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多金属复合部件的增材制造 Additive Manufacturing Of Multiple Metallic And Hybrid Components

图 1多材料LPBF系统结构示意图

Galvo Scanner:振镜扫描仪

Nd:YAG Fiber Laser:Nd:YAG光纤激光

Laser Controller:激光控制器

Master Controller:主控制器

Pressure Meter:压力计

Oxygen Sensor:氧传感器

Near infrared Heater:近红外加热器

Protective Glass:保护镜片

Sealed Enclosure:密封外壳

Vacuum Pump:真空泵

Vacuum Sucker:真空吸盘

Powder Dispenser: 粉末分配器

Shielding Gas:保护气体

Roller:滚筒

Casting Copper Heater:铸铜加热器

Powder Supply Chamber:粉仓

Building Chamber:打印区

Spare Powder Tank:备用粉仓

激光粉末床熔合(LPBF)又称选择性激光熔化(SLM),是生产具有复杂内部结构金属构件最广泛使用的增材制造技术之一,其应用范围从医用植入物到航空发动机部件。

该工艺利用刮刀或滚筒将一薄层(层厚<100µm)金属粉末(粒径通常为20~50µm)摊铺到打印平台上,然后根据每层的计算机辅助设计路径对单层粉末进行选择性激光熔化。待单层粉末打印完毕后,将打印平台降低一层粉末的高度,并铺满下一层打印粉末,继续进行选择性激光熔化,重复该打印过程直至整个构件完成。未熔化的粉末部分用于支撑上述增材制造的构件。为了避免构件变形以及实现悬梁结构的制造,在数字化设计和建造过程中经常需要和创建使用相同材料的附加支撑结构,支撑结构在构件打印完毕后将被机械拆除。

可以在同一个打印平台中实现多个组件的打印。现有LPBF的一个缺点是只能使用单一类型的材料来打印每个组件,并且由于传统粉末床铺粉系统的限制,无法在一个打印过程中生成复合材料组件。为了实现组件设计的自由度,并在组件的不同位置实现材料性能的局部调控,复合材料的增材制造技术具有迫切的需求。

在过去几年中,曼彻斯特大学(英国曼彻斯特)激光加工研究中心的研究团队设计并演示了一种新的LPBF系统配置,该系统可以实现组件层间以及层内复合和功能梯度材料的增材制造1-7。这将开辟一种之前不能实现的增材制造新应用。

多材料粉末床熔融系统

如图1所示,多材料LPBF系统引入了额外的干粉输送喷嘴和超声波粉末输送系统,可以在每层和不同层上的所需位置输送不同类型的粉末,这与传统的粉末床铺粉系统相集成。此外,该系统还集成了一个微孔选择性材料去除系统,以去除每一层中不需要的材料。系统的其余部分类似于标准的LPBF设备。由于现有的LPBF软件工具只适用于单一材料的打印,因此用于多种材料增材制造的软件工具需要根据不同的用途进行定制。

实验演示和潜在应用

曼彻斯特大学已经使用这项技术打印了多个复合材料组件(图2),所用材料包括316L不锈钢、Cu10Sn铜合金及其混合物。基于目前的实验系统,在一个组件中最多可以打印七种不同的材料。可以打印多个金属组件、金属玻璃和金属聚合物组件,如图3所示。多材料3D打印制造的一个巨大优势是,可以使不同材料之间的界面结构变得复杂,实现良好结合1,并且可以使材料从一种类型逐渐过渡为另一种类型(实现功能梯度)3。

这项技术的潜在应用包括在LPBF中方便地移除支撑材料4、在增材制造的组件中嵌入安全特征5、珠宝制造6、以及医用植入物的制造7。

总结

本文介绍了一种复合材料、功能梯度材料的3D增材制造技术和基于激光粉末熔融的系统。在同一个材料打印平台上实现了多种金属和金属/非金属的材料组合。此外,如果需要打印一个小的组件,就不需要像传统的LPBF系统那样消耗大量的粉末。这些进展将开辟增材制造新的应用和科学研究。

曼彻斯特大学已经针对这项技术在全球范围内申请了多项专利(GB1706645.7、GB1800743.5、GB1810721.9、PCT/GB18/051093、PCT/GB2019/051854、US16/608735、欧洲18722159.3和中国2018800432853),并欢迎感兴趣的同行来洽谈商业应用的前景。(李波 译)

致谢

作者非常感谢研究团队,特别是Chao Wei、Xiaoji Zhang, and YuanhuiChueh,他们的研究开发了本文所述的技术。作者还感谢曼彻斯特大学对两位博士研究生对这项技术发展的支持。

参考文献

1. C. Wei, L. Li, X. J. Zhang, and Y. H. Chueh, CIRP Ann.-Manuf. Techn., 67, 1, 245–248 (2018).

2. C. Wei et al., Addit. Manuf., 29, 100818 (Oct. 2019). 

3. C. Wei, Z. Sun, Q. Chen, Z. Liu, and L. Li, J. Manuf. Sci. Eng., 141, 8, 081014 (Aug. 2019).

4. C. Wei et al., J. Manuf. Sci. Eng., 141, 7, 0710002 (Jul. 2019).

5. C. Wei, Z. Sun, Y. Huang and L. Li, Addit. Manuf., 24, 1–12 (2018).

6. X. Zhang, C. Wei, Y.-H.Chueh, and L. Li, J. Manuf. Sci. Eng., 141, 1, 011003 (Jan. 2019).

7. Y. H. Chueh, C. Wei, X. Zhang, and L. Li, Addit. Manuf., 31, 100928 (2020).

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