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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,RapidPrototyping)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、纸等替代材料。目
2、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、浸渗塑料、低熔点金
3、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，经送粉管路输送到同轴送粉头
4、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文件格式,目前RP所使用的造型
5、件主要有Pro/E,Unigraphics,SolidWorks,AutoCAD等,快速成型也可使用CT,MRI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,同时有利于提高工作安全。为防止金属的氧化,可采用专门设计的粉
6、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CO2激光器和Nb∶YAG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,1最好能实现对成型过程的闭环控制。稳定可靠的粉末输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
7、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
