艺相比,工业3D打印复杂性更低而材料利用率极高,最大限度避免了钛合金的浪费。如今,制造一台阀体需要大约一天的时间,EOS公司的生产制造时间还可能缩短75%以上。轻量化3D打印阀体和未来的3D打印零部件也将有助于降低燃油消耗、减少二氧化碳和氮氧化物的排放。

同时,还有美国GE公司于2012年收购的Morris Technologies公司,该公司利用Morris的SLM设备与工艺技术制造出了喷气式飞机专用的发动机组件,如下图所示,GE公司明确地将激光增材制造技术认定为推动未来航空发动机发展的关键技术。

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图3 SLM技术所制的发动机叶轮

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图4 GE公司使用SLM技术所制的燃料喷嘴

同时SLM技术在医学领域也有重要的应用,西班牙的Salamanca大学利用澳大利亚科学协会研制的Arcam型SLM设备成功制造出了钛合金胸骨与肋骨,如图所示,并成功植入了罹患胸廓癌的患者体内。

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图5 SLM技术所制的钛合金胸骨与肋骨

西北工业大学、华中科技大学和华南理工大学是我国从事SLM技术研究较早较深人的科研单位,他们分别应用SLM技术制造出了大量的具有复杂结构的金属零件,如下图所示。

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图6 复杂结构零件

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图7 蜂窝多孔金属零件

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图8 不锈钢多孔复杂零件

目前,激光增材制造技术所应用的材料已涵盖钛合金、高温合金、铁基合金、铝合金、难熔合金、非晶合金、陶瓷以及梯度材料等,在航空航天领域中高性能复杂构件和生物制造领域中多孔复杂结构制造具有显著优势。

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