金屬3D打印技術(shù)探究論文
1 引言
3D 打印技術(shù)也叫增材制造技術(shù)，在近些年得到了快速發(fā)展。它與傳統(tǒng)制造工藝不同，是一種全新的制造思想。其本質(zhì)原理是離散與堆積，即在計算機(jī)軟件的輔助下，通過對三維模型實體進(jìn)行切片分層處理，把三維實體的制造轉(zhuǎn)換成二維層面的堆積，再沿成形方向上的不斷疊加，最終生成零件實體。3D 打印技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是簡化了加工制造流程，節(jié)省材料，縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，降低了開發(fā)成本和風(fēng)險。相比傳統(tǒng)工藝，3D 打印用料只有原來的1/3到1/2，但制造速度卻快3～4 倍。
金屬零件3D 打印是整個3D 打印體系中最前沿和最具潛力的技術(shù)，是增材制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。按照金屬粉末的添加方式的不同，將金屬3D 打印技術(shù)分為3 類: ①激光工程化凈成形(Laser Engineered Net Shaping, LENS)技術(shù);②激光選區(qū)熔化(Selective LaserMelting，SLM)技術(shù);③金屬粉末的電子束熔化(Electron Beam Selective Melting，EBSM)技術(shù)。以下分別對三種快速成型技術(shù)的成型原理和成型特點(diǎn)進(jìn)行介紹。
2 金屬3D 打印技術(shù)的發(fā)展
2.1 激光選區(qū)熔化技術(shù)
SLM 是金屬3D 打印領(lǐng)域的重要部分，SLM 技術(shù)用高強(qiáng)度激光束選擇性地熔化金屬粉末，是3D 打印技術(shù)的主要發(fā)展方向。SLM 的基本原理是：計算機(jī)將設(shè)計好的三維模型進(jìn)行切片分層處理，激光束則根據(jù)每一層的形狀數(shù)據(jù)，選擇性地熔化金屬粉末。每完成一層粉末的'“打印”，平臺下降一個層厚，鋪粉輥重新鋪上一層相同厚度的粉末，激光束繼續(xù)在新的粉層上掃描截面輪廓，不斷地重復(fù)疊加直到完成零部件的成形。
SLM 技術(shù)的特點(diǎn)：
(1)成型精度高。在現(xiàn)有的金屬3D 打印技術(shù)中成型精度最高，尺寸精度達(dá)20～50μm。
(2)力學(xué)性能良好。由于該技術(shù)在制造零件時，激光束將金屬粉末完全熔化，液態(tài)金屬再凝結(jié)而成，所以致密度接近100%。
(3)材料廣泛。SLM 技術(shù)可對金屬粉末、合金粉末，甚至陶瓷等固體無機(jī)物粉末進(jìn)行燒結(jié)。
2.2 激光工程化凈成形技術(shù)
激光工程化凈成形技術(shù)LENS，是一種金屬零件直接成型較快的技術(shù)手段。它與SLM 快速成型技術(shù)工藝基本相同，區(qū)別在于送粉結(jié)構(gòu)不同。LENS 技術(shù)是通過噴嘴輸送金屬粉末，而SLM 技術(shù)則是通過送粉缸和刮板或鋪粉輥進(jìn)行鋪粉燒結(jié)。LENS 成型系統(tǒng)中，同軸送粉器主要由三大部分構(gòu)成，即送粉器、送粉頭和保護(hù)氣路。其工作原理如下，在保護(hù)氣體的作用下，送粉裝置將金屬粉末吹到熔池內(nèi)進(jìn)行熔化燒結(jié)，通過噴嘴的移動和工作臺的移動，更換燒結(jié)區(qū)域，如此循環(huán)，層層疊加，最終成型金屬零件。
LENS 技術(shù)的特點(diǎn)：
(1)與SLM 技術(shù)相比，LENS 技術(shù)可制造出更大尺寸的金屬零件;
(2)LENS技術(shù)不僅僅能用于金屬零件的制造，還能進(jìn)行金屬零件的焊接、修復(fù)和添加等;
(3)LENS 技術(shù)特別適于高熔點(diǎn)金屬的激光快速成形;
(4)LENS 技術(shù)生成的零件成型質(zhì)量較差。
2.3 電子束選區(qū)熔化技術(shù)
電子束選區(qū)熔化技術(shù)簡稱“EBSM 技術(shù)”，其加工熱源是高能電子束，通過操縱磁偏轉(zhuǎn)線圈進(jìn)行掃描。電子束選區(qū)熔化成形與激光選區(qū)燒結(jié)類似，金屬粉末在電子束轟擊下熔化的原理，首先在鋪粉平面上鋪展一層粉末并壓實;然后，電子束在計算機(jī)的控制下按照截面輪廓的信息進(jìn)行有選擇的燒結(jié)，層層堆積，直至整個零件燒結(jié)完成。
EBSM 技術(shù)特點(diǎn)：
(1)功率能量利用率高。電子束加工的最大功率能達(dá)到激光的數(shù)倍，激光燒結(jié)的能量利用率為15%，而電子束燒結(jié)能量利用率為75%，能量利用率高出很多;
(2)對焦容易。激光在理論上光斑直徑可達(dá)1nm，但在實際應(yīng)用中一般達(dá)不到。而電子束則可以通過調(diào)節(jié)聚束透鏡的電流來對焦，束徑可以達(dá)到0.1nm;
(3)真空環(huán)境無污染，成形速度高。電子束設(shè)備可以進(jìn)行二維掃描，掃描頻率可達(dá)到20kHz，無機(jī)械慣性，可以實現(xiàn)快速掃描，在真空環(huán)境下作業(yè)，無污染。
3 總結(jié)
金屬零件3D 打印是整個3D 打印體系中最前沿和最具潛力的技術(shù)，是增材制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。但與國外發(fā)達(dá)國家相比，我國金屬3D 打印技術(shù)還處于起步階段，技術(shù)水平比較落后，面對科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和制造業(yè)對技術(shù)研發(fā)的新要求，我國應(yīng)加大投入，組織各學(xué)科各行業(yè)協(xié)同努力，攻克金屬3D 打印技術(shù)中各種難關(guān)，制造出具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的金屬3D 打印設(shè)備。
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