1、1金属粉末激光快速成形技术罗建兵20110312141金属粉末激光快速成形技术介绍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。本篇文章主要介绍了金属粉末激光快速成形的原理、装置组成及最新研究进展, 并对其发展前景进行了展望。快速成型技术(RP, Rapid Prototyping ) 是从1987 年开始发展起来的一种先进制造技术。该技术最初用来制造铸造用模型, 后来发展到制造原型零件,主要用于模型或零件的直观检验, 其关键是要求形状准确, 而对其力学性能没有太高的要求, 所采用的成型材料主要有液体光敏树脂、蜡、纸等替代
2、材料。目前, 美国、日本、德国已相继开发出多种快速成型技术, 如液体光敏树脂固化、熔融沉积成型、实体叠层制造、分层固化、选择性激光烧结、3D 喷射印刷等技术。该技术在无需任何硬质工模具的情况下, 可直接从计算机三维设计制造出实体零件, 在机械制造等众多领域已得到广泛应用。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
3、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。1 基本原理金属粉末快速成形技术的基本原理， 是先由CAD软件产生零件实体模型， 然后由分层软件对CAD 实体模型按照一定的厚度进行分层切片处理，获取各截面的几何信息，然后根据切片轮廓设计出扫描轨迹， 并将其转化成NC 工作台的运动指令。成形时具有一定功率密度的激光束照射到基材表面形成熔池，同时金属粉末由送粉器送出， 经
4、送粉管路输送到同轴送粉头并进入熔池形成熔覆层， 根据CAD 给定的各层截面的路径规划，在NC 的控制下使送粉头相对于工作台运动，将金属材料逐层扫描堆积，最后制造出金属实体零件。为防止某些金属在成形的过程中氧化，以上过程可在一个气氛可控的保护箱中进行，或采用其它手段来进行保护，使激光成形过程中的金属不被氧化。金属粉末激光快速成形原理如图示。1图1 金属粉末激光快速成形原理2 系统组成金属粉末的激光直接快速成型系统主要由软件系统、激光器、数控系统及工作台、粉末输送系统及保护气氛装置组成 软件系统主要包括造型、数据处理及工艺监控3部分。造型软件负责完成零件的三维CAD 造型设计,并生成STL 文件格
5、式, 目前RP 所使用的造型件主要有Pro/E ,Uni graphics, Solid Works,Auto CAD 等,快速成型也可使用CT , MR I 扫描数据及三维数字化系统创建的模型数据; 数据处理软件负责对模型的STL 文件数据进行诊断检验及修复、插补、显示、分层切片, 完成轮廓的偏置、扫描路径生成、填充线的优化、支撑的生成及加入加工参数等; 工艺监控软件负责数据处理所生成的数控信息对成型系统运动的控制, 完成成型制造过程。激光器提供成型时金属粉末熔化所需的能量, 目 保护气氛系统是为防止金属粉末在激光成型过程发生氧化, 降低沉积层的表面张力, 提高层与层之间的浸润性, 同时有利
6、于提高工作安全。为防止金属的氧化, 可采用专门设计的粉末输送系统或在一密闭的手操箱内成型( 一般要求氧含量低于100000.。前主要使用CO 2 激光器和N bYA G 固体激光器。金属粉末快速成型所使用激光器的功率一般在几百瓦到几千瓦, 激光功率的大小及金属粉末对激光的吸收将影响成型的速度。数控系统及工作台实现成型时的运动扫描、z 轴的升降, 在工艺监控软件支持下完成对激光器开关、激光功率大小、扫描运动速度、送粉器开关、送粉量及保护气等的控制和调节, 实现激光功率密度、扫描速度、送粉量之间的相互匹配, 完成零件的制造, 为保证成型零件质量, 最好能实现对成型1过程的闭环控制。稳定可靠的粉末输
7、送系统是金属零件精确成型的重要保证。粉末输送的波动将使成型过程失去平衡, 并最终可能导致零件制备的失败。送粉系统由送粉器及送粉喷嘴组成, 目前送粉器主要是采用等离子喷涂用送粉器, 利用载气来输送粉末, 送粉量通过调节送粉转盘的转速来控制, 具有较高的送粉精度及稳定性 , 但由于载气流量大, 粉末运动速度过高, 而降低了粉末的沉积率。针对激光熔覆时粉末流量较低的特点, 已开发出专门的送粉器。送粉方式有侧向送粉和同轴送粉, 因同轴送粉能克服因激光束和材料引入的不对称而带来对扫描方向的限制, 而在金属粉末快速成型系统中得到较多采用。一般将同轴送粉装置与激光头固定在一起, 完成z 轴运动, 且送粉喷嘴
8、与光头(光斑) 相对位置可以调节。图 2 同轴送粉喷嘴3 金属粉末激光快速成形技术的特点由于采用离散/堆积成形的思想， 与其它传统制造技术相比， 金属粉末激光快速成形技术有以下突出优点：制造过程具有高度的柔性； 生产周期短，加工效率高； 具有很高的设计灵活性， 真正意义上实现了数字化、智能化和并行化制造； 成形材料广泛， 可实现多种材料以任意方式复合的成形技术；所制造的零件具有较高的综合力学性能， 强度高， 耐腐蚀性好； 应用范围广， 不仅可以用于金属零件的快速制造， 而且还可用于再制造工程中大型金属零件的立体修复。4 研究进展快速成型技术经过十几年的发展, 正逐步走向成熟, 在提高零件成型精
9、度、减少制造时间、降低制造成本等方面取得了显著进展。目前, 快速成型在原型和模型的制造方面, 已成为一种不可替代的先进制造技术。据 WHOLERS统计报道, 到1998 年全世界已有3 300多台快速成型设备投入使用。与此同时, 利用快速成型系统进行工模具制造及陶瓷材料的成型也得到了很大发展。近年来, 随着大功率激光器的出现, 使得采用快速成型方法直接制造金属零件成为可能, 近几年来, 美国、德国、日本等国家的研究机构及大学在政府资助下对此进行了广泛研究。1美国SANDIA 国家实验室在能源部支持下, 与A l2lied Signal Inc. , Eastman Kodak Co. , Ha
10、sbro Inc. ,Laser Fare Inc. 等合作, 研制开发出一种称作L EN S(Laser Engineered N et Shaping) 的金属零件快速成型技术, 可直接由CAD 固体模型制造出致密金属零件。这种制造技术，其基本原理是先将CAD 模型沿高度方向进行水平切片，四个喷嘴将粉末流直接汇聚到喷嘴下方的一个中心点，进入基材上由高能激光束加热熔化形成的熔池中，通过基材相对喷嘴的移动，层层堆积金属并最终形成零件。LENS 系统主要由四个部分组成：YAG 固体激光器、可调整气体成分的手套箱、多轴数控系统和送粉系统。采用波长为1.064m 的YAG 激光器以利于金属元素对激光
11、热辐射的吸收。使用焦距为6 英寸的平凸透镜，将激光束聚焦到加工平面上，使能量集中在很小的光斑上，一方面减少了热影响区，另一方面提高加工精度；为了避免加工过程中金属材料与空气中的氧、氮等元素发生反应，整个加工过程均在惰性气氛保护下的手套箱中进行。通过工艺参数的调整，成形件最小特征尺寸可达0.03 英寸；通过对控制软件进行研究和改进，有效地提高了该技术的加工精度，到1999 年为止，其零件的加工精度在X 和Y 方向已达0.05mm， Z轴精度为0.4mm， 表面粗糙度达到6.25m。在送粉方面，通过调节送粉率，逐渐改变粉末的成分，在一个零件中实现了材料成分的连续变化，可进行功能梯度材料和复合材料的
12、制造。如图3 所示的样件展示了SANDIA 国家实验室LENS 技术的制造灵活性。通过 SANDIA 国家实验室与其伙伴公司长期商业化推广，至今已推出了三代 LENS R 装备， 图 4 所示为第三代成形机 850-R， 由 12KW 的光纤激光器、5 轴联动龙门式数控系统、双料送粉系统和惰性气体手套箱组成，能够实现钛合金、不锈钢和镍基合金等金属材料的快速成形，为了提高成形精度，LENS R装备集成了沉寂高度控制系统和熔池闭环控制系统，通过对成形过程中的热效应和几何效应进行补偿， 使零件成形精度得到提高，表面粗糙度可达4.6811.7m， 沉积率为 0.5kg/h。LENS 装备以其技术先进性
13、和良好的稳定性，在国际市场上已占有一定地位。图 3 LENS 技术成形的典型零件 图 4 LENS 850R 成形装备美国Are o Met Corp. 与John Hopkins U. , Penn State U. , M TS System s Corp. 合作, 在 Defense Advanced Research Projects Agency 及Off ice of N aval Research 联合资助下, 采用14 kW 的CO 2 激光器和稳定1的快速供粉系统, 发展了钛合金 (T i-5A l-2.5Sn,T i-6A l-4V ) 的柔性制造技术, 其工作空间为3 m
14、 3m1.2 m , 产品达到近终形, 成份和力学性能均达到A STM 标准。采用该系统可进行大型钛合金结构件的快速制造, 可显著降低制造时间及成本, 同时可制备功能梯度材料及进行大型金属零件的修复。Stanford 大学将去除法和添加法结合在一起, 形成自己的形状沉积制造技术(Shape Deposition Manufacturing) , 所用材料包括成形材料和支撑材料 , 所成型的零件具有很高的精度。此外, University of Central Florida, University of Michigan, 德国的Fraunhofer Institute fo r Produc
15、t ion Techno logy, University of Birmingham 等在政府资助下, 研究了不锈钢、H13 工具钢、镍基合金、金属间化合物、生物陶瓷、复合材料以及功能梯度材料零件的近形制造。图 5 DL F 方法所制 316 不锈钢薄板截面组织（ a）及沉积示意图（b）5 展 望综上所述, 金属粉末的激光快速成型技术集计算机辅助设计、激光熔覆、快速成型于一体, 在无需任何硬质工模具或模型的情况下, 能快速制备出不同材料的复杂形状零件, 缩短制造周期, 增强产品竞争优势, 特别有利于复杂形状、多品种、小批量零件的生产。所成型零件致密度高, 具有快速凝固组织特征, 能满足直接使
16、用要求, 在航天器件、飞机发动机零件及武器零件的制备上具有广阔的应用前景。此外, 还可以通过改变成型材料, 得到不同部位由不同材料组成的零件, 与材料设计相结合, 可发展材料的智能制备系统。我国清华大学、西安交通大学、华中理工大学、北京隆源自动成形公司等相继开展了快速成型理论、工艺方法、设备、软件、材料等方面的研究, 并在工业造型设计、新产品样件制造、快速注塑模具及压铸模制造中得到应用, 但采用快速成型方法直接制备致密金属零件方面的工作还没有真正开展, 因此需大力加强对该技术的研究。参考文献1.Anonymous.Laser Forms and Repairs WorkpiecesJ. Man
17、ufacturing Engineering，2008,2.2.尚晓峰，等.激光工程化净成形技术的研究J. 工具技术，2004,113.姜淑娟, 等. 金属粉末激光成形过程中的闭环控制研究C.20074.Abbott D H, ARCELLA F G. Laser forming titanium components J.Advanced Materials and Processes，May 1998.5.Journal of Materials Processing Technology Volume 147, Issue 2, 10 April 2004, Pages 167173La
18、ser direct manufacturing of tungsten nickel collimation component摘要 Laser direct manufacturing (LDM) has been intensively developed in recent years to directly and flexibly manufacture metallic components with full metal density, functions and properties, especially for some specific materials or ge
19、ometry. This paper presents a project work on laser direct manufacturing a novel designed collimation component for an out-space hard X-ray modulation telescope. The research work contained the characteristics of overlap multi-pass laser cladding of tungsten or tungsten nickel alloys, microstructure
20、 analyses, technique stability of laser direct manufacturing, and the final direct manufacturing of tungsten nickel collimation component. The results proved that laser direct manufacturing could be well used to manufacture specific material and geometry component of good quality, which are very dif
21、ficult or even impossible by conventional manufacturing methods.激光直接制造钨镍准直组件摘要：激光直接制造（LDM）已被深入近年来发展起来的直接和灵活的制造全金属的密度，功能和性能，特别是对一些具体的材料或几何形状的金属部件。本文提出了一种激光直接制造出空间硬X 射线调制望远镜设计一种新型的准直组件项目工作。研究工作中的特性重叠的钨或钨镍合金，显1微组织分析，激光直接制造技术稳定性，钨镍准直组件和最终的直接制造的多道次激光熔覆。结果证明，激光直接制造，可以很好地用于制造特定的材料和几何形状的组件的质量好，通过以往的制造方法这是非常
22、困难甚至是不可能的。Keywords：Laser direct manufacturing ， 激光直接制造 ;W/Ni alloy; W / Ni 合金 ;Collimation component ；准直组件Rapid prototyping (RP) is a unique manufacturing strategy, which can produce any complex prototypes with good accuracy directly from a computer CAD model without any part-specific tooling or kno
23、wledge. With the capability of adding metal properties or functions into the form of the typical prototyping process, laser direct manufacturing (LDM) has attracted intensive research interests in recent years to directly and flexibly manufacture metallic components with full metal density, function
24、s and properties, especially for some functional gradient materials, super hard materials, compounds and specific materials or geometry, which are very difficult or even impossible by conventional manufacturing methods. Steen and Mazumder first tested the idea of rapid prototyping by laser cladding
25、in 1993 1 and 2, metallic components were reported to be generated by laser cladding in 1996 3, 3D components of H13 tool steel were fabricated by Direct Metal Deposition in 1997 4, then a lot of further research work was performed in many different institutes with different names for the direct man
26、ufacturing process and great progress has been made during recent years5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 and 15.LDM is a novel layer additive manufacturing technology. A high power laser beam is focused onto the surface of a workpiece, a coaxial small stream of powdered metal is then injected into t
27、he melt pool to form a metal clad pass. By moving the laser beam back and forth and tracing out a pattern determined by a CAD, a solid metal part is built point by point, line by line and layer by layer. Due to its rapid solidification characteristic, the metal part produced is of superior quality a
28、nd strength. LDM is the laser cladding based combined technology including lasers, powder metallurgy, CAD/CAM, CNC, sensors and automation control.LDM is the further development in RP and laser cladding technology, which promotes the present RP technology from the limited materials such as polymer,
29、paper and coated powder into the versatility of numerous metals and alloys. LDM is considered to be one of the promising metalworking technologies impacting manufacturings bottom line and is a typical high-tech and greener advanced manufacturing technology. LDM can be well used for producing small b
30、atches of specific material, specific properties and/or specific geometry valuable 1components, which are normally unavailable or very costly by conventional methods.This paper presents a project research work on laser direct manufacturing a novel designed specific collimation component for an out-s
31、pace hard X-ray modulation telescope. According to the physical requirements, the material of the collimation component should be made by high melting point and high density alloys like tungsten or tungsten alloys in order to effectively absorb the hard X-ray radiation with declining incidence from
32、the out space. The collimation component is a thin cylinder with diameter of 191 mm, height of 300 mm and thickness of 3 mm, within which are five main ribs and 144 second ribs. With such specific material and geometry requirements, it is very difficult or even impossible to manufacture by conventio
33、nal casting or welding and very costly by spark cutting. LDM offers a novel technology for this task being both cost effective and time effective.Although the intersection pattern of the collimation component is not very complicated, the height of the cylinder (300 mm) and the parallelism requiremen
34、t of the main ribs (2/1000) in the thin cylinder is a big challenge for manufacturing. To meet these requirements, the stability of the laser cladding and manufacturing techniques were essential. Laser cladding/manufacturing is a multiple parameter process including laser power, beam diameter, scann
35、ing speed, powder feeding rate etc. The manufacturing quality relates not only to the stability of any single parameter but also to the stability of the entire process as in Fig. 6. In many cases, it is necessary to in situ monitor the temperature, geometry and standoff between the nozzle and the wo
36、rkpiece and then close loop control the laser power, the powder feeding rate and the standoff in order to achieve good quality.In the present study, an open loop control was applied. The stability of the laser output power was 0.5%; the stability of the powder feeding rate was 2%. The measured stabi
37、lity of the temperature in the melt pool is shown in Fig. 7, and looks rather good.With the above hardware conditions and specific CNC program, a simulated cylinder with thickness of 3.0 mm, diameter of 30 mm and height of 185 mm was manufactured to test the stability of the technique and the system
38、 (Fig. 8) with the parameters: laser power of 2000 W, beam diameter of 3 mm, scanning speed of 0.3 m/min and powder feed rate of 8 g/min. The result is shown in Table 4. The manufactured sample demonstrated that the present laser rapid manufacturing system and process was stable enough to produce good practical components.
