激光选区熔化自由制造异质材料零件

为解决当前激光选区熔化成型过程难以按需在零件上自由布置不同材料的难题,基于多漏斗供粉+柔性清扫回收粉末原理,对异质材料零件激光选区熔化增材制造技术展开了研究,详细探讨了成型机理、粉尘污染防范机制及异质材料数据处理方法。采用CuSn10,4340两种不同的合金材料进行了工艺实验验证。实验表明,该方法能自由地在不同层间或同层内不同区域按需布置不同的材料;所得块状异质材料零件的铜合金材料区域Fe元素的平均质量百分含量可控制在2%以下,钢材料区域Cu元素的平均质量百分含量可控制在1%以下;成功成型了一个具有复杂外形及微细材料区域特征的异质材料齿轮零件,零件异质材料区域不受零件复杂外形限制,可自由按需布置材料,0.5mm宽的层内异质材料区域也能被较好地表达出来,尺寸误差不超过±0.1mm。该方法可以有效解决激光选区熔化成型过程中异质材料布置的难题,实现异质材料零件成型。     

成分梯度材料零件的激光选区熔化成型

为解决复杂结构金属梯度材料零件制造技术的难题,对成分梯度材料零件的激光选区熔化成型方法展开了研究。通过零件梯度设计法结合多组扫描路径数据文件及一个txt格式文件,实现了成分梯度材料零件增材制造数据的获取;通过双轴摆动的粉末实时混合均布装置实现了梯度成分粉末的实时混合及均布;采用柔性清扫回收原理解决激光选区熔化制造梯度材料零件时同层内不同粉末的清理回收问题。利用自主研发的梯度材料零件激光选区熔化成型系统展开了实验验证。获得了4340+CuSn10梯度材料零件,颜色上呈明显的梯度过渡,对其前侧面及上表面进行EDS分析,发现中间3个梯度区域Fe的平均质量百分比在垂直方向分别为4.94%,36.49%,59.16%,在水平方向分别为12.88%,41%,53.59%,在不同层之间、同一层不同区域之间均呈梯度变化。该方法可实现成分梯度材料零件自由增材制造,为该类零件的制造提供了新的选择。     

CuSn10铜合金/4340钢异质材料零件SLM成型组织分析

对采用自主研发SLM增材制造系统成型的CuSn10/4340钢异质材料零件组织展开了分析,发现异质材料成分能在SLM成型过程按需布置,并且各材料区域组织达到了冶金结合状态;因对激光的吸收率低,铜合金区域难获得完全致密组织;垂直方向异质材料界面较易获得到无裂纹组织,而因激光逐线快速扫描时热量不断在同层邻近熔道累积,水平方向的异质材料界面易产生微观裂纹。后续研究中,梯度过渡设计应重点针对此类界面展开分析。     

多零件选区激光熔化成型效率的优化

对多零件选区激光熔化的成型效率进行了优化.首先,分析了多零件选区激光熔化成型过程的时间消耗,并以减少时间消耗为目标建立了3维零件在3维成型空间中的2.5维排料优化规则.然后,研究了2.5维自动排料,提出利用3维零件模型在2维平面区域的投影将2.5维排料转化为2维排料的简化方法和一种利用切片数据进行投影生成的算法.最后,为验证所述方法的有效性,以手术模板模型为例,在虚拟选区激光熔化系统VDemetal280上进行了优化实验.与优化前相比,优化后的成型次数从4次降为3次,在扫描速度为600 mm/s、切片层厚为0.035 mm、扫描间距为0.08mm的工艺参数下,总铺粉次数从3 892次降为2 231次,预计加工时间从约91 276 s降为69 918 s,时间消耗有明显减少.     

激光选区熔化成型可控超轻结构化零件的孔隙生成效果

本文主要研究了孔隙率等参数可控的自动超轻结构化金属零件的增材制造。以方块零件及一个具有复杂外形的零件为研究对象,分析了面向激光选区熔化工艺的可控超轻结构化零件的孔隙生成效果,重点探讨了成型工艺对超轻结构化零件孔隙率的影响。结果显示:通过计算机数值计算,可将方块CAD模型快速自动转化为可控超轻结构化模型,计算孔隙率误差可控制在±2%以内;激光深穿透现象会导致带悬垂面内壁的壁厚增加,所引起的孔隙率误差值为负值,且计算孔隙率越大,负值倾向越严重;而成型工艺性不致密导致的孔隙率误差为正值,且在相同工艺条件下,计算孔隙率越大,该误差值越小。故为使总孔隙率误差能较好地反映超轻结构网格孔隙的控制精度,应提高成型时实体部分的致密性。按45%设定孔隙率成功地将具有复杂结构的零件转化为计算孔隙率为44.62%的超轻结构化模型,采用高致密性激光选区熔化工艺成型后,实测孔隙率为42.94%,无悬垂面的内壁壁厚误差≤0.06mm,达到了较好的超轻结构控制效果。     

金属构件选区激光熔化快速成型铺粉控制系统研究

选区激光熔化（SLM,Selective Laser Mching)技术是直接将选区内金属或合金粉末逐层熔化,堆积成一个冶金结合,组织致密的实体,其外形不需进一步加工,经抛光或简单表面处理可直接作模具。本文是在自行研制的国内首台金属构件直接选区激光熔化实验样机设备基础上,介绍分析了该设备的控制系统,重点介绍了选区激光熔化设备铺粉控制系统,它是该技术能否达到预期目标的关键因素之一,并且对其铺粉精度进行了试验验证,为金属构件直接选区激光熔化成型工艺研究奠定了基础。     

异质材料零件SLM增材制造系统设计与实现

基于多漏斗定量供粉+柔性清理回收粉末原理,研制了一套新型的异质材料零件激光选区熔化增材制造系统。详细分析了系统的运行原理、系统构成、定量供粉实现,杂质的防范等,并研发了定量供粉、均粉、粉末铺设回收、污染防范等装置,构思了异质材料零件数据处理方法。通过VC++开发的总控软件,将各装置集成控制,建成了异质材料零件激光选区熔化增材制造系统,并成功展开了实验验证。     

金属选区激光熔化成型仿真模拟

选区激光熔化金属零件时,不仅要考虑零件的摆放方式,还需添加支撑结构以增加零件的强度,提高其成型稳定性,降低残余应力,防止翘曲变形等问题。为获得合理的摆放方式及优化支撑结构,借助仿真软件,预先模拟不同摆放角度及相应的支撑结构对金属零件变形的影响,依据模拟结果中变形情况及时修正摆放位置和支撑结构,并与实际成型情况比较分析。结果表明,仿真模拟有效预测了选区激光熔化金属零件的变形量,这一手段大大减少了反复实验试错次数,提高生产效率,避免材料消耗,降低生产成本。     

3D打印技术在航空铝合金薄壁零件上的应用

为解决薄壁结构件制造难题,以航空铝合金薄壁零件为研究对象,运用3D打印技术快速成型铝合金薄壁零件,并进行了尺寸检测、力学性能检测、表面质量和内部质量检测,结果表明:激光选区熔化成型的铝合金薄壁零件尺寸、力学性能、表面质量和内部质量均满足设计要求。     

激光选区熔化技术及其在个性化医学中的应用

激光选区熔化是一种精密金属增材制造技术,可以成形任意复杂的功能零件。个性化医学用品需要具有个性化的几何外形和良好的生物性能,为了探究激光选区熔化在个性化医学用品中的应用,采用DiMetal系列激光选区熔化设备成形医用金属材料如316L不锈钢、CoCrMo合金、Ti6Al4V,并对医用金属材料成形致密度、成形力学性能和几何结构成形性进行了研究。通过个性化设计和DiMetal系列激光选区熔化设备,设计与制造了个性化牙冠、舌侧正畸托槽、手术模板、全膝置换股骨远端假体、股骨近端假体、颅骨修复体等医学用品。研究证明DiMetal系列激光选区熔化装备、工艺可用于个性化医学用品的快速制造,这为个性化医学用品的快速响应设计与制造提供了一种新的手段。     

Laser-arc hybrid welding of wrought to selective laser molten stainless steel

Selective laser melting (SLM) is a successful tool-free powder additive technology. The success of this manufacturing process results from the possibility to create complex shape parts, with intrinsic engineered features and good mechanical properties. Joining SLM steel to similar or dissimilar steel can overcome some limitations of the product design like small dimension, undercut profile, and residual stress concentration. In this way, the range of applications of the SLM process can be broadened. In this paper, the hybrid laser welding of selective laser molten stainless steel was investigated. A high-power fiber laser was coupled to an electric arc and austenitic stainless steel wrought and SLM parts were welded together. The power and speed parameters were investigated. The joints were analyzed in terms of weld bead profile, microstructure, microhardness, and tensile test. The efficiency of the welding process was evaluated through the line energy input versus the weld molten area.     

水泵叶轮在激光选区熔化成型加工中的几何误差研究

以316L不锈钢金属粉末为原料,利用激光选区熔化成型技术试制某潜水泵用叶轮。针对水泵叶轮激光选区熔化成型加工中出现的几何误差,分析水泵叶轮出现几何误差的原因。通过设计工艺试验,探究水泵叶轮在激光选区熔化成型加工中几何误差的产生规律,建立水泵叶轮的几何误差模型,确定引起水泵叶轮成型精度的主要因素有:切片处理产生的误差、激光深穿透产生的误差、外边框凸起产生的误差、材料收缩变形产生的误差、粉末的杂质引起误差和成型缸升降产生的误差,采用后处理和补偿成型缸位移量,解决水泵叶轮几何误差。研究结果表明:当成型缸位移量为0.02823 mm时,所成型的水泵叶轮加工精度符合制造要求。     

金属粉末激光成形基体表面粘结性研究

金属粉末激光成形技术作为一种新的快速成形技术 ,将传统快速原型技术与激光熔覆技术相结合 ,用于研究具有任意复杂形状或者复杂材料组分金属材料零件 /模具的快速制造技术 ,并可以直接成形金属功能零件。成形加工过程中成形零件与基体表面的粘结牢固性直接决定加工是否可以顺利完成。采用低碳钢作为基体材料 ,基体表面经过打磨、刨削、氧化和磷化等四种不同处理方式进行粘结性试验 ,试验表明磷化表面粘结性能最佳并能成功地应用到金属粉末激光成形工艺中。     

声辐射力驱动角形金属粉末微输送特性

为解决载气式、超声振动和惯性力等现有微输送方法在较宽输送速率范围内难以克服的角形金属粉体堵塞难题,本文研究以超声驻波场声辐射力为驱动力,通过悬浮分散微喷嘴内密集态粉末颗粒,实现金属粉末的稳定微输送。以激光熔覆技术中常用且易堵塞的100目、200目和300目角形铬粉和200目角形钛合金粉为对象,进行脉冲式和连续式两种模式的微输送精度和稳定性实验研究。实验显示,300目角形铬粉单脉冲输送质量可控范围为0.4~16mg且连续输送速率可控范围为6.0~65mg/s;脉冲微输送质量的变异系数随微喷嘴内径的增大而大幅降低(小于2%)、连续输送速率的变异系数均低于6%。实验结果表明,声辐射力驱动微米级角形金属粉末具有较大的输送速率可控范围、输送精度、稳定性和多种角形金属粉末的普适性,可从根本上解决角形粉末喷嘴微输送的堵塞问题。本文研究结果也可为其它尺度金属粉末和非金属粉末的微输送提供参考。     

Microstructural evolvement and formation of selective laser melting W–Ni–Cu composite powder

W–Ni–Cu alloy (90 wt% W, 7.5 wt% Ni, and 2.5 wt% Cu) parts were successfully fabricated via selective laser melting method. Phases, microstructure, compositions, and laser forming parameters of laser melted samples were investigated. It was found that the W–Ni–Cu powder system was based on the mechanism of liquid solidification. This process was realized through full melting of W, Ni, and Cu particles under high laser energy input. However, using relatively lower energy input, particle bonding was realized through liquid phase sintering with complete melting of Ni–Cu acting as binder and nonmelting of W acting as structure. Due to the Ni–Cu solid solution phase that appeared in a wide range from 1,084 to 1,455 °C, a coherent matrix interface can be observed after solidification. The microhardness of laser-fabricated specimens varied with different powder layer thicknesses, resulting from the laser-treated condition and ability of trapped air in the loose powder bed to escape. The metallurgical mechanisms were also addressed.     

选区激光熔化工艺参数对Ti6Al4V粉末成型性的影响

以Ti6Al4V钛合金粉末为研究对象,在单层扫描和单道扫描实验的基础上,研究SLM工艺参数对Ti6Al4V合金材料成型性的影响,并进行了块体成型实验,通过设计正交试验及观察试样的形貌和致密度分析,最终得到Ti6Al4V合金粉末SLM块体成型的最佳工艺参数为:激光功率400W、搭接率1、扫描速度750mm/min,其致密度可以达到96.17％.     

Tribological Property of Selective Laser Melting–Processed 316L Stainless Steel against Filled PEEK under Water Lubrication

Abstract

As a 3D printing technology, selective laser melting has remarkable advantages such as high processing flexibility, high material utilization, and short production cycle. The applications of selective laser melting technology in industry have become quite extensive. There are many tribological studies on selective laser melting materials, but few based on water lubrication (Zhu, et al., Journal of Zhejiang University-Science A, 19(2), pp 95–110). In this article, the tribological properties of 316L stainless steel processed by selective laser melting and traditional methods have been studied under water lubrication. Polyether ether ketone (PEEK) filled with carbon fiber (CF)/polytetrafluoroethylene (PTFE)/graphite was selected as the counterpart. 316L stainless steel and PEEK are a tribopair commonly used in water hydraulics. This study is of great significance to the application of selective laser melting material of tribopairs in water hydraulics. Friction and wear tests were carried out on a pin-on-disc contact test apparatus under different operating conditions. The friction coefficient, specific wear coefficient, scanning electron microscopy (SEM) of the worn surface, and energy-dispersive spectroscopy (EDS) of the surface adhesions of the three tribopairs were measured and compared. The results revealed that the friction coefficient of the selective laser melting (SLM) 316L stainless steel was significantly higher than that of traditionally processed (TP) 316L stainless steel, which might be caused by the pores on the surface of SLM 316L stainless steel. Adhesion and cutting on the surface of SLM 316L stainless steel were also more serious, resulting in a higher specific wear coefficient of its counterpart PEEK composite compared to PEEK composite against TP 316L stainless steel.     

激光选区熔化单道扫描与搭接数值模拟及试验

激光选区熔化（Selective laser melting,SLM）单道扫描的数值模拟,在数值建模时多采用规则实体模拟铺设的粉末层,通过等效定义材料热物理属性模拟铺设粉末层中粉末与气体共存的情况,难以模拟粉末颗粒的随机性而带来的扫描结果的随机性,且难以分析熔池形貌、内部缺陷的微观衍变过程。针对SLM成形过程中激光功率和单道搭接率对扫描单道和单道搭接质量的影响,以316L不锈钢材料为例,建立SLM首层单道扫描与单道搭接数值模拟模型。SLM的铺粉过程在基于离散单元法的EDEM中建立,并得到数值化的粉床几何模型。SLM的单道扫描与搭接的模拟基于有限体积法,在FLUENT中实现,采用两相流模型与熔化/凝固模型捕捉熔池形貌变化过程,得到不同激光功率和扫描搭接率下成形单道与单道搭接的数值模型。最后结合试验表明了在100~300 W激光功率下成形单道表面形貌与缺陷的形成,当激光功率为100~150 W时,单道形貌不规则,且容易形成局部缺陷;在200~300 W功率下,激光功率越大,保证搭接质量的最低搭接率越小,当激光功率为250 W时,应保证单道填充间距不大于0.1 mm。研究成果对SLM工艺参数的调整与优化具有重要的参考价值。     

Abrasive and fretting wear resistance of refractory cobalt alloy specimens manufactured by the method of selective laser melting

This paper reports the results of comparative studies of the abrasive and fretting wear resistance of specimens manufactured by the method of selective laser melting and casting. The materials of specimens are powdered CoCrMo cobalt refractory alloy and the cast KKhS-D cobalt-based alloy.     

选区激光熔化快速成形系统的关键技术

研究激光、铺粉、扫描三个重要选区激光熔化子系统的技术要点。通过计算成形过程所需激光能量,确定激光器的选用。研究表明成形升降台的连续下降精度、铺粉辊的回转偏心量及径向跳动量都对实现最小铺粉厚度控制有着重要影响。结合扫描速度对比试验,分析扫描系统的扫描特征,认为采用快的扫描速度是选区激光熔化工艺的一个重要特点,此外应采用合适的扫描策略克服热变形。在上述研究基础上,采用铜基合金粉末进行三维金属实体成形试验,试验分析表明,成形实体是一个由等轴晶和枝晶组成,相对密度达95%,具有冶金结合组织的金属实体,尺寸精度为±0.5 mm。所获得的成形实体多层断面构造、铺粉、扫描特征等信息可证实部分技术要点分析。