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激光金属增材制造技术及其在工业领域的应用
材料来源:ACT激光聚汇           录入时间:2025/1/13 20:09:04

文/Denny Zhang

激光增材制造(LAM)技术,作为一种前沿的制造技术,集成了数字化技术、制造技术、激光技术及新材料技术,能够直接将CAD数字模型快速而精密地制造成三维实体零件。与传统制造技术相比,增材制造技术具有高柔性、无需模具、周期短、不受零件结构和材料限制等优点,在航天航空、汽车、电子、医疗、军工等领域得到了广泛应用。

增材制造的原材料包括金属、无机非金属、有机高分子以及生物材料四种,随着先进制造业的发展,金属材料占的比重越来越高,激光金属增材制造在国内的发展已经进入快车道。

激光金属增材制造技术主要包括选择性激光熔化(SLM)、直接能量沉积(DED)、激光近净成形(LENS)等多种技术,其中选择性激光熔化和直接能量沉积的应用比较广泛。

选择性激光熔化

选择性激光熔化(SLM)技术,是一种基于铺粉原理的粉末床熔融3D打印技术,该技术以预置于粉末平台上的金属粉末为原料,以零件的三维数字模型为基础,通过振镜控制激光路径,在三维模型离散出的一系列二维平面上,逐层熔化粉末,并最终制造出三维金属零件。SLM技术能够制造出完全致密的金属零件,其机械性能等于或优于传统制造方法。

SLM加工的基本流程主要包括:

1、生成待制造金属零件的三维CAD模型,包括辅助支撑结构的模型;

2、模型按某一取向进行离散化(切片),得到各截面的轮廓数据,并按一定规则生成轮廓内的填充扫描路径,保存成STL文件;

3、计算机逐层读入扫描路径信息文件,控制激光束方向按照规划的路径进行扫描,熔融粉末床上相应位置的粉末,逐层生成零件,并通过控制激光功率、扫描速度等工艺参数来保证加工零件的成形质量和性能。

在SLM光路系统中,扫描振镜是非常重要的部件。扫描振镜也称为激光振镜,通过控制激光束的偏转,实现激光在金属粉末床上的精确扫描。振镜接收来自控制系统的数字信号、模拟量或数字量,驱动振镜旋转,从而控制激光束在工作区域内的任意位置。

振镜的高速往复伺服电动机带动X与Y两片微小反射镜片协调偏转,反射激光束在整个平面上扫描,实现光斑在整个平面上的快速移动和精确定位。

扫描振镜的性能直接影响SLM成型零件的几何精度、表面精度和内部缺陷。振镜系统的偏转角与平面坐标之间存在非线性映射关系,加之光学组件的制造误差、光路系统的装调误差,会给系统带来静态误差。

大族集团子公司大族聚维的铺粉式激光增材制造设备HANS-M260,其扫描振镜具有如下技术优势:

● 全数字光栅振镜,精度高、漂移小;

● 自研光栅编码器,位置分辨率达23bit;

● ST2-100 20bit保证命令分辨率;

● 重复定位精度高,成型表面粗糙度低;

● 自购激光干涉仪/光斑分析仪,全面检测镜片面型,保证光斑圆度高>95%;

● 三轴振镜高功率最高承受1kW激光功率,热透镜效应小。

图1:大族聚维的铺粉式激光增材制造设备HANS-M260。

HANS-M260适用于复杂随形水路模具、手板、3C电子、液压零件、汽车零配件、航空航天等行业,可选配智能监控、嫁接打印功能模块、双振镜等。

直接能量沉积

直接能量沉积(DED)是激光金属增材制造技术的一个重要分支。在DED工艺中,金属粉末或金属丝形式的材料被输送到一个激光束照射的基板上,形成一个小熔池并逐层连续沉积材料。

DED技术相较于其他增材制造技术,具有独特的优势,包括特定位置的沉积和修复、合金设计、复杂形状的三维打印能力。

采用DED技术的激光代表企业是普雷茨特,早在2004年,普雷茨特就研发出了第一代激光粉末熔覆头DED YC 50,2010年又研发出第二代DED YC 52,并陆续研发出激光送丝同轴熔覆加工头CoaxPrinter及其配套系统,进一步完善了普雷茨特在DED技术方面的应用。

图2:普雷茨特的激光送丝同轴熔覆加工头CoaxPrinter。

普雷茨特的增材制造工艺由如下部分构成:同轴激光送丝熔覆加工头CoaxPrinter、实时熔深测量系统IDM,以及激光焊接监控系统LWM。

(1)同轴激光送丝熔覆加工头CoaxPrinter 

CoaxPrinter加工头可实现无方向性的金属送丝激光沉积。基于独特的环形光和同轴进料,焊丝均匀熔化,并与部件表面的熔池良好连接,确保工件的一致性。

与使用粉末的激光沉积焊接相比,由于100%的填充材料被引入和利用,因此可以实现非常高的材料利用率。圆形焦点中的均匀能量分布实现了较大的工艺窗口,即使在工作距离波动的情况下也能实现稳定的工艺。这对于构建自由形式的2.5D结构特别有益。

CoaxPrinter的应用领域很广泛,例如高质量部件的修复、耐磨损的涂层以及薄壁2.5D结构或大容量上层结构的生成。

(2)实时熔深测量系统IDM

在使用高功率激光器进行焊接的情况下,IDM也能直接在干涉区进行距离测量。焊接过程中的金属蒸汽和激光漫反射对测量的精确度不会产生任何影响。因此,激光焊接中的关键的焊缝质量参数,例如熔深,可以在所有常见材料的深熔焊中测量。传动件和车身覆盖件是典型的应用案例。IDM的核心原件紧凑型传感器和测量平台,可以与主生产线实时通讯。

(3)激光焊接监控系统LWM 

普雷茨特的激光焊接实时在线监控系统LWM 4.0,适用于许多24/7运行的工业生产领域。在批量生产中,它可以检测并记录大量有关激光焊缝的质量和生产率信息。因此,可以监视和检测由工件公差、污染或不同物料批次引起的质量波动。

除了采用送丝工艺的CoaxPrinter加工头,采用送粉工艺的增材加工头YC 52也在工业领域得到广泛的应用。

对于增材制造的应用前景,普雷茨特精密技术(上海)有限公司中国区总经理张云鹏在接受《激光世界》记者的采访时表示,“人们一般认为,增材制造一般应用于小批量生产的产品,比如牙科设备等医疗产品,或者个性定制化的产品;但是普雷茨特也接到了一些大批量生产的订单,比如手机行业和新能源汽车行业。”

这也说明,随着增材制造生产效率的提高和成本的进一步控制,增材制造未来在工业领域的应用,还有很大的拓展空间。

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