激光选区熔化在医学领域应用前景广阔

<正>3D打印实际上是数字化、网络化、定制化、个性化的制造技术。3D打印的学术名称叫增材制造,英文Additive Manufacturing。广义的3D打印是增材制造的统称,狭义的3D打印是指三维喷射工艺。目前,广义上的3D打印工艺分为:立体光刻、分层制造、熔化沉积制模、三维印刷、激光立体成型、激光选区烧结、激光选区熔化等。3D打印金属零件华南理工大学主要研究的领域是激光选区熔化,即用激光选区熔化制作精     

智能化激光选区熔化成形增材制造平台研制

智能化激光选区熔化成形增材制造平台主要由激光选区熔化成形设备、智能在线监测与反馈调节系统、AM云平台软件、工艺数据处理软件、智能工艺参数库及装备健康安全管理软件等多个系统构成,实现了激光选区熔化成形的远程工艺优化、质量诊断、设备故障预警与远程维护等功能。该平台的成功研制,为解决航空、航天等领域的复杂金属构件增材制造过程中的质量控制与追溯问题提供了重要手段,对于全面提升我国金属增材制造智能化水平具有重要意义。     

激光选区熔化成型典型几何特征尺寸精度研究

为了探讨激光选区熔化成型典型几何特征的尺寸精度,并为激光选区熔化直接成型金属零件提供设计参考依据,设计了薄板、尖角、圆柱体、圆孔、方孔等典型几何特征的三维模型,采用华南理工大学研发的激光选区熔化设备(Di Metal-100)在优化的工艺参数下选用316L不锈钢粉末对这些典型几何特征进行激光选区熔化成型。实验结果表明,激光光斑约束、台阶效应、粉末粘附、激光深穿透等因素是影响零件尺寸精度和激光选区熔化成型能力的主要原因。基于对激光选区熔化成型典型几何特征的尺寸精度及成型能力研究,提出了一些适用于激光选区熔化的零件设计规则,为产品的创新设计提供了参考依据。     

选区激光熔化直接成型个性化舌侧托槽的研究

为了探讨应用选区激光熔化快速成型技术直接制造个性化金属舌侧托槽的可行性,采用3维激光扫描仪采集与重建牙颌模型数据,并以该数字模型为基础,应用3维软件进行了个性化舌侧托槽的CAD设计,再通过自主研发的选区激光熔化快速成型机直接制造出个性化金属舌侧托槽,并对托槽的直接成型质量进行了理论分析和实验验证。结果表明,3维激光扫描仪获得的牙颌模型数据可以满足个性化舌侧托槽设计要求;应用选区激光熔化技术能够制造出与实际牙颌模型相一致的个性化舌侧托槽,取得了个性化前牙槽沟宽度为0.471mm±0.009mm数据,前牙槽沟宽度CAD设计值为0.460mm,两者间没有统计学上的差异(p0.05)。这一结果对选区激光熔化技术直接制造个性化金属舌侧托槽的实际应用是有帮助的。     

层间扫描策略对SLM直接成型金属零件质量的影响

为了通过选区激光熔化技术直接快速成型高致密度及高表面质量零件,采用正交试验对316L不锈钢粉末进行了光纤激光选区熔化成型研究,分析了正交实验中存在的扫描线间搭接缺陷及零件外边凸起缺陷,随后“层间错开”扫描策略因为更好的扫描线间润湿效果及成型效率而被应用于实验中,进行扫描线间搭接情况及层间熔接情况显微观察。层间层内扫描线具有良好的冶金结合,孔隙率大大减少,获得了高致密化的成型效果;使用优化的工艺参量与扫描策略成型具有空间曲面的个性化手术模板,硬度与致密度分别达HV0.3250和95.8%。结果表明,层间扫描策略对选区激光熔化技术直接成型金属零件成型效果良好。     

蓝光激光增材高反射率金属研究现状及发展趋势

激光增材制造技术利用逐点逐层的加工方式,对于复杂金属构件的制备具有极大的技术优势。对于高反射率金属材料,它们在不同波长下的激光吸收率相差较大,提高其对激光吸收率是改善成形件质量的重要途径之一。为获得质量良好的成形件,可采用如蓝光激光、绿光激光等短波长激光光源对高反射率金属材料进行增材制造。阐述了金属粉末材料对蓝光激光的吸收机理、蓝光激光器的研究及发展现状,分析并总结了高反射率金属蓝光激光选区熔化及沉积技术的研究现状,并展望了其未来的发展趋势。     

选区激光熔化直接成型个性化牙冠牙桥研究

为了探索应用数字化反求设计结合选区激光熔化快速成型技术制作个性化牙冠牙桥的可行性,通过Laser-denta扫描系统测量牙列模型并 3 维重建其数字化外形,采用计算机辅助设计了牙冠牙桥。利用自主研发的选区激光熔化快速成型设备Dimetal-280进行了316L不锈钢粉末的正交实验工艺研究,获得优化参量,并用该参量加工设计了牙冠牙桥。结果表明,该方法能快速而精确地制造出形状复杂的个性化牙冠牙桥,且成型速度快、尺寸精度高、表面质量好、误差在±0.15mm以内,未经打磨表面粗糙度达到20μm;与传统加工方式相比,反求工程结合选区激光熔化快速成型的方法能快速而精确地制造出形状复杂的个性化金属牙冠牙桥,为其应用于口腔修复体的计算机辅助设计与制造提供了科学依据。     

激光选区熔化/干式铣削复合加工实验研究

为研究激光选区熔化增材与干式铣削减材复合加工中的工艺交互作用对零件成形质量的影响,以316L奥氏体不锈钢粉末为研究对象,分别采用单一增材工艺和“增材-减材”交替复合加工工艺制备试样,分析成形区的致密度、残余应力。实验结果表明,在制件致密度和残余应力方面,以上两种加工方法均受到激光能量密度的影响且规律相似。此外,复合加工中的铣削减材工艺会对成形样件的致密度和残余应力造成影响,在激光能量密度设置为100J·mm-3和125J·mm-3时,铣削减材工艺可以明显提高致密度并降低残余应力水平。     

航空航天高性能金属材料构件激光增材制造

激光增材制造技术是当今世界科技强国竞相发展的一项关键核心技术,为航空航天等领域高性能金属构件的设计与制造开辟了新的工艺技术途径。航空航天金属构件兼具轻量化、难加工、高性能等特征,对激光增材制造的材料设计、结构优化、工艺调控及性能和应用评价等均提出了严峻挑战。针对航空航天领域三类典型应用材料(即铝、钛、镍基合金及其金属基复合材料)、四类典型结构(大型金属结构、复杂整体结构、轻量化点阵结构、多功能仿生结构等),阐述了近年来国内外在面向激光增材制造的新材料制备、新结构设计、增材制造形性调控、高性能/多功能构件制造及航空航天应用等方面的研究进展,提出了高性能金属构件激光增材制造的宏/微观跨尺度形性协调机制,并就激光增材制造技术在材料-结构-工艺-性能一体化方向的研究及发展作一点思考与展望。     

选区激光熔化直接制造网格结构零件

为了实现网格结构零件的制造,在快速成型设备Dimetal-280上经过选区激光熔化(SLM)工艺实验,分析了SLM中能量吸收对零件尺寸的影响、激光深穿透及铺粉装置对成型效果的影响.结果表明,采用实验中优化的工艺参数成型的316L不锈钢网格结构零件孔径大小均匀、孔隙贯通性良好.孔径尺寸在X方向为965 μm,Y方向为975 μm,与设计值相差分别为35 μm及25 μm.研究采用的SLM设备成型网格零件是可行的,在网格零件制造中具有很大的潜力.     

选区激光熔化快速成型制造精密金属零件技术

对金属粉末材料进行了自动化成型工艺实验，结合实验，研究了影响金属零件直接自动化成型的硬件因素、软件因素和材料因素。其中硬件的影响主要是激光的光束质量和功率、聚焦系统、扫描系统和铺粉系统等;软件的影响主要是扫描策略、切片软件的使用和CAD模型的建立等;材料方面的影响主要是材料的成分、熔点、粒度和粉末的粒径等。通过针对不同成分和粒度的粉末材料的实验，获得了从CAD模型到分层制造出金属实体的样件，结果表明，成型零件的致密度达100%，尺寸精度小于0.1 mm，是完全冶金结合的具有较高成型精度的金属零件。     

实时混粉梯度材料SLM成型系统构建与实验

为了在成型过程中,方便地在零件上按需获得梯度材料成分,采用了集成同步送粉碰撞混合、锥形聚集混合、气流混合等多重混粉动作的实时混粉方法,研制成梯度材料激光选区熔化增材制造系统,并展开了梯度材料成型实验验证,结合试样照片、显微图像及能谱仪检测,分析了成型效果。结果表明,系统可自由按需在水平及垂直方向添加成分渐变材料,可方便获得具有复杂外形结构的梯度材料零件;成型件梯度材料区域微区成分分析显示,各微区内元素平均质量分数离散程度小,成型过程中每层平均混粉时间10s~15s时,各微区主要元素变异系数不超0.59,达到了较好的混合均匀性。该研究为自由制造梯度材料零件提供了新途径。     

Ti-Ni合金选区激光熔化快速成型基础实验研究

选区激光熔化（SLM）是一种极具挑战力的新型快速成型技术，能一步加工出具有冶金结合，相对密度接近100%，具有复杂结构、高的尺寸精度及好的表面粗糙度的金属零件。选用适用于医学植入体的Ti-Ni合金材料进行了选区激光熔化成型实验研究。讨论了扫描速度、铺粉厚度、激光功率等加工参数对成型致密性及成型精度的影响。设计和成型了梯度网格结构，重点分析了翘曲变形现象的成因及消除方法，认为可通过特殊的扫描策略，减小成型件各处温差的方法有效消除成型件的翘曲变形。对成型样品的内部组织显微分析表明，成型样品达到了完全的冶金结合，内部由枝晶和等轴晶两种组织构成，其分布取决于扫描方式、扫描速度、激光功率等参数。     

金属3-D打印制造技术的发展

归纳了当前金属3-D打印技术的发展情况，指出了各类3-D打印技术优缺点，从发展历史、工作原理等方面讨论了典型3-D打印技术的技术特点; 在此基础上，对选区激光熔化技术的研究前景进行展望，即激光选区熔化技术作为金属3-D打印一个重要分支在各领域具有更广泛的应用; 提高材料性能、设备功能、结构设计及制造工艺的研发水平，可极大推动金属3-D打印技术的发展。随着金属打印技术的成熟，3-D打印的应用必将会覆盖更多金属制造产业，成为未来最重要、最具战略意义的制造技术。     

铜磷合金粉末选区激光熔化成型研究

为了应用选区激光熔化技术直接制造金属零件,采用Dimetal 240快速成型机对平均直径为75μm的铜磷合金粉末进行了工艺试验。成型机配备200W半导体抽运Nd:YAG激光器,激光功率为103W～117W,内部扫描速度为0.25m/s～0.41m/s,边框扫描速度为0.15m/s,铺粉厚度为0.2mm。所得试样用扫描电镜和光学显微镜进行了微观组织分析。试样层问结合为冶金结合,致密度达到90%以上,层内组织为细长枝晶,层问组织为细小等轴晶。结果表明,通过设定合适的工艺参量,选区激光熔化技术可以直接成型金属零件。     

采用区域选择激光熔化技术直接制造铝合金零件

区域选择激光熔化技术(SLM)与选区烧结技术(SLS)相比其突出的特点在于SLM过程使用的金属粉末为单组元粉末材料以及该过程中金属粉末完全熔化。因而采用SLM技术生产的金属功能模型和零件致密度高，具有系列产品的组织结构和使用性能,为单件、小批量直接制造金属零件提供了可能。介绍了SLM技术的特点以及采用SLM技术加工铝合金粉末的特殊性,采用SLM工艺熔化金属在随后的结晶过程中易出现成球现象,优化激光加工参数以及在加工过程中通入惰性气体可以克服该问题。采用SLM技术加工了AlSi25和AlSi10Mg两种铝合金粉末,制备了样件和拉伸试样。微观分析显示:样件的横截面中均无孔隙和裂纹存在,组织细小,微观结构分为细晶区和搭接区,搭接区的结构明显长大,经拉伸测试,采用SLM技术生产的样件具有优于传统方法生产试样的综合机械性能。给出了采用SLM技术制造的铝合金功能模型。     

选区激光熔化成型金属零件上表面粗糙度的研究

为了改善成型件表面质量,从微观上研究了决定选区激光熔化成型金属零件的上表面粗糙度的主要因素,通过研究单熔道成型,从熔道搭接的角度理论分析了成型件的上表面粗糙度,基于自主研发的成型设备Dimetal-280加工实体零件进行了实际测量对比,获得表面粗糙度的轮廓算术平均偏差Ra的理论值为3.21m,微观不平度十点高度Rz的理论值为12.79m,其实测值Ra=7.36m,Rz=40.01m;进行喷砂和电解抛光处理后,表面粗糙度减小,即Ra=2.34m,Rz=10.86。结果表明,成型件的上表面粗糙度主要受熔道宽度、扫描间距和铺粉层厚3个因素的共同影响;粗糙度实测值与理论值有偏差,主要是由于熔道不稳定、表面出现球化、粉末粘附等缺陷造成;成型件经过电化学处理后表面质量有较大的改善。选区激光熔化成型金属零件可达到良好的表面粗糙度,此项研究为进一步提高表面质量和应用于生产加工提供了参考依据。     

激光熔化沉积参数对316L单道几何特征的影响

激光熔化沉积(lasermelting deposition,LMD)是一种先进的金属增材制造技术,具有成形速度快、无模具制造、多轴操作系统和多余粉末可有效回收等特点。但是沉积过程中会出现成形质量不良的现象,导致LMD零件致密度下降,疲劳性能降低。为了提高316L奥氏体不锈钢LMD零件的致密度与疲劳力学性能,针对LMD单道沉积工艺过程,开展实验研究分析不同工艺参数下对单道沉积几何特征的影响。本文使用316L奥氏体不锈钢粉末在激光熔化沉积设备上进行相应的工艺研究,探索了激光功率与扫描速度对单道沉积几何特征的影响。通过对工艺参数与各几何特征进行回归分析,建立了回归模型,并确立了工艺参数对几何特征的影响规律。该工作为后续316L激光熔化沉积零件疲劳实验试样的制备提供基础与参数指导。