激光增材制造 Laser additive manufacturing

2022-11-15 09:44:43 浏览:248

定义

基于激光的工艺,从粉末或液体中制造形状合适的固体部件。

增材制造工艺是将某些材料添加(附着)到工件上的工艺 - 通常不仅数量有限(例如在堆积焊接=激光熔覆中),甚至用于完整创建固体零件。 在这里,激光束的作用可以以某种方式启动将非固体源材料(例如液体或粉末形式)转化为具有给定所需形状的固体。 无论如何,使用激光的主要吸引力在于它可以以激光束的形式以非常集中和受控的方式进行管理。

激光增材制造 Laser additive manufacturing

图1:激光堆焊,焊丝进给集成到加工头中。资料来源:弗劳恩霍夫ILT,德国亚琛。

激光增材制造中使用的工艺

具体而言,以下形成固体的工艺对于激光增材制造尤为重要:

  • 如果原始材料是粉末,则可以将其熔化,使颗粒形成完全固体的材料。 这种方法称为选择性激光熔化;形容词选择性强调熔化只发生在那些被激光束击中的部分。 一旦激光束继续移动,熔化的材料就会凝固,例如具有多晶或非晶微观结构。
  • 或者,粉末可以进行选择性激光烧结。 这可以用某些由金属(通常是金属合金)、陶瓷或各种热塑性聚合物组成的粉末来完成。 用激光束加热会使粉末颗粒一起烘烤。 在这个过程中,人们不会熔化整个材料,而只会熔化晶粒表面,即只熔化体积的一小部分(能量输入相应较低)。 这种烧结的结果是一种有点多孔的材料,即与完全熔化的结果相比,密度降低。
  • 有间接烧结的方法,其中第一次激光烧结过程,然后在烤箱中烧结以进一步凝固。 第二步还可能涉及添加另一种金属来填充结构中的微观空隙。
  • 聚合物可以由含有单体的液体源材料形成;这样的过程称为聚合。 在某些源材料(例如某些光敏环氧树脂和丙烯酸酯)中,聚合可以通过紫外线(光聚合)引发,例如来自脉冲频率转换固态激光器,其激活某些光引发剂。 仅当通量超过某个阈值时,该过程才有效;该属性对于获得空间上有限的效果很有用。
  • 还有构建陶瓷材料的方法。 例如,可以使用含有陶瓷颗粒(例如氧化铝或氧化锆)的悬浮液或糊状物作为原料。 这种悬浮液还可以含有光固化的有机粘合剂材料;通过粘合剂材料的自由基聚合可以开始陶瓷颗粒的结合,例如用蓝色激光。 陶瓷颗粒当然不应该吸收蓝光,即它们不应该表现出太暗的颜色。 使用热塑性粘合剂的替代技术可以避免这种限制,因为光不需要达到,只需要热量即可达到。 其他方法适用于粉末和选择性融合。

当该过程涉及熔融粉末(通过熔化或烧结)时,可以称为激光粉末床熔融。 其他术语是激光金属熔融和激光金属沉积,留下使用哪种稀有材料的开放。

激光增材制造 Laser additive manufacturing

图2:激光粉末床融合的激光增材制造。资料来源:弗劳恩霍夫ILT,德国亚琛。

用于烧结的金属或陶瓷粉末的晶粒尺寸会限制主要零件的精度。 因此,对于微加工目的,需要使用纳米级粉末。 当然,那些的各种性能需要适合整个生产过程;例如,非常细的粉末通常表现出结块的趋势,可能对湿度等环境条件高度敏感。 开发适用于所有方面的粉末配方可能需要大量的开发工作,并结合处理和加工方法,例如涉及使用某些工艺气体。

激光增材制造的目的

激光增材制造领域的一些常用术语与特定的工艺结果或应用有关:

  • 激光3D打印意味着3D结构的生成,例如立体光刻。 这些技术用于快速原型制作、模具制作,部分也用于快速制造。
  • 激光熔覆,也称为激光堆焊,是指在金属基表面上添加一层金属焊接材料(熔覆)。 例如,它通常用于修复(恢复)因磨损而损失一些材料的机器零件。 此外,它可以在使用零件之前使用,以保护其免受磨损或腐蚀。 它可以在更大的区域进行,但通常适用于需要特殊保护的特定位置。 另一个应用是准备随后的激光焊接工艺。
  • 激光涂层类似于熔覆,但主要产生更薄的层,并且涉及更广泛的材料。 目的通常是提供抗磨损和/或腐蚀保护。

激光材料加工

作          者: 泮桥成像光电商城

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