3D打印增材制造技術(shù) 課件 第5、6章 粉末床熔融增材制造技術(shù)、定向能量沉積增材制造技術(shù)

第五章粉末床熔融增材制造技術(shù)高等學(xué)校動畫與數(shù)字媒體專業(yè)『全媒體』創(chuàng)意創(chuàng)新系列教材設(shè)計造型基礎(chǔ)01選擇性激光燒結(jié)技術(shù)PARTONE選擇性激光燒結(jié)(SelectiveLaserSintering，SLS)技術(shù)是一種利用激光有選擇地?zé)Y(jié)粉末形成三維結(jié)構(gòu)的技術(shù)手段，最初是由美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校研究生CRDechard提出，并于1989年獲得了第一個專利(US4863538B)，在此專利的基礎(chǔ)上，美國DTM公司(現(xiàn)已并入美國3DSystems公司)推出Interstation2000系列商品化選擇性激光燒結(jié)成型機。目前，SLS技術(shù)已經(jīng)解決了傳統(tǒng)加工方法中的許多難題，并在汽車、造船、醫(yī)療、航空等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，對人們的生活生產(chǎn)方式產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。SLS技術(shù)是一種以激光為熱源燒結(jié)粉末材料成型的快速成型技術(shù)。從理論上來說，任何受熱后能夠黏結(jié)的粉末均可作為SLS技術(shù)燒結(jié)的原料，包括高分子、陶瓷、金屬粉末和它們的復(fù)合粉末。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)基本原理1SLS技術(shù)采用的是材料的離散和堆積的原理，以固體粉末材料直接成型三維實體零件不受零件形狀復(fù)雜程度的限制，不需要任何的工裝模具和支撐。首先，在計算機中，利用三維實體造型軟件建立要加工零件的三維模型，并用分層切片軟件對模型進(jìn)行處理，得到不同高度上截面的輪廓信息。其次，成型時，先在工作臺上用輥筒鋪一層粉末材料，并將其加熱至略低于它的熔點的溫度。最后，激光束在計算機的控制下，按照截面輪廓的信息，對制件實心部分所在的粉末進(jìn)行掃描，使粉末的溫度升至熔點，熔化粉末顆粒交界處的粉末相互黏結(jié)，逐步形成各層輪廓。在非燒結(jié)區(qū)的粉末仍呈松散狀，作為工件和下一層粉末的支撐。一層成型完成后，工作臺先下降一截面層的高度，再進(jìn)行下一層的鋪料和燒結(jié)，如此循環(huán)，最終完成三維工件。圖5-1所示為SLS技術(shù)的工藝原理圖。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)高分子粉末材料SLS技術(shù)21.燒結(jié)原料高分子粉末材料由于所需燒結(jié)能量小、燒結(jié)工藝簡單、模型質(zhì)量好，已成為廣泛應(yīng)用的SLS成型的原材料。SLS術(shù)所用高分子粉末材料應(yīng)具有粉末結(jié)塊溫度低、收縮小、內(nèi)應(yīng)力小、強度高、流動性好等特點。高分子粉末材料最早在SLS技術(shù)中得到應(yīng)用，也是目前應(yīng)用最多、最成功的SLS材料目前，已用于SLS技術(shù)的高分子粉末材料主要是熱塑性高分子及其復(fù)合材料，熱塑性高分子又可分為非結(jié)晶性和結(jié)晶性兩種，其中非結(jié)晶性高分子包括聚碳酸酷(PC)、聚烯(PS).高抗沖聚乙烯(HIPS)等，結(jié)晶性高分子有尼龍(PA)聚丙烯(PP)高密度聚乙烯(HDPE)聚瞇酥酮(PEEK)等。目前，常見的高分子粉末材料有聚苯乙烯(PS)、尼龍(PA)、尼龍與玻璃微球的混合物聚碳酸(PC)、聚丙烯(PP)蠟粉等。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)高分子粉末材料SLS技術(shù)21.燒結(jié)原料熱塑性聚合物黏結(jié)劑材料有兩類，一類是無定型，另一類是結(jié)晶型。無定型材料分子鏈上分子的排列是無序的,如PC材料;結(jié)晶型材料分子鏈上分子的排列是有序的，如尼龍(PA)材料。用于SLS技術(shù)的高分子粉末材料一般由高分子基體材料、抗氧劑、光吸收劑、分散劑無機填料等組成，其中高分子基體材料是影響SLS制件性能的關(guān)鍵因素，其他助劑的添加可以使高分子粉末材料更符合燒結(jié)要求、調(diào)節(jié)燒結(jié)加工性能等，保證燒結(jié)件的質(zhì)量與燒結(jié)過程的順利進(jìn)行。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)高分子粉末材料SLS技術(shù)22.工藝過程高分子粉末材料激光燒結(jié)快速成型制造工藝過程同樣分為前處理、粉層激光燒結(jié)疊加及后處理過程三個階段。(1)前處理

前處理階段主要完成模型的三維CAD造型，并經(jīng)STL數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后輸入粉末激光燒結(jié)快速成型系統(tǒng)中。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)高分子粉末材料SLS技術(shù)22.工藝過程(2)粉層激光燒結(jié)疊加首先，在制作過程中，為確保制件燒結(jié)質(zhì)量，減少翹曲變形，應(yīng)根據(jù)截面變化相應(yīng)地調(diào)整粉料預(yù)熱的溫度。對于聚苯乙烯高分子粉末材料，成型空間一般需要預(yù)熱到100C左右。在預(yù)熱階段，根據(jù)模型結(jié)構(gòu)的特點進(jìn)行制作方位的確定，當(dāng)擺放方位確定后，將狀態(tài)設(shè)置為加工狀態(tài)。然后設(shè)定建造工藝參數(shù)，如層厚、激光掃描速度和掃描方式、激光功率、燒結(jié)間距等當(dāng)成型區(qū)域的溫度達(dá)到預(yù)定值時，便可以啟動制作了。所有疊層自動燒結(jié)疊加完畢后，需要將模型在成型缸中緩慢冷卻至40C以下，取出模型并進(jìn)行后處理。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)高分子粉末材料SLS技術(shù)22.工藝過程(3)后處理激光燒結(jié)后的聚苯乙烯成型件，強度很弱，需要根據(jù)使用要求進(jìn)行滲蠟或滲樹脂等操作進(jìn)行補強處理。燒結(jié)成型件經(jīng)不同的后處理工藝具有以下功能：

①結(jié)合滲樹脂工藝，進(jìn)一步提高其強度，可作為成型件及功能零件。②經(jīng)滲蠟后處理，可作為精鑄蠟?zāi)Ｊ褂?，通過熔模精密鑄造，生產(chǎn)金屬鑄件。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)陶瓷粉末材料SLS技術(shù)31.燒結(jié)原料陶瓷粉末材料由于其具有加工溫度高、制件硬度大等優(yōu)點，可用于制作耐高溫的特種功能件。但是陶瓷粉末材料由于燒結(jié)溫度高，導(dǎo)熱性能差，在激光束作用的極短時間內(nèi)不能實現(xiàn)粉末間的熔融黏結(jié)，因此只能通過將陶瓷粉末和黏結(jié)劑混合后再燒結(jié)來制備陶瓷基功能件。目前，常用的陶瓷粉末材料主要有四類:直接混合黏結(jié)劑的陶瓷粉末、表面覆膜的陶瓷粉末、表面改性的陶瓷粉末、樹脂砂。

常用的黏結(jié)劑有無機黏結(jié)劑、有機黏結(jié)劑和金屬黏結(jié)劑。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)陶瓷粉末材料SLS技術(shù)32.工藝過程1)燒結(jié)成型陶瓷粉末(或混合體粉末)經(jīng)過選擇性激光燒結(jié)后只形成了模型或零件的壞體，這種壞體還需要進(jìn)行后處理以進(jìn)一步提高其力學(xué)性能和熱學(xué)性能。2)靜置

金屬或陶瓷粉末等經(jīng)過激光燒結(jié)后，應(yīng)靜置5~10h。3)取出模型

待模型壞體緩慢冷卻后，用刷子刷去表面粉末露出加工部件，其余殘留的粉末可用壓縮空氣除去。常使用的工具是鐵刀和砂紙，一般手工完成。某些情況下金屬模型件也使用打磨機、砂輪機、噴砂機等設(shè)備。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)陶瓷粉末材料SLS技術(shù)34）高溫?zé)Y(jié)、熱等靜壓后處理、熔浸、浸漬(1)高溫?zé)Y(jié)。金屬和陶瓷坯體均可用高溫?zé)Y(jié)的方法進(jìn)行處理。經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后，坯體內(nèi)部孔隙減少，密度、強度增加，其他性能也得到改善。高溫?zé)Y(jié)后由于內(nèi)部孔隙減少會導(dǎo)致體積收縮，影響制件的尺寸精度。同時，在高溫?zé)Y(jié)后處理中，要盡量保持爐內(nèi)溫度梯度均勻分布。如果爐內(nèi)溫度梯度分布不均勻，那么可能造成制件各個方向的收縮率不一致，使制件翹曲變形，在應(yīng)力集中點還會使制件產(chǎn)生裂紋和分層。2.工藝過程5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)陶瓷粉末材料SLS技術(shù)3(2)熱等靜壓后處理熱等靜壓后處理工藝是通過流體介質(zhì)將高溫和高壓同時均勻地作用于還體表面，消除其內(nèi)部氣孔，提高密度和強度，并改善其他性能。熱等靜壓后處理可使制件非常致密，這是其他后處理方法難以實現(xiàn)的，但制件的收縮率也較大。2.工藝過程4）高溫?zé)Y(jié)、熱等靜壓后處理、熔浸、浸漬5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)陶瓷粉末材料SLS技術(shù)3(3)熔浸熔浸是將金屬或陶瓷制件與另一種低熔點的液體金屬接觸或浸埋在液態(tài)金屬內(nèi)，讓金屬填充制件內(nèi)部的孔隙，冷卻后得到致密的零件。熔浸過程依靠金屬液在毛細(xì)力作用下濕潤零件，液態(tài)金屬沿著顆粒間孔隙流動，直到完全填充孔隙為止。為獲得足夠的強度(或密度)，又希望收縮和變形很小，可采用熔浸的方法對選擇性激光燒結(jié)的壞體進(jìn)行后處理。2.工藝過程4）高溫?zé)Y(jié)、熱等靜壓后處理、熔浸、浸漬5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)陶瓷粉末材料SLS技術(shù)3(4)浸漬浸潰和熔浸的特點相似，所不同的是浸漬是將液態(tài)非金屬物質(zhì)浸入多孔的選擇性激光燒結(jié)壞體的孔隙內(nèi)。浸漬和熔浸相同的是，經(jīng)過浸潰處理的制件尺寸變化很小。在后處理中，要控制浸漬后壞體零件的于燥過程。干燥過程中的溫度、濕度、氣流等對干燥后壞體的質(zhì)量有很大的影響。干燥過程控制不好，會導(dǎo)致壞體開裂，嚴(yán)重影響零件的質(zhì)量。2.工藝過程4）高溫?zé)Y(jié)、熱等靜壓后處理、熔浸、浸漬5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)陶瓷粉末材料SLS技術(shù)3(5)熱處理熔浸過后模型的密度、強度得到進(jìn)一步加強。但是針對金屬成型件，需根據(jù)使用目的進(jìn)行相應(yīng)的熱加工處理，以進(jìn)一步提高成型件的力學(xué)性能。(6)拋光、涂覆

對于完成以上處理步驟的成型件，還需要考慮其長久保存和使用目的等問題，如對成型件進(jìn)行拋光和涂覆，使最后的模具可兼具防水、防腐、堅固、美觀、不易變形等特點。2.工藝過程4）高溫?zé)Y(jié)、熱等靜壓后處理、熔浸、浸漬5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)金屬粉末SLS技術(shù)4用SLS技術(shù)制造金屬功能件的方法有直接法和間接法。直接法就是直接燒結(jié)單一金屬粉末或金屬合金粉末，將兩種或多種熔點相差明顯的金屬粉末混合成金屬合金粉末。SLS直接金屬粉末成型即直接金屬粉末激光燒結(jié)，SLS直接金屬粉末成型技術(shù)所使用的金屬粉末中不含任何有機黏結(jié)劑。其中，高熔點成分稱為結(jié)構(gòu)材料，成型過程中低熔點成分首先熔化并作為黏結(jié)劑得到金屬功能件。間接法速度較快，精度較高，技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛。下面將以間接法為例說明SLS技術(shù)。1.燒結(jié)原料由于聚合物軟化溫度較低、熱塑性較好及黏度低，故采用包覆制作工藝，將聚合物包覆在金屬粉末表面，或者將其與金屬粉末材料以某種形式混在一起。在用SLS技術(shù)成型時，聚合物受激光加熱而成為熔融態(tài)，流入金屬粉粒間，將金屬粉末黏結(jié)在一起而成型。在成型的壞件中，既有金屬成分，又有聚合物成分。壞件還需要進(jìn)行熱降解、二次燒結(jié)和滲金屬后處理，才能成為純金屬件。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)金屬粉末SLS技術(shù)42.成型材料(1)結(jié)構(gòu)材料是金屬，主要是不銹鋼和鎳粉。(2)聚合物主要是熱塑性材料。熱塑性聚合物材料有兩類，一類是無定型材料，另一類是結(jié)晶型材料。無定型材料分子鏈上的分子排列是無序的，如PC材料，結(jié)晶型材料分子鏈上的分子排列是有序的，如尼龍(PA)材料。這兩種熱塑性聚合物都可以用作SLS材料中的黏結(jié)劑。(3)聚合物在成型材料中主要以兩種形式存在，一種是聚合物粉末與金屬粉末的機械混合物，另一種是聚合物均勻地覆蓋在金屬粉粒的表面。將聚合物覆蓋在金屬粉末表面的方法有多種，如可將熱塑性材料制成溶液，稀釋后與粉末混合、攪拌、干燥;還可將聚合物加熱熔化，以霧狀噴出，覆蓋在粉粒表面。在聚合物和金屬粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的情況下，覆層粉末燒結(jié)后的強度要高于機械混合的材料。目前，應(yīng)用最多的成型材料主要是覆層金屬粉末。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)金屬粉末SLS技術(shù)43.工藝過程1)光燒結(jié)激光燒結(jié)的工藝參數(shù):激光功率、掃描速度、掃描間距、粉末預(yù)熱溫度。2)降解聚合物降解加熱在兩個不同溫度的保溫階段完成，先將坯件加熱到350C，保溫5h，然后升溫到450C，保溫4h。在這兩個溫度段，聚合物都會發(fā)生分解，其產(chǎn)物是多種氣體，通過加熱爐上的抽風(fēng)系統(tǒng)將其去除。保護氣氛為30%的氫氣、70%的氮氣。通過降解，98%以上的聚合物被去除。3)二次燒結(jié)當(dāng)聚合物大部分被降解后，金屬粉粒間只靠殘余的一點聚合物和金屬粉末間的摩擦力來保持，這個力是很小的。要保持形狀，必須在金屬粉粒間建立新的聯(lián)系，這就是將壞件加熱到更高溫度，通過擴散來建立聯(lián)結(jié)。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)金屬粉末SLS技術(shù)43.工藝過程4)滲金屬二次燒結(jié)后的成型件是多孔體，強度也不高，提高強度的方法就是滲金屬。熔點較低的金屬熔化后，在毛細(xì)力或重力的作用下，通過成型件內(nèi)相互連通的孔洞，填滿成型件內(nèi)的所有空隙，使成型件成為密實的金屬件。滲金屬在可控氣氛或真空中進(jìn)行。在可控氣氛中，必須使?jié)B入金屬單向流動，這樣可讓連通孔隙中的空氣離開成型件，如多方向滲入，會將成型件中的氣體封在體內(nèi)，形成氣孔而削弱強度。如果將成型件置于真空室內(nèi)滲金屬，由于成型件內(nèi)沒有空氣存在，那么可將成型件浸入液態(tài)金屬中，金屬液體從四周同時滲入，滲入速度快，時間短。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)金屬粉末SLS技術(shù)44.工藝特點4)滲金屬用SLS系統(tǒng)間接成型金屬件，其成型速度較快，可制造形狀復(fù)雜的金屬件，主要用來快速制造注塑模和壓鑄模。間接法制造金屬件的缺點是制件的精度有限，由于在降解和二次燒結(jié)過程之中存在體積收縮問題，補償?shù)淖饔糜邢蓿筇幚頃r間比較長。請?zhí)鎿Q文字內(nèi)容。修改文字內(nèi)容，也可以直接復(fù)制你的內(nèi)容到此?？刹扇〉拇胧?改進(jìn)黏結(jié)劑，滲入非金屬材料，取消降解和二次燒結(jié)過程，使壞件不被加熱，這樣的成型件具有高的精度，制造周期短，成本低，可滿足使用壽命短的模具要求。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)成型工藝及分析5在利用SLS技術(shù)制造成型件的過程中，容易影響成型件精度的因素有很多，如SLS設(shè)備精度誤差、CAD模型切片誤差、掃描方式、粉末顆粒、環(huán)境溫度、激光功率、掃描速度、掃描間距、單層層厚等。其中，燒結(jié)工藝參數(shù)對精度和強度的影響是很大的。后續(xù)處理(焙燒)時產(chǎn)生的收縮和變形也會影響陶瓷制件的精度。1.激光器的選擇目前用于固態(tài)粉末燒結(jié)的激光器主要有兩種:CO激光器和Nd:YAG激光器。CO激光器的波長為10.6um，Nd:YAG激光器的波長為1.06um。對于陶瓷、金屬和塑料三種主要的固態(tài)粉末來說，選用何種激光器取決于固態(tài)粉末材料對激光束的吸收情況。(1)金屬粉末燒結(jié)選用Nd:YAG激光器，而不選用CO激光器，因為金屬粉末對CO激光器發(fā)出的激光反射率比Nd:YAG激光器所發(fā)出的激光的反射率大得多。(2)陶瓷粉末的燒結(jié)也選用Nd:YAG激光器。(3)塑料粉末如聚碳酸的燒結(jié)可用CO激光器，因為聚碳酸在5.0~11.0m波長范圍內(nèi)有很高吸收率。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)成型工藝及分析52.預(yù)熱對粉末材料進(jìn)行預(yù)熱，可以減小粉末因燒結(jié)成型時受熱在工件內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，防止其產(chǎn)生翹曲和變形，提高成型精度。3.激光功率密度和掃描速度激光功率密度由激光功率和光斑大小決定。在固態(tài)粉末選擇性激光燒結(jié)中，激光功率密度和掃描速度決定了激光能對粉末加熱的溫度和時間。不合適的激光功率密度和掃描速度會使零件內(nèi)部組織和性能不均勻，影響零件質(zhì)量。(1)當(dāng)激光功率小而掃描速度快時，粉末加熱溫度低、時間短，燒結(jié)深度小。(2)當(dāng)激光功率大而掃描速度慢時，聚碳酸醋能發(fā)生氣化、消融，燒結(jié)深度也減小。激光功率和掃描速度的適當(dāng)配合，可使燒結(jié)深度達(dá)到最大值。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)成型工藝及分析54.激光束掃描間距激光掃描間距是指相鄰兩激光掃描行之間的距離，它對形成較好的層面質(zhì)量與層間結(jié)合及提高燒結(jié)效率均有直接影響。合理的掃描間隔應(yīng)保證燒結(jié)線間、層面間有適當(dāng)重疊。5.1選擇性激光燒結(jié)技術(shù)成型工藝及分析55.激光掃描方式的影響1)平行掃描圖5-2所示為平行掃描，是一種常見的掃描方式，它要么是平行長邊掃描，要么是平行短邊掃描。但常用的掃描路徑有很大缺陷，模型尺寸有多大，同一方向的掃描線就得有多長這不利于掃描過程中制件沿掃描方向的自由收縮。實踐證明，沿掃描方向的殘余應(yīng)力最大.2)分型掃描分型結(jié)構(gòu)是一種具有自相似性的圖形，可以采用幾級圖形作為掃描路徑。圖5-3所示為分型掃描，分型掃描的路徑都是短折線，激光束掃描方向不斷改變，使得剛剛燒結(jié)的部分沿掃描方向能夠自由收縮，能有效降低薄層中的殘余拉應(yīng)力，有望提高燒結(jié)件的力學(xué)強度。02激光選區(qū)熔化技術(shù)PARTTWO5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)1基本原理及工藝特點激光選區(qū)熔化(SelectiveLaserMelting，SLM)技術(shù)，顧名思義也就是在加工的過程中用激光使粉體完全熔化，不需要黏結(jié)劑，成型的精度和力學(xué)性能都比SLS技術(shù)要好。1基本原理SLM技術(shù)的工藝原理圖如圖5-4所示，成型時先由鋪粉工具在工作臺面上鋪上一層金屬粉末材料，激光束在計算機的控制下，按照截面輪廓的信息，對制件的實心部分所在的粉未進(jìn)行掃描，在高能量密度的激光作用下金屬粉末完全熔化，經(jīng)冷卻凝固與前一層固體金屬發(fā)生焊合成型，原理類似于激光焊。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)1基本原理及工藝特點2.工藝特點(1)由于激光器功率和掃描振鏡偏轉(zhuǎn)角度的限制，SLM設(shè)備能夠成型的零件尺寸范圍有限。(2)表面粗糙度有待提高，產(chǎn)品需要進(jìn)行二次加工，才能用于后續(xù)的工作。(3)熔化金屬內(nèi)存在應(yīng)力，而且在熔化的過程中穩(wěn)定性較難控制。(4)成型速度較慢，為了提高加工精度，需要用更小的加工層厚。(5)SLM技術(shù)工藝較復(fù)雜，需要加支撐結(jié)構(gòu)，考慮的因素多。因此多用于工業(yè)級的增材制造。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)2成型設(shè)備SLM設(shè)備一般由光路單元、機械單元、控制單元、工藝軟件和保護氣體密封單元幾個部分組成，SLM設(shè)備組成如圖5-所示。光路單元主要包括光纖激光器、擴束鏡、反射鏡、掃描振鏡和聚焦透鏡等。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)2成型設(shè)備1.光纖激光器光纖激光器是SLM設(shè)備中最核心的組成部分，直接決定了整個設(shè)備的成型質(zhì)量。SLM設(shè)備所采用的光纖激光器，具有轉(zhuǎn)換效率高、性能可靠、壽命長、光束模式接近基模等特點，優(yōu)勢明顯。高質(zhì)量的激光束能被聚集成極細(xì)微的光束，并且其輸出波長短。2.擴束鏡擴束鏡的作用是擴大光束直徑，減小光束發(fā)散角，減小能量損耗。3光掃描控制激光束掃描控制是計算機通過控制卡向掃描振鏡發(fā)出控制信號，控制X/Y掃描振鏡運動以實現(xiàn)激光掃描。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)2成型設(shè)備4.設(shè)備掃描控制設(shè)備掃描控制中，包含XY方向、層錯、螺旋、輪廓偏移、分區(qū)等幾種基本掃描方式幾種基本掃描方式可以相互結(jié)合，圖5-6所示為6種基本掃描方式。5.掃描振鏡掃描振鏡由計算機控制的電機驅(qū)動，作用是將激光光斑精確定位在加工面的任一位置通常使用專用平場掃描透鏡來避免出現(xiàn)掃描振鏡單元的畸變，使聚焦光斑在掃描范圍內(nèi)得到致的聚焦特性。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)2成型設(shè)備6.機械單元機械單元主要包括鋪粉裝置、成型缸、粉料缸、成型室密封設(shè)備等。鋪粉質(zhì)量是影響SLM技術(shù)成型質(zhì)量的關(guān)鍵因素，目前SLM設(shè)備中主要有鋪粉刷和鋪粉滾筒兩大類鋪粉裝置。成型缸與粉料缸由電機控制，電機控制的精度也決定了SLM技術(shù)的成型精度。7.控制系統(tǒng)設(shè)備控制系統(tǒng)完成對零件的加工操作。主要包括以下功能：①系統(tǒng)初始化、狀態(tài)信息處理、故障診斷和人機交互功能；②對電機系統(tǒng)進(jìn)行各種控制，提供了對成型活塞、供粉活塞、鋪粉滾筒的運動控制；③對掃描振鏡的控制，設(shè)置掃描振鏡的運動速度和掃描延時等；④設(shè)置自動成型設(shè)備的各種參數(shù)，如調(diào)整激光功率，成型缸、鋪粉缸上升、下降參數(shù)等；⑤提供對成型設(shè)備五個電機的協(xié)調(diào)控制，完成對零件的加工操作。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)3振鏡式激光掃描系統(tǒng)在各類型激光掃描技術(shù)中，振鏡式激光掃描是目前廣泛采用的一種激光掃描方式。它具有高速、高精度、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，但存在光斑焦點不在加工面上的聚焦誤差問題。另外，振鏡式激光掃描存在掃描圖形的線性失真和非線性失真問題，特別是當(dāng)掃描區(qū)域較大時，嚴(yán)重影響了激光掃描的圖形精度及加工質(zhì)量。振鏡式掃描系統(tǒng)采用高速往復(fù)伺服電動機帶動X與Y兩片微小反射鏡片協(xié)調(diào)偏轉(zhuǎn)反射激光束的方式來達(dá)到光斑在整個平面上掃描的目的。其不同于一般機械式掃描系統(tǒng):利用絲桿的傳動帶動掃描頭在二維平面上來回運動完成掃描，由于是機械式的，所以掃描系統(tǒng)的慣性大，掃描響應(yīng)速度慢。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)3振鏡式激光掃描系統(tǒng)1.枕形失真當(dāng)掃描鏡在工作面上掃描一個矩形時，它得到的實際軌跡并非一個標(biāo)準(zhǔn)矩形，而是枕形。圖5-7所示為枕形失真。雙振鏡掃描會引起單軸的枕形誤差，誤差是由映射到平面時不是一一對應(yīng)的線性關(guān)系引起的，是一種原理性誤差。解決枕形失真的方法:由于產(chǎn)生的畸變在X和了兩個方向上不是一致的，所以不能采用常規(guī)透鏡的辦法來矯正,可以通過略變公式軟件來修正理想圖和畸變圖之間的地址映射關(guān)系這種平面坐標(biāo)變換方法能很好地解決這個問題。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)3振鏡式激光掃描系統(tǒng)2.聚焦誤差焦平面:在聚束過程中，激光會形成一個漏斗狀的光路，這時的橫截面就是焦平面，也就是常說的光斑直徑。高精度的掃描場合中，為了獲得較好的掃描效果，需要把工作臺面的光斑半徑控制在一定范圍內(nèi)(范圍因掃描設(shè)備不同而參數(shù)不同)。在掃描范圍內(nèi)的任意位置，都要求激光束能很好地聚焦。那么在振鏡掃描系統(tǒng)中這個更典型的誤差就來自焦平面，在激光通過X/Y振鏡后，焦平面是一個球平面。解決該問題的方法為用F-0透鏡對聚略變進(jìn)行校正，這種方法只適合較小的工作臺面的激光掃描加工，若在較大工作臺面上掃描，則F0鏡尺寸大、成本高，且越靠近邊緣補償效果越差。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)3振鏡式激光掃描系統(tǒng)3.動態(tài)聚焦振鏡掃描系統(tǒng)動態(tài)聚焦技術(shù)是近年來興起的激光掃描聚焦誤差補償技術(shù)，有更有效和更精準(zhǔn)的補償效果，并且支持的視場更大，價格上相對來說也更加昂貴。動態(tài)聚焦振鏡激光掃描系統(tǒng)一般采用上層應(yīng)用軟件和下層驅(qū)動軟件控制。由于采用開環(huán)控制，所以在運動過程中要求實現(xiàn)三軸同步。動態(tài)聚焦振鏡掃描系統(tǒng)主要由激光器、擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)、動態(tài)聚焦系統(tǒng)、XY振鏡掃描系統(tǒng)等幾部分組成。圖5-8所示為動態(tài)聚焦振鏡掃描系統(tǒng)示意圖。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)3振鏡式激光掃描系統(tǒng)3.動態(tài)聚焦振鏡掃描系統(tǒng)驅(qū)動振鏡的伺服電機是由模擬電壓驅(qū)動的。依據(jù)光學(xué)杠桿原理設(shè)計動態(tài)聚焦掃描系統(tǒng)光學(xué)模型，激光束經(jīng)動態(tài)聚焦系統(tǒng)再經(jīng)兩次鏡面反射到達(dá)掃描場。在伺服電機的驅(qū)動下，動態(tài)聚焦鏡在光路方向上做往復(fù)直線運動，實時補償聚焦誤差，從而保證光斑焦點的掃描場與工作場的誤差得到補償。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)4成型工藝及缺陷分析1.SLM成型的工藝流程(1)在工作缸上部安裝金屬基板，控制鋪粉輯與基板的間隙為0.05~0.1m。安裝金屬基板是為了給SLM成型提供一個生長平面并依次逐層堆積形成零件。該基板主要起到兩個作用:第一，避免鋪粉時由于鋪粉輥的摩擦使零件已成型部分發(fā)生位移。第二,給粉末高溫熔化過程提供散熱基底，從而促使熔池快速凝固，避免過燒。(2)密封成型腔體，用真空泵將成型腔內(nèi)抽成真空狀態(tài)。(3)向成型腔內(nèi)輸入保護性氣體;成型腔內(nèi)的氧含量控制在較低水平(越低越好，控制在0.1%以下)。(4)通過送粉系統(tǒng)往金屬基板上送入一定數(shù)量的粉末，并由鋪粉輥鋪平。(5)通過高能激光束熔化切片區(qū)域內(nèi)的金屬粉末。(6)工作缸下降一個切片厚度。(7)重復(fù)以上步驟。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)4成型工藝及缺陷分析2.影響激光選區(qū)熔化成型件質(zhì)量的因素1)率激光功率是SLM技術(shù)中的一個重要影響因素。功率越高，激光作用范圍內(nèi)的能量密度越高，材料熔化越充分，同時成型過程中參與熔化的材料就越多，形成的熔池尺寸也就越大粉末成型固化后易生成凸凹不平的層面，激光功率高到一定程度時，激光作用區(qū)內(nèi)粉末的材料急劇升溫，能量來不及擴散，易造成部分材料甚至不經(jīng)過熔化階段直接氣化，產(chǎn)生金屬蒸氣。2)光斑直徑

光斑直徑是SLM技術(shù)中的另外一個重要影響因素?？偟膩碚f，在滿足成型基本條件的前提下，光斑直徑越小，熔池的尺寸也就可以控制得越小，越易在成型過程中形成致密、精細(xì)、均勻一致的微觀組織。同時，光斑直徑越小，越容易得到精度較好的三維空間結(jié)構(gòu)，但是光斑直徑的減小，預(yù)示著激光作用區(qū)內(nèi)能量密度的提高，光斑直徑過小，易引起上述成型飛濺現(xiàn)象。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)4成型工藝及缺陷分析2.影響激光選區(qū)熔化成型件質(zhì)量的因素3)掃描間隔掃描間隔是SLM技術(shù)中的又一個重要影響因素，它的合理選擇對形成較好的層面質(zhì)量與層間結(jié)合、提高成型效率均有直接影響。同間接工藝一樣，合理的掃描間隔應(yīng)保證成型線間、層面間有適當(dāng)重疊。3.激光選區(qū)熔化過程中會出現(xiàn)的一些缺陷1)球化在SLM成型過程中，由于熔化的金屬表面張力很高，金屬粉末經(jīng)激光熔化后如果不能均勻地鋪展于前一層，而是形成大量彼此隔離的金屬球，那么這種現(xiàn)象稱為SLM過程的球化現(xiàn)象。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)4成型工藝及缺陷分析3.激光選區(qū)熔化過程中會出現(xiàn)的一些缺陷2)孔隙SLM技術(shù)的最終目標(biāo)是制造出高致密的金屬零件，成型過程中產(chǎn)生的孔隙降低了金屬件的力學(xué)性能，嚴(yán)重影響成型零件的實用性。目前國內(nèi)外在SLM孔隙的研究方面主要有以下兩個方向。(1)優(yōu)化工藝以成型出高致密、高性能的金屬零部件。(2)調(diào)整工藝以獲得較多孔隙，并控制孔形、孔徑及孔隙率，制造出多孔金屬零件。成型件的相對密度與熱源體能量密度有關(guān)，鐵基成型件的相對密度與能量密度滿足指數(shù)關(guān)系。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)4成型工藝及缺陷分析3.激光選區(qū)熔化過程中會出現(xiàn)的一些缺陷3)曲變形和外邊凸起缺陷在SLM成型過程中，液態(tài)金屬快速凝固，使得制件層內(nèi)及層間出現(xiàn)了大的溫度梯度，凝固過程形成了大的熱應(yīng)力。冷卻過程中會發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，組織熱膨脹系數(shù)的不同會產(chǎn)生組織應(yīng)力，并且凝固組織還存在殘余應(yīng)力。翹曲變形對成型件精度影響很大，造成很大的尺寸、形位誤差，甚至導(dǎo)致加工無法進(jìn)行或金屬零件的報廢。圖5-9所示為翹曲變形對制件的影響，圖5-9(a)所示為懸結(jié)構(gòu)成型過程中發(fā)生的翹曲變形，圖5-9(b)所示為添加支的懸垂結(jié)構(gòu)成型過程中，支撐因翹曲變形嚴(yán)重被拉斷。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)4成型工藝及缺陷分析3.激光選區(qū)熔化過程中會出現(xiàn)的一些缺陷3)曲變形和外邊凸起缺陷當(dāng)熔道的起點與終點熔寬、熔高變大時，好像一個圍欄將零件的其他區(qū)域圍起來，邊框部分與粉末充分接觸，零件內(nèi)部區(qū)域被粉末填滿后熔化收縮嚴(yán)重。圖5-10所示為SLM成型過程中外框凸起缺陷現(xiàn)象。5.2激光選區(qū)熔化技術(shù)4成型工藝及缺陷分析3.激光選區(qū)熔化過程中會出現(xiàn)的一些缺陷4)微觀組織演變SLM成型是基于激光微區(qū)熔化及增量制造的理念，區(qū)別于鑄、鍛、焊等傳統(tǒng)的加工方法因此，金屬粉末在SLM成型過程中經(jīng)歷了復(fù)雜的熱作用歷程，形成了獨特的微觀組織。金屬材料的微觀組織又決定其性能，因此揭示了SLM成型組織的演變規(guī)律對組織調(diào)控、提升成型件性能具有重要作用。金屬粉末激光熔化成型經(jīng)歷快速熔化一快速凝固過程，溫度梯度非常大，促進(jìn)大量形核并抑制晶粒生長，特別是沿著熱流方向形成了極其細(xì)小的胞狀晶或柱狀晶。

控形與控性，是金屬增材工藝中的兩個重要考察指標(biāo)。產(chǎn)品打印過程中，也必須關(guān)注宏觀控形，包括翹曲變形、部件開裂、刮板碰撞或支撐開裂等問題:微觀控性中，需要關(guān)注孔隙率、相變、球化、顆粒尺寸、一次和二次枝晶結(jié)構(gòu)和初始位錯密度等微觀特性，表征到打印件后續(xù)質(zhì)量即金屬件力學(xué)性能和特性。03電子束選區(qū)熔化技術(shù)PARTTHREE5.3電子束選區(qū)熔化技術(shù)基本原理及特點11.基本原理電子束選區(qū)熔化(ElectronBeamSelectiveMelting，EBSM)技術(shù)是20世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來的一種金屬零件3D打印技術(shù)。EBSM技術(shù)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖5-11所示。首先將所設(shè)計零件的三維圖形按一定的厚度切片分層，得到三維零件的所有二維信息。然后在真空箱內(nèi)以電子束為能量源，電子束在電磁偏轉(zhuǎn)線圈的作用下由計算機控制，根據(jù)零件各層截面的CAD數(shù)據(jù)有選擇地對預(yù)先鋪好在工作臺上的粉末層進(jìn)行掃描熔化，未被熔化的粉末仍呈松散狀，可作為支撐。一層加工完成后，工作臺下降一個層厚的高度，再進(jìn)行下一層鋪粉和熔化同時新熔化層與前一層熔合為一體。首先將所設(shè)計零件的三維圖形按一定的厚度切片分層，得到三維零件的所有二維信息。然后在真空箱內(nèi)以電子束為能量源，電子束在電磁偏轉(zhuǎn)線圈的作用下由計算機控制，根據(jù)零件各層截面的CAD數(shù)據(jù)有選擇地對預(yù)先鋪好在工作臺上的粉末層進(jìn)行掃描熔化，未被熔化的粉末仍呈松散狀，可作為支撐。一層加工完成后，工作臺下降一個層厚的高度，再進(jìn)行下一層鋪粉和熔化同時新熔化層與前一層熔合為一體。重復(fù)上述過程直到零件加工完后從真空箱中取出，用高壓空氣吹出松散粉末，得到二維零件。5.3電子束選區(qū)熔化技術(shù)基本原理及特點12.特點電子束相對于激光的一個重要特點就是控制靈活，可以實現(xiàn)較高響應(yīng)速度的偏轉(zhuǎn)控制，從而可以實現(xiàn)高速地掃描。電子束通過磁場進(jìn)行偏轉(zhuǎn)控制，磁場可以改變電子運動的方向而不改變其能量。這種技術(shù)可以成型出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能優(yōu)良的金屬零件，但是成型尺寸受到粉末床和真空室的限制。EBSM技術(shù)具有效率高、熱應(yīng)力小等特點，適用于合金、欽鋁基合金等難熔、高性能金屬材料的成型制造。EBSM技術(shù)是在高真空環(huán)境下制造零件的，可以保護材料不受氮、氫、氧等的污染，其至有去除雜質(zhì)的提純作用。因此在航空航天高性能復(fù)雜零部件的制造、多孔結(jié)構(gòu)醫(yī)療植入體制造等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。5.3電子束選區(qū)熔化技術(shù)成型系統(tǒng)與設(shè)備2EBSM1501系統(tǒng)主要包括6個子系統(tǒng)，分別是成型機構(gòu)子系統(tǒng)、電子束掃描子系統(tǒng)電子槍子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、觀察檢測子系統(tǒng)和環(huán)境保障子系統(tǒng)。其中，成型機構(gòu)子系統(tǒng)電子束掃描子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)為EBSM技術(shù)的核心部分。EBSM技術(shù)利用磁偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生變化的磁場驅(qū)使電子束在粉末層上快速移動、掃描。在熔化粉末層之前，電子束可以快速掃描、預(yù)熱粉床，使溫度均勻上升至較高值(大于700C),減小熱應(yīng)力集中，降低制造過程中成型件翹曲變形的風(fēng)險:成型件的殘余應(yīng)力更低，可以省去后續(xù)的熱處理工序。5.3.3成型工藝及分析在目前來看，EBSM技術(shù)的發(fā)展是非常迅速的，它的應(yīng)用將會越來越廣泛，并且將在金屬零件的直接快速制造上成為一種主流工藝。但是目前應(yīng)該正視的是EBSM技術(shù)還存在著許多的不足。1.吹粉相對于激光束，電子束動量大，在選擇燒結(jié)時，會出現(xiàn)特有的“吹粉”問題，即預(yù)制松散粉末在電子束的壓力作用下被推開的現(xiàn)象。“吹粉”問題會導(dǎo)致金屬粉末在成型熔化前即已偏離原來位置，從而無法進(jìn)行后續(xù)成型工作?！按捣邸睂嵸|(zhì)上是電子束與粉末相互作用的問題?！按捣邸爆F(xiàn)象的原因一方面與粉末材料本身的性質(zhì)有關(guān)，另一方面取決于掃描方法、氣氛環(huán)境等工藝因素。降低粉末流動性、增加粉末材料的導(dǎo)電性可以減少“吹粉”發(fā)生的風(fēng)險。目前首先通過適當(dāng)改變粉末的表面狀態(tài)和堆積方式或粉末間的摩擦系數(shù)以提高粉末抗?jié)⑸⒛芰Γ缓笤诜勰┎粷⑸⒌臈l件下，通過逐步提高電子束掃描電流，預(yù)熱燒結(jié)并固定粉末解決“吹粉”問題。成型工藝及分析35.3.3成型工藝及分析2.球化

球化現(xiàn)象又稱為形球現(xiàn)象，是指金屬粉末雖熔融但沒形成一條完整平滑的掃描線，而是各自團聚成小球，這主要是由于熔融粉末形成的金屬小液滴表面張力過大所致。球化現(xiàn)象實際上取決于三方面因素:熔融小液滴表面張力、粉末是否潤濕、粉末間的黏結(jié)力。提高粉末間的黏結(jié)力，促使熔融小液滴潤濕粉末是抑制球化現(xiàn)象的關(guān)鍵。預(yù)熱粉末一方面提高粉末顆粒的溫度，熔融小液滴更易潤濕粉末，另一方面增加粉末的黏度、固定粉末從而抵御粉末熔融小液滴表面張力，有利于熔融小液滴在粉末表面鋪展。3.變形及余應(yīng)力控制

在零件直接成型過程中，由于熱源迅速移動，加熱、熔化、凝固和冷卻速度快，受熱不平衡嚴(yán)重、溫度梯度高，組織及熱應(yīng)力大。隨著零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的提高，零件產(chǎn)生較大變形甚至開裂，同時成型結(jié)束后，存在殘余應(yīng)力分布。殘余應(yīng)力作為一種內(nèi)應(yīng)力，會影響成型構(gòu)件靜載強度、疲勞強度、抗應(yīng)力腐蝕等性能及尺寸的穩(wěn)定性。中于還沒有有效的實驗方法能檢測成型過程應(yīng)力/應(yīng)變的演變，對于復(fù)雜鐵合金結(jié)構(gòu)零件金屬直接成型過程應(yīng)力/應(yīng)變的演變機理研究，主要是通過數(shù)值方法模擬，并通過殘余應(yīng)力測試實驗驗證的。成型工藝及分析35.3.3成型工藝及分析4.表面粗糙度

電子束成型零件的表面粗糙度一般低于精鑄表面，對于不能加工的表面，很難達(dá)到精密產(chǎn)品的要求。影響電子束成型零件表面粗糙度的主要因素:切片方式及鋪粉厚度、電子掃描精度、表面黏粉等。結(jié)及熔化凝固工藝過程有關(guān)。預(yù)熱及預(yù)燒結(jié)工藝在固定粉末抵抗電子束流轟擊中起關(guān)鍵作用但如果預(yù)熱溫度過高，造成粉末在熔化凝固時，周圍熱量傳導(dǎo)，粉末熔化燒結(jié)，那么會造成表面黏粉，降低表面質(zhì)量。預(yù)熱溫度、區(qū)域的選擇，尤其是成型區(qū)邊緣的溫度必須嚴(yán)格控制，防止在成型時成型區(qū)邊緣粉末熔化造成表面黏粉。5.缺控制

電子束成型缺陷控制技術(shù):在成型過程中實時發(fā)現(xiàn)缺陷并對其采用電子束重熔消除及在成型后采用熱等靜壓工藝消除.成型工藝及分析3第六章定向能量沉積增材制造技術(shù)高等學(xué)校動畫與數(shù)字媒體專業(yè)『全媒體』創(chuàng)意創(chuàng)新系列教材設(shè)計造型基礎(chǔ)01增值制造能量源PARTONE1.激光激光是20世紀(jì)以來繼核能、計算機、半導(dǎo)體之后，人類的又一項重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”“最準(zhǔn)的尺”“最亮的光”。激光英文名為LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation，意思是“通過受激輻射光擴大”，完全表達(dá)了制造激光的主要過程。激光的原理早在1916年就被著名的物理學(xué)家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了。激光光子的光學(xué)特性高度一致，相比普通光源，激光單色性、方向性好，亮度更高，因此激光的應(yīng)用非常廣泛，有激光焊接、激光切割、光纖通信、激光測距、激光雷達(dá)、激光武器、激光增材制造等。6.1增值制造能量源常用的金屬打印材料12.激光發(fā)光原理

激光與物質(zhì)的相互作用，實質(zhì)上是組成物質(zhì)的微觀粒子吸收或輻射光子，同時改變自身運動狀況的表現(xiàn)。激光通過在光與物質(zhì)相互作用過程中受激輻射產(chǎn)生，具有以下產(chǎn)生步驟:(1)工作介質(zhì)在泵浦源激勵下被激活，低能級粒子被抽送到高能級，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。(2)高能級粒子自發(fā)向低能級躍遷并發(fā)射沿任意方向運動的輻射光子，經(jīng)諧振腔選擇作用，與軸線方向一致的光舷叭雹拔啊爸氨憊捌哎梆傲腔內(nèi)往返運動引起光子持續(xù)發(fā)射。(3)光子數(shù)不斷增加并逐漸積累形成相干光，達(dá)到一定程度部分相干光透射出來，形成激光。6.1增值制造能量源常用的金屬打印材料13.激光器

激光器是指能發(fā)射激光的裝置。隨著科技的發(fā)展，激光器的種類越來越多。按工作介質(zhì)分，激光器可分為氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器和染料激光器4大類，近年來還發(fā)展了自由電子激光器。1)C02激光器

波長為9~12um(典型波長為10.6um的CO激光器因其效率高、光束質(zhì)量好、功率范圍大(幾瓦至幾萬瓦)、既能連續(xù)又能脈沖工作等多種優(yōu)點成為氣體激光器中最重要的、用途最廣泛的一種激光器。其主要用于材料加工、科學(xué)研究、檢測國防等方面。常用形式:封離。型縱向電激勵CO激光器、TEACO激光器、軸快流高功率CO激光器、橫流高功率CO激光器。CO激光器具有高效低耗、光束質(zhì)量好、功率范圍大、輸出模式多樣、輸出波長落在大氣窗口等優(yōu)點，是氣體激光器中使用最廣泛的一種激光器。6.1增值制造能量源常用的金屬打印材料13.激光器

激光器是指能發(fā)射激光的裝置。隨著科技的發(fā)展，激光器的種類越來越多。按工作介質(zhì)分，激光器可分為氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器和染料激光器4大類，近年來還發(fā)展了自由電子激光器。1)C02激光器

波長為9~12um(典型波長為10.6um的CO激光器因其效率高、光束質(zhì)量好、功率范圍大(幾瓦至幾萬瓦)、既能連續(xù)又能脈沖工作等多種優(yōu)點成為氣體激光器中最重要的、用途最廣泛的一種激光器。其主要用于材料加工、科學(xué)研究、檢測國防等方面。常用形式:封離。型縱向電激勵CO激光器、TEACO激光器、軸快流高功率CO激光器、橫流高功率CO激光器。CO激光器具有高效低耗、光束質(zhì)量好、功率范圍大、輸出模式多樣、輸出波長落在大氣窗口等優(yōu)點，是氣體激光器中使用最廣泛的一種激光器。6.1增值制造能量源常用的金屬打印材料13.激光器

2)Nd:YAG激光器Nd:YAG激光器輸出波長是CO激光器輸出波長的1/10，有利于激光聚焦、光纖傳輸且金屬材料對激光吸收率較高，提升了加工效率。Nd:YAG激光器除連續(xù)、脈沖兩種工作方式外，使用激光調(diào)整技術(shù)可獲得短/超短脈沖，且高峰值功率使其加工范圍更為廣泛;能與光纖耦合，可實現(xiàn)多工位、遠(yuǎn)距離工位輸送，提高了激光制造柔性化水平。Nd:YAG激光器激活介質(zhì)熱效應(yīng)小，且結(jié)構(gòu)緊湊、操作便捷、使用壽命長。N:YAG激光器也具有一些缺陷，如轉(zhuǎn)換效率較低、激光輸出功率和光束質(zhì)量受激光棒內(nèi)熱應(yīng)力和熱透鏡效應(yīng)限制、輸出功率成本費較高等，這些缺陷限制了Nd:YAG激光器的應(yīng)用。6.1增值制造能量源常用的金屬打印材料13.激光器

3)離子(Ar)光器N氳離子(Art)激光器是典型的惰性氣體離子激光器，利用氣體放電試管內(nèi)原子電離并激發(fā)，在離子激發(fā)態(tài)能級間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生激光。它發(fā)射的激光譜線在可見光和紫外光區(qū)域，在可見光區(qū)域它是輸出連續(xù)功率最高的器件，輸出功率為30~50W。它的能量轉(zhuǎn)換率最高可達(dá)0.6%頻率穩(wěn)定度在3E-11,壽命超過1000h,光譜在藍(lán)綠波段(488nm/514.5nm)功率大，主要用于拉曼光譜、泵浦染料激光、全息、非線性光學(xué)等研究領(lǐng)域，以及醫(yī)療診斷.打印分色、計量測定材料加工及信息處理等方面。6.1增值制造能量源常用的金屬打印材料13.激光器

4)He-Ne激光器He-Ne激光器是典型的惰性氣體原子激光器，輸出連續(xù)光，譜線波長有632.8nm(最常用)1015nm3390nm三種，近來又向短波延伸。這種激光器輸出的功率最大能達(dá)到1W但光束質(zhì)量很好，主要用于精密測量、檢測、準(zhǔn)直、導(dǎo)向、水中照明、信息處理、醫(yī)療及光學(xué)研究等方面。6.1增值制造能量源常用的金屬打印材料13.激光器

5)準(zhǔn)分子光器準(zhǔn)分子激光是一種氣體激光，它的工作氣體由常態(tài)下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的惰性氣體原子如He、Ne、Ar、Kr、Xe和化學(xué)性質(zhì)較活潑的鹵素原子如F、CI、Br等組成。一般情況下，惰性氣體原子是不會和別的原子形成分子的，但是如果先把它們和鹵素元素混合，再以放電的形式加以激勵，那么就能成為處于激發(fā)態(tài)的分子，當(dāng)激發(fā)態(tài)的分子躍遷回基態(tài)時，立刻分解還原成本來的特性，同時釋放出光子，經(jīng)諧振腔共振放大后，發(fā)射出高能量的紫外光激光這種處于激發(fā)態(tài)的分子壽命極短，只有10ns，故稱為“準(zhǔn)分子(Excimer)”準(zhǔn)分子激光器的諧振腔用于存儲氣體、氣體放電激勵產(chǎn)生激光和激光選模。它由前腔鏡、后腔鏡、放電電極和預(yù)電離電極構(gòu)成，并通過兩排小孔與儲氣罐相通，以便工作氣體的交換補充。6.1增值制造能量源常用的金屬打印材料13.激光器

6)半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是以一定的半導(dǎo)體材料作工作物質(zhì)而產(chǎn)生受激發(fā)射作用的器件。其工作原理是通過一定的激勵方式，在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶(導(dǎo)帶與價帶)之間，或者半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)(受主或施主)能級之間，實現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。半導(dǎo)體激光器的激勵方式主要有三種，即電注入式、光泵式和高能電子束激勵式。電注入式半導(dǎo)體激光器，一般由GaAs(確化).ImAs(砷化鋼)ImSb(化)等材料制成的半導(dǎo)體面結(jié)型二極管，沿正向偏壓注入電流進(jìn)行激勵，在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射。光泵式半導(dǎo)體激光器，一般用N型或P型半導(dǎo)體單晶(如GaAs、InAs、InS等)作工作物質(zhì)，以其他激光器發(fā)出的激光作為光泵激勵。6.1增值制造能量源常用的金屬打印材料13.激光器

7)染料激光器染料激光器的突出優(yōu)點是輸出波長可調(diào)諧，它不僅可以獲得0.3~1.3um光譜內(nèi)的可調(diào)諧的窄帶高功率激光，而且可以通過混頻技術(shù)獲得從紫外光到中紅外光區(qū)域的可調(diào)諧相干光，因此目前主要用于光譜學(xué)研究。8)光纖激光器光纖激光器以光纖作為導(dǎo)波介質(zhì)，具有以下優(yōu)點:耦合效率高，形成的激光束功率高密度高:散熱性好，不需要龐大的冷卻系統(tǒng)，因此體積小;能量轉(zhuǎn)換效率高，光束質(zhì)量好，波長可選擇和調(diào)諧等。6.1增值制造能量源常用的金屬打印材料13.激光器

9)自由電子激光器自由電子激光器輸出的激光波長與電子的能量有關(guān)，故改變電子束的加速電壓就可以改變激光波長，這叫作電壓調(diào)諧，其調(diào)諧范用很大，原則上可以在任意波長上運轉(zhuǎn)。10)二極管泵浦固體激光器二極管激光器和二極管泵浦固體激光器現(xiàn)已成為固體激光器發(fā)展的主流，合并轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)定性好、可靠性高，具有輸出質(zhì)量高、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等特點。二極管泵浦固體激光器的關(guān)鍵技術(shù):光耦合技術(shù)、泵浦技術(shù)、冷卻技術(shù)及電源技術(shù)。這種激光器輸出功率可以大范圍變化，即從幾十瓦到幾千瓦，市場上商用最大的可達(dá)6000W。6.1增值制造能量源常用的金屬打印材料1電弧是指中性氣體電離并維持放電的現(xiàn)象。若使氣體完全電離，則形成全部由帶正電的正離子和帶負(fù)電的電子所組成的電離氣體，稱為等離子體。一般的焊接電弧是一種自由電弧，弧柱的截面隨功率的增加而增大，電弧中的氣體電離不充分，其溫度被限制在5730~7730C。若在提高電弧功率的同時，對自由電弧進(jìn)行樂縮使其橫截面減小，則電弧中的電流密度會大大提高，電離度也隨之增大，幾乎達(dá)到全部等離子狀態(tài)的電弧叫作等離子弧。6.1增值制造能量源電弧等離子體26.1增值制造能量源電弧等離子體21.電弧的壓縮效應(yīng)1)機械壓縮效應(yīng)在鎢極(負(fù)極)和焊件(正極)之間加上一個高電壓，使氣體電離形成電弧，在弧柱通過特殊孔型的噴嘴的同時，又施以一定壓力的工作氣體，強迫弧柱通過細(xì)孔，由于弧柱受到機械壓縮使橫截面積縮小，故稱為機械壓縮效應(yīng)。2)熱收縮效應(yīng)當(dāng)電弧通過噴嘴時，在電弧的外圍不斷送入高速冷卻氣流(氮氣或氫氣等)使弧柱外用受到強烈冷卻，電離度大大降低，迫使電弧電流只能從弧柱中心通過，導(dǎo)致導(dǎo)電截面進(jìn)一步縮小，這時電弧的電流密度大大提高，這就是熱收縮效應(yīng)。3)磁收縮效應(yīng)由于電流方向相同，在電流自身產(chǎn)生的電磁力作用下，電弧彼此互相吸引，將產(chǎn)生一個從弧柱四周向中心壓縮的力，使弧柱直徑進(jìn)一步縮小。這種因?qū)w自身磁場作用產(chǎn)生的壓縮作用叫“磁收縮效應(yīng)”。電弧電流越大，磁收縮效應(yīng)越強。自由電弧在上述三種效應(yīng)作用下被壓縮得很細(xì)，在高度電離和高溫條件下，電狐逐漸形成穩(wěn)定的等離子弧。6.1增值制造能量源電弧等離子體22.電的分類1)非轉(zhuǎn)移弧申極接負(fù)極、噴嘴接正極產(chǎn)生的等離子弧稱為非轉(zhuǎn)移弧，用于焊接或切割較薄的材料非轉(zhuǎn)移弧溫度最高可達(dá)18000C，主要用于工件表面噴涂耐高溫、耐磨損、耐腐蝕的高熔點金屬或非金屬涂層，也可以切割薄板金屬材料，還可以作為金屬表面熱處理的熱源?；旌闲突≈饕糜谖⑹入x子弧焊接和粉末堆焊。2)轉(zhuǎn)移弧電極接負(fù)極、焊件接正極產(chǎn)生的等離子弧稱為轉(zhuǎn)移弧，適用于焊接、堆焊或切割較厚的材料。轉(zhuǎn)移弧溫度高(10000~52000C)，有效熱利用率高，主要用于切割、焊接(如等離子弧焊)和熔煉金屬。切割的金屬有銅、鋁及其合金、不銹鋼、各種合金鋼、低碳鋼、鑄鐵鑰和鎢等。6.1增值制造能量源電弧等離子體22.電的分類3)聯(lián)合弧電極接負(fù)極、噴嘴和焊件同時接正極，非轉(zhuǎn)移弧和轉(zhuǎn)移弧同時存在，稱為聯(lián)合弧，適用于微弧等離子焊接和粉末材料的噴焊。其廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)，特別是航空航天等軍工和尖端工業(yè)技術(shù)所用的銅及銅合金、鐵及欽合金、合金鋼、不銹鋼、等金屬的焊接，如合金的導(dǎo)彈殼體、飛機上的一些薄壁容器等。6.1增值制造能量源電子束3電子經(jīng)過匯集成束，具有高能量密度。它利用電子槍中陰極所產(chǎn)生的電子在陰陽極間的高壓(25~300KV)加速電場作用下被加速至很高的速度(0.3~07倍光速)，經(jīng)透鏡會聚作用后，形成密集的高速電子流。電子束加工(ElectronBeamMachining，EBM):在真空條件下，利用電子槍中產(chǎn)生的電子經(jīng)加速、聚焦后成為能量密度極高、極細(xì)的束流，高速(光速的60%~70%)沖擊到工件表面，并在極短的時間內(nèi)，將電子的動能大部分轉(zhuǎn)換為熱能，形成“小孔”效應(yīng)，使工件被沖擊部位的材料達(dá)到幾千攝氏度，致使材料局部熔化或蒸發(fā)，達(dá)到焊接目的。02激光近凈成型技術(shù)PARTTWO激光近凈成型技術(shù)結(jié)合了激光熔覆技術(shù)和快速成型技術(shù)的優(yōu)勢，可以對傳統(tǒng)工業(yè)中難以加工的復(fù)雜零件直接成型。此外，激光近凈成型技術(shù)對工件的熱輸入少、基材的畸變較小，成型工件的層與層之間為冶金結(jié)合，工件整體強度較高、組織致密，微觀缺陷小。激光近凈成型技術(shù)是一種迅猛發(fā)展的數(shù)字化離散堆積增材制造技術(shù)，是一種以激光為能量源，采取預(yù)鋪粉或同軸送粉的方式，在基體上逐層熔覆材料粉末，從而得到立體金屬工件的新型制造技術(shù)。6.2激光近凈成型技術(shù)激光近凈成型技術(shù)主要應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶等領(lǐng)域，用于制造或修復(fù)航空發(fā)動機和重型燃?xì)廨啓C的葉輪、葉片，以及輕量化的汽車零部件等。激光近凈成型技術(shù)可以制備單晶、梯度材料等零件，也可以實現(xiàn)對磨損或破損的葉片進(jìn)行修復(fù)和再制造，從而大大降低葉片的制造成本，提高生產(chǎn)效率。激光近凈成型技術(shù)是由許多大學(xué)和機構(gòu)分別獨立進(jìn)行研究的，因此這一技術(shù)的名稱繁多。激光近凈成型技術(shù)也叫激光熔化沉積(LaserMetalDeposition，LMD)技術(shù)，美國密歇根大學(xué)稱其為直接金屬沉積(DirectMetalDeposition，DMD)技術(shù)，英國伯明翰大學(xué)稱其為直接激光成型(DirectedLaserFabrication，DLF)技術(shù)，中國西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東教授稱其為激光快速成型(LaserRapidForming，LRF)技術(shù)。美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)中將該技術(shù)統(tǒng)一規(guī)范為直接能量沉積(DirectedEnergyDeposition，DED)制造技術(shù)的一部分。6.2激光近凈成型技術(shù)1基本原理激光近凈成型技術(shù)采用激光和粉末輸送同時工作原理，計算機將零件的三維CAD模型分層切片，得到零件的二維平面輪廓數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)又轉(zhuǎn)化為數(shù)控工作臺的運動軌跡，同時，金屬粉末以一定的供粉速度送入激光聚焦區(qū)域內(nèi)，快速熔化凝固，激光近凈成型技術(shù)可實現(xiàn)金屬零件的無模制造，節(jié)約大量成本。金屬粉末從粉頭的噴嘴噴射到激光焦點的位置形成熔化堆積過程。它的最大特點是制作的零件密度高、性能好，可作為結(jié)構(gòu)零件使用。1基本原理及特點2.激光近凈成型技術(shù)的優(yōu)勢和技術(shù)限制激光近凈成型技術(shù)是無須后處理的金屬直接成型方法，成型得到的零件組織致密，力學(xué)性能很高，并可實現(xiàn)非均質(zhì)和梯度材料零件的制造。該技術(shù)解決了復(fù)雜曲面零部件在傳統(tǒng)制造工藝中存在的切削加工困難、材料去除量大、刀具磨損嚴(yán)重等一系列問題。6.2激光近凈成型技術(shù)激光近凈成型系統(tǒng)可以分為硬件和軟件兩大部分。激光近凈成型系統(tǒng)如圖6-1所示。硬件系統(tǒng)主要包括激光器、數(shù)控系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)和輔助裝置(冷卻、供氣、檢測、保護裝置等)，軟件系統(tǒng)主要由造型軟件、數(shù)據(jù)檢驗與處理軟件、監(jiān)控系統(tǒng)軟件組成。1基本原理及特點6.2激光近凈成型技術(shù)激光近凈成型系統(tǒng)可以分為硬件和軟件兩大部分。激光近凈成型系統(tǒng)如圖6-1所示。硬件系統(tǒng)主要包括激光器、數(shù)控系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)和輔助裝置(冷卻、供氣、檢測、保護裝置等)，軟件系統(tǒng)主要由造型軟件、數(shù)據(jù)檢驗與處理軟件、監(jiān)控系統(tǒng)軟件組成。2成型系統(tǒng)與設(shè)備6.2激光近凈成型技術(shù)2成型系統(tǒng)與設(shè)備1.數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)是激光近凈成型技術(shù)的必備部分，數(shù)控加工工作臺依據(jù)NC代碼相對激光束運使加工材料在工作臺上逐步堆積成型。機床靈敏性、穩(wěn)定性和運動精度會直接影響零件動，加工精度，通常，機床軌跡誤差應(yīng)控制在0.05~0.1m。2.送粉系統(tǒng)送粉系統(tǒng)性能直接影響成型零件的成型精度和性能，是激光近凈成型系統(tǒng)至關(guān)重要的組成部分。通常，送粉系統(tǒng)由送粉器、粉末傳輸通道和噴嘴三部分構(gòu)成。1)送粉器送粉器是送粉系統(tǒng)的基礎(chǔ)，為保證成型質(zhì)量，要求送粉器輸送的粉末流連續(xù)均勻。2)噴嘴結(jié)構(gòu)直接影響粉末流與激光束的相對位置，對粉末利用率、成型質(zhì)量十分重要。6.2激光近凈成型技術(shù)2成型系統(tǒng)與設(shè)備2.送粉系統(tǒng)(1)側(cè)向送粉噴嘴軸線與激光束軸線之間存在一定角度，粉末流出口與激光束出口具有一定距離，以防止粉末在噴嘴內(nèi)部被激光束過早熔化而使噴嘴被堵塞。同時，調(diào)整噴嘴與激光束軸線間夾角的大小可以控制粉末輸送速度，粉末流約束和定位簡單易操作。但由于粉末流落點位于激光束一側(cè)，限制了激光加工過程掃描方向的變化，無法實現(xiàn)任意方向上熔覆層的直接制備:而且由于熔池附近區(qū)域無法形成穩(wěn)定惰性保護氣氛，成型過程中材料容易被氧化。(2)同軸送粉

噴嘴與激光束同軸，粉末流經(jīng)分粉器匯聚進(jìn)入聚焦激光束，粉末流沿激光束呈環(huán)形對稱分布。這就使激光近凈成型實驗?zāi)軌蚋鶕?jù)加工軌跡任意選取掃描方向，實現(xiàn)復(fù)雜形狀零件快速制備。同時，惰性氣體在熔池附近形成保護性氣氛，解決了成型過程中的材料氧化問題:同軸送粉方式中粉末與激光束交瓦作用使粉末提前熔化或預(yù)熱達(dá)到一定溫度，從而降低由于冷熱疊加而產(chǎn)生的應(yīng)力，提高成型零件質(zhì)量。6.2激光近凈成型技術(shù)2成型系統(tǒng)與設(shè)備3.輔助裝置1)冷卻裝置為避免激光器光學(xué)元件在加工過程中因吸收部分入射光導(dǎo)致溫度升高，進(jìn)而發(fā)生熱變形甚至被燒壞，激光近凈成型系統(tǒng)需要冷卻裝置來降低光學(xué)元件溫度，以保護設(shè)備、延長激光器使用壽命。2)氣氛控制系統(tǒng)激光加工過程溫度高，材料在大氣中直接成型容易發(fā)生氧化現(xiàn)象，影響成型質(zhì)量。因此,加工過程需要在成型區(qū)域形成保護氣氛。通常，保護氣體選取氮氣、氯氣等惰性氣體。3)監(jiān)測與反饋控制系統(tǒng)對成型過程中的熔池形貌、成型溫度、熔覆層形狀尺寸、激光功率、送粉氣流及壓力等因素進(jìn)行實時監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對成型過程工藝參數(shù)進(jìn)行反饋控制，在保證成型工藝穩(wěn)定性的同時提高成型精度、改善成型質(zhì)量。6.2激光近凈成型技術(shù)2成型工藝及分析激光近凈成型技術(shù)的具體操作流程:首先需要通過計算機建立所需零件對應(yīng)的CAD模型文件，然后利用STL、CLI格式文件對CAD模型實施分層處理，得到分層文件。所有層均規(guī)劃出掃描路線，配合接口程序，通過分層文件獲得能夠使操作臺運行的數(shù)控程序，當(dāng)操作臺啟動后，熔覆粉末利用送粉設(shè)備抵達(dá)激光束處理范圍，同時抵達(dá)激光產(chǎn)生的熔池。激光束開始進(jìn)行掃描活動，根據(jù)掃描路線進(jìn)行熔覆，得到熔覆層，激光束沿著垂直方向抬升一定的高度，在前一層的基礎(chǔ)上疊加形成后續(xù)的熔覆層，保證每層與之前的一層能夠充分熔化結(jié)合在一起，如此循環(huán)直到整個零件制造完成。03激光近凈成型技術(shù)PARTTHREEWAAM技術(shù)不僅具有沉積效率高、絲材利用率高、整體制造周期短、成本低、對零件尺寸限制少、易于修復(fù)零件等優(yōu)點，還具有原位復(fù)合制造及成型大尺寸零件的能力。歐洲空中客車公司、加拿大龐巴迪宇航系統(tǒng)公司、英國洛克希德·馬丁公司、歐洲導(dǎo)彈集團(MBDA)和法國航天企業(yè)阿斯特里姆公司(Astrium)，均利用WAAM技術(shù)實現(xiàn)了合金及高強鋼材料大型結(jié)構(gòu)件的直接制造，大大縮短了大型結(jié)構(gòu)件的研制周期。電弧熔絲增材制造(WireArcAdditiveManufacturing，WAAM)技術(shù)是一種利用逐層熔覆原理，采用熔化極惰性氣體保護焊接(MIG)鎢惰性氣體保護焊接(TIG)及等離子體焊接電源(PA)等焊機產(chǎn)生的電弧為熱源，通過絲材的添加，在程序的控制下，根據(jù)三維數(shù)字模型由線一面一體逐漸成型金屬零件的先進(jìn)數(shù)字化制造技術(shù)。6.3電弧熔絲增材制造技術(shù)基本原理及特點16.3電弧熔絲增材制造技術(shù)成型系統(tǒng)與設(shè)備21.GTAW增材設(shè)備非熔化極惰性氣體保護焊(GTAW)作為一種常用的電弧焊接方法，由于其具有相對飛濺較小、獨立控制熱源和送絲系統(tǒng)等優(yōu)點，有些研究人員也嘗試采用其展開相應(yīng)增材制造技術(shù)研究。GTAW的技術(shù)基礎(chǔ)即填絲鎢極弧多層多道焊，由穩(wěn)定的鎢極氨弧提供電弧熔化熱，同時具備配合獨立于焊接設(shè)備的同步不斷送進(jìn)的焊接材料，形成具有一定幾何尺寸的致密的單層焊縫，層層堆疊，形成一定幾何形狀的構(gòu)件。GTAW增材制造的原理是在焊槍底部裝夾一根鎢極，鎢極與基材間產(chǎn)生電弧，由試驗樣機帶動焊槍運動并提供沉積速度，送絲嘴與焊槍通過送絲夾具呈角度連接，此角度稱為送絲角度。6.3電弧熔絲增材制造技術(shù)成型系統(tǒng)與設(shè)備22.熔化極氣體保護電焊接增材設(shè)備熔化極氣體保護電弧焊接增材制造技術(shù)是直接成型低成本復(fù)雜金屬零部件的主要方法之一。圖6-4所示為熔化極氣體保護電弧焊接增材制造設(shè)備示意圖。熔化極氣體保護電弧焊接增材制造技術(shù)是以熔化極氣體保護焊為熱源的增材制造方法，與TIG堆焊相比，不需要鎢極，具有熱量集中、堆焊層組織性能好、熱輸入小等優(yōu)點。6.3電弧熔絲增材制造技術(shù)成型系統(tǒng)與設(shè)備23.PAW增材制造系統(tǒng)等離子弧焊(PAW)增材制造系統(tǒng)由等離子弧焊過程控制系統(tǒng)、焊接電源、送絲機、水冷循環(huán)系統(tǒng)、三維運動控制系統(tǒng)及其工作臺組成。等離子弧焊增材制造系統(tǒng)的工作原理：等離子弧焊增材制造技術(shù)，采用等離子弧焊熱源熔化金屬基體(或前層熔積金屬)和金屬填充材料，由計算機控制三維運動機構(gòu)和變位機，6.3電弧熔絲增材制造技術(shù)成型系統(tǒng)與設(shè)備24.CMT增材設(shè)備CMT技術(shù)即冷金屬過渡技術(shù)，采用熱一冷一熱的方式，在熔滴過渡時減小焊接電流CMT的熔滴過渡示意圖如圖6-6所示。該技術(shù)可以實現(xiàn)無焊渣飛濺，而且具有焊接過程中熱輸入量小、電弧更加穩(wěn)定等優(yōu)點。CMT技術(shù)通過將熔滴過渡和送絲運動數(shù)字化協(xié)調(diào)，可實現(xiàn)數(shù)控方式下的短電弧和焊絲的換向送絲監(jiān)控,控制送絲機構(gòu)按照送絲控制系統(tǒng)的指令以70Hz的頻率控制著脈沖式的焊絲輸送，同時調(diào)控電源輸出波形。當(dāng)熔滴與熔池發(fā)生短路時，熔滴在無電流的狀態(tài)下過渡。熔滴過渡時電弧熄滅，焊接電流幾乎為0，從而大大降低焊接熱輸入。6.3電弧熔絲增材制造技術(shù)成型系統(tǒng)與設(shè)備24.CMT增材設(shè)備英國克蘭菲爾德大學(xué)的PMSequeiraAlmeida等人在沉積Ti-6A1-4V時，利用CMT技術(shù)實現(xiàn)了低熱量輸入和無飛濺堆焊，并且創(chuàng)新性地開發(fā)了一個焊縫過程預(yù)測模型，顯著地改善了成型效果。從保強等人研究了不同的CMT技術(shù)對AL-6.3Cu氣孔形成率的影響，研究發(fā)現(xiàn)，CMT-PADV技術(shù)能夠有效降低氣孔形成率。以上學(xué)者均是通過改變焊接參數(shù)來研究CMT技術(shù)堆焊得到的鋁合金的組織性能，而北京工業(yè)大學(xué)的陳樹君在利用CMT技術(shù)堆焊鋁合金時，引入了KUKA機器人，通過其中的編程軟件實現(xiàn)復(fù)雜鋁合金零件的制造。04電弧噴涂制造技術(shù)PARTFOUR

電弧噴涂制造技術(shù)的基本原理：將兩根被噴涂的金屬絲作為自耗性電極，利用其端部產(chǎn)生的電弧作為熱源來熔化金屬絲材，用壓縮空氣穿過電弧和熔化的液滴使之霧化，并以一定的速度噴向基體(零件)表面而形成連續(xù)的涂層。電弧噴涂制造技術(shù)的原理圖如圖6-7所示。6.4電弧噴涂制造技術(shù)1基本原理及特點電弧噴涂時，送絲裝置將兩根絲狀金屬噴涂材料通過送絲輪均勻、連續(xù)地分別送進(jìn)電弧噴涂槍中的兩個導(dǎo)電嘴內(nèi)，兩個導(dǎo)電嘴分別接電源的正負(fù)極，并保證兩根絲之間在未接觸之前的可靠絕緣。當(dāng)兩金屬絲材端部由于送進(jìn)而相互接觸時，在兩端之間出現(xiàn)短路并產(chǎn)生電弧使絲材端部瞬間熔化，壓縮空氣把熔融金屬霧化成熔滴，熔滴以很高的速度噴射到工件表面形成電弧噴涂層。在噴涂過程中，由于電弧的作用，兩電極絲的端部頻繁地產(chǎn)生金屬熔化一熔化金屬脫離一熔滴霧化成微粒的過程。金屬絲端部熔化過程中，極間距離頻繁地發(fā)生變化，在電源電玉保持恒定時，由于電流具有自我調(diào)節(jié)特性，電弧電流頻繁地波動，自動維持金屬絲的熔化速度，電弧電流亦隨著送絲速度的增加而增加。電弧噴涂制造技術(shù)可以應(yīng)用于長效防腐蝕涂層、機械零件修復(fù)、快速制作模具等場景電弧噴涂制造技術(shù)具有制模時間短、成本低、復(fù)型性好等優(yōu)點。目前用于模具制造的多是鋅.鋁及其合金。利用電弧噴涂制造技術(shù)可以噴制用于生產(chǎn)聚氨酷、聚乙酶、PVC、ABS、玻璃纖維等大型復(fù)合材料的合金模具。6.4電弧噴涂制造技術(shù)1基本原理及特點6.4電弧噴涂制造技術(shù)2成型系統(tǒng)與設(shè)備3.電弧噴槍電弧噴槍分為手持式和固定式(機卡式)兩種。手持式噴槍操作靈便，萬能性強，固定式噴槍通常用于噴涂生產(chǎn)線或?qū)ν繉泳鶆蛐砸蠛芨叩墓ぷ?，如軸類修復(fù)