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1、3D打印成型工艺及材料,3D打印技术研究所,第9章 其他成型工艺及材料,其他成型工艺及材料,20世纪90年代，Carnegie Mellon大学和Stanford大学联合提出了形状沉积制造（Shape Deposition Manufacturing，SDM）方法。,9.1形状沉积制造工艺及材料,9.1.1 概述,1.成型原理据模型表面的曲率，在成型方向上创建自适应厚度的组块。创建的组块与CAD模型相交，从而获得包含成型件完整三维信息的切片信息。每层切片根据自适应厚度进行制造。拆除支撑结构后的成型件，由于“台阶”效应，没有产生表面纹理，同时与原始CAD模型的几何形状相匹配。,9.1形状沉积制造
2、工艺及材料,9.1.2 成型原理及工艺,2.成型工艺1、2表示零件的第一层在两侧没有底切表面，先沉积材料并加工成型表面；3、4表示在成型的零件表面上沉积支撑材料并加工；5、6表示零件的第二层在两侧有底切表面，必须先沉积支撑材料并成型后再沉积零件材料；,9.1形状沉积制造工艺及材料,9.1.2 成型原理及工艺,2.成型工艺7、8表示在成型的支撑材料上面沉积零件材料并加工成型表面；9、10表示零件在右侧有底切表面，必须先沉积支撑材料并成型后再沉积零件材料；11、12表示在成型的支撑材料上面沉积零件材料并加工成型表面；13、14表示沉积零件左侧支撑材料，实际成型过程中可以省略。,9.1形状沉积制造工
3、艺及材料,9.1.2 成型原理及工艺,2.成型工艺SDM的铣削过程：一般采用3轴或5轴加工中心或一个机械手完成沉积过程中多余材料的去除。在特殊的情况下，还可采用电火花成型表面的方法。,9.1形状沉积制造工艺及材料,9.1.2 成型原理及工艺,2.成型工艺制造过程：第14步先用支撑材料来沉积制造出模具；第5步去除支撑材；第6步铸造零件并固化；第78步去除模具材料，完成精整处理。在最后两步中可以先去除模具，然后完成精整；但对脆性或脆弱零件，可以先在模具的保护下完成精整后再去除模具材料。,9.1形状沉积制造工艺及材料,9.1.2 成型原理及工艺,3.工艺特点SDM是一个生产工艺过程，而不是单一的3D
4、打印制造方法。SDM的表面质量可以从制造过程中控制。SDM的几何分层方法灵活。,9.1形状沉积制造工艺及材料,9.1.2 成型原理及工艺,Carnegie Mellon大学搭建的SDM实验平台主要由零件输送机械手和CNC加工中心、沉积站、喷丸站和清洗站4个工作单元组成。,9.1形状沉积制造工艺及材料,9.1.3 成型系统,Stanford大学搭建的SDM实验平台与采用通用Haas VF-0E型3轴CNC加工中心作为主体，附设用于沉积的相关装置，整个系统由计算机控制。,9.1形状沉积制造工艺及材料,9.1.3 成型系统,9.1形状沉积制造工艺及材料,9.1.4 成型材料,（1）成型材料,9.1形
5、状沉积制造工艺及材料,9.1.4 成型材料,（a）图是一种非连续焊接过程，用于沉积离散的过热熔化金属滴，沉积的材料可为不锈钢或铜等金属材料；（b）图是用热喷涂的方法来沉积高性能的薄层材料（包括金属、塑料及陶瓷），具有较高的沉积速度；（c）图用于高速沉积合金钢材料；（d）图用于沉积热塑性材料（如生陶瓷），支撑材料采用可加工的水溶性材料；（e）图用于沉积热固性材料（如环氧树脂/活化剂混合材料），支撑材料采用蜡，并用热熔混合系统进行沉积；（f）图采用喷射的方法沉积水溶性光固化树脂，支撑材料采用蜡；（g）图用于沉积蜡材料，既可用于零件的沉积，也可用于支撑材料的沉积，这取决于具体的应用领域。,9.1形状
6、沉积制造工艺及材料,9.1.4 成型材料,（2）支撑材料对于任意几何形状的支撑材料，有以下要求：支撑材料的沉积不能穿透成型件的沉积层，不能破坏成型件的任何形状表面。支撑材料与成型材料粘结性良好，为成型操作和嵌入件提供结构强度。支撑材料必须可加工，以保证成型底部的表面特征。成型材料的沉积不能穿透支撑材料，也不能破坏支撑材料的表面。成型材料必须附着在支撑结构上，以提供成型操作所需的结构强度，并防止由于内部应力引起的翘曲。完全成型后，支撑材料必须可移动。,9.1形状沉积制造工艺及材料,9.1.5 成型影响因素,液滴温度必须实现单个液滴与液滴之间的冶金结合，以及在液滴与基片或底层之间的结合。挤出速度电
7、弧功率相同时，挤出速度越小，液滴温度越高；液滴温度相同时，挤出速度越小，液滴直径越大。电弧功率当功率达到能完全熔融液滴时，液滴的温度急剧上升。由于金属部分汽化，温度上升到一定时上升速度下降。,9.1形状沉积制造工艺及材料,9.1.6典型应用,功能零件SDM可以直接制造功能零件，为机械装置的真实性能测试提供方便，且节省大量时间。,9.1形状沉积制造工艺及材料,9.1.6典型应用,模具快速制造SDM可以采用多种材料的组合来制造模具，以提高模具的工作性能。,9.1形状沉积制造工艺及材料,9.1.6典型应用,预装配机构的制造利用SDM可以制造出复杂的预装配机构，并且不需要任何装配步骤。,9.1形状沉积
8、制造工艺及材料,9.1.6典型应用,嵌入结构组件的制造该电子装置外层为封闭的非导电材料壳体，内部嵌入电子元件，形成防水的电子结构，用于潜水员潜水探测。,9.2电子束熔化成型工艺及材料,9.2.1概述,2001年瑞典Arcam公司将电子束作为能量源，并申请了国际专利。2003年推出了全球第一台真正意义上的商业化EBM设备EBM-S12。,9.2电子束熔化成型工艺及材料,9.2.2成型原理及工艺,1.成型原理（1）电子束的磁聚焦原理在一个特定的电子枪中，S的长度不变，在电流强度和加速电压不变的情况下，焦距f的长度不变的，“像距”L长度不变。当电子束发生偏转时，电子束的聚焦面为以聚焦线圈中心点为球心
9、的部分球面。在保持恒定聚焦电流的情况下，电子束的聚焦平面相切于成型范围的中心点，在其它点均高于成型平台。聚焦在成型平台以上的电子束在到达成型平台时，会发生一定程度的散焦，并且随着偏转角的增大，散焦程度加剧。,9.2电子束熔化成型工艺及材料,9.2.2成型原理及工艺,1.成型原理（2）电子束聚焦分析当电子束偏离成型平台的中心点时，电子束到达成型平台的路径长度增大。在保持焦距不变时，偏转电子束就会出现散焦的问题。如果根据电子束的路径长度相应的改变焦距，则可以使得电子束聚焦在设定点。对电子束偏转散焦进行补偿，需要计算出电子束偏转时增加的路径长度，以及对应的聚焦补偿电流。,9.2电子束熔化成型工艺及材
10、料,9.2.2成型原理及工艺,2.成型工艺,3.工艺特点功率高、功率密度高、利用率高对焦方便扫描速度快可加工材料广泛成型速度高，运行成本低,9.2电子束熔化成型工艺及材料,9.2.2 成型原理及工艺,EBM主要有送粉、铺粉、熔化/烧结等工艺步骤。EBM系统真空室内具有铺送粉机构、粉末回收箱及成型平台。同时，还包括电子枪系统、真空系统、控制系统和软件系统。,9.2电子束熔化成型工艺及材料,9.2.3 成型系统,（1）电子枪系统电子枪电子枪是加速电子的一种装置，能发射出具有一定能量、一定束流以及速度和角度的电子束。栅极栅极是由金属细丝组成的筛网状或螺旋状电极。聚束线圈偏转线圈,9.2电子束熔化成型
11、工艺及材料,9.2.3 成型系统,（2）真空系统EBM整个加工过程是在真空环境下进行的。在加工过程中，成型舱内保持在1e-5mBar的真空度，良好的真空环境保护了合金稳定的化学成分，并避免了合金在高温下氧化。真空系统主要由密封的箱体及真空泵组成，在EBM设备中，为了实时观察成型效果，在真空室上还需要留有观察窗口。,9.2电子束熔化成型工艺及材料,9.2.3 成型系统,（3）控制系统控制系统主要包括扫描控制系统、运动控制系统、电源控制系统、真空控制系统和温度检测系统等。电机控制通常采用运动控制卡实现；电源控制主要采用控制电压和电流的大小来控制束流能量的大小；温度控制采用A/D信号转换单元实现，通
12、过设定温度值和反馈温度值调节加热系统的电流或电压。,9.2电子束熔化成型工艺及材料,9.2.3 成型系统,（4）软件系统EBM设备要专用软件系统实现CAD模型处理（纠错、切片、路径生成、支撑结构等）、运动控制（电机）、温度控制（基底预热）、反馈信号处理（如氧含量、压力等）等功能。,9.2电子束熔化成型工艺及材料,9.2.3 成型系统,（1）TC4钛合金（2）Co-Cr-Mo合金（3）TiAl金属间化合物（4）镍基高温合金,9.2电子束熔化成型工艺及材料,9.2.4 成型材料,“吹粉”现象 指金属粉末在成型熔化前即已偏离原来位置的现象。球化现象指金属粉末熔化后未能均匀地铺展，而是形成大量隔离的金
13、属球的现象。变形与开裂表面粗糙度气孔与熔化不良,9.2电子束熔化成型工艺及材料,9.2.5 成型影响因素,9.2电子束熔化成型工艺及材料,9.2.6 典型应用,航空航天领域Moscow Machine Building Enterprise采用EBM技术制造的火箭汽轮机压缩机承重体，尺寸为26773mm，重量为3.5kg，制造时间仅为30h。意大利Avio公司采用EBM技术制备的航空发动机低压涡轮采用TiAl叶片，该零件尺寸为8mm12mm325mm，重量为0.5kg。,9.2电子束熔化成型工艺及材料,9.2.6 典型应用,生物医疗领域目前EBM制备金属多孔材料最为典型的应用主要集中在生物植入
14、体方面。,9.2电子束熔化成型工艺及材料,9.2.6 典型应用,其他领域EBM技术在过滤分离、高校换热、减震降噪等领域同样具有广泛的应用前景。,9.3激光近净成型工艺及材料,9.3.1概述,1992年左右，美国军方解密以合金粉末为原料的激光直接加工成型的概念。美国Sandia国家实验室与美国联合技术公司（UTC）于1996年联合提出了LENS的思想，并于2000年获得了相关专利。在美国能源部研究计划支持下，Sandia国家实验室及Los Alomos国家实验室率先发展了LENS技术。同年，Optomec公司成功推出了商业化的激光近净成型系统。,9.3激光近净成型工艺及材料,9.3.2成型原理及
15、工艺,1.成型原理（1）熔池的传热与传质激光作用下的传热采用能量呈高斯分布和均匀对称分布的激光束辐照材料表面时，温度场沿Y轴是对称分布的。由于光束的移动，温度场的最高温度并不在正中心，而是在相对于光束扫描方向略偏后的位置，并且随着扫描速度的增加后移动量加大。熔池内温度沿深度方向Z轴的分布是不均匀的，在熔池辐照表面熔化时间最长，温度最高；在熔池底部液固界面附近，温度低，同时也只是瞬时熔化。,9.3激光近净成型工艺及材料,9.3.2成型原理及工艺,1.成型原理（1）熔池的传热与传质激光作用下的传质由于激光作用使熔体处于高温和熔体表面张力梯度效应，使激光作用下的液相传质具有对流传质和蒸发传质的复合特
16、性。,9.3激光近净成型工艺及材料,9.3.2成型原理及工艺,1.成型原理（1）熔池的传热与传质激光作用下的传质面张力流的形成与对流传质在激光作用下，熔体中从内到外都存在温度梯度，加上激光作用下溶质元素的选择性蒸发和与温度梯度相适应溶质元素的化学位梯度所形成的浓度梯度，二者综合作用使液体形成如图所示的表面张力梯度及由它决定的液流方向。,9.3激光近净成型工艺及材料,9.3.2成型原理及工艺,1.成型原理（1）熔池的传热与传质激光作用下的传质表面蒸发传质激光作用于熔体或其他液体表面时，所产生的高温和激光对物质原子或分子的激发作用会有相当快的蒸发。如果激光的波长正好是溶质原子的强吸收峰，还将出现选
17、择性的优先蒸发。表面蒸发传质包括表面汽化和溶质原子在表层内部扩散到最表层两个重要环节。表层内的扩散是在紊流条件下进行的。,9.3激光近净成型工艺及材料,9.3.2成型原理及工艺,1.成型原理（2）熔池的凝固与成长随着激光束的连续扫描，在熔池中金属的熔化和凝固过程是同时进行的，在熔池的前半部分，固态金属粉末连续不断地进入熔池形成熔体，进行着熔化过程。而在熔池的后半部分，液态金属不断地脱离熔池形成固体，进行着凝固过程。,9.3激光近净成型工艺及材料,9.3.2成型原理及工艺,1.成型原理（3）激光束焦点位置加工平面与激光束焦平面之间的距离称为离焦量。离焦有3种形式：焦点位置（零离焦）、负离焦和正离
18、焦。焦平面位于加工面下方时是负离焦，反之是正离焦。,9.3激光近净成型工艺及材料,9.3.2成型原理及工艺,2.成型工艺,3.工艺特点制造过程柔性化程度高产品研制周期短，加工速度快技术集成度高有很高的力学性能和化学性能能实现多种材料以任意方式组合的零件成型应用范围广,9.3激光近净成型工艺及材料,9.3.2 成型原理及工艺,LENS系统主要由数控系统、激光系统、送粉系统和气氛控制系统等组成。,9.3激光近净成型工艺及材料,9.3.3 成型系统,（1）数控系统数控系统控制零件成型全部过程，对系统中各部件（包括激光器光闸、校正光开关、保护器气阀、铺粉电机、活塞电机以及X-Y工作台电机等等）进行统一
19、指令下的有序控制，完成金属零件的加工过程。（2）激光系统激光系统由激光器及其辅助设施，如气体循环系统、冷却系统、充排气系统等组成。高功率激光器作为LENS的核心部分，其性能将直接影响成型的效果。目前最为常用的主要是CO2激光器、YAG激光器和光纤激光器等。,9.3激光近净成型工艺及材料,9.3.3 成型系统,（3）送粉系统送粉系统包括送粉器、粉末传输通道和喷嘴三部分。送粉器的送粉原理通常有重力送粉、气动送粉和机械送粉等。,9.3激光近净成型工艺及材料,9.3.3 成型系统,（3）气氛控制系统气氛控制系统即能控制成型过程中环境气氛的装置，是为了防止金属粉末在激光加工过程中发生氧化，降低沉积层的表
20、面张力，提高层与层之间的浸润性，同时有利于提高工作安全。,9.3激光近净成型工艺及材料,9.3.3 成型系统,（1）基板材料一般多采用金属基板，其选择原则：润湿性良好基板与成型材料之间应形成良好的润湿性，否则连接不可靠；结合界面无剧烈反应剧烈的反应会极大削弱两者的结合稳定性；热膨胀系数相近，避免过多的相互作用力,9.3激光近净成型工艺及材料,9.3.4 成型材料,（2）成型材料自熔性合金粉末陶瓷粉末复合材料粉末稀土及其氧化物粉末,9.3激光近净成型工艺及材料,9.3.4 成型材料,体积收缩率过大由于金属粉末的密度即使在高温压实的状态下仍然比较低，而烧结后密度将增加，从而造成在相同质量条件下体积
21、的收缩。粉末爆炸迸飞粉末爆炸迸飞是指在高功率脉冲激光的作用下，粉末温度由常温骤增至其熔点之上而引起其急剧热膨胀致使周围粉末飞溅流失的现象。,9.3激光近净成型工艺及材料,9.3.5 成型影响因素,加工表面质量光斑重合率脉冲激光光斑重合率是指相邻两个脉冲光斑或相邻两条扫描线间的重合程度。当两个相邻光斑完全重合时，重合率为100%；相切时为0；相交时则在0100%之间。,9.3激光近净成型工艺及材料,9.3.5 成型影响因素,加工表面质量扫描轮廓线铺粉后先扫描的轮廓线没有受到粉末爆炸迸飞的影响，但会导致十分明显的边缘凸起现象。解决轮廓线凸起的方法就是不对轮廓线进行扫描，或者先扫描填充线后扫描轮廓线
22、。,9.3激光近净成型工艺及材料,9.3.5 成型影响因素,9.3激光近净成型工艺及材料,9.3.6 典型应用,航空装备制造全球知名的航空产品供应商MTS公司旗下的AeroMat采用LENS技术制造F/A-18E/F战斗机钛合金机翼件，可以使生产周期缩短75%，成本节约20%，生产400架飞机即可节约5000万美元。,9.3激光近净成型工艺及材料,9.3.6 典型应用,航空装备维修英国Birmingham大学吴鑫华等利用LENS技术为Rolls-Royce公司成功修复Trent500航空发动机密封圈。,9.3激光近净成型工艺及材料,9.3.6 典型应用,快速模具制造LENS技术可以显著缩短模具
23、制造时间，还可以加工共形冷却通道。共形冷却通道是根据模芯和模腔形状在模具内部设计的复杂冷却液通道，可以显著改善模具的导热状况，延长模具使用寿命。,9.3激光近净成型工艺及材料,9.3.6 典型应用,医疗植入体LENS技术在专业手术器械的开发、原型制造及产品生产，骨科植入体（如臀部、膝盖和脊柱等）等方面也得到广泛应用。,思考题,1、简述形状沉积制造工艺的原理。2、分别阐述Carnegie Mellon大学和Stanford大学搭建的SDM成型系统的组成。3、简述EBM的特点。4、通过网络、文献、报刊等途径，查阅EBM成型工艺的研究现状。5、简述LENS成型系统的组成。6、LENS的主要应用有哪些？,第9章 其他成型工艺及材料,
