金属直接快速成型技术发展现状及未来发展趋势

金属直接快速成型技术发展现状及未来发展趋势

摘要：RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。然而，由于目前快速成型技术主要是围绕树脂、塑料、纸、蜡等较易成型材料的成型工艺进行研究。由于材料所限，其应用难以进一步拓展。因此，金属、陶瓷等材料的直接成型已经成为快速成型技术的研究热点。金属粉末的激光快速成型技术是集计算机辅助设计、激光熔覆、快速成型于一体的先进制造技术(是传统加工成形方法的重要补充)本文系统介绍了金属粉末激光快速成型的原理、系统组成及最新研究进展(并对其发展前景进行了展望)

1引言

近年来(快速成型技术有了新的发展(已开始在金属材料’陶瓷材料的制备上得到应用(其主要目标是快速制造出满足使用性能的致密的金属零件)。传统的快速成型方法成型金属零件时(多采用树脂包覆的金属粉末作为原材料，通过激光扫描使树脂熔化将金属粉末固结在一起；也可采用喷射粘结剂的方法将松散的金属粉末粘结成型。在成型后要经过脱粘、浸渗塑料、低熔点金属或铜来加强(可制成镶块用在塑料注射模和压铸模中。如脱粘后经热等静压处理也可制成致密金属零件，但难以保证零件的尺寸精度。目前，金属零件的快速成型方法主要有间接激光烧结、直接激光烧结和液滴喷射沉积，其中直接激光烧结技术是目前快速制备致密金属零件的主要技术。本文将只介绍基于金属粉末的直接激光烧结技术的最新进展情况。

2 主要直接成型方法

目前，可以直接成型金属零件的快速成型方法主要有三种：选区激光烧结制造金属零件、激光熔覆快速成型和选区激光熔化直接成型。

2.1选区激光烧结制造金属零件

其方法是，用低熔点金属或有机粘接材料包覆在金属粉末表面，激光选区照射时，低熔点金属或粘接材料熔化，而金属粉末不熔化．形成的三维实体为类似粉末冶金烧

结的坯件．实体存在一定比例孔隙，不能达到100％密度，力学性能也较差。常常还需要经过高温重熔或渗金属填补孔隙等后处理以后才能使用。

其工作原理：采用激光有选择地分层烧结固体粉末， 并使烧结成形的固化层层层叠加， 生成所需形状的零件。整个工艺过程包括CAD 模型的建立及数据处理、 铺粉、 烧结以及后处理等。

振镜系统光路系统激光器推粉墙

推粉板

供粉缸工作台成形零件工作缸

图 1 SLS 成形的工作原理

SLS 成形的工作原理如图 1 所示。系统主要由激光器、激光光路系统、振镜运动系统、工作台、供粉缸、工作缸、推粉墙构成。成形时，先在工作缸中铺设一定厚度的粉末材料，作为第一层的烧结原材料，并起到支撑作用； 激光束经过调焦等校正后，在计算机控制下，按照截面轮廓信息，对制件的实心部分进行扫描烧结，使粉末的温度升至熔化点，粉末颗粒在交界处熔化，粉末相互黏结，逐步得到各层轮廓；非烧结的粉末仍呈松散状，作为工件和下一成形面的支撑，并起到一定的散热作用；一层成形完成后，工作缸推粉板在伺服电机的作用下，粉末面下降一个截面层的高度，同样，供粉缸推粉板在伺服电机的带动下，上升一个截面层的高度，使工作缸的粉末获得较好的铺粉效果，也可使供粉缸推粉板上升略大于一个截面的高度，并在推粉墙的推动下，进行下一层面的铺粉和铺平；然后，激光束再次进行扫描烧结。如此循环，最终形成设计形状的三维工件。三维工件制作完成后，未熔化的粉末可被刷除，作为下次烧结的原料。

2.2激光熔覆快速成型

美国称之为LENS(Laser Engineered Net Shaping)．在德国称之为LG(Laser Generating)．在我国也称为激光熔覆或近形制造。该方法采用同轴环形粉末喷嘴，并

使用大功率Nd：YAG固体激光器或CO2激光器，输送的粉末汇聚点与激光作用点重合，通过：E作台或喷嘴移动，获得堆积的熔覆实体，致密度接近100％，其组织具有快速凝固特征．性能较常规方法略有提高。然而，此技术使用的是大功率激光器，包括千瓦级的激光器，虽然可以得到冶金结合的致密金属实体。但由于激光作用区的光斑较大，一般在l mm左右。所以所得金属零件的尺寸精度和表面粗糙度都比较差，只能制作粗毛坯，需进一步精加工后才能使用。

2.3选区激光熔化直接成型

这种方法是在选区激光烧结SLS基础上发展起来的，主要区别在于所用激光器和聚焦斑点尺寸的不同，金属粉末完全熔化，产生冶金结合。与SLS相比，它需要高功率密度激光器．可聚焦到几十微米大小的光斑，由于材料吸收问题，波长为10．6μm的CO2激光器很难满足要求。Nd：YAG由于光束模式差也很难达到要求。它可使用光束模式较好的半导体泵浦YAG激光器或光纤激光器，功率在100～200W，功率密度达5×106W/cm：以上。

图2. 选区激光熔化的原理示意图

图2是选区激光熔化的原理示意图。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。

目前，在国外，对SLM技术进行研究的国家主要集中在欧洲的德国、比利时、英国等国家。另外还有亚洲的日本、新加坡等国家。只有德国、日本、美国等少数几个生产商成功地开发了商用装备。这些公司包括德国的MCP、TRUMPF、日本的MATSUUR、美国的PHENIX等。在国内，由于SLM技术的众多优点．近年来国内有部分高校和科研单位也从事了该项技术的研究和推广工作，如华中科技大学和华南理工大学等。随着研究的深入国内研制的SLM设备在设备性能，工艺研究水准。成型材料开发。加工成型质量和精度方面都有了相当大的提高。华中科技大学模具国家重点实验室快速制造中心是国内较早从事SLM技术的研究工作的单位，并且已经在SLM系统制造技术上取得创新和突破。目前，该中心先后推出了两套SLM设备：HRPM-I和HRPM-II。HRPM-I系统主机主要由YAG激光器吸扫描装置、检测装置、自动送粉装置、可升降工作台、预热装置等组成。针对现有国外SLM系统难以直接制造大尺寸零件的现状，从预热装置、预热温度控制和激光扫描方式等相关方面进行攻关和创新。解决大尺寸SLM零件易于变形的难题．成功开发出具有大面积的工作台面(250nmm×250mm)的SLM系统。HRPM-II系统的主机和控制系统与HRPM-I系统基本相同。最大的区别在于激光器与送粉装置的不同。

欧洲有名的Rapid Tooling方案提供商MCP．推出了直接成型金属的设备MCP Realizer，将它用于SLM。可以成型压铸工具、注射模以及有一定成分金属和陶瓷的医学植入体。其设备采用l00W的固体光纤激光器，振镜扫描，利用该设备可以通过层与层之间相互粘结(最小铺粉层厚约50μm)实现专用金属粉末的近完全密度快速成型，能加工出表面精度很好的、厚度小于100μm的薄壁件。其成型室尺寸为250mmx250mm×240mm，成型速度为5mm3/h．加工完成后的零件表面粗糙度约为10～30μm。可支持更高的扫描速度，减少零件的激光热影响和成型过程的变形。短波激光具有很高的热转换效率，最大扫描速度可达3m/s，成型量可达2～20mm3/s，铺粉层厚20～100μm (视成型粉末材料而定)，加工室容积为250mm×250mm×215mm。

德国Concept Laser(4／公司生产的金属快速成型设备M3 Linear，采用半导体泵浦单模Nd：YAG激光器，功率为100～200W，具有良好的光束质量、功率稳定性和长的使用寿命(10000h)。德国的ILT与Trumpf 公司合作开发了SLM技术。在设备方面，使用ILT和Edgewave公司制造的半导体泵浦的Nd：YAG激光器和Trumpf公司