先进激 光增材制造技术(激光3D打印)


增材制 造是依据三维模型数据将材料连接制作成物体的过程,相对于减法制造,它通常 是逐层累加的过程。增材制 造技术集成了数字化技术、制造技术、激光技 术以及新材料技术等多个学科技术,可以直接将CAD 数字模 型快速而精密地制造成三维实体零件,实现真正的“自由制造”。与传统制造技术相比,增材制 造技术具有柔性高、无模具、周期短、不受零 件结构和材料限制等一系列优点,在航天航空、汽车、电子、医疗、军工等 领域得到了广泛应用。增材制 造技术已成为制造业的研究热点,许多国 家包括中国都对其展开了大量深入的研究,欧美更 有专家认为这项技术代表着制造业发展的新趋势,被誉为有望成为“第三次工业革命”的代表性技术。

激光增 材制造技术是一种以激光为能量源的增材制造技术,激光具 有能量密度高的特点,可实现 难加工金属的制造,比如航 空航天领域采用的钛合金、高温合金等,同时激 光增材制造技术还具有不受零件结构限制的优点,可用于结构复杂、难加工 以及薄壁零件的加工制造。目前,激光增 材制造技术所应用的材料已涵盖钛合金、高温合金、铁基合金、铝合金、难熔合金、非晶合金、陶瓷以及梯度材料等,在航空 航天领域中高性能复杂构件和生物制造领域中多孔复杂结构制造具有显著优势。

在应用方面,美国GE 公司将在LEAP 喷气发动机中采用SLM 制造燃油喷嘴。每台发动机预计19 个燃油喷嘴。GE 公司在 未来三年内预计每年生产25000 个燃油喷嘴,共计约10 万个燃油喷嘴。美国NASA 马歇尔 航天飞行中心的科学家和工程师们于2012 年采用 激光选区熔化成形技术制造了复杂结构金属零部件样件,用于“太空发射系统”重型运载火箭。NASA认为这 项技术可以极大地降低制造零件所需的时间,在一些 情况下甚至将制造时间从数月降低至数周,提高了经济可承受性。由于不 再需要把零部件焊接到一起,其结构强度得到提高,变得更加可靠,使整体火箭更加安全。英国的罗·罗(Rolls·Royce)公司利 用激光金属直接成形技术,来生产TrentXWB-97(涡轮风扇系列发动机)。北京航 空航天大学的王华明团队也利用激光金属直接成形技术制造出了大型飞机钛合金主承力构件加强框,并获得 了国家技术发明一等奖。西安交通大学在国家“973 项目”的资助下,展开了 利用激光金属直接成形技术制造空心涡轮叶片方面的研究,并成功 制备出了具有复杂结构的空心涡轮叶片。