[00133707]双激光束金属增材制造设备的研发及复合扫描工艺研究

1、课题来源与背景 金属增材制造（3D打印技术）应用广泛于航空航天、汽车制造、模具、轻金属合金铸造、食品加工、医疗、造纸、电力工业、珠宝、工业设计、建筑、工程和施工（ACE）、医疗产业、教育、地理信息系统和土木工程等领域。经过三十多年发展,全球3D打印已从技术研发转向产业化起步阶段、金属3D打印在工业应用和个人消费两个市场均取得了长足发展。金属3D打印设计到终端用户零部件生产的转变。 预计在未来的十年,金属3D打印技术将不断创新,并逐渐开始引领制造业发展。基于此,双激光束金属增材制造设备研发和复合扫描工艺研究十分重要。 2、技术原理及性能指标 目前传统SLM技术通常采用单次激光扫描工艺,通过激光功率、扫描方式、扫描速度和铺粉厚度等工艺参数调整打印机质量,但往往难以全面改善球化、飞溅、织构和温度应力在可控的范围,提升SLM成型金属构件的机械强度。 针对粉末飞溅、球化、温度应力、孔隙裂纹、非均匀金相组织机构等内在生产机理,采用协同工作的双激光束,提出采用预热、熔化、后处理三步复合扫描工艺,减轻甚至消除上述缺陷。 首先利用一束激光束缓慢预热金属粉末至略低于熔点温度,释放受热膨胀气体的压力,并预热附近区域材料;随后,另一束激光加热熔化已预热粉末,最大程度的消除球化现象、以及膨胀气体和金属蒸汽导致的飞溅;最后,采用激光扫描已凝固区域,利用激光表面强化机理,消除热应力和翘曲,焊合裂纹、改善金相组织并实现晶粒纳米化,从而提升成型部件的疲劳断裂强度。 1)SLM成形构件致密度≥99.5%。 2)SLM成形精度,对打印模型进行外形尺寸测量,符合 L≤100m时,L±0.1mm。 3)SLM成型缸定位精度。多次向下移动成型缸定位精度小于0.08mm。 4)SLM成形最小壁厚≤0.4mm。 5)成形空间：280 mm×250mm×280 mm。 6)分层厚度：0.02～0.20mm连续可调。 7)打印样件表面粗糙度≤Ra12.5μm。 8)打印过程中保证腔体里面氧含量上升小于200ppm/h。 3、技术的创造性与先进性 （1）通过预热、熔化两阶段扫描,解决粉末飞溅、球化问题,提高成型件静态强度。 （2）利用后处理激光表面强化机制,对已凝固成型的金属切层表面实施高强度激光扫描,促进金属晶粒纳米化、调整内应力、焊合裂纹,逐层提高成型件的疲劳断裂强度。 （3）研究变功率、分块变向、带状变矢长变相结合的复合扫描技术,解决打印过程中内应力大、翘曲变形大、精度低的难题,实现大幅面成型范围,提高零件加工精度、表面光洁度及致密度。 4、技术的成熟程度,适用范围和安全性 目前传统SLM技术通常采用单次激光扫描工艺,通过激光功率、扫描方式、扫描速度和铺粉厚度等工艺参数调整打印件质量,但往往难以全面改善球化、飞溅、织构、温度应力等因素影响。本项目计划采用多次激光复合扫描工艺,力求改善和调控球化,飞溅,织构和温度应力在可控的范围,提升SLM成型金属构件的机械强度。 双激光金属3D打印设备进行了大量的模型打印实验,通过精密二次元检测设备 （检测精度0.001mm）对激光轨迹校准,设备成形精度达到100±0.1mm,最薄壁厚小于0.4mm。在满足精度要求的基础上,工作效率比单激光设备有显著的提高,证明了双激光束协同扫描打印技术的有效适用性。同时采用了很多新的工艺技术,优化了3D打印制作软件,以及先进的人机交互技术融入新产品。保证了设备的可靠性高,寿命长,技术先进,应用广泛。 5、应用情况及存在的问题 公司已经生产7台金属增材制造设备投入应用,产品分布于粉末制造商、研究所、汽车生产商。公司建立了不锈钢、铝合金以及钛合金等复杂结构件的轻质、高刚度、高强度整体结构设计与成形一体化制造工艺规范。在金属增材设备的研发、设计、生产方面,技术成熟。有着丰富的行业经验保证了新设备的成熟度。 由于大功率激光设备需要采用配套的冷水机进行恒温控制。目前冷水机设备都是独立的,设备在摆放的同时,在其周围要预留足够的空间摆放冷水机。同时从冷水机到设备不仅有水路连接还有电气线路连接。这就导致设备的使用所需空间偏大,也给设备的运输和搬运带来了不便。 6、历年获奖情况 产品已获得“安徽省首台套”、“安徽省高新技术产品”、“安徽省新产品”荣誉。 7、成果简介 双激光束协同扫描高精快速金属3D打印机在原有的自主知识产权的金属激光成型设备基础上,进行优化设计。采用双激光打印作业,大大提高了打印效率。新产品体积小,结构紧凑,维护检修方便。在保证产品质量的前提下,努力降低成本。采用新技术、新工艺、新材料的应用,通过引进新技术,本设备有效的解决或降低粉末飞溅、球化、温度应力、孔隙裂纹、非均匀金相织构等缺陷。