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     

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。     

金属零件自动超轻结构化设计及激光增材制造

为解决金属超轻结构零件设计技术复杂、设计周期长、难添加蒙皮进行增材制造等难题,提出一种基于激光选区熔化增材制造工艺的金属零件自动超轻结构化设计方法:根据激光选区熔化工艺特点,编制程序将原始零件CAD模型自动转化为设定孔隙率的带蒙皮类蜂窝状超轻结构零件模型,且其数据可直接驱动设备实现零件增材制造。研究了带蒙皮超轻结构的构造形式及设计方法;探讨了合适的成型棱长及合理蒙皮结构形式;成功实现复杂零件自动带蒙皮超轻结构化设计及增材制造,所得零件孔隙率误差2.79%,表明能较准确按预期减重。该方法能根据原始零件CAD模型自动、快速地构建带蒙皮金属超轻结构零件模型,大大减轻该类零件设计负担及提高其实用性。     

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。     

选区激光熔化成形系统的动态聚焦技术研究

针对二维振镜存在的聚焦误差问题,根据产生聚焦误差的原理,采用动态聚焦技术补偿聚焦误差.分析振镜激光扫描过程中的图形失真机理,采用坐标映射方式补偿图形畸变方法.基于PCI总线控制技术实现动态聚焦振镜扫描的控制,并将该动态扫描系统应用于选区激光熔化成形设备,通过选区激光熔化成形工艺实验,验证了所开发的动态聚焦系统满足选区激光熔化成形工艺要求.     

扫描路径对选区激光熔化热力演变的影响

选区激光熔化（SLM）是增材制造成形的主要工艺方式，其应用越来越广泛。影响其成形性能的主要因素是工艺参数组合方案，而扫描方式是其中的一个关键参数。本文以两种最常用的扫描路径为研究对象，深刻揭示其热力影响规律。首先建立符合SLM工艺特点的热力耦合仿真模型，并基于有限元软件进行二次开发，实现不同路径的仿真模拟；然后以一组工艺参数为例进行了仿真，结果表明，条纹式扫描轨迹的熔池几何和热应力均大于棋盘式；最后，通过熔道形貌与残余应力测试等多组试验数据均验证了仿真结果的正确性。该研究探明了扫描轨迹对SLM成形热力的影响关系，并为工程实践应用提供了一种高效的工艺仿真方法，从而便于进行SLM成形质量预判分析。     

激光增材制造成形合金钢件质量特征及其检测评价技术现状(特邀)

无损检测技术是合金钢构件激光增材制造的重要技术支撑,是保证激光增材制造产品质量和在役安全性的关键技术,是贯穿产品全寿命安全保证的重要技术组成。金属激光增材制造合金钢件成形、组织和力学性能不同于传统技术制造构件性能,使得无损检测技术面临诸多挑战。综述了激光增材制造合金钢成形质量特性,包括成形缺陷和力学性能;基于无损检测技术,论述了无损检测技术在激光增材制造合金钢件质量评价中的应用,重点论述了无损检测技术在激光增材制造构件缺陷和力学性能中的应用现状;提出了基于超声和微磁检测技术评价材料力学性能的原理、标定方法和微磁传感器设计方案;最后总结了无损检测评价技术在激光增材制造合金钢件检测评价应用中面临的挑战和发展趋势。     

大物性差异多材料激光增材制造界面研究进展（特邀）

随着多材料激光增材制造科学与技术的不断进步,一体化制备极端使役性能的大物性差异材料与元件成为可能。但大物性差异多材料增材制造成形界面问题尤为突出。根据大物性差异多材料激光增材制造成形的进展,笔者聚焦大物性差异材料的界面问题和界面优化方法,分别以激光吸收率差异、热物性差异、界面生成脆性相分类阐述界面问题,同时在工艺优化、功能梯度设计、复合制造三个方面对界面优化方法进行总结,为实现大物性差异材料的高质量成形提供参考。同时,阐述了大物性差异多材料激光增材制造建模与仿真研究进展,以期通过宏观和介观尺度模拟指导大物性差异材料的激光增材制造成形参数优化。最后对多材料激光增材制造大物性差异材料的应用和共性科学问题及技术挑战进行了展望与思考。     

新型L式双向智能刮刀的设计及应用

激光选区熔化技术在实际应用中会出现熔点突出、工件翘曲等问题,影响铺粉质量及最终成型工件质量.为了提高激光选区熔化的铺粉质量,该文设计了一款基于PZT-5 H阵列的L式双向智能刮刀,并对其传感器性能、单路信号灵敏度、铺粉模拟等进行了测试.结果表明,测试得到刮刀整体灵敏度为100μm,有效地提高了智能刮刀在激光选区熔化中的...     

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。     

不同工艺策略对机器人增减材复合制造316L不锈钢表面质量和力学性能影响的研究

针对激光定向能量沉积（LDED）成形零件尺寸精度低、表面粗糙度大的问题，采用机器人增减材复合制造平台，研究了不同工艺策略（先增材后减材成形及增减材交替成形）对增减材成形316L不锈钢试样表面质量和力学性能的影响，阐明了增减材交替工艺策略的层间作用对成形试样表面质量和力学性能的影响机理。对增材和减材工艺参数进行优化，确定优化后的参数为激光扫描间距2.5 mm、刀具主轴转速3600 r/min、刀具进给速度3 mm/s、铣削深度0.3 mm和铣削宽度3 mm，并采用该优化参数在不同工艺策略下成形了316L不锈钢试样。结果显示：先增材后减材和增减材交替成形试样的力学性能相当，增减材交替工艺策略可以实现内部结构复杂的316L不锈钢零件的成形，对零件成形性能没有消极影响。最后采用增减材交替工艺策略进行了阀门模具的制造，验证了增减材复合制造工艺的工业应用可行性。     

CoCrMo合金激光选区熔化成型工艺及其性能研究

对CoCrMo合金激光选区熔化(SLM)直接制造成型工艺进行了研究,以便探索使用CoCrMo材料的个性化医用产品的更优化工艺。使用华南理工大学自主研发的Di-Metal100型SLM设备,在使用满足ASTM F75要求的CoCrMo合金进行SLM增材制造过程中,对激光功率、扫描速度、扫描间距3个关键工艺参数进行了工艺验证与分析,以便获得高致密度成型工艺参数,并对此工艺参数下成型件的性能进行测试。结果显示,在激光功率为170W,扫描间距为0.08mm,扫描速度为500mm/s时获得致密度为99.02%,此时CoCrMo合金SLM直接制造样件的抗拉强度、屈服强度σ0.2以及洛氏硬度均高于ASTM F75铸造标准,延伸率略低。通过对CoCrMo合金SLM增才制造工艺的优化,可以制造出性能上能够满足医用产品指标的CoCrMo合金个性化医用产品,从而为CoCrMo合金SLM个性化直接制造应用提供重要参考。     

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。     

激光选区熔化成形TC4钛合金薄壁件变形与残余应力

增材制造（3-D打印）作为一种近净成形技术，为钛合金薄壁件高质量毛坯制造提供了新途径，但在薄壁件成形过程中产生的变形与残余应力会影响试件的成形质量与后续加工。为了解决这一问题，采用激光选区熔化成形TC4钛合金薄壁件，研究了激光功率、扫描速率、薄壁厚度和扫描路径方向对试件变形与残余应力的影响，测量了试件不同深度的表面残余应力。结果表明，变形主要在薄壁件顶层两侧，最大残余应力主要分布在试件底层与薄壁件中间；当激光功率为180W、扫描速率为1200mm/s时，试件变形最小；当壁厚为0.6mm、扫描路径方向45°时，试件残余应力最小；薄壁件的未处理表面残余应力大于内层表面残余应力。该研究为钛合金薄壁高质量毛坯制造提供了技术帮助。     

激光增材制造研究前沿与发展趋势

从激光增材制造材料、工艺、装备、应用等方面分析了激光增材制造技术当前的研究热点以及相关的研究进展,梳理了未来主要发展方向.材料和成型工艺方面的相关研究主要集中于轻质合金和高价值合金增材制造;从成型装备来看,设备大型化、高速化、复合加工是未来的主要发展方向;而应用方面则主要面向高性能、高价值零部件的增材制造与生物植入体....     

难熔高熵合金激光增材制造的发展：材料性能与制造工艺调控技术（特邀）

难熔高熵合金具有超越传统合金的优异性能,强度和硬度更高,高温性能和耐蚀性更优异,在航空航天、核工程、武器装备等领域具有广阔的应用前景。难熔高熵合金发展面临着两个难点：常规真空电弧熔炼方法制备的难熔高熵合金存在成分偏析严重、研发周期冗长、材料尺寸受限等难题;难熔高熵合金的硬度很高,难以实现复杂结构的成形和加工。因此,现有的冶金、成形、加工等技术面临挑战。通过激光增材制造实现材料与结构一体化成形是突破现有问题的发展方向,国内外学者在此方面进行了大量探索。本文对难熔高熵合金激光增材制造的发展现状进行了综述与分析,介绍了难熔高熵合金复杂构件从材料到制造的研究进展,阐述了高熵合金的研发途径、增材成形工艺和缺陷调控、难熔高熵合金在不同温度下的力学性能,以及增材制造工艺面临的挑战和取得的进展,最后总结了难熔高熵合金增材制造未来的应用方向和发展趋势。     

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。     

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。     

316L不锈钢双激光选区熔化成形性能研究

为了研究不同的扫描模式对激光选区熔化（SLM）成形质量的影响，采用自主研发的双激光同步扫描激光选区熔化设备，在单激光扫描、双激光低功率同步扫描、双激光高速同步扫描模式下制备了316L不锈钢样件，对比了三种模式下的成形质量，分析了三种模式下飞溅形态、熔池形貌以及样件力学性能的差异。结果表明：采用双激光低功率（110 W）同步扫描时，由反冲压力引起的飞溅增多，熔池尺寸均匀且排列整齐；随着单束激光功率从95 W提升至120 W，样件的致密度从98.91%提升至99.32%；样件的微观组织主要由宽度为0.65～0.75μm的柱状亚晶与等轴亚晶组成。采用双激光高速（2000 mm/s）同步扫描时，熔池深宽发生较大变化，搭接率由单激光扫描时的30%提升至50%以上，柱状亚晶的平均尺寸由单激光扫描时的0.50μm降到0.35μm。两种双激光同步扫描模式下成形样件的力学性能与单激光扫描模式下的相当，致密度达到99%以上，抗拉强度均超过720 MPa，延伸率超过40%。双激光高速同步扫描使得成形效率相较单激光扫描提升了一倍，为大尺寸激光选区熔化设备的扫描策略设计提供了新思路。     

倾斜角对激光选区熔化TC4构件内部孔道成形精度的影响

以激光选区熔化TC4构件为研究对象,研究了倾斜角对构件内部结构成形精度的影响.设计了具有不同倾斜孔道结构的TC4构件,采用优化后的参数打印成形.采用工业计算机断层成像设备观察样品的内部结构,并建立逆向三维模型,将其与设计模型导入PolyWorks软件中进行拟合和对比,从而检测该试样内部结构悬垂面的表面偏差程度和表面质量.结果 表明,倾斜角对TC4构件内部结构的悬垂程度和表面质量具有很大影响:当倾斜角增大到50°左右时,激光选区熔化TC4成形件内部结构悬垂面的表面偏差程度明显变小,且打印质量明显提升;而当倾斜角继续增大时,激光选区熔化TC4成形件内部结构悬垂面的表面偏差程度明显变大,且打印质量明显下降.