選擇性雷射熔化技術的研究進展

2020-12-04 OFweek維科網

　　近年來誕生了選擇性雷射熔化（Selective Laser Melting，SLM）金屬粉末的快速成型技術，用它能直接成型出接近完全緻密度的金屬零件。SLM技術克服了選擇性雷射燒結（Selective Laser Sintering。SLS）技術製造金屬零件工藝過程複雜的困擾。

　　用SLS技術製造金屬零件的方法主要有：

　　（1）熔模鑄造法：首先採用SLS技術成型高聚物（聚碳酸酯PC、聚苯乙烯PS等）原型零件，然後利用高聚物的熱降解性，採用鑄造技術成型金屬零件。

　　（2）砂型鑄造法：首先利用覆膜砂成型零件型腔和砂芯（即直接製造砂型），然後澆鑄出金屬零件。

　　（3）選擇性雷射間接燒結原型件法：高分子與金屬的混合粉末或高分子包覆金屬粉末經SLS成型，經脫脂、高溫燒結、浸漬等工藝成型金屬零件。

　　（4）選擇性雷射直接燒結金屬原型件法：首先將低熔點金屬與高熔點金屬粉末混合，其中低熔點金屬粉末在成形過程中主要起粘結劑作用。然後利用SLS技術成型金屬零件；最後對零件後處理，包括浸漬低熔點金屬、高溫燒結、熱等靜壓（Hotisostatic Pressing，HIP）。

　　這些方法所製造的金屬零件機械性能受低型工藝過程的影響因素比較多。為此，德國Fraunhofer雷射器研究所（Fraunhofer Institute for LaserTechnology，ILT）最早提出了直接製造金屬零件的SLM技術。

　　選擇性雷射熔化技術的基本原理

　　SLM技術是利用金屬粉末在雷射束的熱作用下完全熔化、經冷卻凝固而成型的一種技術。為了完全熔化金屬粉末，要求雷射能量密度超過106W／Cm2。目前用SLM技術的雷射器主要有Nd-YAG雷射器、Co2雷射器、光纖（Fiber）雷射器。這些雷射器產生的雷射波長分別為1064nm、10640nm、1090nm。金屬粉末對1064nm等較短波長雷射的吸收率比較高，而對10640nm等較長波長雷射的吸收率較低。因此在成型金屬零件過程中具有較短波長雷射器的雷射能量利用率高，但是採用較長波長的Co2雷射器，其雷射能量利用率低。

　　在高雷射能量密度作用下，金屬粉末完全熔化，經散熱冷卻後可實現與固體金屬冶金焊合成型。SLM技術正是通過此過程，層層累積成型出三維實體的快速成型技術。

　　根據成型件三維CAD模型的分層切片信息，掃描系統（振鏡）控制雷射束作用於待成型區域內的粉末。一層掃描完畢後，活塞缸內的活塞會下降一個層厚的距離；接著送粉系統輸送一定量的粉末，鋪粉系統的輥子鋪展一層厚的粉末沉積於已成型層之上。然後，重複上述2個成型過程，直至所有三維CAD模型的切片層全部掃描完畢。這樣，三維CAD模型通過逐層累積方式直接成型金屬零件。最後，活塞上推，從成型裝備中取出零件。至此，SLM金屬粉末直接成型金屬零件的全部過程結束。

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