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LENS技术成链接3D打印与传统制造的桥梁

导读: 自LENS(激光近净成型)技术技术问世以来,因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。凭借这些优势,LENS技术在大型器件的修复上正在不断地发挥作用,当仁不让的成为了链接传统制造与3D打印的桥梁。

今天为你带来的是LENS(激光近净成型)技术。自这种技术问世以来,因为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。凭借这些优势,LENS技术在大型器件的修复上正在不断地发挥作用,当仁不让的成为了链接传统制造与3D打印的桥梁。

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LENS技术原理

近净成形技术是指零件成形后,仅需少量加工或不再加工,就可用作机械构件的成形技术。激光近净成型(Laser Engineered Net Shaping, LENS)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三维物件。LENS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,随后美国Optomec公司将LENS技术进行商业开发和推广。

因为LENS技术是由许多大学和机构是分别独立进行研究的,因此这一技术的名称繁多。LENS技术也叫激光熔化沉积(Laser Metal Deposition, LMD),美国密歇根大学称为直接金属沉积(Direct Metal Deposition, DMD),英国伯明翰大学称为直接激光成型(Directed Laser Fabrication, DLF),中国西北工业大学黄卫东教授称其为激光快速成形(Laser Rapid Forming, LRF)。美国材料与试验协会(ASTM)标准中将该技术统一规范为金属直接沉积制造(Directed Energy Depositioin, DED)技术的一部分。图为LENS技术正在修复物体表面。

LENS技术正在修复物体表面

在LENS技术过程中,计算机首先将三维CAD模型按照一定的厚度切片分层,每一层的二维平面数据并转化为打印设备数控台的运动轨迹。高能量激光束会在底板上生成熔池,同时将金属粉末同步送入熔池中并快速熔化凝固,使之由点到线、由线到面的顺序凝固,从而完成一个层截面的打印工作。这样层层叠加,制造出近净形的零部件实体。

LENS技术主要用于打印比较成熟的商业化金属合金粉末材料,包括不锈钢、钛合金、镍基合金等。

LENS打印过程

LENS优势和技术限制

LENS技术可以实现金属零件的无模制造,节约成本,缩短生产周期。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。LENS技术是无需后处理的金属直接成形方法,成形得到的零件组织致密,力学性能很高,并可实现非均质和梯度材料零件的制造。

LENS技术也遇到了一些瓶颈,包括粉末材料利用率较低,成形过程中热应力大,成形件容易开裂,成形件的精度较低,可能会影响零件的质量和力学性能。由于受到激光光斑大小和工作台运动精度等因素的限制,所直接制造的功能件的尺寸精度和表面粗糙度较差,往往需要后续的机加工才能满足使用要求。

LENS应用

LENS技术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。LENS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。

利用LENS技术制造发动机叶片

利用LENS技术对破损的零件进行修复

德国O.R. Laser公司使用LENS技术在传感器表面制造出一个硬合金熔覆层,为石油和天然气行业的传感器元件提供可靠保障,显著延长传感器的寿命。该方法能使材料精确沉积、低热渗透,最终为传感器镀上一层不失真、无裂纹的涂层,如图所示。

在传感器表面制造硬合金熔覆层(图片来源:3D科学谷)

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