激光沉積成形的案例
基片表面傾斜及衍射對(duì)激光會(huì)聚原子沉積條紋的影響
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基片表面傾斜及衍射對(duì)激光會(huì)聚原子沉積條紋的影響
張寶武，張超超，劉若男，王道檔，沈小燕，余桂英
［摘要］目的：探究基片對(duì)激光會(huì)聚原子沉積的影響。方法：根據(jù)光學(xué)勢(shì)阱中原子運(yùn)動(dòng)的軌跡方程，對(duì)會(huì)聚場(chǎng)的光學(xué)勢(shì)阱、原子運(yùn)動(dòng)軌跡和沉積條紋等進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果：衍射式光學(xué)勢(shì)阱使原子軌跡提前會(huì)聚，進(jìn)而與傾斜角一起對(duì)沉積條紋的質(zhì)量參數(shù)產(chǎn)生了影響。在正傾時(shí)，隨著｜ｘ０｜的增大，條紋半高寬增大，條紋峰值減小；在負(fù)傾斜時(shí)，隨著｜ｘ０｜的增大，條紋半高寬保持不變，條紋峰值增大；同時(shí)隨著｜ｘ０｜的增大，沉積條紋的峰值位置相對(duì)于波節(jié)的偏移量趨向單調(diào)增大。在非衍射條件下，偏移量增大４ｎｍ；在衍射條件下，偏移量增大１５ｎｍ。結(jié)論：由于衍射的存在，不管基片表面正傾斜還是負(fù)傾斜，基片表面上方沿著ｚ方向都會(huì)存在一個(gè)直邊衍射式的光學(xué)勢(shì)阱。
［關(guān)鍵詞］計(jì)量；激光會(huì)聚；光學(xué)勢(shì)能；衍射；傾斜度
展開(kāi) 美國(guó)Additec：金屬粉末+線材，激光金屬沉積（LMD）3D打印技術(shù)
應(yīng)用
激光金屬沉積適用于各種應(yīng)用：
近凈成形制造
使用該過(guò)程從頭開(kāi)始累加生成復(fù)雜零件。也稱為金屬3D打印或自由形式制造。這種生產(chǎn)零件的方式提供了高水平的設(shè)計(jì)自由度，并且消除了復(fù)雜的CNC編程或耗時(shí)的鑄造。此外，甚至可以使用多個(gè)Additec材料進(jìn)料器在單個(gè)組件內(nèi)混合不同的材料/合金。
激光熔覆
涂有保護(hù)層的現(xiàn)有組件。由于基體金屬稀釋度低，我們的工藝非常適合它，允許更薄的涂層有效保護(hù)基體金屬。包覆工藝通常用于石油和天然氣行業(yè)，但也越來(lái)越多地被其他行業(yè)采用。
功能增加/混合制造
當(dāng)集成到銑床或制造工藝鏈中時(shí)，我們的沉積工藝可用于為組件添加特征，否則這些特征將需要不利的大庫(kù)存或難以作為單件鑄造。
部件維修
完全替換高價(jià)值組件可能成本高且效率低。激光金屬沉積引入了一種可靠地重建部件磨損區(qū)域的方法，并且失真最小。
材料：
Additec沉積系統(tǒng)可以加工各種各樣的材料，通?？梢允褂萌魏慰珊附拥慕饘?。 然而，當(dāng)處理室沒(méi)有惰化時(shí)，存在一些限制。 例如，鋁和鈦有利于惰性處理室。 然而，通過(guò)在開(kāi)放的大氣壓條件下使用高反應(yīng)性材料的線料原料比使用粉末的危險(xiǎn)性小得多，并且通過(guò)使用可從Additec獲得的大型保護(hù)氣體擴(kuò)散器可以獲得成功的結(jié)果。
來(lái)源：南極熊3D打印
展開(kāi) 新的理論模型，可預(yù)測(cè)激光增材制造的殘余應(yīng)力和臨界沉積高度
2018年10月10日，南極熊獲悉，澳大利亞和印度的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的理論模型，可成功預(yù)測(cè)激光增材制造的殘余應(yīng)力和臨界沉積高度。
該模型由印度理工學(xué)院的Ramesh Singh教授團(tuán)隊(duì)與莫納什大學(xué)的Wenyi Yan教授共同開(kāi)發(fā)，研究了熱機(jī)械行為和通過(guò)直接能量沉積技術(shù)（如激光熔覆）進(jìn)行的冶金轉(zhuǎn)化。
激光熔覆廣泛用于汽車和航空航天工業(yè)中零件和結(jié)構(gòu)部件的維護(hù)，修理和大修，因?yàn)樗纳屏瞬牧咸匦浴?“定向能量沉積方法在航空航天部件，模具、模具的維修和再制造方面具有巨大的潛力，這些部件和模具因循環(huán)熱機(jī)械加載而受到損壞，”Singh解釋說(shuō)。 “但是，沉積層中存在拉伸殘余應(yīng)力會(huì)降低部件的疲勞壽命。在這項(xiàng)協(xié)同工作中開(kāi)發(fā)的完全耦合的熱機(jī)械和冶金模型已用于確定臨界沉積高度，以確保壓縮殘余應(yīng)力。 沉積層可持續(xù)修復(fù)?！?△用Neutron和X射線衍射測(cè)量有限元模型預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力的比較。圖片來(lái)源：澳大利亞核科學(xué)技術(shù)組織（ANSTO）
他們的工作在“Scientific Reports journal”上在線發(fā)表。在該論文中，研究人員報(bào)告說(shuō)，通過(guò)其金屬熱機(jī)械模型預(yù)測(cè)的激光熔覆鋼橫截面上殘余應(yīng)力的變化表明存在臨界沉積高度。
沉積的臨界高度對(duì)應(yīng)于層厚度，當(dāng)沉積時(shí)，層厚度將使沉積層和基板中的有益壓縮殘余應(yīng)力最大化。
低于臨界高度的沉積將在界面處產(chǎn)生有害的拉伸殘余應(yīng)力，而高于臨界高度的沉積將導(dǎo)致過(guò)度稀釋。
研究還發(fā)現(xiàn)，在沉積的臨界高度，凝固速率最小。
Kowari殘余應(yīng)力衍射儀用于測(cè)量H13鋼樣品中的宏觀殘余應(yīng)力，該樣品是用釩含量高的坩堝顆粒冶金鋼粉激光包覆的。
Kowari殘余應(yīng)力的三維測(cè)量是高度準(zhǔn)確和非破壞性的。
“一個(gè)模型只有它的驗(yàn)證一樣好。
展開(kāi) 
德國(guó) Fraunhofer 開(kāi)發(fā)金屬絲激光沉積技術(shù)，材料利用率可達(dá)100%
德國(guó)Fraunhofer 激光技術(shù)研究所正在開(kāi)發(fā)基于金屬絲激光沉積的創(chuàng)新技術(shù)（wire-based laser metal deposition，LMD-W）。在Formnext 2018展會(huì)期間，F(xiàn)raunhofer 展示了這一技術(shù)。
Fraunhofer 在Formnext展臺(tái)中展示的LMD-W技術(shù)
可制造市場(chǎng)上廣泛使用的焊絲
LMD-W 技術(shù)最初是為提升部件的耐磨性而開(kāi)發(fā)的。金屬絲材在被激光熔化之后，層層沉積到部件表面。Fraunhofer 還開(kāi)發(fā)了CAD / CAM軟件，用于控制材料的逐層構(gòu)建過(guò)程。
LMD-W 技術(shù)的特點(diǎn)是，材料在完全熔化后被分層沉積到部件表面，通過(guò)適當(dāng)?shù)腃AM 支持和多軸過(guò)程控制，材料能夠被構(gòu)建在現(xiàn)有的組件上。Fraunhofer表示該技術(shù)的材料利用率可達(dá)100%。
基于LMD-W 技術(shù)的增材制造設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，可以經(jīng)濟(jì)高效的集成到企業(yè)的現(xiàn)有生產(chǎn)線中。其激光打印頭適用于常見(jiàn)的激光光學(xué)系統(tǒng)，因此不需要復(fù)雜的定制光束引導(dǎo)系統(tǒng)。內(nèi)置傳感器可以檢測(cè)到運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的典型錯(cuò)誤，因此這些錯(cuò)誤能夠在加工過(guò)程中得到分析，設(shè)備的控制系統(tǒng)針對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行補(bǔ)償。
LMD-W 設(shè)備采用橫向送絲方式，金屬絲與光軸成20度角。打印絲材包括多種鋼，以及鎳基和鈦基合金絲材。Fraunhofer 正在研究幾種其他合金絲材的適用性。
3D科學(xué)谷了解到，LMD-W 技術(shù)所使用的金屬絲材為市場(chǎng)上廣泛可用的絲材，填充焊絲、實(shí)芯焊絲和專用于激光沉積的絲材都可應(yīng)用于該技術(shù)，這將降低制造成本。
LMD-W 技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用包括：
刀具維護(hù) - 在制造中，刀具會(huì)受到磨損、粘附，并承受可能導(dǎo)致?lián)p壞的應(yīng)力。
展開(kāi) 激光沖擊成形分析
激光沖擊成形數(shù)值模擬
激光焊接在熱成形門環(huán)中的應(yīng)用
3.2 降本方案研究
減少激光焊接費(fèi)（包含去除鍍層費(fèi)用）可以降低門環(huán)的成本，其方案有兩種：
一是使用沒(méi)有鍍層的熱成形材料，即裸板。由于裸板不需要在激光焊接前除去鍍層，可以減少大量的成本。但是裸板不具備防腐能力，需要設(shè)計(jì)電泳方案解決防腐問(wèn)題，而且由于零件尺寸大難以控制拋丸變形，所以目前還沒(méi)有量產(chǎn)應(yīng)用。
二是減少焊縫的長(zhǎng)度，實(shí)際上就是合理布置焊縫位置，減少焊縫的數(shù)量。謳歌MDX最早采用2道焊縫，到克萊斯勒Pacifica采用了5道焊縫。
【技術(shù)熱點(diǎn)】三維五軸激光在熱沖壓成形應(yīng)用上的工藝提升
注：本公眾號(hào)文章來(lái)源自通快集團(tuán)，由熱成形產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟翻譯。如果您對(duì)我們的翻譯服務(wù)有任何疑問(wèn)或需要幫助，歡迎您隨時(shí)聯(lián)系我們。
END
激光選區(qū)熔化成形過(guò)程中搭接率及掃描速度對(duì)溫度場(chǎng)的影響
搭接率、掃描速度、溫度場(chǎng)
選區(qū)激光熔化成形技術(shù)（SelectiveLaser Melting，簡(jiǎn)稱SLM）是近十幾年才發(fā)展起來(lái)的新型快速成形（RapidPrototyping）技術(shù)。該技術(shù)能直接制造形狀復(fù)雜、機(jī)械性能良好、高精度、致密度近100%的金屬零件，無(wú)需或僅需簡(jiǎn)單后處理（如噴砂、拋光等）即可直接投入實(shí)際使用。
SLM成形過(guò)程中溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬
計(jì)算模型的尺寸為2.4×1.2×2.62mm3，成形區(qū)的尺寸為1.8×0.6×0.12mm3，共六層，層厚為0.02mm，其掃描方式為隔層交替掃描，相位角為 90°，如圖1 所示。SLM技術(shù)是一種預(yù)鋪粉的快速成形技術(shù)，必須考慮到粉末對(duì)已成形區(qū)的導(dǎo)熱作用和自身被預(yù)熱過(guò)程。在本模型中成形層周圍的粉末寬度取為0.3mm，由于粉末的熱導(dǎo)率很低，這個(gè)寬度已經(jīng)能較好反映粉床對(duì)成形區(qū)溫度的影響。為了更準(zhǔn)確的分析激光加工過(guò)程中熱擴(kuò)散行為，模型基底的尺寸相對(duì)比較大為2.4×1.2×2.62mm3。成形層與粉床的單元尺寸為0.05×0.05×0.02mm3，遠(yuǎn)離成形層的網(wǎng)格的劃分相對(duì)粗糙些，這即保證了足夠的計(jì)算精度，同時(shí)也避免了計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。
展開(kāi) 光學(xué)技術(shù)深度解析｜詳解選區(qū)激光熔化技術(shù)
（a）激光選區(qū)熔化成形金屬樣件
（b）激光選區(qū)熔化成形高溫合金零件
圖3 激光選區(qū)熔化成形技術(shù)制造的零件
激光選區(qū)熔化成形技術(shù)通常采用粒徑30μm左右的超細(xì)粉末為原材料，圖4為激光選區(qū)熔化成形技術(shù)制造鈦合金零件所使用的TC4超細(xì)球形粉，通常鋪粉厚度＜100μm（最薄鋪粉厚度可達(dá)20μm），每個(gè)加工層控制的很薄，可達(dá)到30μm。另外該技術(shù)還使用了光斑很小的激光束，可使成形的零件具有很高的尺寸精度（可達(dá)0.1mm）以及優(yōu)異的表面質(zhì)量（粗糙度Ra可達(dá)30~50μm），圖5為選區(qū)激光熔化成形TC4鈦合金表面形貌。
因此該技術(shù)具有精度高、表面質(zhì)量?jī)?yōu)異等特點(diǎn)，制造的零件只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的噴砂或拋光即可直接使用。由于材料及切削加工的節(jié)省，其制造成本可降低20%~40%，生產(chǎn)周期也將縮短80%。
圖4 激光精密成形用TC4超細(xì)粉
圖5 選區(qū)激光熔化成形TC4鈦合金表面形貌
從材料性能角度看，該技術(shù)制造的結(jié)構(gòu)件具有微細(xì)、均勻的快速凝固組織，各項(xiàng)同性，且綜合性能優(yōu)異。表1為激光選區(qū)熔化成形、激光直接沉積成形、鍛造、鑄造TC4鈦合金的力學(xué)性能比較。
表1 激光增材制造鈦合金與鍛造、鑄造鈦合金的力學(xué)性能比較
綜上所述，激光選取熔化工藝突破了傳統(tǒng)的去除加工思路，有效解決了傳統(tǒng)加工工藝不可達(dá)部位的加工問(wèn)題，尤其適合傳統(tǒng)工藝如鍛造、鑄造、焊接等工藝無(wú)法制造的內(nèi)部有異形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件制造。
同時(shí)，由于該技術(shù)成形精度較高，在普通零件應(yīng)用中可保留更多的非加工面，因此可更好地解決難切削材料的加工問(wèn)題。激光選區(qū)熔化成形技術(shù)在鈦合金、鋁合金、高溫合金、結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼等材料上的成功應(yīng)用，已對(duì)航空航天工業(yè)產(chǎn)生了非常重要的影響。
金屬零件激光選區(qū)熔化3D打印裝備與技術(shù)
隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的進(jìn)步，機(jī)械加工行業(yè)不斷發(fā)展。
展開(kāi) 