金属零件直接快速制造技术及发展趋势

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1、RaD沁Manu‰㈨。触删吩快速制造技术金属零件直接快速制造技术及发展趋势DirectRapidManufacturingTechnologyforMetalPartsandItsDevelopmentTrends华中科技大学机械学院张海鸥王超胡帮友华中科技大学材料学院蒋疆邹海平王桂兰张海鸥东京大学工学博士，华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室教授．博士生导师。主要从事新材料加工与模具制造技术．数字制造技术与装备、高能束和机器人制造CAD／CAE／CAM等方面的研究。承担和完成国家自然科学基金、国家863．国防重点预研等项目20

2、余项，在JournalOfApplledPhysics．JournalOfPowerSource．ThinSolidFiIres．Surfaceandcoatingtechnology．中国科学等国内外权威及核心重要杂志上发表论文约200篇。增材快速成形与制造技术在高形状复杂度、高功能复杂度零件的在高能束直接制造高致密金属零件技术中，有支撑的EBM技术在高形状复杂度的小型零件制造方面具有优势。但难以制造大型、复合功能梯度材料的零件；无支撑的LENS技术与HPDM技术在制造高功能复杂度、大中型金属零件方面独具优势，但尚未有效解决带悬臂等的

3、复杂形状零件无支撑直接成形过程中的流淌和开裂问题，根本解决此瓶颈问题、提高其复杂形状成形度，是扩大该技术应用范围的迫切需求。制造方面独具特色，被认为是现代制造技术发展史上的一个里程碑，并正向高功能、高性能材料零件直接制造方向发展，对制造业产生着深远的影响ll-2l。其中，金属零件的直接快速制造(DirectRapidMetalManufacturing)需求范围最广，也是其主要发展方向之一。目前主要有采用激光束、电子束、等离子束的高能三束，以及非高能束的成形方法，该技术可直接由零件CAD模型，完成难加T复杂形状金属零件的快速成形，还可根

4、据零件不同部位的丁作条件与特殊性能要求实现梯度功能材料零件的快速成形。因此，这是一种零件结构与材料设计、新材料制备、成形、加工一体化的创形创质并行的短流程、数字化制造技术，代表着先进制造技术的发展方向。由于该技术和装备在航空航天、国防、能源、交通等尖端支柱领域的重要应用前景，受到发达国家政府和企业的高度蓖视和大力支持，但目前尚处在工业规模实用化的前夜。高能束金属零件直接快速制造技术现状因篇幅所限，本课题主要分析2010年第8期·航空制造技术43钐论坛FORUM方式而难以制造梯度功能材料FGM零件。图l为MTT公司采用sI。M技术制造的金

5、属零件【4J。PHENIXSYSTEMS公司研究开发了与SLS方法相似的激光烧结方法，IttlMTT公司采用sLM技术制造的机鼻不同之处在于采用了广泛使用的致密金属零件的直接快速制造技术现状，其中，采用高能束流的直接制造主要有选区激光熔化／烧结成形法(SLM／SLS)和激光近终成形法(LENS)、电子束成形法(EBM)、等离子束熔积成形法(PDM)，以及其它派生的技术。1SLM技术SLM(SelectiveLaserMelting)技术是在SLS技术基础上发展起来的，与SLS方法的相同之处是，因控制热变形困难等限制而只适于成形复杂形状小

6、型件；不同之处是将粉末烧结改良成粉末熔化，省去了SLS法后续的低熔点金属浸渗致密化环节，较SLS方法可直接成形密度显著提高的金属产品。然而，对于成形过程中出现的熔化金属“聚球”现象，需严格控制材料参数、工艺参数和扫描方式才能减轻【3l。要得到高致密度零件需采用热等静压技术，但这往往需要后续加工来保证精度，从而增加了制造难度、时间和成本。SLM／SLS技术皆因采用层层铺粉的送料激光固相烧结的专利技术，并使用了光纤激光器。公司宣称：金属粉末成形无后续热处理工序15】，但未见其对成形件密度数据影响的报道；其开发的PM250机型的圆柱成形室空间

7、为直径250ram，高300mm，成形材料采用高温合金、不锈钢、模具钢等粉末。2LENS技术由美国Sandia国家试验室与AlliedSignalInc．，EastmanKodakCo．，HasbroIne．，LaserFarelnc．等公司合作开发，已成功业化工作，已开发出lkW的LENS850商业机，运动定位精度在X—y方向为0．05ram，Z方向0．5ram，成形最小层厚0．0756mm，最大成形速度8．19cm3／h【6】。图2为Optomec公司开发的LENS850成形机成形腔内状况和成形零件。图3为正在用LENS技术加工的某

8、金属制品。此外，还有一些基于LENS技术原理的激光成形技术。如LosAlamos国家试验室与SyntheMet合作开发的DLF(DirectedLightFabrication)技术，与LENS技术的不同之