金属粉末激光烧结快速成型技术的研究现状

1 引言
    快速成型技术(Rapid Prototyping，简称RP)是从1987年开始发展起来的一种先进制造技术，集成了现代数控技术、CAD/CAM技术、激光加工技术及材料科学等领域的最新成果。该技术利用CAD软件设计出零件的三维实体模型，然后根据具体工艺要求，按照一定的厚度对模型进行分层切片处理，将其离散化为一系列二维层面，再对二维层面信息进行数据处理并加入加工参数，生成数控代码输入成型机，控制成型机的运动顺序完成各层面的成型制造，直到加工出与CAD模型相一致的原型或零件。它可以自动而迅速地将设计思路转化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评价、修改，以响应市场需求，它不需要传统方法所需求的大量工装模具，节省了成本，缩短了加工周期，实现了高效、低耗、智能化的目的。
    快速成型技术最初用来制造铸造用模型，后来发展到制造原型零件，主要用于模型或零件的直观检验，关键是要求形状准确，对其力学性能没有太高的要求，所采用的成型材料有液体光敏树脂、腊、纸等替代材料。近年快速成型技术有了新的发展，已经开始在金属材料、陶瓷材料的制备上得到应用，主要目标是快速制造出满足使用性能的致密的金属零件。

    2 金属粉末激光快速成型技术研究现状

    金属粉末烧结成型技术是国际上当前的热点研究领域，可以自动迅速地从三维CAD模型直接制得形状复杂的金属零件或模型，其制造方法主要包括选择性激光烧结（SLS）和激光熔覆制造两种技术。
    2.1选择性激光烧结（SLS）
    （1）SLS原理
    选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末[2,3]，并使烧结成形的固化层，层层叠加生成所需形状的零件。首先由CAD产生零件模型，并用分层切片软件对其进行处理，获得各截面形状的信息参数，作为激光束进行二维扫描的轨迹，由激光发出的光束在计算机的控制下，根据几何形体各层截面的坐标数据有选择地对材料粉末层进行扫描，在激光辐照的位置上粉末烧结在一起，一层烧结完成后，再铺粉进行下一层扫描烧结，新的一层和前一层自然地烧结在一起，最终生成三维形状的零件。
    （2）SLS的特点
    与其它传统制造方法相比，选择性激光烧结技术的突出优点是：
    ①具有高度的柔性，在计算机的控制下可方便迅速地制作出传统加工方法难以实现的复杂形状的零件，例如具有复杂凹凸部分及中空的零件。
    ②技术高度集成，综合集成了计算机技术、数控技术、激光技术和材料技术。
    ③生产周期短，该技术从CAD设计到零件的加工完成只需几小时到几十小时，特别适合于开发新产品。
    （3）研究现状
    选择性激光烧结技术得到了广泛的应用，特别是直接生产金属零件和金属模具。美国DTM公司用SLS2000系统成功制作出了钢-铜合金的注塑模具。德国汉诺威激光中心采用Nd∶YAG脉冲激光器和光学扫描系统，试验了不同粒度的镍、铜、铝、青铜等合金材料。国内，中北大学铸造中心和南京航空航天大学特种加工研究室开展了选择性激光烧结技术的基础研究，目前南京航空航天大学特种加工研究室已完成了单层烧结试验，在粉末配比及激光烧结参数的选择方面均获得了比较好的结果。他们在此基础上进行了多层烧结的初步尝试，已烧结出形状简单的二维实体零件。中北大学则在选择性激光烧结的基础上研制了变长线扫描SLS RPT，是世界上首次采用的新颖快速成型方法。
    一般SLS RPT是将CO2激光器的输出光束通过聚焦透镜在工作面上形成具有很高能量密度且尺寸很小的光斑，此光斑对铺平在工作台的粉末材料进行烧结，而变长线扫描 SLS RPT是将激光束通过柱面透镜在工作台上形成具有与上述光斑相同能量密度的细长线束，具有成型尺寸大、成型效率高的优点。而且对金属粉末的选择性激光快速烧结技术国内也只有中北大学进行了一系列的研究，并且对于成型件的后处理如渗铜、高温烧结的工艺进行了研究，取得了显著成果。
    2.2 激光涂覆（熔覆）制造技术
    （1）激光涂覆制造技术的原理
    激光涂覆制造技术也称近形技术 (LENS)，是在激光熔覆技术和快速原型技术的基础上发展起来的一种新技术。首先由CAD产生零件模型，用分层切片软件进行处理，获得各截面形状的信息参数，作为工作台进行移动的轨迹参数。工作台在计算机的控制下，根据几何形体各层截面的坐标数据进行移动的同时，用激光涂覆的方法将材料进行逐层堆积，最终形成具有一定外形的三维实体零件。
    （2）激光涂覆制造技术的特点
    使用聚焦激光辐照时形成的熔池很小，可制出外形精密的零件。因烧结点的大小和激光束的有效直径差不多，故零部件的壁厚可精确调节，减少了后处理工序。激光近形方法提高了设计的灵活性，通过改变CAD模型文件可方便经济地对修改补充零件，灵活改变零件不同部位的成分，使零件具有优异的综合性能。生产周期大大缩短，效率高。只要被加工材料对所用激光器的激光波长有低的反射率，就可用LENS法来处理。激光涂覆制造技术易实现选区熔覆，可以用来修复大的金属零件。无需制作昂贵的工模具，生产成本低。
    （3）激光涂覆制造技术的研究和应用现状
    德国的汉诺威激光中心已对钴基(stellite6)和镍基合金(Inconel625)进行了研究，采用了最高功率为3kW的CO2激光器和一套计算机数控的三维加工系统。使用这套设备生产出具有垂直和倾斜薄壁的金属部件。不论使用什么材料，对涂覆部分的结构检查均可发现其组织细小，其中有部分树枝晶结构。对材料的测试表明，涂覆零部件的密度近100%，抗拉强度和断裂强度与常规的金属板材类似。
    美国Sandia国家试验室已能用激光近形制造法生产多种材料的高密度金属零件，包括镍合金Inconel718、625、690等，不锈钢304和316，H13工具钢、钨、钛和磁性 NdFeB等。通过变换激光模式、激光功率、沉积速率、坐标轴数和金属运送方式可得到优化的制造速率、零件密度、晶粒结构和表面质量。该试验室生产的 Ti-6Al-4V零件紧实度达99.996%，延伸率和强度与传统方法相比均有大的提高。
    Abbott等人利用激光近形技术制造出钛零件，制造时间缩短了50%～75%。试验在由3m×3m×1.2m的加工间和一种新型的能够提供高粉流率送粉器的系统中完成，该加工间能加工在氩保护气氛下的大尺寸零件，氧压低于10ppm，这对极易与氧和氮反应的钛是极其关键的。对商业化纯钛、Ti-6Al-4V和Ti-5Al-2.5Sn的机械性能和组分分析研究表明，激光快速成型零件能满足使用需求。

    3 发展前景及存在的问题

    金属粉末的激光快速成型技术集计算机辅助设计、激光熔覆、快速成型于一体，在无需任何硬质工模具或模型的情况下，能快速制备出不同材料的复杂形状、多品种、小批量的零件，所成型零件致密度高，具有快速凝固组织特征，能满足直接使用要求，在航天器件、飞机发动机零件及武器零件的制备上具有广阔的应用前景。还可通过改变成型材料，得到不同部位由不同材料组成的零件，与计算机相结合，发展材料的智能制备系统。
    从上世纪90年代初开始，探索实现金属零件直接快速成型制造的方法已成为RP技术的研究热点，随着大功率激光器的出现，使得采用快速成型方法直接制造金属零件成为可能，国外著名的RP技术公司均在进行金属零件快速成型技术研究。探索直接制备满足工程使用条件的金属零件的快速成型技术，将有助于快速成型技术向快速制造技术的转变，能极大地拓展其应用领域。此外，利用逐层制造的优点，探索制造具有功能梯度、综合性能优良、特殊复杂结构的零件也是一个新的发展方向。而快速成型技术与传统制造技术相结合，形成产品快速开发—制造系统也是一个重要趋势。
    目前，快速成型技术的成型精度为0.01mm数量级，表面质量还较差，有待进一步提高。最主要的是成型零件的强度和韧性还不能完全满足工程实际需要，完善现有快速成型工艺与设备，提高零件的成型精度、强度和韧性，降低设备运行成本是十分迫切的。

    4 结语

    快速成型作为一种高新制造技术，必将在十几年来飞速发展的基础上扬长避短，不断开发出新的成型工艺、成形材料及智能化相关技术，现有工艺也必将朝着精密化、高精度、低成本、标准化方向发展，并应以能直接生产半功能性、功能性零件为目标。