為滿足極端載荷工況,航空發(fā)動機、飛機等武器裝備大量采用結構-功能一體化設計的復雜型腔構件,對傳統(tǒng)開模具以及去除式制造技術提出新挑戰(zhàn)。譬如,輕質(zhì)點陣夾芯、空間曲面多孔結構、封閉多流道等復雜構件采用傳統(tǒng)制造技術難以實現(xiàn),而且研制任務重。如何實現(xiàn)新型航空設計的制造和打開其“設計束縛”的枷鎖,迫切需要根據(jù)3D數(shù)模無需模具、快速響應直接制造復雜結構件的增材制造技術。
根據(jù)材料在沉積時的不同狀態(tài),金屬激光增材制造技術可以分為二大類:第一類,金屬材料在沉積過程中實時送入熔池,這類技術以激光近凈成形制造(LENS)、金屬直接沉積(DMD)技術為代表,由激光在沉積區(qū)域產(chǎn)生熔池并高速移動,材料以粉末或絲狀直接送入高溫熔池,熔化后逐層沉積,稱之為激光直接沉積增材成形技術,該技術只能成形出毛坯,然后依靠數(shù)控加工達到其凈尺寸;第二類,金屬粉末在沉積前預先鋪粉,這類技術以金屬直接激光燒結(DMLS)、選區(qū)激光熔化(SLM)為代表,粉末材料預先鋪展在沉積區(qū)域,其層厚一般為20~100μm,利用高亮度激光按照預先規(guī)劃的掃描路徑軌跡逐層熔化金屬粉末,直接凈成形出零件,稱之為激光精密增材成形技術。
激光精密增材成形技術原理,是一種基于離散堆積成形思想的先進增材制造技術,無需模具,通過把零件3D模型沿一定方向離散成一系列有序的微米量級薄層,以激光為熱源,根據(jù)每層輪廓信息逐層熔化金屬粉末,直接制造出任意復雜形狀的凈成形零件,特別適合曲面型腔、懸空薄壁以及變截面等復雜結構制造,無需數(shù)控加工,僅需熱處理和表面光整零件即可使用。該技術可解決復雜金屬構件的難加工、周期長等技術瓶頸,可制造出傳統(tǒng)方法無法加工的復雜零件,具有大幅減少制造工序、縮短生產(chǎn)周期、降低成本等特點。
激光精密增材成形技術的發(fā)展歷程從低熔點非金屬粉末燒結、低熔點包覆高熔點粉末燒結、高熔點粉末直接熔化成形等階段。由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的Carl R.Deckard在1986年最早申請專利,1988年研制成功了第一臺激光增材制造設備,由DTM公司將其商業(yè)化,推出SLS Model125成形機,推出了Sintersation系列成形機。隨后德國、英國、中國等國家成立一批激光粉末燒結公司,推出各自的燒結設備。
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