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金属3D打印前景广阔 浅析主流技术及其航空应用

2015-12-09 14:58
路过的码农
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  中国工程院2015年院士增选工作经过两轮评审会议,参与制造运-20、C-919等大飞机,歼-15、歼-31等新型战斗机钛合金部件,有"中国3D打印带头人"称号的王华明教授当选中国工程院信息与电子工程学部院士。

  王华明院士研制的金属构件激光熔化沉积增材制造技术自2005年以来已在歼-15、运-20、歼-11B、歼-31和东风XX等3种导弹、遥感24等2种卫星、FWS13等3种航空发动机等重点型号发挥出关键作用。

  那么到底什么是3D打印呢?据了解,3D打印基本原理是将零件数字化模型进行空间网格化,通过像素化分解成为一个个空间点阵,然后利用金属微量熔融或烧结的沉积技术,将零件一层层堆积而成。

  目前激光增材制造在航空航天领域应用广泛,那么代表性金属3D打印技术有哪些?优势如何?

  金属材料增材制造分类及基本原理

  1、LMD技术基本原理

  LMD技术作为增材制造技术的一种,是通过快速成型(RapidPrototyping,RP)技术和激光熔覆技术有机结合,以金属粉末为加工原料,采用高能密度激光束将喷洒在金属基板上的粉末逐层熔覆堆积,从而形成金属零件的制造技术。整个LMD系统包括激光器、激光制冷机组、激光光路系统、激光加工机床、激光熔化沉积腔、送粉系统及工艺监控系统等。

  LMD快速成型技术的基本原理为:首先,利用切片技术将连续的三维CAD数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片;第二,提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓设计合理的激光器扫描路径、激光扫描速度、激光强度等,并转换成相应的计算机数字控制程序;第三,将激光溶化沉积腔抽真空,并充入一定压力的惰性保护气体,防止粉末熔化时被氧化;第四,计算机控制送粉系统向工作台上的基板喷粉,同时激光器在计算机指令控制下,按照预先设置的扫描程序进行扫描,溶化喷洒出来的粉末,熔覆生成与这一层形状、尺寸一致的熔覆层;最后,激光阵镜、同轴送粉喷嘴等整体上移(或工作台下移)一个切片厚度并重复上述过程,逐层熔覆堆积直到形成CAD模型所设计的形状,加工出所需的金属零件。

  2、SLM技术基本原理

  SLM技术作为增材制造技术的另外一种实施方式,由粉床选区激光烧结技术(SLS)发展而来,以金属粉末为加工原料,采用高能密度激光束将铺洒在金属基板上的粉末逐层熔覆堆积,从而形成金属零件的制造技术。整个SLM设备包括激光器、激光阵镜、粉末碾轮、粉末储存室、零件成型室等。

  SLM快速成型技术的基本原理为:首先,利用切片技术将连续的三维CAD数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片;第二,提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓设计合理的激光器扫描路径、激光扫描速度、激光强度等,并转换成相应的计算机数字控制程序;第三,将激光溶化沉积腔抽真空,并充入一定压力的惰性保护气体,防止粉末熔化时被氧化;第四,计算机控制可升降系统上升,粉末碾轮将粉末从粉末储存室推送到零件成型室工作台上的基板,同时激光器在计算机指令控制下,按照预先设置的扫描程序进行扫描,溶化铺洒在基板上的粉末,熔覆生成与这一层形状、尺寸一致的熔覆层;最后,粉末储存室上移而零件成型室下移一个切片厚度并重复上述过程,逐层熔覆堆积直到形成CAD模型所设计的零件。

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