《金屬3D打印技術(shù)》課件-1-07 激光近凈成型

金屬3D打印技術(shù)——激光近凈成型目錄01.激光近凈成型技術(shù)工藝原理02.激光近凈成型技術(shù)工藝過程03.工藝特點及應(yīng)用激光近凈成型技術(shù)全稱與簡稱：LaserEngineeredNetShaping,/LENS提出時間和國家：20世紀(jì)90年代中期美國Sandia國立實驗室首先提出，也有資料將LENS譯成“激光近形制造技術(shù)”或者“激光近凈成形技術(shù)”。

1激光近凈成型技術(shù)工藝原理高功率激光通過聚焦后形成一個較小的光斑作用于基體并在基體上形成一個較小的熔池粉末運輸系統(tǒng)將金屬粉末通過噴嘴匯集后輸送到熔池中，粉末經(jīng)熔化，凝固后形成一個致密的金屬點。隨激光在零件上的移動，逐漸形成線和面，最后通過面的累加形成三維金屬零件。熱源：激光材料：金屬粉末1激光近凈成型技術(shù)工藝原理

激光近成型技術(shù)（LENS）是將激光熔覆技術(shù)和快速原型及制造技術(shù)相結(jié)合的一種先進(jìn)的制造技術(shù)。其成型系統(tǒng)主要由激光能源系統(tǒng)、金屬粉送進(jìn)系統(tǒng)和惰性環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)組成。成型系統(tǒng)主要由激光能源系統(tǒng)、金屬粉送進(jìn)系統(tǒng)和惰性環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)組成。

在激光束連續(xù)掃描作用下，金屬熔體的凝固不是靜態(tài)的，而是一個動態(tài)凝固的過程，如圖所示。隨著激光束的連續(xù)掃描，在熔池中金屬的熔化和凝固過程是同時進(jìn)行的。在熔池的前半部分，固態(tài)金屬粉末連續(xù)不斷地進(jìn)入熔池形成熔體，進(jìn)行著熔化過程。而在熔池的后半部分，液態(tài)金屬不斷地脫離熔池形成固體，進(jìn)行著凝固過程。

其凝固特點是，成形層與已成形層必須牢固結(jié)合，掃描線間也必須是治金結(jié)合，只有這樣才能使成形過程正常進(jìn)行，并使成形零件具備一定的機械性能。激光熔池動態(tài)凝固示意圖1激光近凈成型技術(shù)工藝原理送粉系統(tǒng)是整個系統(tǒng)中最核心的部分，要保證加工零件過程中能夠連續(xù)均勻地輸送粉末，送粉系統(tǒng)的好壞直接決定了加工零件的最終質(zhì)量，包括送粉器、送粉傳輸通道和噴嘴三部分。

送粉器目前主要有重力送粉（流動性差，通斷難控制）和載氣送粉，大多數(shù)采用載氣如氫氣來輸送熔覆粉末，可以通過調(diào)節(jié)送粉轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速來控制送粉量、送粉精度，其穩(wěn)定性較高。但載氣流量大會使粉末運動的速度過高而降低了粉末的沉積率。1激光近凈成型技術(shù)工藝原理LENS成型技術(shù)粉末噴出方式LENS工藝過程中，送粉方式有單側(cè)送粉和同軸送粉兩種方式。在金屬粉末增材制造系統(tǒng)中采用較多的是同軸送粉，因為它能克服由于激光束和材料帶來的不對稱而引起的對掃描方向的限制。單側(cè)送粉缺點：送粉聚中性不好，加工方向單一，不易控制激光束，與送給粉末的重合作用區(qū)容易出現(xiàn)偏離，不易保證加工質(zhì)量，影響加工的方便性、靈活性。

同軸噴嘴基本上包含粉末通道、保護(hù)氣體、冷卻水這幾部分。由于粉末流呈對稱形狀，同軸噴嘴沒有成形方向性問題，能夠完成復(fù)雜形狀零件的成形。同時惰性氣體能在熔池附近形成保護(hù)性氣氛，能夠較好地解決成形過程的材料氧化問題。1激光近凈成型技術(shù)工藝原理下圖1所示為某型號LENSTM成型系統(tǒng)設(shè)備，圖2為其中四個金屬粉噴嘴噴射金屬粉且被激光進(jìn)行熔化的工作現(xiàn)場。該設(shè)備采用5KW的HLJ-4工業(yè)用橫流CO2激光器為能量源，JGXK-1型激光功率顯示控制儀控制激光功率，離焦量可調(diào)；送粉系統(tǒng)為DPSF-3型送粉器，側(cè)向送粉，傾斜角度約為40°，噴嘴內(nèi)徑Φ2.2mm，送粉量可調(diào)。目前已經(jīng)商品化的激光近成型系統(tǒng)主要有Lens750及Lens850等。

激光近成型技術(shù)設(shè)備

圖2激光熔化金屬粉形成熔池

圖1某型號LENSTM成型系統(tǒng)設(shè)備2激光近凈成型技術(shù)工藝過程

成型過程：首先是在計算機中生成零件的三維CAD模型，然后將該模型按照一定的厚度分層“切片”，即將零件的三維數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成一系列的二維輪廓信息，再由金屬粉送進(jìn)系統(tǒng)向被激光熱能熔化了的在墊板上形成的金屬熔池噴射金屬粉，按照二維輪廓軌跡在沉積墊板上逐層堆積金屬粉末材料，光斑離開后金屬粉末凝固成型，最終形成致密的三維金屬模件。3工藝特點及應(yīng)用（1）能夠直接制造致密的金屬零件；（2）材料適應(yīng)性強。幾乎是一次近成形，材料利用率高；（3）材料的成型過程快速熔化和凝固，保證所成型的部分有精細(xì)的微觀組織結(jié)構(gòu)，成型件致密，保證有足夠好的強度和韌性。優(yōu)點“近似凈形”（0.2-0.5mm過量構(gòu)建），需要精加工。不足

該工藝和激光焊接及激光表面噴涂相似，成型要在由氬氣保護(hù)的密閉倉中進(jìn)行。保護(hù)氣氛系統(tǒng)是為了防止金屬粉末在激光成型中發(fā)生氧化，降低沉積層的表面張力，提高層與層之間的浸潤性，同時有利于提高工作環(huán)境的安全。3工藝特點及應(yīng)用目前LENSTM激光近成型工藝可以成型的材料主要有316不銹鋼、鎳基耐熱合金Inconel625、H13工具鋼、鈦和鎢。LENS