進入2017年，金屬3D打印繼續（xù）在（zài）新聞端發酵，其（qí）應用也得到了更多行業的（de）肯定，比如西門子3D打印的（de）葉片經受住了高溫的考驗。而激（jī）光近淨成（chéng）形技術，以其能夠實現梯度材料、複雜曲麵修複等功能而（ér）深受工業界的寵愛。而憑借這一特點，LENS技術當仁不讓的成為了鏈接（jiē）傳統製造與（yǔ）3D打印（yìn）的橋梁，在大（dà）型器件的修複上正在不斷地發揮著作用。靖哥有幸邀請到了寧福達（dá）博士，為大家深刻解讀（dú）激光近淨成形技術。靖哥3D打印，3D打印的（de）高知平台。

 

背景

激光（guāng）近淨成形技術（shù）LENSTM是激光3D打印(3D Printing) / 增材製造 (Additive Manufacturing) 技術的一種，通（tōng）過激光（guāng）在沉積區域產生熔池（chí）並持（chí）續熔化粉末或絲狀材料而（ér）逐層沉積生成具有三維形貌尺寸的零部件。這種技術由美國桑迪亞國家（jiā）實驗室（Sandia National Laboratory）於上世紀90年（nián）代研製，使快速成型技術進入到了嶄新階段。隨後，美國Optomec公司將LENSTM技術（shù）進行商業開發和（hé）推（tuī）廣，並逐漸推出成品機床LENSTM 450/850等設備。

 

技術原（yuán）理

與其（qí）他3D打印技（jì）術相同，在LENSTM技術過程中，計算機首先將三（sān）維CAD模型進行分層切片，得到（dào）每一層的二維平麵輪廓數據並轉化為打印設備數控台的運動軌跡。高能量的激光束 (laser beam) 會在基體底板 (substrate) 上生成熔池 (molten pool)，同時金屬粉末（mò）束流 (powder stream) 以一定的供（gòng）給速度（約（yuē）100cm3/小時）噴射至熔池並快速熔化凝固，通過點 – 線的方式來生成（chéng）每一層的目標截麵幾何形狀，這樣（yàng）層層疊加 (layer-by-layer) 製造出近淨形的零部件實體。具體打印過程如圖1所示[1]。

 

 

 

成型材料

目（mù）前，LENSTM技術主要用於打印一些比較成熟的商業化金屬合金粉末材料，包括不鏽鋼304/316，工具鋼H13，鈦合金Ti6-4，鎳基合金IN625/IN718等。同時，這些合（hé）金材料的其他牌號以及銅、陶瓷、金屬基複合材（cái）料等（děng）也正在研發中。具體材料分類和（hé）牌號詳見表1（數據來源（yuán）於Optomec公司）。

 

 

 

技術優（yōu）點與（yǔ）瓶頸

LENSTM技術可以針對中小（xiǎo）規模生產的（de）零件實現無模製造，節約成本，縮短（duǎn）生產周期。尤其對於那些高性能的、成本高的零件製造具有巨大的技術應（yīng）用價值。同時該技術解決了複雜曲麵零部件在傳統製造工藝中（zhōng）存在的切削加工困難、材（cái）料去除量大、刀（dāo）具磨損嚴重等一（yī）係列問（wèn）題。此外，與其他（tā）的粉床3D打印（yìn）工藝如選擇性電子束燒結/熔融（selective laser sintering/melting）（詳（xiáng）見靖哥3D打印 | 第39期 金屬3D打印，電子束有何（hé）“神通”?）相比，LENSTM技術具備特（tè）有的優（yōu）勢，包括可以打印功能梯度材料、零（líng）部件的（de）修（xiū）複和再製造、較小的熱影響區（heat affected zone）等等[2]。

 

美（měi）國賓州州立大（dà）學通過LENSTM技術打（dǎ）印出不鏽鋼304L和鎳基合金IN625的功能梯度材料（liào）（圖2）。基座由20層不鏽鋼材料打印而成（chéng），在之後的24層梯度材（cái）料（liào）區域內，不鏽鋼材料的體（tǐ）積含量每層減（jiǎn）少（shǎo）4%，同（tóng）時鎳基合（hé）金每層增加4%，直至頂部區域打印出100%鎳基合金含量的材料。功能梯度材料件使得零（líng）件不同區域具有各異的材料特性，並可（kě）應用於一些極端工況。

 

 

 

當然，LENSTM技術也遇到了一些瓶頸，主要包括粉末（mò）材（cái）料利用率較低，熱應力大，零件存在（zài）內部缺陷如孔隙/裂紋（圖3）和不規則顯（xiǎn）微組織（zhī）（圖4），這將影響零件（jiàn）的質量和（hé）力學性能。

 

 

 

 

 

應（yīng）用

LENSTM技術目前（qián）主要應用於航空航（háng）天、汽車、船舶等領域，用於製造或修複航空發動機和重型燃氣輪（lún）機的葉輪（lún）葉片以及輕量化的汽車零部件等。圖5為運用（yòng）LENSTM技術實現發動機葉片的製造/修複的（de）應用。該技術可以實現對磨損或破損的（de）葉片進行修複和再製造的（de）過程，從而大大降低葉片的製造成本，提高生產效率。LENSTM技術還被報道成（chéng）功用於修複W87導彈外罩上具有曲麵幾何特性的凸緣結合（hé）部（bù）分（fèn），如圖6所示。除此之外，LENSTM技術已經逐漸開（kāi）始用於（yú）製（zhì）造醫療器械和（hé）植入物。圖7運用CT掃描（miáo）生成骨（gǔ）頭和植入物的3D模型以滿足植入物（wù）與患者局部解剖結構上的高度匹配。LENSTM技術通過精確控製橫斷麵輪廓，有效實現個體化植入物的製造。

 

 

 

 

展望

 

LENSTM技（jì）術以其特有的加工優勢將會（huì）被應用到越來越廣（guǎng）泛的工業領（lǐng）域，如何結合後處理（post-processing）以及輔助（zhù）技術（assisted-technique）使LENSTM技術（shù）能夠打（dǎ）印出精（jīng）度更高、性能（néng）更好的零部（bù）件將會是今後的研究趨勢。

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應用技術解決方案。

 

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