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1、其他快速原型制造技术及新工艺 NWPU 目录 NWPU 激光熔覆成型技术LCRM 激光熔覆技术激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷 是一种新的表面改性技术 它通过在基材表面添加熔覆材料 并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝形成冶金结合的表面涂层 显著改善基层表面的耐磨 耐蚀 耐热 抗氧化性及电气特性 NWPU 激光熔覆成型技术LCRM 一步法 同步法 这是在激光束辐照工件的同时向激光作用区送熔覆材料的工艺 同步送粉和同步送丝 二步法 预置法 在激光熔覆处理前 先将熔覆材料置于工作表面 然后采用激光将其熔化 冷凝后形成熔覆层 激光熔覆成型技术LCRM NWPU 激光熔覆成型技术LCRM 激
2、光熔覆快速成型原理先在计算机中建立零件的三维CAD模型 在利用分层切片软件将模型以一定的厚度分层切片 把零件的三维形状离散成一系列二维平面 由数控机床按照每一层的形状数据 控制高能激光束熔化同步送进的材料 一般为粉状或丝状 形成熔覆层 同步法 逐层堆积材料 最终获得三维实体零件或只需要进行少量加工的毛坯 NWPU 激光熔覆成型技术LCRM NWPU 激光熔覆成型过程示意图1 激光熔覆成型技术LCRM NWPU 激光熔覆成型技术过程示意图2 NWPU 激光熔覆成型技术LCRM LCRM技术特点 激光熔覆成型技术LCRM 激光熔覆成型技术的应用所成形的材料很广 如工具钢 不锈钢 镍基 钴基 铁基合
3、金 碳化钨复合材料 铜合金 钨合金 钛合金 金属间化合物等 其主要应用于 直接制造普通金属零件 制备单晶零件 梯度材料零件 模具 医用假肢等 对材料的表面改性 如燃汽轮机叶片 轧辊 齿轮等 对产品的表面修复或零件快速修复 如转子 模具等 NWPU 1 2 3 激光熔覆成型技术LCRM 一些实例 北京瑞派激光 NWPU 骨肉分离器要求滤筒和螺旋的间隙配合为0 05mm 螺旋外径部位要求加工过程中不变形 硬度达到60HRC 氩弧焊补焊难以保证螺旋不变形 用激光熔覆加工后解决以上难题 激光熔覆成型技术LCRM NWPU 压印辊属于设备的基准部位又难于拆卸 印刷厂不便外返加工 瑞派激光进行现场抢修 对
4、辊筒表面进行尺寸恢复 修复后组织细密 表面光滑 无孔洞 不脱落 保证原同轴度和跳动量 激光熔覆成型技术LCRM NWPU CompanyLogo 油压管路突然断裂 施工人员未及时停机 油压泵在高速运转将断裂管道附近沙石吸进液压系统 造成液压分配阀内部活塞杆与缸筒之间严重磨损 修复后活塞杆组织细密 无孔洞 无夹渣裂纹 不变形 达到活塞杆和缸筒的配合精度 恢复其使用价值 激光熔覆成型技术LCRM NWPU 美国Sandia国家实验室开发的LENSTM系统 也实现了单一或梯度材料的模具 轴套 叶轮 叶片等零件的激光快速成形制造 西北工业大学凝固技术国家重点实验室黄卫东课题组 利用激光快速成形制备的不
5、锈钢 高温合金双合金盘等零件 选区激光熔化成型SLM 选区激光熔化成型原理SLM技术的基本原理 SLM技术是在SLS基础上发展起来的 二者的基本原理类似 即先在计算机上设计出零件的三维实体模型 然后通过专用软件对该三维模型进行切片分层 得到各截面的轮廓数据 将这些数据导入快速成形设备 设备将按照这些轮廓数据 控制激光束选择性地熔化各层的金属粉末材料 逐步堆叠成三维金属零件 NWPU 选区激光熔化成型SLM NWPU 选区激光熔化成型原理图 选区激光熔化成型SLM SLM和SLS的区别烧结 粉末或压坯在低于主要组分熔点温度下加热 使颗粒间产生连接 通过烧结得到的致密体是一种多晶材料 其显微结构由
6、晶体 玻璃体和气孔组成 SLS使用的材料多是多种金属粉末的组合 SLM使用的材料多是单一成分 SLM技术需要使金属粉末完全熔化 直接成型金属件 因此需要高功率密度激光器 可聚焦到几十微米大小的光斑 熔化部分不存在固相成分 表面张力很容易导致所谓 球化 现象 NWPU NWPU 选区激光熔化成型SLM 特点1 特点2 特点3 特点4 成型零件具有很高的尺寸精度 达 0 1mm 和表面粗糙度 Ra约30 50 m 成型材料来源广泛 可直接成型具有复合材料的金属零件 制造出来的金属零件是具有冶金结合的实体 其相对密度几乎能达到100 可成型具有复杂内部结构的异型件 选区激光熔化成型SLM 选区激光熔
7、化的应用单件 小批量和特殊复杂金属零件的直接制造 快速模具制造 生物医学领域中的人造骨骼以及航空航天领域诸如发动机叶片等结构件的制造 用于复合材料 梯度材料的工件实体制造 NWPU 1 2 3 4 选区激光熔化成型SLM NWPU 欧洲有名的RapidTooling方案提供商MCP 推出了直接成型金属的设备MCPRealizer 见上图 将它用于选区激光熔化 可以成型压铸工具 注射模以及由一定成分金属和陶瓷的医学植入体 航空器涡轮机叶片 不锈钢门铰链 不锈钢门把手 小型冲模 具有精度高 边陡和精度好的型腔特点的注塑模 不锈钢注塑模嵌件 选区激光熔化成型SLM NWPU a b c MCPRea
8、lizerSLM还可用于制作形状复杂的纯钛医学植入体以及金属和金属氧化物的超轻结构 利用CT ComputerizedTomograqhy 计算机X射线断层扫描 MRI MagneticResonanceImaging 核磁共振成像 或CAD数据资料 它在2 3小时内即可构建出如图 a 所示的复杂网格结构 图 b 和 c 是分别用不锈钢和铬 钴合金制成的超轻结构 NWPU 选区激光熔化成型SLM 图a显示了定制化手术导板制作 图b显示了个性化多孔植入体制作 图c显示了个性化牙桥牙冠直接制造 图d显示了手机面板注塑 采用SLM技术制造的钛合金中空结构 NWPU 选区激光熔化成型SLM SLM快速
9、成型金属零件实物照片及一些成型零件 NWPU 激光近成型技术LENS 激光近成型技术原理激光近成型技术也称为激光生长技术 LaserGeneration 是一种局部送粉的将激光熔覆技术和快速原型及制造技术相结合的一种先进零件快速制造方法 他由美国Sandia国家实验室的DavidKicher发明 并由OptomecDesign公司于1997年开始商业化运行 激光近成型技术LENS NWPU LENS技术基于一般快速原型原理 首先是在计算机中生成零件的三维CAD模型 然后将该模型按照一定的厚度分层 切片 即将零件的三维数据信息转换成一系列的二维轮廓信息 再由金属粉送进系统向被激光热能熔化了的在垫
10、板上形成的金属熔池喷射金属粉 按照二维轮廓轨迹在沉积垫板上逐层堆积金属粉末材料 光斑离开后金属粉末凝固成型 最终形成致密的三维金属模件 LENS原理图 激光近成型技术LENS 一些应用实例 NWPU 目前LENS技术较多地用于高附加值金属航空航天零件的制造 修复及改型 例如飞机起落架 外挂架翼肋 外挂架舱壁等零件具有用量少 结构复杂等特点 一般使用钛合金 铝合金等高性能轻金属 这些零件采用传统的方法 铸 锻 焊 车 难以加工 或者即使可以加工 但是由于制模等过程零件加工所需的时间较长 复杂零件的加工受到限制以及我国缺乏大吨位水压 油压机等基础设施的因素 限制了这些零件的快速面世 C 17战机上
11、的外挂架舱壁 激光近成型技术LENS NWPU F 15战斗机上的钛合金外挂架翼 激光近成型技术LENS NWPU 航空发动机涡轮转子 压气机定子等元件一般采用镍基合金或者钛合金制造 这些零件的制造过程费时费力 制造成本也较高 一旦缺损其修复的成本也较高 而LENS技术可以用于修复传统焊接方法无法修复的零件 LENS技术修复的黑鹰战机叶轮上的叶片 激光近成型技术LENS NWPU LENS技术在航空航天领域的另一应用就是 移动式零件修复医院 核心是采用LENS技术在战场上进行关键件的修复或者制造 它甚至可以采用卫星通信设备传输有关制造零件的数据信息 在没有数据信息的情况下 也可以采用逆向工程获
12、得要建零件的外部轮廓信息 经过必要的处理后实现修复或者制造工作 移动式零件修复医院 激光近成型技术LENS NWPU 采用LENS技术制造的先进涡轮发动机三合金叶轮 三维喷涂粘结3DPG 三维喷涂粘结原理三维喷涂粘结快速成型工艺是由美国麻省理工学院开发成功的 它的工作过程类似于喷墨打印机 其工艺原理如下图所示 首先铺粉或铺基底薄层 如纸张 利用喷嘴按指定路径将液态粘结剂喷在预先铺好的粉层或薄层上特定区域 逐层粘结后去除多余底料便得到所需形状制件 也可以直接逐层喷涂陶瓷或其他材料粉浆 硬化后得到所需形状的制件 NWPU 三维喷涂粘结3DPG NWPU 三维喷涂粘结工艺原理图 NWPU 三维喷涂粘
13、结3DPG 三维喷涂粘结工艺的特点成本低 体积小 可靠性好 材料类型广泛 工作过程中无污染 由三维CAD模型直接驱动 在一定程度上实现了设计 制造的一体化 这是三维打印技术的一个最显著的特点 制件强度低 一般需要进行后处理 制件精度有待提高 与其他的快速成型工艺相比 成型速度最快 设备投资及运行成本最低 原材料利用率将近100 NWPU 三维喷涂粘结3DPG 三维喷涂粘结工艺的应用快速原型 快速模具 可用于金属 陶瓷或其他具有不同材料 颜色 机械性能 热性能组合的零件 医学模型和制药工程 适于小批量制造复杂形状的零件 三维喷涂粘结3DPG NWPU 三维喷涂粘结制件制作速度和精度三维喷涂粘结工
14、艺的生产速度受粘结剂喷射量的限制 假设生成的零件含有同等体积量的粘结剂和陶瓷粉末 则零件的生产速度是粘结剂喷射量的两倍 典型的喷嘴以1cm3 min的流量喷射粘结剂 若有100个喷嘴 则零件生产速度为200cm3 min 美国麻省理工学院开发了两种形式的喷射系统 点滴式与连续式 这种多喷嘴的点滴式系统的生产速度已达每层仅用5s的时间 每层面积为0 5m 0 5m 而连续式的则达到每层0 025s的时间 三维喷涂 粘结快速原型的精度由两个方面决定 一是喷涂粘结时生产的零件坯的精度 二是零件坯经后续处理 焙烧 后的精度 在喷涂粘结过程中 喷射粘滴的定位精度 喷射粘滴对粉末的冲击作用以及上层粉末重量
15、对下层零件的压缩作用均会影响零件坯的精度 后续处理 焙烧 时零件产生的收缩和变形甚至微裂纹均会影响最后零件的精度 三维喷涂粘结3DPG NWPU 三维喷涂粘结工艺的一些应用实例 结构陶瓷制品 经过3DP工艺制作的金属制件 注射模具 一些模型和铝铸件 三维喷涂粘结3DPG NWPU 彩色三维打印成型技术的应用 包括产品标记 地形分析和生产计划 三维喷涂粘结3DPG NWPU 一位名为恩里科 迪尼 EnricoDini 的发明家设计出了一种神奇的3D打印机 它甚至可以 打印 出一幢完整的建筑 这种打印机的原料主要是沙子 当打印机开始工作时 它的上千个喷嘴中会同时喷出沙子和一种镁基胶 这种特制的胶水
16、会将沙子粘成像岩石一样坚固的固体 并形成特定的形状 然后只需要按照预先设定的形状一层层喷上这种材料 最终就可以 打印 一个完整的雕塑或者教堂建筑 恩里科 迪尼表示 这种打印机比常规建筑方法要快四倍 而且所使用的原料也只有原来的三分之一到二分之一 更重要的是几乎不会产生任何废弃物 三维喷涂粘结3DPG NWPU 三维喷涂粘结3DPG NWPU 三维喷涂粘结3DPG NWPU 具有复杂空间结构建筑模型 恩里科 迪尼称 他已经在和建筑大师诺曼 福斯特 阿尔塔空间公司等进行讨论 希望能设计出一种可以使用月球尘土的打印机 届时在月球上就可以使用这种打印机快速的建造出人类的月球基地 三维喷涂粘结3DPG NWPU MakerbotCupcake一种便宜简陋的家用快速成型机 3D打印机 三维喷涂粘结3DPG NWPU 加工的时候 一些乱七八糟的怪东西 残余的熔融拉丝即 冒出来把开放区域连起来了 这是用美工刀清理干净以后清爽的十二面体 三维喷涂粘结3DPG NWPU 这是一个由ViHart设计的阿波罗分形垫 Apolloniangasket 三维喷涂粘结3DPG NWPU 这是另外一个墙体开关旋钮的设
