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.     

选区激光熔化快速成型系统及工艺研究

选区激光熔化技术是近几年出现的能直接制造终端、近终端金属产品的快速成型技术.描述了选区激光熔化快速成型设备系统组成,选区激光熔化对激光子系统、扫描子系统及软件子系统的功能要求.经工艺实验,分析了扫描速度、激光功率、扫描间距对成型质量的影响,并通过成型1个三维金属实体,验证了系统的可行性.     

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...     

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。     

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。     

选区激光熔化快速成型系统激光扫描路径生成算法研究

选区激光熔化(SLM,SelectiveLaserMelting)技术在激光逐层熔化金属粉末的过程中,扫描器要做大量的扫描运动,因此选择合理的激光扫描路径一直是此技术研究的重点问题。本文在综合国内外快速成型技术各种激光扫描路径生成算法的基础上,提出了一种称为“互减”的扫描路径生成算法。测试表明,此算法通用性和可扩展性强,生成扫描线速度较快。     

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。     

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。     

半导体泵浦激光器在选区激光熔化工艺中的应用研究

选区激光熔化是新出现的能直接成型致密性接近100%终端金属产品的快速成型技术,该技术对成型能量源的要求严格。半导体泵浦激光器具有电光转换效率高、性能可靠、体积小巧、使用寿命长、输出光束质量好等优点。本文分析了选区激光熔化工艺对能量源的选用要求,对将半导体侧向泵浦Nd押YAG激光器应用于选区激光熔化工艺的可行性进行了评估,并通过实验进一步验证了评估结果。     

选区激光熔化快速成型扫描路径优化算法研究

本文针对选区激光熔化成型过程中所存在的翘曲变形、球化等现象及其成因进行了简要分析,并且结合相关文献,提出了重复扫描和分区扫描相结台的路径生成算法.分区避免了长线扫描,因而可以有效减小翘曲变形,一个层面上重复扫描可以减小层间的内应力,并且可以提高熔化层的表面质量,因而此种扫描路径生成算法可以有效地改善零件的成型质量.     

分层实体制造激光光路分析与快速校准

文章介绍了分层实体制造激光快速成型机的光路系统组成,分析了光路系统偏差对零件尺寸形状误差的影响,最后介绍了浙江光路快速校准的方法。     

选区激光熔化快速成型矩形块扫描方式的路径生成算法

算法的核心是将待扫描区域划分为矩阵式的矩形块,块数由用户设定,相邻矩形块间扫描方向相互垂直。这种扫描方式可以改变热应力的方向,并可避免长线扫描．该算法能够有效提高轮廓形状比较简单,但截面面积较大的零件的成型质量。     

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.     

激光选区烧结控制系统

在分析激光选区烧结原理的基础上,结合激光选区烧结系统的研制工作,指出了控制系统的目标．提出了一种双层并行控制方案,介绍了该系统的总体结构和特点,并具体描述了该控制系统的软、硬件实施,以及上下层之间的并行握手通讯设计。     

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。     

选区激光熔化温度场仿真及温度调控研究

在选区激光熔化(SLM)加工过程中,温度对工件的成形质量具有决定性的作用,而温度取决于加工工艺。因此,针对铜合金加工的温度问题,建立了铜合金温度场三维有限元仿真模型,研究了不同工艺参数对温度场温度的影响,为铜合金加工的工艺调控提供理论基础。基于温度场仿真模型,本文分别研究了激光功率、扫描速度、扫描间距、粉末层厚对温度场的影响,研究表明：熔池的温度随着激光功率的增加而增加,随着扫描速度的增加而减小,扫描间距和扫描层厚对温度场的温度会有一定的影响,但是影响非常小。     

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。     

基于数字化3D技术的股骨假体再设计与激光选区熔化制造

研究了基于数字化3D技术的全膝置换股骨假体再设计并通过激光选区熔化(SLM)技术直接制造了股骨假体,以满足医学上对全膝置换股骨假体的高适配性要求。对一名患者的全膝关节CT连续断层图像提取股骨3D模型,根据骨科医生手术规划进行了数字化3D解剖与测量,并据此对目前商业化的假体进行了重新设计。然后,利用SLM技术直接制造了再设计完成的3D股骨假体模型,并讨论了制造工艺参数、机械性能、空间优化摆放位置以及成型精度等关键技术。实验结果显示:依据患者股骨远端解剖参数可完成股骨假体的3D模型再设计并可利用SLM技术直接制造出股骨假体,单个股骨假体成型时间为5.2h,成型精度标准偏差为0.030mm,成型致密度达到99.02%;热处理后成型性能优于美国实验材料学会(ASTM)F75的铸造标准。得到的结果表明该项技术可以快速制造完成患者所需要的股骨假体,且成型性能优良。     

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。