李瑞鋒 李客 周偉召
摘要:3D打印技術(shù)是一種根據(jù)計算機生成的數(shù)字化模型快速制造或修復(fù)零件的先進技術(shù)。該技術(shù)首先建立一個被分割成薄層的數(shù)字化三維模型,然后通過電腦控制打印噴頭的運動軌跡,將材料逐層堆積,最終堆積成完整的零件。與傳統(tǒng)的減材制造相比,該技術(shù)具有可個性化定制、節(jié)省材料、不需要模具、能制造復(fù)雜空腔結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。隨著該技術(shù)的發(fā)展,3D打印的成型工藝不斷豐富,能夠用于3D打印的材料也越來越多。根據(jù)激光金屬3D打印工藝的不同,先后產(chǎn)生了多種打印技術(shù),其中選擇性激光燒結(jié)、選擇性激光熔化、直接金屬激光燒結(jié)和激光工程凈成型等4種成型工藝最為典型。重點介紹了具有代表性的4種激光金屬3D打印技術(shù)的工藝原理和特點,綜述了近年來4種激光金屬3D打印成型工藝的研究進展。
關(guān)鍵詞:3D打印;激光;金屬材料;加工方法
中圖分類號:TG4;TH16 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1001-5922(2022)07-0098-08
Research progress in laser metal 3D printing technology
LI Ruifeng LI Ke ZHOU Weizhao
(1.Department of Intelligence Manufacturing, Shaanxi Institute of Mechatronic Technology, Baoji 721001, Shannxi China; 2.Shaanxi Qizhi Jude Intelligent Equipment Co., Ltd., Baoji 721001, Shannxi China;
3.Luoyang Mining Machineering Design Institute Co., Ltd., Luoyang 471003, Henan China; 4.Shaanxi
Bodin Rapid Precision Casting Technology Co., Ltd., Weinan 714000, Shannxi China)
Abstract:3D printing technology is an advanced technology for rapid manufacturing or repairing parts based on digital model generated by computer. Based on the digital three-dimensional model which is divided into thin layers, through the computer control of the processing sequence, the materials are stacked layer by layer, and finally prepared into three-dimensional objects. Compared to the traditional manufacturing methods, 3D printing technology has many advantages, such as customization, material saving, no mold, and complex cavity structure, etc. With the development of this technology, 3D printing technology and materials are becoming more and more abundant, among which laser metal 3D printing technology is one of its important branches. According to the different laser metal 3D printing processes, a variety of printing technologies have been produced successively, among which four kinds of forming processes, such as selective laser sintering, selective laser melting, direct metal laser sintering and laser engineering net forming, are the most typical. The principles and characteristics of the four most representative laser metal 3D printing forming processes are introduced in this paper, and the research progress of laser meta 3D printing forming processes applied in recent years is summarized.
Key words:3D printing; laser; metal material; processing method
3D打印技術(shù)是基于“離散/堆積成型”的成型思想,用分層加工的方法將成型材料“堆積”后,進而形成實體零件的一種技術(shù),也稱為“快速成型技術(shù)”或“疊加制造技術(shù)”。從原理上講,3D打印需要通過計算機軟件建立一個三維數(shù)字化模型,根據(jù)打印工藝和零件的結(jié)構(gòu)不同,選擇合理間隔的切割平面將數(shù)字化模型分割成若干薄層,然后根據(jù)這些薄層的輪廓,按照先后順序逐層進行原料的熔化和堆積,最后形成一個立體實物。3D打印技術(shù)具有能制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)、節(jié)省材料、無需復(fù)雜的工裝、成型速度快的優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用在航空航天、武器、車輛制造、電子器件和生物組織工程等領(lǐng)域。因此,3D打印技術(shù)是最具有吸引力的制造業(yè)研究方向之一,并且被大多數(shù)學(xué)者認為是一次制造業(yè)的重大革命[1-2]。
3D打印技術(shù)根據(jù)制造熱源的不同,分為激光3D打印技術(shù)、高能束3D打印技術(shù)。其中激光3D打印技術(shù)是當(dāng)今眾多科研工作者研究的熱點方向,占絕對主流地位,在知網(wǎng)上以“激光技術(shù)”為關(guān)鍵詞的科研論文數(shù)量是以“高能束”為關(guān)鍵詞的科研論文數(shù)量的8倍[3]。
激光3D打印技術(shù),是一種利用激光來加熱材料并使其熔化,然后再逐層堆積成實物的增材制造技術(shù)。由于激光可以產(chǎn)生很高的能量,其能量足以使難融的金屬受熱熔化,所以,激光3D打印技術(shù)可以用于難熔金屬的3D打印,例如常見高溫合金就可以用3D打印技術(shù)進行加工。激光3D打印技術(shù)還有一個優(yōu)點就是可以打印結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件,這是因為打印過程是一個逐層堆積材料的過程,零件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在加工過程中是暴露在外的,所以它可加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。激光金屬3D打印的材料是金屬材料,能夠用于打印的材料種類多、成本低,打印出來的零件導(dǎo)電性好、強度高,因此,特別受科研人員重視,成為研究的重點之一[4]。
目前,歐美發(fā)達國家都站在21世紀制造業(yè)競爭的戰(zhàn)略高度[5],對激光金屬3D打印技術(shù)進行了大量的開拓性研究,使激光金屬3D打印技術(shù)工藝更加豐富,應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊。同時,我國也在激光金屬3D打印技術(shù)領(lǐng)域投入大量人力物力進行研究,取得了豐碩的成果。本文先分別介紹4種常見的激光3D打印技術(shù)的工作原理及其特點,然后分別對每種打印技術(shù)在國內(nèi)外的研究和應(yīng)用情況進行綜述,最后對激光3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢進行預(yù)測。
1激光金屬3D打印的分類及其工作原理
激光金屬3D打印技術(shù),根據(jù)金屬材料的成型工藝不同陸續(xù)產(chǎn)生多種打印技術(shù),鑒于科研工作者對個別打印工藝的分類還存在分歧,因此本文僅介紹具有代表性的4種打印工藝:選擇性激光燒結(jié);選擇性激光熔化;直接金屬激光燒結(jié)和激光工程凈成型。其中選擇性激光熔化和直接金屬激光燒結(jié)工藝基本相同,區(qū)別僅在于兩者的金屬粉末組分不同。下面分別介紹這4種金屬3D打印技術(shù)的工作原理及其特點。
1.1選擇性激光燒結(jié)
選擇性激光燒結(jié)(SLS),是一種用激光束來燒結(jié)預(yù)先加熱過的提前鋪設(shè)在粉末床上的金屬粉末,由計算機控制進行分層燒結(jié),分層堆積的零件加工技術(shù)[6]。其工作原理如圖1所示。
SLS技術(shù)的優(yōu)點:①可以快速打印,速度高達25.4 mm/h;②材料利用率高,沒有燒結(jié)的粉末可回收反復(fù)利用;③無需額外支撐結(jié)構(gòu);④成型件致密度高。
SLS技術(shù)的缺點:①零件表面不光滑;②金屬顆粒結(jié)合度低,需要進一步熱處理;③如果采用氮氣作為保護氣體的話,會產(chǎn)生有害氣體。
1.2選擇性激光熔化
擇性激光熔化(SLM ),是一種與SLS技術(shù)加工原理類似,克服了金屬粉末結(jié)合度不高缺點的一種3D打印技術(shù)。SLM技術(shù)的基本原理[8-9]:先用計算機軟件構(gòu)建實物的數(shù)字化三維模型;然后根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)選擇合適的切割平面,將數(shù)字化三維模型切割成若干薄層。接著激光束在計算機的控制下沿著薄層的輪廓線進行運動,激光束照射到提前鋪設(shè)好的金屬粉末上,金屬粉末開始熔化然后再凝固成固態(tài),沒有照射到的金屬粉末可以回收再利用;然后在凝固好的金屬上繼續(xù)下一層的金屬粉末的加工如此反復(fù)直到整個零件加工完成,SLM技術(shù)打印原理如圖2所示。SLM在加工零件的時候,為了防止零件受熱發(fā)生氧化反應(yīng),成型室采用密封結(jié)構(gòu)用來隔絕空氣,并且充滿惰性氣體加以進一步的防護[10]。
SLM與SLS主要區(qū)別在于:SLS并未完全熔化金屬粉末,金屬粉末只是粘接在一起,需要進行后處理。而SLM由于使用的激光束能量很大,金屬粉末被完全熔化;然后冷卻凝固,零件可以達到很高的致密度,所以不需要進行再次燒結(jié)。
SLM優(yōu)點:①金屬顆粒完全熔化、逐層堆積而成,零件致密度和機加零件接近,超過99%[12-13];②打印零件的尺寸很準(zhǔn)確(可達±0.1 mm)[14];③零件外觀光滑(Ra為20~50 μm)[14];④可打印的材料種類多,沒有熔化的金屬粉末可以重復(fù)利用;⑤無需后續(xù)處理工藝。
SLM缺點:①激光源功率大,密閉加工空間導(dǎo)致SLM加工成本高;②由于需要將金屬加熱至熔化,激光束停留時間長,打印速度偏低;③加工復(fù)雜,工藝參數(shù)優(yōu)化難度大;④需要額外材料固化后作為支撐,防止零件坍塌;⑤加工室需要惰性氣體保護。
1.3直接金屬激光燒結(jié)
直接金屬激光燒結(jié)(DMLS ),是一種利用大功率激光束加熱金屬粉末層,并使其熔化的3D打印技術(shù)[15]。DMLS與SLS的加工工藝是相似的,不同之處在于兩者的金屬粉末的組分不同。圖3給出了DMLS工藝中的重要部件有:打印平臺、[JP3]粉末分配機構(gòu)、重涂臂、激光激勵器、光線調(diào)整機構(gòu)(光學(xué)元件,XY-掃描鏡等)、高速掃描儀和計算機工藝軟件等[16-17];其中高速掃描儀和計算機工藝軟件圖中未顯示。
DMLS與SLM主要區(qū)別在于兩者的金屬粉末組分不同。SLM技術(shù)用的是一種金屬粉末進行打印。然而DMLS技術(shù)用的是兩種以上的混合金屬混合粉末,金屬粉末在激光束的照射下完全熔化,不同材質(zhì)的粉末在熔化過程中相互滲透,提高了零件的致密度和精度[18]。
DMLS優(yōu)點:①不需進行粉末預(yù)熱,打印的零件不必進行后處理[19];②零件的尺寸精度高(±0.05 mm);③零件的致密度大于90%;④適用于個性化定制;⑤與其他激光3D打印不同,調(diào)整參數(shù)可以調(diào)整打印零部件的材料結(jié)構(gòu)/機械性能。
DMLS缺點:①不適合打印過于復(fù)雜精細的零件[20];②需要生成支撐,防止零件打印過程中坍塌。
1.4激光工程化凈成型
激光工程化凈成型(LENS),一種利用激光束將機體金屬熔化后將不同成分、不同性能的金屬粉末送入熔池中熔化的一種3D打印技術(shù)。Sandia國家實驗室和惠普(Pratt Whitney)[JP3]公司共同提出激光工程化凈成型的概念并提出了技術(shù)方案,Optomec Design公司在該基礎(chǔ)上進一步研究后,于2017年取得了該技術(shù)的發(fā)明專利[22]。其工作原理圖如圖4所示。
LENS與DMLS ,SLM和SLS主要區(qū)別在于金屬粉末的添加工藝不同。LENS技術(shù)成型過程中,采用的是同步送粉工藝,即金屬粉末通過噴射與激光束加熱同步進行。激光束將噴嘴噴射的金屬粉末加熱熔化,直到金屬粉末與底層金屬完成熔成一體后,激光束和送粉噴頭在計算機的控制下同步移動,進入下一點的加工。而DMLS、SLM和SLS技術(shù)先通過鋪粉結(jié)構(gòu)將金屬粉末鋪設(shè)一層,然后激光束按照預(yù)定軌跡進行燒結(jié)或熔化,如此反復(fù)直到整個零件加工完成。實際應(yīng)用中,也有部分DMLS設(shè)備采用激光和送粉同步工藝,主要用于壁厚超過1 mm的大型零件的加工。
LENS工藝的優(yōu)點:①相比SLM工藝,成型效率高;②金屬零件的致密度極高,可達100%;③LENS進行金屬零件表面噴涂,結(jié)合強度高于傳統(tǒng)噴涂和電鍍工藝;③可以進行零件表面缺陷的修復(fù)[24]。
LENS工藝的缺點:①零件的成型精度稍低,尺寸偏差在3~6 mm;②零件需要后處理,進一步提高精度[25]。
不同的激光金屬3D打印工藝, 具有不同的成型特點,只有根據(jù)打印材料和零件的結(jié)構(gòu)特點恰當(dāng)選用打印工藝才能最大程度地發(fā)揮其優(yōu)勢。即使相同的打印工藝,不同的工藝參數(shù)對打印質(zhì)量和打印效率都有顯著影響。金屬3D打印工藝參數(shù)包含激光功率、粉層層厚、激光掃描間距、激光掃描方式、激光掃描速度、基板預(yù)熱溫度、金屬熔體溫度等成型參數(shù)。4種激光金屬3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的層厚和掃描間距如表1所示。加工過程中,應(yīng)該合理選擇工藝參數(shù),達到減小零件表面粗糙度的目的。
2激光金屬3D打印技術(shù)的研究與應(yīng)用
2.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的研究與應(yīng)用
SLS技術(shù)是激光金屬3D打印技術(shù)的重要分支之一,發(fā)展相對成熟,應(yīng)用十分廣泛,在軍工武器、航空航天、機械裝備和醫(yī)療衛(wèi)生等重大關(guān)鍵領(lǐng)域都有應(yīng)用。
汽車制造領(lǐng)域,德國EOS公司用SLS技術(shù)制造鋁合金賽車零件[35]。
在航空領(lǐng)域,德國EOS公司采用SLS技術(shù)來制造飛機的零部件,在代號為F-35 Lighte-ningⅡ的飛機上使用了1 600個由SLS技術(shù)打印的零部件;歐洲宇航防務(wù)集團公司(EADS)在飛機制造過程中使用大量由SLS打印技術(shù)打印的零件[36]。
在武器領(lǐng)域,美國采用SLS技術(shù)來制造導(dǎo)彈的零部件,代號為AIM-9的響尾蛇導(dǎo)彈中的基座就是用SLS技術(shù)打印出來的[37]。
在醫(yī)療領(lǐng)域,德國EOS公司用SLS技術(shù)制造不銹鋼(型號:316L)內(nèi)腔鏡、鈦合金(型號:Ti64)醫(yī)療植入體等。有研究者利用SLS技術(shù)制造鈦合金生物骨支架,成型的零件經(jīng)900 ℃處理后抗壓強度能達到142 MPa[38]。
在模具領(lǐng)域,1994年,DTM公司于研發(fā)一種叫做Rapid Steel的新技術(shù),在其研發(fā)的SLS-2000設(shè)備上用樹脂包覆鐵粉打印出注塑模具,然后把模具放入高溫爐再次燒結(jié),得到的打印模具與傳統(tǒng)工藝制作的模具性能相當(dāng)。北京隆源自動成形系統(tǒng)有限公司研發(fā)的AFS-300金屬3D打印機已經(jīng)量產(chǎn),該打印機可打印個性化定制的各類鑄造型殼和熔模,甚至鑄件原型[39]。
2.2選擇性激光熔化技術(shù)的研究與應(yīng)用
近幾年來,SLM技術(shù)越來越受到世界各國的重視,不斷加大技術(shù)研發(fā)的資金投入,SLM技術(shù)應(yīng)用范圍不斷擴大,在航空航天,國防軍工,裝備制造和醫(yī)療衛(wèi)生等重點領(lǐng)域都有所應(yīng)用。
在裝備制造領(lǐng)域,設(shè)立于華中科技大學(xué)的模具國家重點實驗室快速制造中心瞄準(zhǔn)SLM技術(shù)零件加工尺寸受限的痛點,從溫度控制,裝置預(yù)熱兩個方面進行攻關(guān),又對激光掃描方式進行創(chuàng)新,一舉突破了這一難題,同時又很好地解決了大尺寸零件變形問題,在此基礎(chǔ)上先后研發(fā)了HRPM-Ⅰ和HRPM-Ⅱ兩套設(shè)備,其工作臺面可達250 mm×250 mm[40]。
在航空領(lǐng)域,2012年美國通用電氣公司 (GE),在飛機發(fā)動機的制造過程中大膽嘗試,成功地將SLM技術(shù)應(yīng)用于LEAP噴氣式發(fā)動機燃油噴嘴上,并制造成功[41]。與此同時,歐洲空中客車集團創(chuàng)新中心 (Airbus Group Innovations) 也在大力推進SLM技術(shù)的應(yīng)用,先后在用空客320和380飛機艙門的零件制造中使用SLM技術(shù)。該公司以Ti-6Al-4V合金粉末為3D打印的材料, 采用SLM技術(shù)成功制造出艙門托架和發(fā)動機艙門鉸鏈[42]。
在醫(yī)療領(lǐng)域,澳大利亞科學(xué)協(xié)會成功研制出SLM打印機,西班牙薩拉曼卡大學(xué)利用該打印機,進行了鈦合金材料的3D打印研究,成功打印出胸骨與肋骨,并成功植入胸廓癌病人體內(nèi)。西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院的科研工作者,用鈦合金材料3D打印出患者胸骨的缺失部分并植入患者體內(nèi),完成了胸骨缺失部分的修復(fù),取得良好效果[43]。
2.3直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)的研究與應(yīng)用
當(dāng)前,DMLS技術(shù)是激光金屬3D技術(shù)的新熱點之一,該技術(shù)打印的金屬零件致密度高,因此在航空航天、軍工武器、模具制造等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。由于用該技術(shù)進行表面噴涂處理的結(jié)合度高于傳統(tǒng)金屬噴涂工藝,因此在機械零件的修復(fù)方面具有不可替代的作用。
在航空領(lǐng)域,美國奧斯汀大學(xué)用INCONEL625超級合金和Ti-6Al-4V作為打印的材料,按照一定比例混合后,用DMLS技術(shù)成功打印出F1戰(zhàn)斗機上的部分零件[44]。北京航空航天大學(xué)對DMLS技術(shù)打印的零件的質(zhì)量缺陷形成機理和改進措施進行攻關(guān),打印的鈦合金零件力學(xué)性能達到了同種材料的模鍛件水平[45-48]。西北工業(yè)大學(xué)的研究團隊瞄準(zhǔn)大尺寸零件進行研究,成功打印出飛機上的左上緣條,該零件最寬的地方達3 m、質(zhì)量高達196 kg,目前處于世界領(lǐng)先水平。
在武器領(lǐng)域,美國奧斯汀大學(xué)采用DMLS技術(shù),以INCONEL625超級合金和Ti-6Al-4V合金的混合粉末為打印材料,成功制造出代號為AIM-9的導(dǎo)彈的部分零件。
在模具領(lǐng)域,德國EOS公司對大型模具冷卻進行深入研究,發(fā)現(xiàn)模具中異冷卻水路的冷卻效果直接影響模具的使用效率和壽命;但是異形冷卻水路制造十分復(fù)雜,該公司將DMLS技術(shù)用于異形水路的制造,顯著提升了水路的冷卻效果,進而提升了大型模具的使用效率和使用壽命[49]。
在機械修復(fù)領(lǐng)域,隨著使用時間的推移,設(shè)備上的回轉(zhuǎn)零件會發(fā)生磨損和腐蝕現(xiàn)象,對于大型設(shè)備中這些回轉(zhuǎn)零部件質(zhì)量大,成本高,對零件進行局部修復(fù)而非重新制作是經(jīng)濟可行的方案之一。目前,DMLS技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于大型回轉(zhuǎn)部件的磨損和腐蝕修復(fù),大大降低了設(shè)備的維修成本[50]。
2.4激光工程化凈成型技術(shù)的研究與應(yīng)用
目前,LENS技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空、醫(yī)療和機械制造等領(lǐng)域。
在航空領(lǐng)域,LENS技術(shù)用鈦合金作為打印材料打印的發(fā)動機葉片和輪盤的力學(xué)性能達到很高水平,與鍛造件的力學(xué)性能相當(dāng)。與此同時,LENS技術(shù)打印的鈦合金零件還被安裝到各類飛機上,并取得很好地效果[7]。北京航空航天大學(xué)王華明教授團隊專注耐磨涂層的研究,采用LENS技術(shù)進行金屬噴涂,在我國某新型航空發(fā)動機耐磨運動副零部件上進行融覆耐磨涂層研究[51],取得良好的效果。
在醫(yī)療領(lǐng)域,由于Ni、Ti和CoCrMo合金材料與人體的相容性好,被廣泛地用做人體植入體的材料。采用LENS技術(shù)用上述材料打印的植入體,空隙率高達70%,有效地延長了其使壽命[52]。用LENS技術(shù)以CoCrMo合金為打印材料進行打印,打印的仿生骨和天然骨的的彈性非常接近。常見的生物骨的彈性模量的大概是3~20 GPa;而打印的仿生骨的是33~43 GPa,單純從彈性模量上考慮,兩者的差距已經(jīng)不明顯[53]。
在機械制造領(lǐng)域,西北工業(yè)大學(xué)的學(xué)者在零件的3D打印修復(fù)零件表面損傷方面也做了研究,[JP2]成功修復(fù)了用K418高溫合金和DZ125鎳基高溫合金材料制作的零件[54-55]。又有學(xué)者通過深入研究LENS技術(shù),尤其是3D打印零件的開裂機理,通過調(diào)整參數(shù)的方式,有效控制了零件的開裂問題,實現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的LENS技術(shù)3D打印[56-57]。目前有學(xué)者應(yīng)用該技術(shù)在陶瓷零件的打印方面也取得成功[58]。
近年來,北京航空航天大學(xué)研究者關(guān)注LENS技術(shù)的加工工藝,通過調(diào)整各項工藝參數(shù),努力提升產(chǎn)品性能。目前可以用LENS技術(shù)以Ti合金、Ni合金以及金屬間化合物材料進行3D打印[59-60]。該大學(xué)研究團隊先后發(fā)表多篇論文對研究成果進行報道,打印的零件力學(xué)性能很好,相當(dāng)于鍛造件,零件的組織也很均勻[61-66]。
3激光金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢
3.14種激光金屬打印技術(shù)的特點
激光金屬3D打印技術(shù)是一項具顛覆性的零件制造工藝,相比于傳統(tǒng)工藝具有無需模具、材料利用率高、可以個性定制、可制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)等顯著優(yōu)勢。而且不同類型的激光金屬3D打印技術(shù)工藝有著各自的特點,呈現(xiàn)出優(yōu)勢互補式協(xié)調(diào)發(fā)展態(tài)勢,4種打印技術(shù)的主要工藝參數(shù)對照如表2所示。
3.2發(fā)展趨勢和前景
3.2.1設(shè)備方面
設(shè)備的加工效率和經(jīng)濟成本是制約激光金屬3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的限制條件[76],針對金屬3D打印技術(shù)效率低下的不足,可以通過增加激光器的功率和改進送粉方式加以改進;但是對3D打印技術(shù)的效率提高十分有限,3D打印技術(shù)在加工效率與傳統(tǒng)加工相比差距仍然很大。因此提高設(shè)備的加工效率和降低設(shè)備的成本成為現(xiàn)在研究的重點問題之一。除此之外,還可以通過多種技術(shù)的整合,克服激光金屬3D打印精度不足的缺點,例如可以通過3D打印與數(shù)控加工相結(jié)合,就可以克服3D打印精度不足的缺點,又不會增加太大的成本。目前德國的DMG MORI就開發(fā)出此類產(chǎn)品。它整合了激光金屬3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)機械加工,先用3D打印技術(shù)制造出復(fù)雜零件形狀,再用機械加工修正零件外觀,進一步提升零件的精度。
3.2.2工藝方面
SLM工藝:目前雖然對激光金屬3D打印技術(shù)展開了大量前期研究,重點研究金屬的受熱變形,材料冷卻收縮機理;但是由于SLM打印過程過于復(fù)雜,往往伴隨著物理、化學(xué)等多方面的反應(yīng),所以目前SLM技術(shù)仍然有很多難題沒有突破,打印的零件仍然存在球化、孔隙、裂紋等材質(zhì)缺陷的問題[77]。
DMLS和SLM工藝:在DMLS和SLM成形過程中,為了熔化金屬粉末,必然采用大功率激光束,激光束產(chǎn)生的熱量過大,導(dǎo)致材料受熱不均,溫度變化劇烈,致使3D打印的零件產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,最終導(dǎo)致零件發(fā)生變形和開裂現(xiàn)象[78]。深入研究3D打印零件的缺陷產(chǎn)生機理,在此基礎(chǔ)上進行工藝參數(shù)優(yōu)化,最大限度地控制打印零件的各類缺陷,是今后一段時間的研究熱點。因為打印零件的各類缺陷與內(nèi)應(yīng)力形成規(guī)律、組織凝固規(guī)律有著密切相關(guān)性,從零件的內(nèi)應(yīng)力和組織凝固規(guī)律出發(fā)研究零件的缺陷形成機理,是解決激光金屬3D打印零件成型缺陷重要突破方向之一[79]。
4結(jié)語
隨著科學(xué)技術(shù)的進步,新材料、新技術(shù)、新工藝不斷發(fā)展,這些新技術(shù)被應(yīng)用到激光金屬3D技術(shù)中之后,給其帶來了巨大的活力。尤其在致密度、精度、粗糙度、強度和結(jié)合度等關(guān)鍵指標(biāo)方面,激光金屬3D打印技術(shù)已經(jīng)取得長足的進步,制備的零件已經(jīng)達到,甚至超過了傳統(tǒng)加工手段制備的零件。但是,激光金屬3D打印技術(shù)的固有缺陷,加工效率低、成本高、加工工藝復(fù)雜、需要額外支撐等缺點依舊沒有實質(zhì)性突破,嚴重制約其發(fā)展。因此,可以預(yù)測激光金屬3D打印技術(shù)將在零部件的修復(fù)、人體植入體等個性化定制方面會取得更大的成就。
【參考文獻】
[1][WB]CHRIST J S,ALIHEIDARI N,AMELI A,et al.3D printed highly elastic strain sensors of multiwalled carbon nanotube/Thermopla-stic polyurethane nanocomposites[J].Materials & Design,2017,131:394-401.
[2]GNANASEKARAN K,HEIJMANS T,BENNEKOM S V,et al.3D printing of CNT and graphene-based conductive polymer nano composites by fused deposition modeling[J].Applied Materials Today,2017,9:21-28.
[3]豐洪微,范哲超.金屬增材制造技術(shù)研究熱點分析[J].世界有色金屬,2019(23):172-173.
[4]RANEY J R,COMPTON B G,MUELLER J.Rotational 3D printing of damage-tolerant composites with programmable mechanics[J].Proc Natl Acad Sci USA,2018,115(6):1 198-1 203.
[5]黃衛(wèi)東.材料3D打印技術(shù)的研究進展[J].新型工業(yè)化,2016,6(3):53-70.
[6]王榮吉.選擇性激光燒結(jié)工藝的試驗與優(yōu)化方法研究[D].長沙:湖南大學(xué),2005.
[7]陳忠旭,姚錫禹,郭亮,等.基于激光的金屬增材制造技術(shù)評述與展望[J].機電工程技術(shù),2017,46(1):7-13.
[8]陳光霞,曾曉雁,王澤敏,等.選擇性激光熔化快速成型工藝研究[J].機床與液壓,2010,38(1):1-3.
[9]吳偉輝,楊永強.選區(qū)激光熔化快速成形系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[J].機械工程學(xué)報,2007(8):175-180.
[10]FURUMOTO T, OGURA R, HISHIDA K, et al.Study on deformation restraining of metal structure fabricated by selective laser melting[J].Journal of Materials Processing Technology,2017,245:207-214.
[11]楊強,魯中良,黃福享,等.激光增材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].航空制造技術(shù),2016(12):26-31.
[12]KRUTH J P,F(xiàn)ROYEN L,VAN VAERENBERGH J,et al.Selective laser melting of iron-based powder[J].Journal of Materials Processing Technology,2004,149(1/3):616-622.
[13]付立定,史玉升,章文獻,等.316L不銹鋼粉末選擇性激光熔化快速成形的工藝研究[J].應(yīng)用激光,2008, 4(2):108-111.
[14]楊永強,吳偉輝,來克嫻,等.金屬零件選區(qū)激光熔化直接快速成形工藝及最新進展[J].航空制造技術(shù),2006(2):73-76.
[15]GHANI S A C,ZAKARIA M H,HARUN W S W,et a1.Dim ensional accuracy of internal cooling channel made by Selective Laser Melting(SLM) and Direct Metal Laser Sintering (DMLS) pocessesin fabrication of internally cooled cutting-tools[J].MATEC Web of Conferences,2017,90:48-58.
[16]VENKATESH K V.NANDINI V V.Direct Metal Laser Sintering:A digitised metal casting technology[J].The Journal of Indian Prosthodontic Society,2013,13(4):389-392.
[17]NING Y.Process parameter optimization for Direct Metal Laser Sintering(DMLS)[D] Singapore:National University of Singapore,2005.
[18]Morgan R H.,Papworth A J.,Sutcliffe C,et a1.High density net shape components by direct laser remelting of single-phase powders[J].Journal of Materials Science,2002,37(15):3 093-3 100
[19]DAS S, BEAMA J J, WOHLERT M, et al. Direct laser freeform fabrication of high performance metal components[J].Rapid? ProtoTyping Journal,1998,4(3):112-117.
[20]張劍峰.Ni基金屬粉末激光直接燒結(jié)成形及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2002.
[21]UDR0IU R.Powder bed Additive manufacturing systems and its app1ications[J].Academic Journal of Manufacturing Engineering,2012,10:122.
[22]SRIVATAN T S,SUDARSHANN T S.Additive manufacturing innovations,advances,and applications[M].London:Taylor &Francis Group,2016.
[23]黃衛(wèi)東,林鑫,陳靜.激光立體成形——高性能致密金屬零件的快速自由成形[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2007.
[24]劉勇,任香會,常云龍,等.金屬增材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].熱加工工藝,2018,47(19):15-19.
[25]楊永強,王迪,吳偉輝.金屬零件選區(qū)激光熔化直接成型技術(shù)研究進展(邀請論文)[J].中國激光,2011,38(6):54-64.
[26]Agarwala M, Bourell D, Beaman J, et al.Direct selective laser sintering of metals. Rapid Prototyping[J].1995,1(1):26.
[27]ZHU H H,LU L,F(xiàn)UH J Y H. Development and characterisation of direct laser sintering Cu-based metal powder[J]. Journal of Materials Processing Technology,2003,140(1-3):314-317.
[28]GU D, HAGEDORN Y C, MEINERS W, et al.Densification behavior, microstructure evolution, and wear performance of selective laser melting processed commercially pure titanium[J].Acta Materialia, 2012, 60(9):3 849-3 860.
[29]Mumtaz K, Hopkinson N.Top surface and side roughness of Inconel 625 parts processed using selective laser melting[J].Rapid Prototyping,2009,15(2):96-103.
[30]YE Z H.The personalized design and process research of selective laser melting manufacturing of Ti6Al4V tibial implant[D].Guangzhou:South China University of Technology,2014.
[31]余文燾.金屬粉末直接激光燒結(jié)致密化理論及其驗證[D].長沙:中南大學(xué),2007.
[32]沈顯峰.多組元金屬粉末直接激光燒結(jié)過程數(shù)值模擬及燒結(jié)區(qū)域預(yù)測[D].成都:四川大學(xué),2005.
[33]QI L H,CHAO Y P,LUO J,et al.A novel selection method of scanning step for fabricating metal components based on microdroplet deposition manufacture[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2012,56:50-58.
[34]ELAHINIA M,MOGHADDAM N S,ANDANI M T,et al.Fabrication of NiTi through additive manufacturing: a review[J].Progress in materials science,2016,83:630-663.
[35][JP3]宮玉璽,王慶順,朱麗娟,等.選擇性激光燒結(jié)成形設(shè)備及原材料的研究現(xiàn)狀[J].鑄造,2017(3):258-262.
[36]譚麗斌,余心宏.3D打印技術(shù)在金屬成形領(lǐng)域的應(yīng)用和展望[J].精密成形工程,2015(6):58-64.
[37]AMATO K N,GAYTAN S M,MURR L E,et al.MiCrostructures and Mechanical Behavior of Inconel 718 Fabricated by Selective Laser Melting[J].Acta Materialia,2012,60(5):2 229-2 239.
[38]LIU F H,LEE R T,LIN W H,et al.Selective laser sintering of bio-metal scaffold [J].Procedia CIRP,2013(5):83-87.
[39]潘琰峰,沈以赴,顧冬冬,等.選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].工具技術(shù),2004,38(4):3-6.
[40]蘇海軍,尉凱晨,郭偉,等.激光快速成形技術(shù)新進展及其在高性能材料加工中的應(yīng)用[J].中國有色金屬學(xué)報,2013,23(6):1 567-1 574.
[41]張學(xué)軍,唐思熠,肇恒躍,等.3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)[J].材料工程,2016(2):122-128.
[42]林鑫,黃衛(wèi)東.高性能金屬構(gòu)件的激光增材制造[J].中國科學(xué):信息科學(xué),2015(9):1 111-1 126.
[43]溫小鵬,高山,李碩,等.3D打印技術(shù)應(yīng)用于胸骨缺損修復(fù)的可行性研究[J].臨床外科雜志,2017,25(8):608-610.
[44]DAS S, BEAMAN J J, WOHLERT M, et al. Direct laser freeform fabrication of high performance metal components [J]. Rapid Prototyping Joural, 1995,4(3):112-123.
[45]蔣小珊,齊樂華.3D打印成形微小型金屬件的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].中國印刷與包裝研究,2015,6(5):15-25.
[46]SANTOS E C,SHIOMI M,0SAKADA K,et al.Rapid manufacturing of metal components by laser forming[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2006,46:1 459-1 468.
[47]李懷學(xué),鞏水利,孫帆,等.金屬零件激光增材制造技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].航空制造技術(shù),2012,20:26-3l.
[48]王華明,張述泉,湯海波,等.大型鈦合金結(jié)構(gòu)激光快速成形技術(shù)研究進展[J].航空精密制造技術(shù),2008, 44(6):28-30.
[49]AHN D G.Applications of laser assisted metal rapid tooling process to manufacture of molding & forming tools state of the art[J].International Journal of Preeision Engineering and Manufacturing,20l1,12(5):925-938.
[50]蒲以松,王寶奇,張連貴.金屬3D打印技術(shù)的研究[J].表面技術(shù),2018,47(3):78-84.
[51]董新蕊.3D打印之激光近凈成形技術(shù)專利分析[J].中國發(fā)明與專利,2013(12):51-56.
[52]楊永強,劉洋,宋長輝.金屬零件3D打印技術(shù)現(xiàn)狀及研究進展[J].機電工程技術(shù),2013(4):1-7.
[53]ESPAA F A, BALLA V K, BOSE S, et a1.Design and fabrication of CoCrMo alloy based novel Structures for load bearing implants using laser engineered net shaping[J].Materials Science and Engineering C,2010,30:50-57.
[54]劉建睿,王猛,林鑫,等.激光成形修復(fù)K418高溫合金的微觀組織與硬度[J].特種鑄造及有色合金,2019, 39(11):1 187-1 192.
[55]韓加軍,林鑫,楊海歐,等.激光成形修復(fù)定向凝固DZ125鎳基高溫合金的組織研究[J].鑄造技術(shù),2014,35(10):2 320-2 323.
[56]王江田.激光近凈成形A12O3-YAG陶瓷薄壁件工藝與機理研究[D].大連:大連理工大學(xué),2015.
[57]楊健,黃衛(wèi)東,陳靜,林鑫.激光快速成形金屬零件的殘余應(yīng)力[J].應(yīng)用激光,2004(1):5-8.
[58]楊健. 激光快速成形金屬零件力學(xué)行為研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2004.
[59]王華明. 航空高性能金屬結(jié)構(gòu)件激光快速成形研究進展 [J].航空制造技術(shù), 2005, 12:26
[60]王華明,張述泉,王韜,等.激光增材制造高性能大型鈦合金構(gòu)件凝固晶粒形態(tài)及顯微組織控制研究進展[J].西華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2018,37(4):9-14.
[61]賀瑞軍,王華明.激光沉積Ti-6Al-2Zr-Mo-V鈦合金高周疲勞性能[J].航空學(xué)報,2010,31(7):1 488-1 493.
[62]賀瑞軍,王華明.激光熔化沉積Ti-6Al-2Zr-Mo-V合金高周疲勞變形行為[J].稀有金屬材料與工程,2010,39(2):288-291.
[63]賀瑞軍,王華明.激光熔化沉積Ti-6Al-2Zr-Mo-V鈦合金組織特征研究[J].航空材料學(xué)報,2009,29(6):18-22.
[64]武寧,王華明.激光熔覆TiFe/β-Ti復(fù)合涂層組織及耐磨性[J].金屬熱處理,2009,34(6):46-48.
[65]董李欣,王華明.Ti2Ni3Si/NiTi金屬間化合物合金在H2SO4溶液中的腐蝕行為[J].稀有金屬材料與工程,2009,38(6):1 010-1 014.
[66]于翔天,王華明.激光熔化沉積(TiB+TiC)/TA15原位鈦基復(fù)合材料的顯微組織與力學(xué)性能[J].復(fù)合材料學(xué)報,2008(4):113-118
[67]李昂,劉雪峰,俞波,尹寶強.金屬增材制造技術(shù)的關(guān)鍵因素及發(fā)展方向[J].工程科學(xué)學(xué)報,2019,41(2):159-173.
[68]DECKARD, CARL E. Method and apparatus for producing parts by selective sintering: EP Patent, EP0542729A2[P]. 1993-05-19.
[69]KRUTH J P,MERCELIS P,VAN VAERENBERGH J,et al.Binding mechanisms in selective laser sintering and selective laser melting[J].Rapid Prototyping J,2005,11(1):26-36.
[70]KRUTH J P,WANG X,LAOUI T,et al.Lasers and materials in selective laser sintering[J].Assembly Autom, 2003,23(4):357-371.
[71]MEINERS W,WISSENBACH K D,GASSER A D.Shaped body especially prototype or replacement part production: DE Patent, DE19649865C1[P].1998-02-12.
[72]SATO Y,TSUKAMOTO M,YAMASHITA Y.Surface morphology of Ti-6Al-4V plate fabricated by vacuum selective laser melting[J]. Applied Physics, B. Lasers and Optics,2015,119(3):545-549.
[73]劉艷,李宗義,張曉剛.基于金屬粉末激光燒結(jié)技術(shù)的研究進展[J].工具技術(shù),2017,51(7):7-11.
[74]JEANTETTE F P, KEICHER D M, ROMERO J A, et al.Method and system for producing complex-shape objects:US Patent, 6046426[P].2000-04-04.
[75]LIU W P, DUPONT J N.Fabrication of functionally graded TiC/Ti composites by laser engineered net shaping[J].Scripta Mater,2003,48(9):1 337-1 342.
[76]郭志飛,張虎.增材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].機床與液壓,2015,43(5):148-151.
[77]顧冬冬,沈以赴.基于選區(qū)激光熔化的金屬材料零件快速成形現(xiàn)狀與技術(shù)展望[J].航空制造技術(shù),2012(8):32-37.
[78]王華明,張述泉,王向明.大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接制造的進展與挑戰(zhàn)[J].中國激光,2009(12):3 204-3 209.
[79]王華明.高性能大型金屬構(gòu)件激光增材制造:若干材料基礎(chǔ)問題[J].航空學(xué)報,2014,35(10):2 690-2 698.