渐变的曲面舞者——激光近净成形(LENS)

点击量: 发布时间:2017-03-14 作者:状迈(上海)增材制造技术有限公司
进入2017年,金属3D打印继续在新闻端发酵,其应用也得到了更多行业的肯定,比如西门子3D打印的叶片经受住了高温的考验。而激光近净成形技术,以其能够实现梯度材料、复杂曲面修复等功能而深受工业界的宠爱。而凭借这一特点,LENS技术当仁不让的成为了链接传统制造与3D打印的桥梁,在大型器件的修复上正在不断地发挥着作用。靖哥有幸邀请到了宁福达博士,为大家深刻解读激光近净成形技术。靖哥3D打印,3D打印的高知平台。
 
背景
激光近净成形技术LENSTM是激光3D打印(3D Printing) / 增材制造 (Additive Manufacturing) 技术的一种,通过激光在沉积区域产生熔池并持续熔化粉末或丝状材料而逐层沉积生成具有三维形貌尺寸的零部件。这种技术由美国桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratory)于上世纪90年代研制,使快速成型技术进入到了崭新阶段。随后,美国Optomec公司将LENSTM技术进行商业开发和推广,并逐渐推出成品机床LENSTM 450/850等设备。
 
技术原理
与其他3D打印技术相同,在LENSTM技术过程中,计算机首先将三维CAD模型进行分层切片,得到每一层的二维平面轮廓数据并转化为打印设备数控台的运动轨迹。高能量的激光束 (laser beam) 会在基体底板 (substrate) 上生成熔池 (molten pool),同时金属粉末束流 (powder stream) 以一定的供给速度(约100cm3/小时)喷射至熔池并快速熔化凝固,通过点 – 线的方式来生成每一层的目标截面几何形状,这样层层叠加 (layer-by-layer) 制造出近净形的零部件实体。具体打印过程如图1所示[1]。
 
 
 
成型材料
目前,LENSTM技术主要用于打印一些比较成熟的商业化金属合金粉末材料,包括不锈钢304/316,工具钢H13,钛合金Ti6-4,镍基合金IN625/IN718等。同时,这些合金材料的其他牌号以及铜、陶瓷、金属基复合材料等也正在研发中。具体材料分类和牌号详见表1(数据来源于Optomec公司)。
 
 
 
技术优点与瓶颈
LENSTM技术可以针对中小规模生产的零件实现无模制造,节约成本,缩短生产周期。尤其对于那些高性能的、成本高的零件制造具有巨大的技术应用价值。同时该技术解决了复杂曲面零部件在传统制造工艺中存在的切削加工困难、材料去除量大、刀具磨损严重等一系列问题。此外,与其他的粉床3D打印工艺如选择性电子束烧结/熔融(selective laser sintering/melting)(详见靖哥3D打印 | 第39期 金属3D打印,电子束有何“神通”?)相比,LENSTM技术具备特有的优势,包括可以打印功能梯度材料、零部件的修复和再制造、较小的热影响区(heat affected zone)等等[2]。
 
美国宾州州立大学通过LENSTM技术打印出不锈钢304L和镍基合金IN625的功能梯度材料(图2)。基座由20层不锈钢材料打印而成,在之后的24层梯度材料区域内,不锈钢材料的体积含量每层减少4%,同时镍基合金每层增加4%,直至顶部区域打印出100%镍基合金含量的材料。功能梯度材料件使得零件不同区域具有各异的材料特性,并可应用于一些极端工况。
 
 
 
当然,LENSTM技术也遇到了一些瓶颈,主要包括粉末材料利用率较低,热应力大,零件存在内部缺陷如孔隙/裂纹(图3)和不规则显微组织(图4),这将影响零件的质量和力学性能。
 
 
 
 
 
应用
LENSTM技术目前主要应用于航空航天、汽车、船舶等领域,用于制造或修复航空发动机和重型燃气轮机的叶轮叶片以及轻量化的汽车零部件等。图5为运用LENSTM技术实现发动机叶片的制造/修复的应用。该技术可以实现对磨损或破损的叶片进行修复和再制造的过程,从而大大降低叶片的制造成本,提高生产效率。LENSTM技术还被报道成功用于修复W87导弹外罩上具有曲面几何特性的凸缘结合部分,如图6所示。除此之外,LENSTM技术已经逐渐开始用于制造医疗器械和植入物。图7运用CT扫描生成骨头和植入物的3D模型以满足植入物与患者局部解剖结构上的高度匹配。LENSTM技术通过精确控制横断面轮廓,有效实现个体化植入物的制造。
 
 
 
 
展望
 
LENSTM技术以其特有的加工优势将会被应用到越来越广泛的工业领域,如何结合后处理(post-processing)以及辅助技术(assisted-technique)使LENSTM技术能够打印出精度更高、性能更好的零部件将会是今后的研究趋势。
状迈(上海)增材制造技术有限公司是国内3D金属打印粉末专业的材料供应商,公司成立于2016.8,是一家科技创新型企业,专业致力于3D金属粉末耗材开发与工艺开发设计,为增材制造提供材料
应用技术解决方案。
 
状迈(上海)增材制造技术以金属3D打印镍基高温合金粉、钴合金粉、钛合金粉、模具钢粉为核心,生产的球形金属合金粉粒径超细、高纯度、低含氧量、高球形度、成分无偏析而广泛用于航空航天、汽车电子和模具中。
 
状迈(上海)增材制造技术具备完善的产品研发和严格的粉末生产控制能力,能满足苛刻环境中的粉末应用要求,为用户提供高品质的合金球形粉,加快了高端球形粉国产化进程。
 
 
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