激光选区熔化增材制造技术的发展

当前,激光选区熔化增材制造技术在航空航天、军工、医疗、汽车、模具、文创等领域已有较多应用.从结构创新、专用材料、设备升级、数字化、智能化、跨学科与跨领域等方面介绍了激光选区熔化增材制造技术的发展.     

激光选区熔化增材制造激光束光路系统优化研究

介绍了金属选区激光熔化成型技术的原理及研究现状,并提出了激光光路系统的优化设计方案,重点对激光器、扩束镜、扫描振镜、调焦装置和聚焦透镜等设备器件进行了原理分析和优化选型,并进行了相应光路系统的研制。对选区激光熔化成型设备的优化设计具有一定的指导意义。     

基于激光选区熔化的免组装机构直接制造技术

采用数字化设计和组装并直接制造成形、无需实际组装工序的机构,称之为免组装机构。激光选区熔化能够直接制造冶金结合、组织致密、尺寸精度高和良好力学性能的功能零件,是直接制造免组装机构的理想技术。研究了激光选区熔化成形免组装机构的摆放方式、间隙特征的尺寸精度和表面粗糙度、间隙特征结构优化等关键技术。通过自由设计和DiMetal-100系列激光选区熔化成形设备成形了免组装的铜钱算盘和折叠算盘、平面连杆机构(曲柄滑块、曲柄摇杆、摇杆滑块)和万向节等免组装机构。研究证明,激光选区熔化不仅能够顺利成形形状很复杂的零件,也能够直接成形具有相对运动的免组装机构,为机电产品的数字化设计和一体化制造提供了一种可行的方法。     

高性能激光选区熔化增材制造设备的控制系统设计

采用倍福高性能、全软件式架构的工业PC,设计了一种高性能激光选区熔化设备的控制系统.该控制系统主要包括人机界面模块、工业PC模块、运动逻辑控制模块、激光振镜扫描模块和气氛控制模块,以倍福PLC为控制核心,基于倍福的EtherCAT新型分布时钟同步技术,保证设备的高效和高精度控制.并通过QT软件平台,开发实用、多功能集成...     

激光选区熔化增材制造零件侧壁成型精度分析

为提高增材制造金属零件时侧壁的成型精度,开展了提高激光选区熔化增材制造零件侧壁精度的工艺研究。结合实验分析了影响侧壁精度的粉末黏附、熔池端部凸起、热变形等现象,针对不同类型的侧壁提出了相应的侧壁精度优化方案。提出采用变向螺旋勾边+内缩填充扫描策略,同时在勾边时保持稍低的扫描速度,可以提高垂直及法向朝上侧壁的成型精度;法向朝下侧壁精度受热应力的影响最大,合理的扫描策略及支撑设计可有效防止该类侧壁热变形。根据工艺分析结果,成功成型了一个带有多种类型侧壁的金属零件。结果表明,采用上述工艺方案可以直接成型出尺寸精度最高可达到±0.05mm/10mm,表面粗糙度最高可达到R_z为26.7μm的金属零件。     

面向选区激光熔化增材制造的多孔结构设计与力学性能分析

面向选区激光熔化(Selective laser melting,SLM)增材制造轻质高强多孔结构的需求,采用拓扑优化设计方法,通过调节孔隙率和载荷施加位置对正六面体进行结构优化,得到了点、线和面拓扑多孔结构,并利用SLM技术制备了 AlSi10Mg多孔结构试样.通过压缩试验测试多孔结构的力学性能,采用有限元法分析多孔结构的破坏机理.结果表明,随着孔隙率的增加,点、线和面拓扑多孔结构的屈服强度和弹性模量逐渐降低.有限元分析表明,面拓扑多孔结构的应力分布是最均匀,在相同压缩位移下,面拓扑多孔结构的力学性能最佳,线拓扑多孔结构次之,点拓扑多孔结构的力学性能最差.该结果证明了面拓扑优化是三种优化方式中最理想的一种.采用经典的Gibson-Ashby模型建立了力学性能与几何参数之间的数学关系,可用来预测三种多孔结构的孔隙率与力学性能关系,为多孔结构的应用提供了理论依据.     

选区激光熔化金属增材制造设备控制系统设计与研究

针对选区激光熔化金属增材制造设备的控制系统的设计,力求提升金属增材制造设备运行的稳定性和可靠性,通过优化控制系统架构以及设计结构化的通讯协议的的方法,设计了一种基于QT+PLC+RTC平台实现的SLM金属增材制造设备控制系统,重点研究激光器、振镜器、电机控制器等外围设备配合与控制问题,实现了一套人机交互友好、打印过程全方位的自主可控、多线程协同运行的高可靠性的金属增材制造设备的控制系统。     

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。     

激光选区熔化自由制造异质材料零件技术研究

为解决当前激光选区熔化成型过程难以按需在零件任意位置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了工艺实验验证。实验表明该方法可以较有效解决激光选区熔化成型过程异质材料布置难题,实现异质材料零件成型：（1）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;（2）所得块状异质材料零件的铜合金材料区域Fe元素平均质量百分含量可控制在2%以下,钢材料区域Cu元素平均质量百分含量可控制在1%以下;（3）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。     

选区激光熔化成形质量研究

选区激光熔化(SLM)是3D打印技术的一种,能够直接打印出几乎任意形状的高精度金属零件,是具有巨大应用前景的金属增材制造技术之一。文章阐述了选区激光熔化(SLM)技术原理,分析了其特点,归纳总结了SLM技术成形件表面质量、尺寸精度的研究现状,并对其发展进行了展望。     

激光选区熔化增材与机加工复合制造AISI 420不锈钢:表面粗糙度与残余应力演变规律研究

激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)增材制造技术具备极端复杂构件制造能力,为高性能构件的材料结构一体化制造提供了技术支撑。然而,在激光与材料交互作用过程中,熔池稳定性,熔池间界面结合性,熔体与基体的润湿性等因素直接影响构件微观组织、表面精度与粗糙度。其中,SLM成形的金属表面粗糙度较高是制约其发展的重要因素,SLM技术与机加工复合是发展趋势之一。因此,采用机加工的方法对SLM样品进行表面处理,分别研究了机加工对不同致密度金属,不同铣削深度及不同铣削面对金属试样粗糙度及残余应力的影响规律。其中,试样粗糙度经过铣削后从约10μm降低到1μm以下,极大改善了制件的表面质量。同时,通过铣削使试样水平方向的残余应力由压应力变为拉应力并大幅降低。     

激光增材制造应力测量

首先对残余应力概念进行阐述,然后简要介绍了几种残余应力测量方法,并就各自优点和缺点进行介绍,之后重点进行了通孔法和盲孔法的理论论证,并通过实验进行研究。     

7075铝合金选区激光熔化研究现状

现今航空航天等领域对复杂精密零件的需求逐步增加,传统的加工方式已无法满足这一趋势。选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)基于逐层叠加的原理可一次性成型复杂件,因此对于这类零件具有广泛的应用前景。7075铝合金是航空航天领域常用的一种高强铝合金,由于高强铝合金热导率高,对激光反射率大,易氧化,有很强的热裂倾向等特点,导致SLM成型7075铝合金难度大。然而市场对其越来越大的需求,近几年发展迅速。主要从工艺优化和添加形核成分方面总结了近几年国内外7075铝合金选区激光熔化的研究现状,并阐述了存在的问题和发展趋势。     

铝合金激光选区熔化成型能力研究

为了探究激光选区熔化(SLM)技术在无支撑条件下铝合金零件的工艺成型能力,为后续基于铝合金SLM技术的结构设计奠定基础,开展了系列典型工艺单元件的设计与制造。在综合考虑零件摆向方位、悬端角度、开孔形状与大小等因素的基础上,采用Xline 2000 R设备在优化的工艺参数下选用AlSi10Mg粉末对这些典型工艺单元件进行激光选区熔化。通过典型工艺单元件的制造研究,得出了系列能够指导基于铝合金SLM技术进行结构设计的有益结论。该研究为后续基于铝合金SLM技术进行复杂零件的设计与制造奠定基础。     

激光增材制造仿真过程分析

针对激光增材制造过程,采用仿真的方式获取加工过程中各参量随时间变化的情况。建立了高斯热源的模型,主要分析了激光扫描过程中材料的温度、不同方向的温度梯度、不同方向的变形量、正应力和屈服应力,最后分析了冷却后的温度、变形和应力分布情况。结果表明:薄壁框由于各方向与空气接触面积大小不同,冷却的温度梯度差别大;各方向刚度不同,会导致变形量不同,从而对应力的分布造成影响;激光对已成形部分的影响主要位于前几个扫描周期,影响程度随熔池与该节点的距离增大而快速减小;最大单向变形约为2. 5 mm,最大残余应力约为560 MPa。     

基于激光选区熔化的功能零件结构设计优化及制造关键技术研究

为优化现有的门把手功能零件,采用了受力分析及拓扑优化的方法,设计出符合零件内部力场分布特点的功能件,通过激光选区熔化技术(Selective laser melting,SLM)获得打印成型件,并经过尺寸精度、力学性能及质量等方面的测试,获得减重52.5%轻量化效果,力学性能达到传统铸锻件及尺寸精度符合需求的优化设计成品。SLM加工获得的功能件应用于密封舱门,在真空度-30 k Pa、氧含量浓度10 ppm条件下测试,模拟分析变形位移6.9μm。证明基于激光选区熔化技术进行优化设计能使得优化功能零件过程中拥有极高的自由度,故基于激光选熔化技术,采用拓扑与布局优化、结构类型优化等结构优化设计方法,达到减轻产品重量并改善性能等目标的思路是可行的。     

激光选区熔化成形CuZnAl形状记忆合金工艺研究

利用激光选区熔化技术制备了铜基形状记忆合金块体,并初步探索了不同激光体能量密度对于合金致密度、相组成、微观组织形貌及力学性能的影响。发现随着激光体能量密度的增加,致密度先增加后减少。试样中β相的含量随着激光体能量密度的增加而减少,当激光体能量密度达到194.4 J/mm~3时,β相完全消失,只剩下单一的α相。显微组织观察显示,采用激光选区熔化技术制备的块体中存在的α相呈现规则的层片状,不同于铸造组织中形成的长条状α相。受到孔隙率的影响,拉伸强度随着激光体能量密度的增加而增加,最高拉伸强度可达328.3MPa;而由于相组成的改变,显微硬度随着激光体能量密度的增加而降低。     

选区激光熔化悬垂结构支撑添加研究

选区激光熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)是一种增材制造工艺,以粉末床为特征,利用高能激光束分层熔接金属粉末的方式成型三维零件,逐层堆积的工艺特点决定其在制作悬垂结构时需要添加支撑。支撑的添加方法可以分为自动添加和手动添加两种。目前依靠软件自动添加的支撑结构依然存在不足,需要手动配合添加支撑才能保证零件的高效成型。然而手动添加支撑的操作较为繁琐,对操作人员的要求较高,需要开展深入研究,积累工艺经验。本文主要通过对SLM打印悬垂结构过程中出现的变形问题进行分析,总结了手动添加支撑的基本规律,并且通过ANSYS Additive软件分别对手动和自动添加的支撑结构及零件结构成型过程中的变形进行模拟仿真,验证支撑添加规律的正确性。     

增材制造

计算机、激光、材料等学科的进步促进了制造技术的更新与发展,RP技术就是应用了这些新技术,采用增材制造的概念而产生的,这一技术为设计的改进提供了一个强有力的工具,这一技术与一些复形工艺相结合,可以形成支持产品快速开发的系统。