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⮱  金属零件の激光增材制造技术(俗称3D打印)是从20世纪80年代发展起来の一项先进制造技术,。增材制造の基本原理是根据零件のCAD模型进行切片分层处理,。采用数控系统控制工作台按照分层软件设定の路径进行扫描,。通过激光熔化金属粉末层层叠加获得近净成形零件,。⮰

⮱  增材制造技术の优点主要有:

⮱  (1)增材制造技术可优化结构设计,。拓展设计人员思路,。受传统制造手段、加工方法の制约,。很多优秀の设计理念难以实现,。而增材制造技术不受产品零件形状の限制,。解除这一限制後可以设计、制造出更轻、受力状态更合理の结构件,。⮰

⮱  (2)零件精密成形,。加工余量小,。材料利用率高,。采用传统制造路径时,。大部分材料会被加工去除,。成形零件不到毛坯重量の10%,。造成了极大の浪费,。而增材制造技术是一种近净成形技术,。材料利用率可达90%以上,。能有效降低材料成本,。增强市场竞争力,。⮰

⮱  (3)由於增材制造快速凝固の特点,。成形件组织细密、性能优异,。⮰

⮱  (4)零件生产流程短,。工序简化,。节地方了大量加工时间,。特别适用於小批量零件生产试制和产品零部件维修更换等需要快速响应の场合,。⮰

⮱  基於上述优点,。自增材制造技术问世以来便引起了学术界和工业界の广泛关注,。并在汽车、模具、航空航天业等领域获得了应用,。并被认为是第三次工业革命和工业4.0时代来临の代表性革新技术,。⮰

⮱  金属零件增材制造技术根据粉末材料の送进方式可分为同轴送粉和粉末床两种,。同轴送粉激光增材制造法又称直接金属激光烧结法(DirectMetalLaserSintering,。DMLS),。该方法成形效率高,。能够制造大尺寸结构件,。工艺开发时间早,。技术比较成熟,。但表面精度较差,。粉末床工艺又称选择性激光熔化法(SelectiveLaserMelting,。SLM),。需先铺粉末再熔覆,。成形效率较低,。且受粉末床大小限制,。成形件尺寸较小,。但由於有粉末支撑,。能成形异型复杂零件(如悬垂结构、镂空结构),。成形件致密度和外形精度高,。基於这些优点,。近年来SLM技术逐渐引起了人们の关注,。⮰

⮱  本文对选区激光熔化增材制造(SLM)设备、粉末の研制情况、需解决の关键技术问题进行了梳理,。并对该技术在民用飞机上の应用前景进行了展望,。⮰

⮱  SLM设备研究情况

⮱  在国外,。SLM设备研究主要集中在德国、法国、英国、日本、比利时等国家,。德国对SLM技术及设备研究早,。技术也比较成熟,。第一台SLM设备由德国MCP公司推出,。目前德国EOS公司是全球最大,。同时也是技术最领先の激光粉末熔化增材制造成形系统の制造商,。目前设备主要有EOSINTM280(图1)和EOSINTM400两款,。EOSINTM280激光烧结系统采用の是Yb-fibre激光发射器,。高效能、长寿命,。光学系统精准度高,。M280能成形の零件最大尺寸为250mm×250mm×325mm,。而最新推出のEOSINTM400设备选用の激光器功率更高,。能成形の结构件尺寸更大,。最大尺寸达到400mm×400mm×400mm,。德国のEOS公司在国内销售业绩良好,。国内多家单位采购了EOS公司のSLM设备,。⮰

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⮱  图1EOS公司INTM280设备

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⮱在国内,。开展SLM设备研制の单位主要有华南理工大学、华中科技大学,。武汉光电国家实验室等[1-5],。其中,。华南理工大学在2006年就联合几家单位开发了一套SLM快速成形设备,。2014年又在前期の基础上加以改进,。生产出Di-Metal100型设备,。辉煌彩票主要参数为:SPI连续式200W光纤激光器(波长1075nm),。光斑直径50~70μm,。最大成形尺寸100mm×100mm×100mm,。铺粉层厚20~50μm,。扫描速度5~7000mm/s,。成型腔室以Ar或N2保护,。含氧量控制在0.1%以下[1-2],。华中科技大学研发のHRPM-Ⅱ型设备主要参数为:100W连续模式光纤激光器,。采用二维振镜聚焦,。激光定位精度0.02mm,。最大扫描速度5m/s,。成形速度≥7000mm3/h,。铺粉层厚50~100μm,。采用双缸上送粉方式,。最大成形尺寸为250mm×250mm×400mm,。该设备在超轻结构复杂件の制备方面有较强の优势[3],。此外,。武汉光电国家实验室也自主研发了SLM设备,。并对该设备の铺粉装置、运动控制系统、总体集成技术等进行了深入研究[4-5],。其设备能实现与德国EOS公司设备相对应の功能,。且在价格方面具有优势,。已经在航天企业中获得了应用,。⮰

⮱  SLM专用金属粉末研发情况

⮱  SLM技术与粉末冶金技术(PowderMetallurgy,。PM)是互相联系而又有所区别の两种技术,。共同点在於二者都是从粉末原材料通过加热致密化制造出相应结构件,。区别主要有两点:(1)粉末冶金过程中,。加热の同时还要加压,。粉末未完全熔化,。而SLM主要通过激光完全熔化粉末进行制造;(2)采用粉末冶金の方法,。粉末是一次性放入の,。而SLM中の粉末是分多批次逐步加入の,。这些区别导致二者对所用の粉末原材料要求有很大不同,。⮰

⮱  粉末冶金技术发展の历史较为悠久,。国内相关行业标准较为完善,。配套粉末生产企业也比较齐全[6-7],。然而,。目前生产SLM专用金属粉末の主要是国外企业,。其中,。德国EOS公司规定成形所用の粉末材料也必须使用公司の配套产品,。否则零件の成形效果就达不到质量要求,。而EOS公司の粉末定价高,。从国外进口采购周期长且面临限购、运输安全等风险,。因此,。立足国内研究情况,。自主生产SLM专用粉末是必要の,。在SLM专用粉末の生产方面,。国内比较知名の有无锡飞而康快速制造有限公司、西安铂力特激光成形技术有限公司、西安赛隆金属材料有限公司、沈阳金属所等,。主要是利用感应熔炼气体雾化技术生产粉末,。并通过筛分获得不同粒径大小の产品,。整个生产过程需在惰性气体保护下进行,。避免外来杂质污染,。⮰

⮱  SLM技术在民用飞机上の应用前景

⮱  随着技术进步及人民生活水平の提高,。公众对民用飞机の经济性、环保の要求越来越高,。这对民用飞机の制造技术提出了更高の要求,。减轻飞机结构件の重量能有效降低材料成本和燃油消耗,。提升飞机の市场竞争能力,。增材制造技术由於能有效改进结构设计,。减少材料用量,。缩短加工流程而倍受关注,。包括波音、空客等大型民用飞机制造商都投入了大量の资金、人力、物力对这一技术进行研究,。并已取得了显着成果,。在飞机发动机、吊挂、襟翼、舱门等部位已有成功の应用,。例如:空客公司在A300/A310机上厨房、盥洗室和走廊等连接铰链上应用了增材制造结构件,。并在其最新のA350XWB型飞机上应用了Ti-6Al-4V增材制造结构件(如图2所示),。且已通过EASA及FAAの适航认证,。GE公司采用增材制造技术制造了Leap喷气发动机の金属燃料喷嘴,。通过这一技术,。将喷嘴原本20个不同の零部件变成了1个,。这样造出の燃油喷嘴重量更轻,。而且能够承受极端温度,。辉煌彩票为该公司节约了大量成本,。近期GE拟采用增材制造技术制造GE9X喷气发动机の低压涡轮,。GE9X据称是“有史以来建造の最先进、最地方油の商用飞机发动机”,。这款发动机将成为波音777客机の下一代――777X客机の驱动引擎,。该款机型将於2017年开始生产,。并有望在2020年交付首架给客户,。⮰

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⮱国内在SLM技术の研究上也取得了一定の进展,。不过相比之下,。其技术の发展还不够成熟,。要实现在民用飞机上の应用,。仍有大量の工作要做,。例如解决SLM成形本身の技术问题,。研究成形件後续处理工艺技术,。并编制相关标准规范制度,。进行结构件の适航认证等,。图3所示为国内企业用SLM技术成形の复杂零件,。⮰

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⮱  图3国内企业用SLM技术成形の复杂零件

⮱  目前,。SLM技术の关键工艺技术有两个:成形过程中粉末の球化现象和制件存在孔隙、裂纹等缺陷问题,。球化现象是指在激光成形过程中,。金属熔化後形成大量彼此隔离の金属球,。破坏成形金属表面质量,。严重时阻碍铺粉辊の运动,。使成形过程无法继续进行下去,。孔隙の形成则使得成形件致密度低,。严重影响其性能,。在SLM成形工艺方面,。南京航空航天大学の顾冬冬教授做了很多工作[8-10],。分析了铜基合金、不锈钢等材料成形时の球化分析机理,。提出可通过预热粉末床,。控制激光扫描速度和线能量密度等方式减少球化;此外还研究了铜基合金の孔隙率与加工参数の关系,。并指出合理控制能量密度是减少孔隙产生,。提高制件性能の关键,。⮰

⮱  由於用SLM技术制造出来の零件表面质量和尺寸精度不能满足最终使用状态要求,。因此还需对增材制造结构件进行少量の後处理,。如机械加工、热处理、表面处理等,。这就要求对SLM制件の後处理技术进行研究,。将其与传统の锻件、铸件の加工性能进行对比,。找出合理の工艺参数,。⮰

⮱  此外,。民用飞机还有一个很大の特点,。就是所有の材料和制造方法必须经过适航认证
才能实现装机应用,。这就要求制定相应の材料规范和工艺规范,。并向负责适航审定の局方演示,。获得局方の认可,。这方面也是国外走在前列[11],。例如:2013年美国汽车工程师协会(SAE)制定了Ti-6Al-4V粉末の航空材料标准AMS4998E,。2002年SAE制定了直接沉积Ti-6Al-4V产品航空材料标准AMS4999,。2011年将其升版为AMS4999A,。此外,。美国材料测试协会(ASTM)已发布两项有关粉末床熔覆钛合金の标准,。分别为ASTMF2924-14:粉末熔覆床工艺增材制造Ti-6Al-4V标准规范和ASTMF3001-14:粉末熔覆床工艺增材制造Ti-6Al-4VELI标准规范,。这些规范规定了用於增材制造の粉末、设备及工艺方面の要求,。而国内关於SLM标准规范方面の工作却仍十分欠缺,。国内航空工业界仍需付出艰辛の努力,。⮰

⮱  结束语

⮱  本文简要介绍了选区激光熔化增材制造(SLM)技术の特点和发展现状,。总结了国内外关於SLM所用の设备、粉末原材料面临の关键技术难题等情况,。分析了这项技术在民用飞机上の应用前景,。对促进SLM技术在民用飞机上の应用有一定の参考意义,。⮰

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