第9章-其他成型工藝及材料課件

3D打印成型工藝及材料3D打印技術(shù)研究所第9章

其他成型工藝及材料其他成型工藝及材料2電子束熔化成型工藝及材料激光近凈成型工藝及材料3形狀沉積制造工藝及材料120世紀90年代，CarnegieMellon大學(xué)和Stanford大學(xué)聯(lián)合提出了形狀沉積制造（ShapeDepositionManufacturing，SDM）方法。9.1形狀沉積制造工藝及材料9.1.1

概述1.成型原理據(jù)模型表面的曲率，在成型方向上創(chuàng)建自適應(yīng)厚度的組塊。創(chuàng)建的組塊與CAD模型相交，從而獲得包含成型件完整三維信息的切片信息。每層切片根據(jù)自適應(yīng)厚度進行制造。拆除支撐結(jié)構(gòu)后的成型件，由于“臺階”效應(yīng)，沒有產(chǎn)生表面紋理，同時與原始CAD模型的幾何形狀相匹配。9.1形狀沉積制造工藝及材料9.1.2

成型原理及工藝2.成型工藝1、2表示零件的第一層在兩側(cè)沒有底切表面，先沉積材料并加工成型表面；3、4表示在成型的零件表面上沉積支撐材料并加工；5、6表示零件的第二層在兩側(cè)有底切表面，必須先沉積支撐材料并成型后再沉積零件材料；9.1形狀沉積制造工藝及材料9.1.2

成型原理及工藝2.成型工藝7、8表示在成型的支撐材料上面沉積零件材料并加工成型表面；9、10表示零件在右側(cè)有底切表面，必須先沉積支撐材料并成型后再沉積零件材料；11、12表示在成型的支撐材料上面沉積零件材料并加工成型表面；13、14表示沉積零件左側(cè)支撐材料，實際成型過程中可以省略。9.1形狀沉積制造工藝及材料9.1.2

成型原理及工藝2.成型工藝SDM的銑削過程：一般采用3軸或5軸加工中心或一個機械手完成沉積過程中多余材料的去除。在特殊的情況下，還可采用電火花成型表面的方法。9.1形狀沉積制造工藝及材料9.1.2

成型原理及工藝2.成型工藝制造過程：第1~4步先用支撐材料來沉積制造出模具；第5步去除支撐材；第6步鑄造零件并固化；第7~8步去除模具材料，完成精整處理。在最后兩步中可以先去除模具，然后完成精整；但對脆性或脆弱零件，可以先在模具的保護下完成精整后再去除模具材料。9.1形狀沉積制造工藝及材料9.1.2

成型原理及工藝3.工藝特點SDM是一個生產(chǎn)工藝過程，而不是單一的3D打印制造方法。SDM的表面質(zhì)量可以從制造過程中控制。SDM的幾何分層方法靈活。9.1形狀沉積制造工藝及材料9.1.2

成型原理及工藝CarnegieMellon大學(xué)搭建的SDM實驗平臺主要由零件輸送機械手和CNC加工中心、沉積站、噴丸站和清洗站4個工作單元組成。9.1形狀沉積制造工藝及材料9.1.3成型系統(tǒng)Stanford大學(xué)搭建的SDM實驗平臺與采用通用HaasVF-0E型3軸CNC加工中心作為主體，附設(shè)用于沉積的相關(guān)裝置，整個系統(tǒng)由計算機控制。9.1形狀沉積制造工藝及材料9.1.3成型系統(tǒng)9.1形狀沉積制造工藝及材料9.1.4成型材料（1）成型材料9.1形狀沉積制造工藝及材料9.1.4成型材料（a）圖是一種非連續(xù)焊接過程，用于沉積離散的過熱熔化金屬滴，沉積的材料可為不銹鋼或銅等金屬材料；（b）圖是用熱噴涂的方法來沉積高性能的薄層材料（包括金屬、塑料及陶瓷），具有較高的沉積速度；（c）圖用于高速沉積合金鋼材料；（d）圖用于沉積熱塑性材料（如生陶瓷），支撐材料采用可加工的水溶性材料；（e）圖用于沉積熱固性材料（如環(huán)氧樹脂/活化劑混合材料），支撐材料采用蠟，并用熱熔混合系統(tǒng)進行沉積；（f）圖采用噴射的方法沉積水溶性光固化樹脂，支撐材料采用蠟；（g）圖用于沉積蠟材料，既可用于零件的沉積，也可用于支撐材料的沉積，這取決于具體的應(yīng)用領(lǐng)域。9.1形狀沉積制造工藝及材料9.1.4成型材料（2）支撐材料對于任意幾何形狀的支撐材料，有以下要求：支撐材料的沉積不能穿透成型件的沉積層，不能破壞成型件的任何形狀表面。支撐材料與成型材料粘結(jié)性良好，為成型操作和嵌入件提供結(jié)構(gòu)強度。支撐材料必須可加工，以保證成型底部的表面特征。成型材料的沉積不能穿透支撐材料，也不能破壞支撐材料的表面。成型材料必須附著在支撐結(jié)構(gòu)上，以提供成型操作所需的結(jié)構(gòu)強度，并防止由于內(nèi)部應(yīng)力引起的翹曲。完全成型后，支撐材料必須可移動。9.1形狀沉積制造工藝及材料9.1.5成型影響因素液滴溫度必須實現(xiàn)單個液滴與液滴之間的冶金結(jié)合，以及在液滴與基片或底層之間的結(jié)合。擠出速度電弧功率相同時，擠出速度越小，液滴溫度越高；液滴溫度相同時，擠出速度越小，液滴直徑越大。電弧功率當功率達到能完全熔融液滴時，液滴的溫度急劇上升。由于金屬部分汽化，溫度上升到一定時上升速度下降。9.1形狀沉積制造工藝及材料9.1.6典型應(yīng)用功能零件SDM可以直接制造功能零件，為機械裝置的真實性能測試提供方便，且節(jié)省大量時間。9.1形狀沉積制造工藝及材料9.1.6典型應(yīng)用模具快速制造SDM可以采用多種材料的組合來制造模具，以提高模具的工作性能。9.1形狀沉積制造工藝及材料9.1.6典型應(yīng)用預(yù)裝配機構(gòu)的制造利用SDM可以制造出復(fù)雜的預(yù)裝配機構(gòu)，并且不需要任何裝配步驟。9.1形狀沉積制造工藝及材料9.1.6典型應(yīng)用嵌入結(jié)構(gòu)組件的制造該電子裝置外層為封閉的非導(dǎo)電材料殼體，內(nèi)部嵌入電子元件，形成防水的電子結(jié)構(gòu)，用于潛水員潛水探測。9.2電子束熔化成型工藝及材料9.2.1概述2001年瑞典Arcam公司將電子束作為能量源，并申請了國際專利。2003年推出了全球第一臺真正意義上的商業(yè)化EBM設(shè)備EBM-S12。9.2電子束熔化成型工藝及材料9.2.2成型原理及工藝1.成型原理（1）電子束的磁聚焦原理在一個特定的電子槍中，S的長度不變，在電流強度和加速電壓不變的情況下，焦距f的長度不變的，“像距”L長度不變。當電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，電子束的聚焦面為以聚焦線圈中心點為球心的部分球面。在保持恒定聚焦電流的情況下，電子束的聚焦平面相切于成型范圍的中心點，在其它點均高于成型平臺。聚焦在成型平臺以上的電子束在到達成型平臺時，會發(fā)生一定程度的散焦，并且隨著偏轉(zhuǎn)角的增大，散焦程度加劇。9.2電子束熔化成型工藝及材料9.2.2成型原理及工藝1.成型原理（2）電子束聚焦分析當電子束偏離成型平臺的中心點時，電子束到達成型平臺的路徑長度增大。在保持焦距不變時，偏轉(zhuǎn)電子束就會出現(xiàn)散焦的問題。如果根據(jù)電子束的路徑長度相應(yīng)的改變焦距，則可以使得電子束聚焦在設(shè)定點。對電子束偏轉(zhuǎn)散焦進行補償，需要計算出電子束偏轉(zhuǎn)時增加的路徑長度，以及對應(yīng)的聚焦補償電流。9.2電子束熔化成型工藝及材料9.2.2成型原理及工藝2.成型工藝3.工藝特點功率高、功率密度高、利用率高對焦方便掃描速度快可加工材料廣泛成型速度高，運行成本低9.2電子束熔化成型工藝及材料9.2.2

成型原理及工藝EBM主要有送粉、鋪粉、熔化/燒結(jié)等工藝步驟。EBM系統(tǒng)真空室內(nèi)具有鋪送粉機構(gòu)、粉末回收箱及成型平臺。同時，還包括電子槍系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。9.2電子束熔化成型工藝及材料9.2.3成型系統(tǒng)（1）電子槍系統(tǒng)電子槍電子槍是加速電子的一種裝置，能發(fā)射出具有一定能量、一定束流以及速度和角度的電子束。柵極柵極是由金屬細絲組成的篩網(wǎng)狀或螺旋狀電極。聚束線圈偏轉(zhuǎn)線圈9.2電子束熔化成型工藝及材料9.2.3成型系統(tǒng)（2）真空系統(tǒng)EBM整個加工過程是在真空環(huán)境下進行的。在加工過程中，成型艙內(nèi)保持在~1e-5mBar的真空度，良好的真空環(huán)境保護了合金穩(wěn)定的化學(xué)成分，并避免了合金在高溫下氧化。真空系統(tǒng)主要由密封的箱體及真空泵組成，在EBM設(shè)備中，為了實時觀察成型效果，在真空室上還需要留有觀察窗口。9.2電子束熔化成型工藝及材料9.2.3成型系統(tǒng)（3）控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)主要包括掃描控制系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、電源控制系統(tǒng)、真空控制系統(tǒng)和溫度檢測系統(tǒng)等。電機控制通常采用運動控制卡實現(xiàn)；電源控制主要采用控制電壓和電流的大小來控制束流能量的大??；溫度控制采用A/D信號轉(zhuǎn)換單元實現(xiàn)，通過設(shè)定溫度值和反饋溫度值調(diào)節(jié)加熱系統(tǒng)的電流或電壓。9.2電子束熔化成型工藝及材料9.2.3成型系統(tǒng)（4）軟件系統(tǒng)EBM設(shè)備要專用軟件系統(tǒng)實現(xiàn)CAD模型處理（糾錯、切片、路徑生成、支撐結(jié)構(gòu)等）、運動控制（電機）、溫度控制（基底預(yù)熱）、反饋信號處理（如氧含量、壓力等）等功能。9.2電子束熔化成型工藝及材料9.2.3成型系統(tǒng)（1）TC4鈦合金（2）Co-Cr-Mo合金（3）TiAl金屬間化合物（4）鎳基高溫合金9.2電子束熔化成型工藝及材料9.2.4成型材料“吹粉”現(xiàn)象指金屬粉末在成型熔化前即已偏離原來位置的現(xiàn)象。球化現(xiàn)象指金屬粉末熔化后未能均勻地鋪展，而是形成大量隔離的金屬球的現(xiàn)象。變形與開裂表面粗糙度氣孔與熔化不良9.2電子束熔化成型工藝及材料9.2.5成型影響因素9.2電子束熔化成型工藝及材料9.2.6典型應(yīng)用航空航天領(lǐng)域MoscowMachine–BuildingEnterprise采用EBM技術(shù)制造的火箭汽輪機壓縮機承重體，尺寸為Φ267×73mm，重量為3.5kg，制造時間僅為30h。意大利Avio公司采用EBM技術(shù)制備的航空發(fā)動機低壓渦輪采用TiAl葉片，該零件尺寸為8mm×12mm×325mm，重量為0.5kg。9.2電子束熔化成型工藝及材料9.2.6典型應(yīng)用生物醫(yī)療領(lǐng)域目前EBM制備金屬多孔材料最為典型的應(yīng)用主要集中在生物植入體方面。9.2電子束熔化成型工藝及材料9.2.6典型應(yīng)用其他領(lǐng)域EBM技術(shù)在過濾分離、高校換熱、減震降噪等領(lǐng)域同樣具有廣泛的應(yīng)用前景。9.3激光近凈成型工藝及材料9.3.1概述1992年左右，美國軍方解密以合金粉末為原料的激光直接加工成型的概念。美國Sandia國家實驗室與美國聯(lián)合技術(shù)公司（UTC）于1996年聯(lián)合提出了LENS的思想，并于2000年獲得了相關(guān)專利。在美國能源部研究計劃支持下，Sandia國家實驗室及LosAlomos國家實驗室率先發(fā)展了LENS技術(shù)。同年，Optomec公司成功推出了商業(yè)化的激光近凈成型系統(tǒng)。9.3激光近凈成型工藝及材料9.3.2成型原理及工藝1.成型原理（1）熔池的傳熱與傳質(zhì)激光作用下的傳熱采用能量呈高斯分布和均勻?qū)ΨQ分布的激光束輻照材料表面時，溫度場沿Y軸是對稱分布的。由于光束的移動，溫度場的最高溫度并不在正中心，而是在相對于光束掃描方向略偏后的位置，并且隨著掃描速度的增加后移動量加大。熔池內(nèi)溫度沿深度方向Z軸的分布是不均勻的，在熔池輻照表面熔化時間最長，溫度最高；在熔池底部液固界面附近，溫度低，同時也只是瞬時熔化。9.3激光近凈成型工藝及材料9.3.2成型原理及工藝1.成型原理（1）熔池的傳熱與傳質(zhì)激光作用下的傳質(zhì)由于激光作用使熔體處于高溫和熔體表面張力梯度效應(yīng)，使激光作用下的液相傳質(zhì)具有對流傳質(zhì)和蒸發(fā)傳質(zhì)的復(fù)合特性。9.3激光近凈成型工藝及材料9.3.2成型原理及工藝1.成型原理（1）熔池的傳熱與傳質(zhì)激光作用下的傳質(zhì)①面張力流的形成與對流傳質(zhì)在激光作用下，熔體中從內(nèi)到外都存在溫度梯度，加上激光作用下溶質(zhì)元素的選擇性蒸發(fā)和與溫度梯度相適應(yīng)溶質(zhì)元素的化學(xué)位梯度所形成的濃度梯度，二者綜合作用使液體形成如圖所示的表面張力梯度及由它決定的液流方向。9.3激光近凈成型工藝及材料9.3.2成型原理及工藝1.成型原理（1）熔池的傳熱與傳質(zhì)激光作用下的傳質(zhì)②表面蒸發(fā)傳質(zhì)激光作用于熔體或其他液體表面時，所產(chǎn)生的高溫和激光對物質(zhì)原子或分子的激發(fā)作用會有相當快的蒸發(fā)。如果激光的波長正好是溶質(zhì)原子的強吸收峰，還將出現(xiàn)選擇性的優(yōu)先蒸發(fā)。表面蒸發(fā)傳質(zhì)包括表面汽化和溶質(zhì)原子在表層內(nèi)部擴散到最表層兩個重要環(huán)節(jié)。表層內(nèi)的擴散是在紊流條件下進行的。9.3激光近凈成型工藝及材料9.3.2成型原理及工藝1.成型原理（2）熔池的凝固與成長隨著激光束的連續(xù)掃描，在熔池中金屬的熔化和凝固過程是同時進行的，在熔池的前半部分，固態(tài)金屬粉末連續(xù)不斷地進入熔池形成熔體，進行著熔化過程。而在熔池的后半部分，液態(tài)金屬不斷地脫離熔池形成固體，進行著凝固過程。9.3激光近凈成型工藝及材料9.3.2成型原理及工藝1.成型原理（3）激光束焦點位置加工平面與激光束焦平面之間的距離稱為離焦量。離焦有3種形式：焦點位置（零離焦）、負離焦和正離焦。焦平面位于加工面下方時是負離焦，反之是正離焦。9.3激光近凈成型工藝及材料9.3.2成型原理及工藝2.成型工藝3.工藝特點制造過程柔性化程度高產(chǎn)品研制周期短，加工速度快技術(shù)集成度高有很高的力學(xué)性能和化學(xué)性能能實現(xiàn)多種材料以任意方式組合的零件成型應(yīng)用范圍廣9.3激光近凈成型工藝及材料9.3.2

成型原理及工藝LENS系統(tǒng)主要由數(shù)控系統(tǒng)、激光系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)和氣氛控制系統(tǒng)等組成。9.3激光近凈成型工藝及材料9.3.3成型系統(tǒng)（1）數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)控制零件成型全部過程，對系統(tǒng)中各部件（包括激光器光閘、校正光開關(guān)、保護器氣閥、鋪粉電機、活塞電機以及X-Y工作臺電機等等）進行統(tǒng)一指令下的有序控制，完成金屬零件的加工過程。（2）激光系統(tǒng)激光系統(tǒng)由激光器及其輔助設(shè)施，如氣體循環(huán)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、充排氣系統(tǒng)等組成。高功率激光器作為LENS的核心部分，其性能將直接影響成型的效果。目前最為常用的主要是CO2激光器、YAG激光器和光纖激光器等。9.3激光近凈成型工藝及材料9.3.3成型系統(tǒng)（3）送粉系統(tǒng)送粉系統(tǒng)包括送粉器、粉末傳輸通道和噴嘴三部分。送粉器的送粉原理通常有重力送粉、氣動送粉和機械送粉等。9.3激光近凈成型工藝及材料9.3.3成型系統(tǒng)（3）氣氛控制系統(tǒng)氣氛控制系統(tǒng)即能控制成型過程中環(huán)境氣氛的裝置，是為了防止金屬粉末在激光加工過程中發(fā)生氧化，降低沉積層的表面張力，提高層與層之間的浸潤性，同時有利于提高工作安全。9.3激光近凈成型工藝及材料9.3.3成型系統(tǒng)（1）基板材料一般多采用金屬基板，其選擇原則：潤濕性良好基板與成型材料之間應(yīng)形成良好的潤濕性，否則連接不可靠；結(jié)合界面無劇烈反應(yīng)劇烈的反應(yīng)會極大削弱兩者的結(jié)合穩(wěn)定性；熱膨脹系數(shù)相近，避免過多的相互作用力9.3激光近凈成型工藝及材料9.3.4成型材料（2）成型材料自熔性合金粉末陶瓷粉末復(fù)合材料粉末稀土及其氧化物粉末9.3激光近凈成型工藝及材料9.3.4成型材料體積收縮率過大由于金屬粉末的密度即使在高溫壓實的狀態(tài)下仍然比較低，而燒結(jié)后密度將增加，從而造成在相同質(zhì)量條件下體積的收縮。粉末爆炸迸飛粉末爆炸迸飛是指在高功率脈沖激光的作用下，粉末溫度由常溫驟增至其熔點之上而引起其急劇熱膨脹致使周圍粉末飛濺流失的現(xiàn)象。9.3激光近凈成型工藝及材料9.3.5成型影響因素加工表面質(zhì)量①光斑重合率脈沖激光光斑重合率是指相鄰兩個脈沖光斑或相鄰兩條掃描線間的重合程度。當兩個相鄰光斑完全重合時，重合率為100%；相切時為0；相交時則在0~100%之間。9.3激光近凈成型工藝及材料9.3.5成型影響因