選區雷射熔化技術用於快速成型

2021-01-21 OFweek維科網

　　選區雷射熔化成型技術為功能零件、醫療定製化產品的快速製造提供了有效可行的方案。

 
         
         
                                                      圖1、選區雷射熔化直接成型原理示意圖

        傳統製造零件往往採用多個步驟來完成製造過程，從零件的設計到零件的製造完成需要一個很長的周期，不利於快速將產品推向市場。此外，採用車、割、刨、削、磨等材料去除的方法製造零件，材料浪費嚴重。再者，對具有複雜內腔結構的零件或者具有複雜曲面的零件，傳統製造方法很難加工。分層製造方法的出現使得上述問題變得簡單。
        
        隨著分層製造技術（Layer Manufacturing）的發展，其研究熱點轉變到快速直接製造上。目前直接成型金屬零件的快速成型方法包括雷射立體成型、選擇性雷射燒結與選區雷射熔化技術。雷射立體成型技術使用的是大功率雷射器，由於雷射光斑較大，雖然可以得到冶金結合金屬零件，但其尺寸精度和表面光潔度不好。選擇性雷射燒結工藝成型材料是低熔點金屬粉末或樹脂包裹金屬粉末，儘管該方法可以把低熔點的金屬粉末製成三維實體，但其強度和硬度不能滿足模具或金屬構件的使用要求。選區雷射熔化技術（SLM，Selective Laser Melting）理論上可得到密度接近100%與高尺寸精度（<0.1mm）金屬零件。SLM技術因其能夠成型任意複雜幾何形狀的零件，使得其在複雜曲面、小批量生產零件方面具有很大的優勢，如個性化醫學植入體、定製化義齒、航空小零件、注塑模具的直接製造。
        
        SLM金屬零件成型研究存在如下的難點：
        
        ◆ 整套設備昂貴，實驗過程耗費較大，原因是其系統集成度高，包括雷射器與光路系統、機械與控制單元、計算機軟體學、密封成型室等；
        
        ◆ 技術集成度高，包括光學、機械、控制、材料及軟體等；
        
        ◆ SLM工藝複雜，需要考慮的因素多。 


         
        
圖2、廣州瑞通與華南理工大學
聯合開發的SLM設備外觀

        對SLM成型件質量影響因素分成以下部分：光路與雷射器、材料、掃描控制、機械單元、幾何處理、外界環境。國外研究者分析有130個因素對SLM成型件質量產生影響，其中具有決定影響的有13個之多。 

        選區雷射熔化技術原理
        
        選區雷射熔化技術採用了快速成型的基本原理，即先在計算機上設計出零件的三維實體模型，然後通過專用軟體對該三維模型進行切片分層，得到各截面的輪廓數據，將這些數據導入快速成型設備，設備將按照這些輪廓數據，控制雷射束選擇性地熔化各層的金屬粉末材料，逐步堆疊成三維金屬零件。圖1是選區雷射熔化技術的原理示意圖，在雷射束開始掃描前，水平刮板先把金屬粉末平刮到加工室的基板上，然後雷射束將按當前層的輪廓信息選擇性地熔化基板上的粉末，加工出當前層的輪廓，然後可升降平臺下降一個圖層厚度的距離，水平刮板在已加工好的當前層上鋪上金屬粉末，設備調入下一圖層進行加工，如此層層加工，直到整個零件加工完畢。整個加工過程在通有氣體保護的加工室中進行，以避免金屬在高溫下與其它氣體發生反應。
        
        
        選區雷射熔化技術具有很多優異的特點，諸如：
        
        ◆ 直接製成終端金屬產品，省掉中間過渡環節；
        
        ◆ 金屬零件具有很高的尺寸精度（達0.1mm）和表面粗糙度（Ra約30～50m）；
        
        ◆ 製造出來的金屬零件是具有冶金結合的實體，其相對密度幾乎能達到100% ； 
         

   
圖3、控制軟體系統結構圖

         ◆ 成型材料包括不鏽鋼、鈦合金、工具鋼等多種材料；
        
        ◆ 適合各種複雜形狀的工件，尤其適合內部有複雜異型結構（如空腔）、用傳統方法無法製造的複雜工件；
        
        ◆ 醫用定製化手術模板、牙冠牙橋等直接製造。 

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