金属3D打印技术(激光立体成形技术)

激光立体成形技术

激光立体成形技术（Laser Solid Forming，LSF）的基本原理是：首先在计算机中生成零件的三维CAD 模型，然后将该模型按一定的厚度分层“切片”，即将零件的三维数据信息转换成一系列的二维轮廓信息，再采用激光熔覆的方法按照轮廓轨迹逐层堆积材料，最终形成三维实体零件或需进行少量加工的毛坯。图1显示了典型的LSF过程。

图1 LSF技术加工示意图

从LSF技术的原理来看，其成形思路与快速原型（Rapid Prototype, RP）技术完全一致，即采用全新的增材制造原理实现零件的成形。因此，它具有一些与RP技术相同的特点，如柔性好（无需专用工具和夹具）、高度集成、加工速度快等。此外，该技术还具有RP技术所不具备的一些优点：

1) 显著提高材料的力学和耐腐蚀性能。利用激光束与材料相互作用时的快速熔化和凝固过程，可以获得细小、均匀、致密的组织，消除成分偏析的不利影响，从而提高材料的力学和耐腐蚀性能。表1是几种材料的LSF件力学性能数据，从中可以看出，LSF件的力学性能已达到锻件标准。

2) 制造速度快、节省材料、降低成本。LSF技术直接使用金属材料制作零件或近形件，后续的机械加工量很小，极大地节省了材料，同时省去了模具制造的周期和费用，从而大幅度缩短了零件的加工周期。尽管大功率激光加工本身的成本较高，但在航空航天领域高性能零件的制造中其综合成本仍然能够有较大幅度的降低。表2是LSF技术与传统铸造和锻造技术的综合比较，从中可以看出，该技术应用于航空用盘形零件时，其在材料利用率、研制周期、总成本等方面均优于铸造和锻造技术。

表1 LSF件拉伸性能结果

材料Ti-6Al-4V316L不锈钢Inconel 625

成形工艺锻造LSF锻造LSF锻造LSF σb / (MPa)900 ~ 950930 ~ 1040586792834930

0.2/ (MPa)830 ~ 860870 ~ 950241448400634

δ / (%)13 ~ 1713 ~ 1650663738

ψ/ (%)37 ~ 4540 ~ 45————

表2 LSF技术与锻造和铸造技术的综合比较（航空用盘形零件）

成形工艺LSF锻造铸造

材料利用率2/3< 1/101/5

设计修改时间 1 ~ 2天6个月3个月

加工循环周期 1 ~ 2天4个月 6 ~ 12个月损耗氩气模具铸型、铸模、浇铸系统

3) 可在零件不同部位形成不同的成分和组织，合理控制零件的性能。从成形原理上讲，LSF技术是逐点堆积材料，因而可以很方便地在零件的不同部位获得不同的成分，特别是采用自动送粉熔覆的方式进行成形时，通过精确控制送粉器粉末输送流量，原则上可以在零件的任意部位获得所需要的成分，从而实现零件材质和性能的最佳搭配。这一点是传统的铸造和锻造等成形技术无法实现的。

4) 可以很方便地加工一些高熔点、难加工的材料。由于激光束的能量密度很高，同时激光束与材料之间属于非接触加工，采用LSF技术成形制备那些熔点高、加工性能差的材料，如钨、钛、铌、钼和高温合金等，其难度与普通材料相同，因此该技术相比传统制备成形技术在这方面具有非常突出的优越性。