如今,隨著科技的快速發展,具有短期製造、按需製造、快速原型優勢的金屬3D列印技術,正在使很多不可能成為可能。
目前市場上主流的金屬3D列印技術主要有以下五種:雷射選區燒結(SLS)、納米顆粒噴射金屬成型(NPJ)、雷射選區熔化(SLM)、雷射近淨成型(LENS)和電子束選區熔化(EBSM)技術。下面,給大家介紹一下這五種金屬3D列印技術的基本工作原理。
一、SLS雷射選區燒結
工作原理:預先在工作檯上鋪一層粉末材料,雷射在計算機控制下,按照界面輪廓信息,對實心部分粉末進行燒結,然後不斷循環,層層堆積成型。
SLS法採用紅外雷射器作能源,使用的造型材料多為粉末材料。加工時,首先將粉末預熱到稍低於其熔點的溫度,然後在刮平棍子的作用下將粉末鋪平;雷射束在計算機控制下根據分層截面信息進行有選擇地燒結,一層完成後再進行下一層燒結,如此循環往復,層層疊加,直到三維零件成型。最後,將未燒結的粉末回收到粉末缸中,並取出成型件。
由於該成型方法有著製造工藝簡單,柔性度高、材料選擇範圍廣、材料價格便宜、成本低、材料利用率高、成型速度快等特點,主要應用於鑄造業,並且可以用來直接製作快速模具。
二、NPJ納米顆粒噴射金屬成型
工作原理:先將金屬以液體的形式裝入3D印表機,列印時用含金屬納米顆粒的液體噴射成型。然後通過加熱將多餘的液體蒸發留下金屬部分,最後通過低溫燒結完成成型。
該成型方法能夠使用普通的噴墨列印頭作為工具,無需藉助任何外力即可通過專門的技術融化去除支撐結構,因為是通過融化去除的,理論上可以無限添加,給予設計師更大的自由。除金屬材料外,其在陶瓷技術上的突破使得應用擴展至牙科、醫療和特定工業領域。
三、SLM雷射選區熔化
工作原理:利用高能量雷射束將三維模型切片後的二維截面上的金屬合金粉末熔化,由下而上逐層列印出任意複雜結構和接近100%緻密度的金屬零件。
SLM技術主要利用CAD三維軟體設計三維模型,並導出為切片軟體能夠識別的文件格式;對三維模型進行切片操作並添加支撐和分層處理,得到三維模型的截面輪廓數據;利用路徑規劃軟體對輪廓數據進行掃描路徑處理,將路徑規劃後的數據導入SLM設備中,工控機按照每層輪廓的掃描路徑,控制雷射束選區逐層熔化金屬合金粉末,逐層堆疊成緻密的三維金屬零件實體。
SLM技術的優勢在於對材料利用率高,所製造的金屬零件尺寸精度高,且能夠自由設計。其局限性在於設備組件成本高、無法實現產品批量生產、加工所需金屬合金粉末標準不統一。因此,SLM主要應用於在航空航天、生物醫療等領域,適合於鈦合金、鎳合金等貴重和難加工金屬零部件的製造。
四、LENS雷射近淨成型
工作原理:計算機將零件的三維CAD模型分層切片,得到零件的二維平面輪廓數據,將輪廓數據轉化為數控工作檯的運動軌跡。同時金屬粉末以一定的供粉速度送入雷射聚焦區域內,快速熔化凝固,通過點、線、面的層層疊加,最後形成三維近淨形的金屬零件。
LENS可實現金屬零件的無模製造,成形得到的零件組織緻密,具有明顯的快速熔凝特徵,力學性能很高,並可實現非均質和梯度材料零件的製造以及鈦合金等高強度金屬件加工。
五、EBDM電子束選區熔化
工作原理:先將零件三維 CAD 模型進行切片分層處理,將得到的離散數據輸入成形系統。在成形系統進行預熱處理,然後,電子束會根據零件CAD數據熔化預先鋪好在工作檯上的粉末,一層加工完成後,工作檯下降一個層厚的高度,再進行下一層鋪粉和熔化,同時新熔化層與前一層熔合為一體。如此反覆進行,層層堆積,直接成型製造出三維零件。
EBDM技術具有加工速度快、能量利用率高、真空汙染小、構件殘餘應力小、無反射等優勢,特別適合活性、難熔、脆性金屬材料的直接成型,在航天航空、生物醫療汽車模具等領域具有廣闊前景。