蘇州大學(xué) 激光加工中心

傳統(tǒng)零件制備工藝主要是減材制造。從一塊原材料開始，通過切割、鉆、銑削等機(jī)械工藝方式去除部分材料，從而獲得一個(gè)三維物體形態(tài)，這個(gè)過程中材料的利用率較低。而增材制造通過極小單位的原材料的疊加產(chǎn)生三維物體形態(tài)，雖然后期也可能通過再加工產(chǎn)生廢料，但總體來說對(duì)材料的浪費(fèi)是很少的。這在原型制作以及小批量生產(chǎn)上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)減材技術(shù)。

激光增材制造技術(shù)是一種基于離散/ 堆積成形思想的新型制造技術(shù)，是集成計(jì)算機(jī)、數(shù)控、激光和新材料等最新技術(shù)而發(fā)展起來的先進(jìn)產(chǎn)品研究與開發(fā)技術(shù)。其基本過程是將三維模型沿一定方向離散成一系列有序的二維層片；根據(jù)每層輪廓信息，進(jìn)行工藝規(guī)劃，選擇加工參數(shù)，自動(dòng)生成數(shù)控代碼；成形機(jī)制造一系列層片并自動(dòng)通過激光熔敷、燒結(jié)、沉積等將它們聯(lián)接起來，得到三維物理實(shí)體。這樣將一個(gè)物理實(shí)體的復(fù)雜三維加工離散成一系列層片的加工，大大降低了加工難度，且成形過程的難度與待成形的物理實(shí)體形狀和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度無關(guān)。該技術(shù)的主要特點(diǎn)有：高柔性，可以制造任意復(fù)雜形狀的三維實(shí)體；CAD模型直接驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)制造高度一體化；成形過程無需專用夾具或工具；無需人員干預(yù)或只需較少干預(yù)，是一種自動(dòng)化的成形過程；成形全過程的快速響應(yīng)，適合現(xiàn)代激烈的產(chǎn)品市場(chǎng)。

尤其是金屬零件，其主要采用激光增材制造技術(shù)，以高功率或高亮度激光為熱源，逐層熔化金屬粉末，直接制造出任意復(fù)雜形狀的零件。其主要方法有：

1、激光直接沉積增材制造技術(shù)

該技術(shù)可追溯到20 世紀(jì)70 年代末期的激光多層熔覆研究，但直到20世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)才開始對(duì)同軸送粉激光快速成形技術(shù)的原理、成形工藝、熔凝組織、零件的幾何形狀和力學(xué)性能等基礎(chǔ)性問題開展大量的研究工作。

激光直接沉積技術(shù)為航空航天大型整體鈦合金結(jié)構(gòu)制造提供一種短周期、高柔性、低成本手段。為了提高結(jié)構(gòu)效率、減輕結(jié)構(gòu)重量、簡(jiǎn)化制造工藝，國(guó)內(nèi)外飛行器越來越多地采用了大型整體鈦合金結(jié)構(gòu)。與鍛壓- 機(jī)械加工傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，激光直接沉積增材制造技術(shù)具有以下特點(diǎn)：無需零件毛坯制備，無需鍛壓模具加工，無需大型或超大型鍛鑄工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施及相關(guān)配套設(shè)施；材料利用率高，機(jī)加工量小，數(shù)控機(jī)加工時(shí)間短；生產(chǎn)制造周期短；工序少，工藝簡(jiǎn)單，具有高度的柔性與快速反應(yīng)能力；采用該技術(shù)還可根據(jù)零件不同部位的工作條件與特殊性能要求實(shí)現(xiàn)梯度材料高性能金屬零件的直接制造。

激光直接沉積技術(shù)還可以為航空航天、工模具等領(lǐng)域高附加值金屬零部件的修復(fù)提供一種高性能、高柔性技術(shù)。由于工作環(huán)境惡劣，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、金屬模具等高附加值零部件往往因磨損、高溫氣體沖刷燒蝕、高低周疲勞、外力破壞等因素導(dǎo)致局部破壞而失效。另外，零件制造過程中誤加工損傷是其被迫失效的另一重要原因。若這些零部件被迫報(bào)廢，將使制造廠方蒙受巨大的經(jīng)濟(jì)損失。與傳統(tǒng)熱源修復(fù)技術(shù)相比，激光直接沉積技術(shù)因激光的能量可控性、位置可達(dá)性高等特點(diǎn)逐漸成為其關(guān)鍵修復(fù)技術(shù)。

2、激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)

激光選區(qū)熔化技術(shù)是由德國(guó)Frauhofer研究所于1995年最早提出，在金屬粉末選擇性燒結(jié)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。2002年該研究所在激光選區(qū)熔化技術(shù)方面取得巨大成功，可一次性地直接制造出完全致密性的零件。

隨著高亮度光纖激光的出現(xiàn)，國(guó)外金屬粉末選區(qū)熔化激光精密增材成形技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)。譬如，德國(guó)EOS GmbH 公司新開發(fā)的激光選區(qū)熔化設(shè)備EOSINT M280 采用束源質(zhì)量高的Yb 光纖激光器，將激光束光斑直徑聚焦到100μm，大幅提高激光掃描的速度，減少成形時(shí)間，其成形零件性能與鍛件相當(dāng)。

激光選區(qū)熔化技術(shù)可直接制成終端金屬產(chǎn)品，省掉中間過渡環(huán)節(jié)；零件具有很高的尺寸精度以及好的表面粗糙度（Ra 為10~30μm）；適合各種復(fù)雜形狀的工件，尤其適合內(nèi)部有復(fù)雜異型結(jié)構(gòu)、用傳統(tǒng)方法無法制造的復(fù)雜工件；適合單件和小批量復(fù)雜結(jié)構(gòu)件無模、快速響應(yīng)制造。2009 年以來，中航工業(yè)北京航空制造工程研究所通過與國(guó)際著名激光粉末燒結(jié)設(shè)備制造商——德國(guó)EOS 公司的技術(shù)交流，自主開發(fā)建立激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)平臺(tái)，研制出一些典型金屬結(jié)構(gòu)件，其TC4 鈦合金力學(xué)性能與鍛件相當(dāng)，但仍受到層片掃描軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)、應(yīng)力及變形協(xié)調(diào)控制等基礎(chǔ)問題制約。

激光增材制造其實(shí)質(zhì)就是CAD軟件驅(qū)動(dòng)下的激光三維熔覆過程。所以其不僅可實(shí)現(xiàn)激光熔覆制備耐磨涂層和功能梯度材料，而且可修復(fù)高附加值的金屬件和直接制造任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬零部件。隨著其成形工藝和裝備不斷地成熟和提高，成形材料從鈦合金、鎳基合金、不銹鋼、鈷鉻合金等成熟材料種類，不斷推出新材料。通過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，激光選區(qū)熔化技術(shù)可制造出大幅減輕重量的航空航天金屬結(jié)構(gòu)件。目前，金屬零件激光增材技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)包括成形過程應(yīng)力及變形、材料組織及性能控制、質(zhì)量檢測(cè)及標(biāo)準(zhǔn)建立等。

產(chǎn)品創(chuàng)新是我國(guó)制造行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，而金屬零件的激光快速成形技術(shù)對(duì)新產(chǎn)品的開發(fā)速度和重要零部件的再制造將起到十分重要作用。金屬零件激光增材制造技術(shù)開創(chuàng)了一個(gè)嶄新的設(shè)計(jì)、制造概念。它以相對(duì)低的成本、高速造型、可修改性強(qiáng)的特點(diǎn)，獨(dú)特的工藝過程，為提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低成本、縮短設(shè)計(jì)及制造周期，為將產(chǎn)品盡快推向市場(chǎng)提供了有效的方法，尤其適合于形狀復(fù)雜的零件。