基于选区激光熔化快速成型的自由设计与制造进展_宋长辉
- 格式：pdf
- 大小：2.60 MB
- 文档页数：6
文档推荐
-
第4章 选区激光熔化工艺及材料页数:42
-
选区激光熔化成形温度场模拟与工艺优化页数:6
下载文档原格式
合集下载
金属零件选区激光熔化直接快速成形工艺及最新进展
专题综述［摘要］阐述了金属零件选区激光熔化直接快速成形的原理及其工艺特点；介绍了该工艺技术的最新进展及应用领域。
关键词：金属零件直接制造选区激光熔化快速成形［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｆｅａ－ｔｕｒｅｓｏｆｄｉｒｅｃｔｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｏｆｍｅｔａｌｐａｒｔｂｙｓｅｌｅｃ－ｔｉｖｅｌａｓｅｒｍｅｌｔｉｎｇａｒｅｅｘｐｏｕｎｄｅｄ．Ｔｈｅｎｅｗｅｓｔｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｆｉｅｌｄｓｏｆｔｈｉｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＤｉｒｅｃｔｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｏｆｍｅｔａｌｐａｒｔＳｅｌｅｃｔｉｖｅｌａｓｅｒｍｅｌｔｉｎｇＲａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ传统制造零件往往采用多个步骤来完成制造过程，从设计到零件制造完毕有时需要很长的周期，不利于快速将产品推向市场。
并且因采用车、铣、刨、磨等去材料成形的方法，使材料浪费严重，此外对具有复杂内腔结构的零件，传统制造方法往往无能为力。
因此，人们对２０世纪８０年代出现的快速成形制造技术寄予很大的希望。
这种技术采用分层制造替代传统制造方法中的大部分工作（如铸造成形、切削成形、冲压成模等），大大缩短了制造周期［１］。
当前发展起来的２０多种快速成形技术中，多数不能直接制造金属零件，往往采用非金属材料通过快速成形的方法制造出零件的模具，然后再浇铸成金属零件［２］。
但工业上对金属零件的直接快速成形制造技术更感兴趣，因此近年来该技术成了快速成形技术的主流发展方向。
目前，能直接成形金属零件的快速原型制造方法主要有选区激光烧结技术（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＬａｓｅｒＳｉｎｔｅｒｉｎｇ，ＳＬＳ）、激光熔覆制造技术（ＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｅｄＮｅｔＳｈａｐ－ｉｎｇ，ＬＥＮＳ）、选区激光熔化技术（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＬａｓｅｒＭｅｌｔ－ｉｎｇ，ＳＬＭ）等，其中选区激光熔化技术由于成形件致密性好，且具有冶金结合组织及精度高的特点，在国外已得到了普遍重视，并已推出了多种选区激光熔化设备样机，有的甚至开始商品化了［３￣６］。
激光选区熔化成型零件支撑结构优化设计研究优先出版
C JL网络预出版：标题：激光选区熔化成型零件支撑结构优化设计研究作者：张国庆,杨永强,张自勉,宋长辉,王安民,余家阔收稿日期：2016-07-22录用日期：2016-08-22DOI：10.3788/cjl201643.1202002引用格式：张国庆,杨永强,张自勉,宋长辉,王安民,余家阔. 激光选区熔化成型零件支撑结构优化设计研究[J].中国激光,2016,43(12):1202002.网络预出版文章内容与正式出版的有细微差别，请以正式出版文件为准！————————————————————————————————————————————————————您感兴趣的其他相关论文：激光选区熔化成型CoCrMo合金摩擦学性能研究张国庆 杨永强 林辉 宋长辉 张自勉 余家阔华南理工大学机械与汽车工程学院, 广东 广州 510640中国激光,2016,43(8):0802013 高功率光纤激光器包层光滤除器的温度场研究胡志涛 陈晓龙 何兵 周军 张建华上海大学机电工程与自动化学院, 上海 200072中国激光,2016,43(7):0701004 激光选区熔化成形高强Al-Cu-Mg合金研究张虎 聂小佳 朱海红 曾晓雁 杨昌昊华中科技大学武汉光电国家实验室, 湖北 武汉 430074中国激光,2016,43(5):0503007高功率激光装置中空间滤波器洁净控制的优化设计李养帅 朱健强 庞向阳 焦翔 吴永忠中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室，上海 201800中国激光,2015,42(s1):s102015基于熔池数据分析的激光选区熔化成形件翘曲变形行为研究张凯 刘婷婷 张长东 廖文和南京理工大学机械工程学院, 江苏 南京 210094中国激光,2015,42(9):0903007网络出版时间：2016-08-31 15:28:12网络出版地址：/kcms/detail/31.1339.TN.20160831.1528.004.html激光选区熔化成型零件支撑结构优化设计研究 张国庆1 ,杨永强1* ,张自勉1,宋长辉1，2,王安民1,余家阔2（1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州，510640；2.北京大学第三医院运动医学研究所，北京，100083）摘要：激光选区熔化(SLM)成型零件过程中常出现零件的翘曲变形，导致零件翘曲变形的原因除与激光能量输入过大有关外，另一个重要原因为零件支撑添加，因此，有必要对SLM成型零件支撑添加方式进行研究。
基于SLM从图像直接制造金属浮雕的方法_刘杰
图 3 是一个 3D 浮雕建模的实例，使用 201 × 193 的图像，缩放因子为 － 0. 06，拉普拉斯迭代值为 100，得到的 3D 模型的边界尺寸为 200 × 192 × 9. 12 （ 单位可根据实际需要设定） ．
图 3 3D 浮雕建模实例 Fig． 3 An example of 3D bas-relief modeling
第 39 卷
图 1 基于 SLM 从图像直接制造金属浮雕的过程 Fig． 1 Process of direct manufacturing of metal bas-relief from
images based on SLM
2 SLM 浮雕设计制造软件的开发及 功能实现
根据前述原理，SLM 浮雕设计制造软件必须包 含 3D 浮雕的建模功能、浮雕模型的切片功能、扫描 路径的生成功能和加工代码的生成功能． 针对现有 浮雕设计软件对 SLM 支持不足的缺点，文中利用 可视化 工 具 包 （ VTK） 和 扫 描 路 径 生 成 库 （ SPGL） 开发了用于 SLM 的浮雕设计制造软件，来实现这 些功能．
选区激光熔化（ SLM） 是一种利用金属粉末直接 制造相对密度接近 100% 的近终端产品的新型快速 成型工艺，属于当前快速成型领域的研究热点［3-8］． 采用光纤激光器的 SLM 设备，输出激光光斑能聚焦 到 30 ～ 50 μm，非常适合于精密金属零件成型． 与雕 刻相比，采用 SLM 加工浮雕具有 3 个主要优点： （ 1） SLM 属于添加式制造，能有效避免雕刻中的材料浪 费； （ 2） SLM 属于分层式制造，能制造任意复杂度的 形状，可用来制造具有空心结构的浮雕，以减少材料 消耗； （ 3） SLM 属于激光加工，理论上能被激光熔化
的材料都可以用于加工，能制造出更多种材质的浮 雕． 因此，本研究基于 SLM 从图像直接制造金属浮 雕． 这对推动 SLM 技术的发展、扩展激光加工的应 用领域和促进绿色制造有着重要的意义．
图 3 3D 浮雕建模实例 Fig． 3 An example of 3D bas-relief modeling
第 39 卷
图 1 基于 SLM 从图像直接制造金属浮雕的过程 Fig． 1 Process of direct manufacturing of metal bas-relief from
images based on SLM
2 SLM 浮雕设计制造软件的开发及 功能实现
根据前述原理，SLM 浮雕设计制造软件必须包 含 3D 浮雕的建模功能、浮雕模型的切片功能、扫描 路径的生成功能和加工代码的生成功能． 针对现有 浮雕设计软件对 SLM 支持不足的缺点，文中利用 可视化 工 具 包 （ VTK） 和 扫 描 路 径 生 成 库 （ SPGL） 开发了用于 SLM 的浮雕设计制造软件，来实现这 些功能．
选区激光熔化（ SLM） 是一种利用金属粉末直接 制造相对密度接近 100% 的近终端产品的新型快速 成型工艺，属于当前快速成型领域的研究热点［3-8］． 采用光纤激光器的 SLM 设备，输出激光光斑能聚焦 到 30 ～ 50 μm，非常适合于精密金属零件成型． 与雕 刻相比，采用 SLM 加工浮雕具有 3 个主要优点： （ 1） SLM 属于添加式制造，能有效避免雕刻中的材料浪 费； （ 2） SLM 属于分层式制造，能制造任意复杂度的 形状，可用来制造具有空心结构的浮雕，以减少材料 消耗； （ 3） SLM 属于激光加工，理论上能被激光熔化
的材料都可以用于加工，能制造出更多种材质的浮 雕． 因此，本研究基于 SLM 从图像直接制造金属浮 雕． 这对推动 SLM 技术的发展、扩展激光加工的应 用领域和促进绿色制造有着重要的意义．
基于激光选区熔化的功能零件结构设计优化及制造关键技术研究
基于激光选区熔化的功能零件结构设计优化及制造关键技术研究基于激光选区熔化的功能零件结构设计优化及制造关键技术研究激光选区熔化技术是一种新型的制造技术，它可以实现对材料的高精度加工和制造，具有广泛的应用前景。
本文主要研究基于激光选区熔化的功能零件结构设计优化及制造关键技术。
一、功能零件结构设计优化在功能零件结构设计中，需要考虑材料的性能、零件的功能和制造工艺等因素。
激光选区熔化技术可以实现对材料的高精度加工和制造，因此可以在设计中考虑更多的因素，以实现更好的设计效果。
1.材料的选择在功能零件结构设计中，需要选择合适的材料以满足零件的功能需求。
激光选区熔化技术可以实现对多种材料的加工和制造，因此可以选择更多的材料以满足不同的需求。
2.结构的优化在功能零件结构设计中，需要优化结构以满足零件的功能需求。
激光选区熔化技术可以实现对复杂结构的加工和制造，因此可以设计更加复杂的结构以实现更好的功能。
3.制造工艺的考虑在功能零件结构设计中，需要考虑制造工艺以实现零件的制造。
激光选区熔化技术可以实现对多种制造工艺的替代，因此可以选择更加适合的制造工艺以实现更好的制造效果。
二、制造关键技术研究在激光选区熔化技术的制造过程中，需要考虑多种关键技术以实现高质量的制造效果。
1.激光参数的优化在激光选区熔化技术的制造过程中，需要优化激光参数以实现高质量的制造效果。
激光参数的优化可以实现对材料的高精度加工和制造，以实现更好的制造效果。
2.选区熔化过程的控制在激光选区熔化技术的制造过程中，需要控制选区熔化过程以实现高质量的制造效果。
选区熔化过程的控制可以实现对材料的高精度加工和制造，以实现更好的制造效果。
3.制造设备的优化在激光选区熔化技术的制造过程中，需要优化制造设备以实现高质量的制造效果。
制造设备的优化可以实现对材料的高精度加工和制造，以实现更好的制造效果。
总之，基于激光选区熔化的功能零件结构设计优化及制造关键技术研究，可以实现对材料的高精度加工和制造，以实现更好的设计效果和制造效果。
金属零件选区激光熔化快速成型技术的现状及发展趋势
金属零件选区激光熔化快速成型技术的现状
及发展趋势
1 激光熔化快速成型技术介绍
激光熔化快速成型技术(Laser Melting Rapid Forming，简称LMRF)是利用高功率激光把金属材料加热到溶熔状态，再在塑料微结构
模具内形成熔融坯，再经液态冷却后形成各种金属器件及部件的加工
技术。
它是一种快速成形技术，能快速生产出精密的复杂形状金属器件，具有加工效率高、性能好等优点，大大缩短了金属零件的加工时间，可以部件效果好、工艺更加复杂，更有利于批量生产。
2 应用领域
LMRF技术目前在航空、航天、机械和汽车行业的应用越来越广泛，在这些行业中经常用到激光熔化快速成型技术制造高精度的件。
另外，LMRF技术也被广泛应用于模具、精密件、压力容器的加工中，因为它
可以生产出更复杂、更精密的产品。
3 发展趋势
LMRF技术在未来发展方面具有很大的潜力。
首先，激光功率有望
进一步提高，有助于加工更复杂的零件和结构。
其次，未来将出现更
多的智能检测装置，可以有效地检测出加工中出现的缺陷，从而提高
加工质量。
最后，基于机器人的自动化技术等可能会为LMRF技术的应
用带来更多机遇。
4 总结
激光熔化快速成形技术已经在航空、航天、机械和汽车行业得到了广泛应用，且具有空前的潜力。
未来基于激光功率及相关自动化技术提高，能够加快加工速度，更大幅提高金属零件的加工质量，使得LMRF技术在未来发展中更具优势。
激光选区熔化设备发展现状与趋势
激光选区熔化设备发展现状与趋势宋长辉;翁昌威;杨永强;王迪;李阳【摘要】激光选区熔化技术是金属3D打印中的一项重要技术,近几年得到了快速发展.从激光选区熔化设备厂商及其产品规格、设备结构原理及其发展方向等不同层面介绍了激光选区熔化设备近些年的发展,并结合目前发展现状提出了激光选区熔化技术未来发展趋势.【期刊名称】《机电工程技术》【年(卷),期】2017(046)010【总页数】5页(P1-5)【关键词】增材制造;激光选区熔化;直接制造;发展现状与趋势【作者】宋长辉;翁昌威;杨永强;王迪;李阳【作者单位】华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州 510640;华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州 510640;华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州 510640;华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州 510640;华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州 510640【正文语种】中文【中图分类】TF124当前，金属零件直接近净成形是激光增材制造技术的研究热点[1]，并形成两类稳定的成形工艺：（1）基于喷嘴送粉技术的激光熔融沉积技术（Laser Melting Deposition，LMD）或称激光立体成形技术（Laser Solid Forming ，LSF）[2-3]；（2）基于粉床铺粉技术的激光选区熔化技术SLM[4-5]。
两种发展方向不同，LMD/LSF沉积效率高，可以用于大型金属构件制造，但成形精度低于SLM，往往需要后续的机加工工序。
SLM制造精度，更接近于“近净成形”。
此外电子束选区熔化技术也可对生物兼容性材料（钛合金、钴铬钼合金等）直接成形[6-7]，但电子束选区熔化设备以及维护保养成本高昂，成形精细结构能力仍不如SLM[8]。
激光选区熔化技术不同于其他金属3D打印技术，它集成了激光、精密传动、新材料、CAD/CAM等技术，通过30～80μm的精细激光聚焦光斑[9]，逐线搭接扫描新铺粉层上选定区域，形成面轮廓后，层与层堆积成型制造，从而可以直接获得几乎任意形状、具有完全冶金结合的功能零件，致密度可达到近乎100%。
激光选区熔化自由制造异质材料零件
第２７卷 第３期２０１９年３月 光学精密工程 Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ．２７ Ｎｏ．３ Ｍａｒ．２０１９ 收稿日期：２０１８－１１－０５；修订日期：２０１８－１２－２９． 基金项目：广东省科技发展专项资金资助项目（公益研究与能力建设方向）（Ｎｏ．２０１７Ａ０１０１０２０１６）；广东省自然科学基金资助项目（Ｎｏ．２０１８Ａ０３０３１３２４３）；国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ．５１８７５２１５）；广州市科技计划项目（Ｎｏ．２０１６２０１６０４０３００６２）文章编号 １００４－９２４Ｘ（２０１９）０３－０５１７－１０激光选区熔化自由制造异质材料零件吴伟辉１＊，杨永强２，毛桂生１，王 迪２，宋长辉２（１．韶关学院物理与机电工程学院，广东韶关５１２００５；２．华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州５１０６４０）摘要：为解决当前激光选区熔化成型过程难以按需在零件上自由布置不同材料的难题，基于多漏斗供粉＋柔性清扫回收粉末原理，对异质材料零件激光选区熔化增材制造技术展开了研究，详细探讨了成型机理、粉尘污染防范机制及异质材料数据处理方法。
采用ＣｕＳｎ１０，４３４０两种不同的合金材料进行了工艺实验验证。
实验表明，该方法能自由地在不同层间或同层内不同区域按需布置不同的材料；所得块状异质材料零件的铜合金材料区域Ｆｅ元素的平均质量百分含量可控制在２％以下，钢材料区域Ｃｕ元素的平均质量百分含量可控制在１％以下；成功成型了一个具有复杂外形及微细材料区域特征的异质材料齿轮零件，零件异质材料区域不受零件复杂外形限制，可自由按需布置材料，０．５ｍｍ宽的层内异质材料区域也能被较好地表达出来，尺寸误差不超过±０．１ｍｍ。
该方法可以有效解决激光选区熔化成型过程中异质材料布置的难题，实现异质材料零件成型。
关 键 词：增材制造；激光选区熔化；异质材料；金属零件中图分类号：ＴＧ６６５ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＯＰＥ．２０１９２７０３．０５１７Ｆｒｅｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｐａｒｔ ｂｙｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ｍｅｌｔｉｎｇＷＵ Ｗｅｉ－ｈｕｉ １＊，ＹＡＮＧ Ｙｏｎｇ－ｑｉａｎｇ２，ＭＡＯ Ｇｕｉ－ｓｈｅｎｇｉ １，ＷＡＮＧ Ｄｉ ２，ＳＯＮＧ Ｃｈａｎｇ－ｈｕｉ ２（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｏｇｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｏｇｕａｎ５１２００５，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ＆Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６４０，Ｃｈｉｎａ）＊Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｕｗｅｉｈｕｉ＿０６８＠１６３．ｃｏｍＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｆｒｅｅ ｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｔ ａｎｙ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｎ ａ ｐａｒｔ ｄｕｒｉｎｇｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ｍｅｌｔｉｎｇ，ｔｈｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ｍｅｌｔｉｎｇ ｏｆ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ ｍａｔｅ－ｒｉａｌ ｐａｒｔｓ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｕｐｐｌｙｉｎｇ ｐｏｗｄｅｒ ｔｈｒｏｕｇｈ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｆｕｎｎｅｌｓ ａｎｄ ｃｌｅａｎ－ｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｃｏｖｅｒｉｎｇ ｏｆ ｐｏｗｄｅｒ ｕｓｉｎｇ ａ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｃｒａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｔｈｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｐｏｗｄｅｒ ｃｒｏｓｓ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌｐａｒｔｓ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｔｗｏ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｎａｍｅｌｙ，ａ ＣｕＳｎ１０ａｌｌｏｙ ａｎｄ ４３４０ｓｔｅｅｌ，ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｄｕｒｉｎｇ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ｍｅｌｔｉｎｇ ａｎｄ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅｔｅｒ－ｏｇｅｎｅｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐａｒｔｓ．Ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ａｒｅ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ：（１）Ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｃａｎｂｅ ａｒｒａｎｇｅｄ ｆｒｅｅｌｙ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌａｙｅｒｓ ｏｒ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｚｏｎｅｓ ｏｆ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｌａｙｅｒ．（２）Ｆｏｒ ａ ｂｕｌｋ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅ－ｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐａｒｔ，ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｍａｓｓ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅｓ ｏｆ Ｆｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｐｐｅｒ ａｌｌｏｙ ｒｅｇｉｏｎ ａｎｄ ｏｆ Ｃｕ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌｒｅｇｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｔｏ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ２％ａｎｄ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １％，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．（３）Ａ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ ｍａｔｅｒｉ－ａｌ ｇｅａｒ ｐａｒｔ ｗｉｔｈ ａ ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｈａｐｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａ ｎａｒｒｏｗ ｍａｔｅｒｉａｌ ｒｅｇｉｏｎ ｉｓ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｆｏｒｍｅｄ．Ｔｈｅ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｒｔ ｉｓ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｈａｐｅ，ａｎｄｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｃａｎ ｂｅ ａｒｒａｎｇｅｄ ｆｒｅｅｌｙ ａｓ ｎｅｅｄｅｄ．Ｔｈｅ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌ ｒｅｇｉｏｎ ｉｎ ｏｎｅ ｌａｙｅｒ ｗｉｔｈ ａ０．５ｍｍ ｗｉｄｔｈ ｃａｎ ａｌｓｏ ｂｅ ｗｅｌｌ ｅｘｐｒｅｓｓｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｅｒｒｏｒ ｄｏｅｓ ｎｏｔ ｅｘｃｅｅｄ±０．１ｍｍ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ；ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ｍｅｌｔｉｎｇ；ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｐａｒｔ；ｍｅｔａｌ ｐａｒｔ１ 引 言 异质材料零件，亦称多材料零件，即在同一零件上应用不同材料，能极大改善单一材料的耐高温、电、磁等诸多性能，因而在航天航空、冶金、医学等领域有重要作用［１－３］。
一种原位能量控制的激光选区熔化装置[实用新型专利]
专利名称：一种原位能量控制的激光选区熔化装置专利类型：实用新型专利
发明人：宋长辉,刘林青,胡泽华,杨永强
申请号：CN202021275882.X
申请日：20200703
公开号：CN212551735U
公开日：
20210219
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种原位能量控制的激光选区熔化装置，本实用新型新增一路同步扫描的平顶大光斑，提供粉末熔点阈值以下能量，进行粉末预热/凝固速率调控，并对成形的金属进行退火处理，降低温度梯度，减少成形内应力，从而减少应力导致的变形、开裂等行为；同时因提供了低于材料熔点阈值的能量输入，原SLM小光斑仅需提供较低能量输入即可完成材料的熔化，有利于改善熔池飞溅及微气孔产生等不良情况。
本实用新型基于原位能量控制的方式，实现了激光能量的时间与空间分布。
本实用新型在有效降低成型零件过程中产生缺陷的同时，还实现凝固速率的控制进而调控组织演变，对于稳定、高效地成型高性能零件，推动增材制造技术的广泛应用有重大作用。
申请人：华南理工大学
地址：510640 广东省广州市天河区五山路381号
国籍：CN
代理机构：广州市华学知识产权代理有限公司
代理人：李斌
更多信息请下载全文后查看。
一种激光熔融沉积成型装置及其运行方法[发明专利]
专利名称：一种激光熔融沉积成型装置及其运行方法专利类型：发明专利
发明人：宋长辉,彭乔忠,杨永强,林康杰,王迪
申请号：CN201710245351.2
申请日：20170414
公开号：CN106975750A
公开日：
20170725
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种激光熔融沉积成型装置及其运行方法；包括二氧化碳激光发生器、复合打印头、多路送丝机构；二氧化碳激光发生器通过光纤连接复合打印头，并与其内的移动镜组和聚焦镜片形成光路连接；复合打印头的下端为圆锥形结构，沿圆锥形结构的外周壁分布有多个丝材导向通道；来自多路送丝机构的丝材穿入丝材导向通道内；二氧化碳激光发生器作为熔融丝材的热源，激光焦点聚焦在丝材端部并将其熔融；X、Y向运动机构携带复合打印头，将熔融后的丝材熔液按照规划路径熔融沉积在热床上。
本装置有机整合了二氧化碳激光器及复合打印头，丝材熔融发生在复合打印头外部，解决现有打印头在打印过程中容易出现喷头堵塞，等问题。
申请人：华南理工大学
地址：510640 广东省广州市天河区五山路381号
国籍：CN
代理机构：广州市华学知识产权代理有限公司
代理人：蔡克永
更多信息请下载全文后查看。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
５０，０８００２５激光与光电子学进展ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ基于选区激光熔化快速成型的自由设计与制造进展宋长辉１，２ 杨永强１，２ 叶梓恒１ 王 迪１（１华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州５１０６４０；２广州有色金属研究院，广东广州５１０６４１）摘要 随着机械系统复杂性的不断增加，在现代结构理论模型的设计中，设计者需要统筹考虑结构新颖性、性能优良性和制造可行性，但传统的制造方式对设计约束很大。
选区激光熔化（ＳＬＭ）是快速制造中最有发展潜力的技术之一，在理论上可以实现任意复杂的计算机辅助设计（ＣＡＤ）理论模型到金属功能件的直接制造。
针对ＳＬＭ自由制造的特点，结合华南理工大学在该技术方面的研究基础，研究了具有免组装、功能集成和轻量化特点的复杂金属功能件自由设计与直接制造的工艺，为航空航天、医疗、汽车等领域的产品创新设计与个性化制造提供参考。
关键词 光学制造；选区激光熔化；自由设计与制造；免组装机构；轻量化构件中图分类号 Ｏ４３６ 文献标识码 Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＬＯＰ５０．０８００２６Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｆｒｅｅｆｏｒｍ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｂａｓｅｄｏｎ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ ＭｅｌｔｉｎｇＳｏｎｇ Ｃｈａｎｇｈｕｉ １，２ Ｙａｎｇ Ｙｏｎｇｑｉａｎｇ１，２ Ｙｅ Ｚｉｈｅｎｇ１ Ｗａｎｇ Ｄｉ １１ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｈｚｏｕ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ５１０６４０，Ｃｈｉｎａ２ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｎｏｎ－Ｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌｓ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ５１０６４１，烄烆烌烎ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ Ａｓ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ｄｅｓｉｇｎｅｒｓ ｎｅｅｄ ｔｏ ｇｉｖｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｎｏｖｅｌｔｙ，ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｍｏｄｅｒｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｍｐｏｓｅ ｇｒｅａｔ ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎｏｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ．Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ｍｅｌｔｉｎｇ（ＳＬＭ）ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｔｈａｔ ｈａｖｅ ｍｏｓｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ，ｗｈｉｃｈｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｄｉｒｅｃｔ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｐａｒｔｓ ｆｒｏｍ ａｎｙ ｃｏｍｐｌｅｘ ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ａｉｄｅｄ ｄｅｓｉｇｎ（ＣＡＤ）ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｓ ｉｎ ｔｈｅｏｒｙ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｅｅｆｏｒｍ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆ ＳＬＭ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅｒｅｌａｔｅｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｅ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｆｒｅｅｆｏｒｍ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｄｉｒｅｃｔ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｍｅｔａｌ ｐｉｅｃｅｓ ｗｉｔｈ ｎｏｎ－ａｓｓｅｍｂｌｙ，ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｅｒｓｏｎａｌｉｚｅｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄｓ ｏｆａｅｒｏｓｐａｃｅ，ｍｅｄｉｃａｌ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ａｎｄ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｏｐｔｉｃａｌ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ；ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ｍｅｌｔｉｎｇ；ｆｒｅｅｆｏｒｍ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ；ｎｏｎ－ａｓｓｅｍｂｌｙｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅＯＣＩＳ ｃｏｄｅｓ １４０．３３９０；３５０．３８５０；２３０．４０００ 收稿日期：２０１３－０３－０８；收到修改稿日期：２０１３－０４－０１；网络出版日期：２０１３－０７－１１基金项目：国家自然科学基金（５１２７５１７９）作者简介：宋长辉（１９８６—），男，博士研究生，主要从事激光加工与激光快速成型等方面的研究。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｏｎｇ＿ｃｈａｎｇｈｕｉ＠１６３．ｃｏｍ导师简介：杨永强（１９６１—），男，博士，教授，博士生导师，主要从事激光材料加工、快速成型制造等方面的研究。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｍｅｙｑｙａｎｇ＠ｓｃｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ（通信联系人）１ 引 言随着机械系统复杂性的不断增加，在现代结构理论模型的设计中，设计者需要统筹考虑结构新颖性、性能优良性和制造可行性。
其中制造可行性强调在设计阶段就要充分考虑制造中的问题，其基本思想是从产品设计参数中提取与制造过程相关的信息进行分析，以改善设计。
传统制造对于产品的形状与结构设计约０８００２６－１５０，０８００２６激光与光电子学进展ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ束很大。
如何解放传统制造对设计的约束，实现复杂理论模型的工程价值，是目前急需解决的问题。
先进制造技术与计算和信息技术结合，在产品设计、制造工艺、装备和系统的描述、规划、操作与控制等方面带来了深刻的变革，推动产生了数字化制造这一新的学科领域［１－２］。
发展于２０世纪８０年代的多学科综合的快速成型（ＲＰ）技术采用离散／叠加原理，根据零件的三维数字化模型直接制造出实体零件，是数字化制造的重要组成部分。
随着科技发展及推广应用的需求，直接制造金属功能零件成为了快速成型主要的发展方向［３］。
目前可用于直接制造金属功能零件的方法主要有选区激光熔化（ＳＬＭ）［４］、选区激光烧结（ＳＬＳ）［５］、电子束选区熔化（ＥＢＳＭ）［６］、激光熔覆（ＬＥＮＳ）［７］等。
本文结合华南理工大学的相关研究基础，对基于ＳＬＭ的快速成型技术展开综述，以期为各领域的产品创新设计与个性化制造提供参考。
２ 选区激光熔化快速成型技术原理及特点ＳＬＭ快速成型集成了激光、精密传动、新材料、计算机辅助设计／计算机辅助制造（ＣＡＤ／ＣＡＭ）等技术，通过３０～８０μｍ的精细激光聚焦光斑，逐线搭接扫描新铺粉层上选定区域，形成面轮廓后，层与层堆积成型制造，从而直接获得几乎任意形状、具有完全冶金结合的金属功能零件，致密度可达到近乎１００％［８］。
ＳＬＭ将复杂三维几何体简化为二维平面制造，制造成本不取决于零件的复杂性，而是取决于零件的体积和成型方向［９］。
ＳＬＭ是一种激光增材制造技术，同ＬＥＮＳ技术一起是目前激光金属“三维打印”制造的重要方式，两者各有优势，其共同点包括［１０－１１］：１）采用分层制造技术；２）使用高功率密度的激光器；３）直接制成终端金属产品；４）金属零件是具有冶金结合的实体，其相对密度几乎达到１００％；５）适合单件和小批量模具和功能件的快速制造。
它们的区别体现在以下几个方面［１０－１１］：１）送粉方式不同。
ＳＬＭ基于铺粉式，而ＬＥＮＳ是同步送粉。
ＳＬＭ在成型时，粉末通过机械装置定量地送到成型平面上，然后采用滚筒或刮板等铺粉装置推送到成型缸，要求所铺粉末平整、紧实、均匀。
ＬＥＮＳ通过送粉装置将粉末送运到粉喷嘴，在喷嘴处粉末汇聚，要求粉末汇聚性好。
２）光路系统不同。
ＳＬＭ基于高速动态扫描振镜，而ＬＥＮＳ则是基于激光与数控平台的相对运动（激光束运动或者工作平台运动）。
ＳＬＭ高速动态扫描振镜可让激光在７ｍ／ｓ的扫描速度下精确定位与粉末作用的位置，但扫描范围受限于扫描振镜；ＬＥＮＳ激光与数控平台相对运动装置简单，精度取决于机械运动平台。
３）激光与粉末作用位置不同。
ＳＬＭ是激光焦点直接作用在成型平面粉床上，而ＬＥＮＳ同步送粉立体成形是激光焦点光斑作用在喷嘴粉末汇聚处。
ＳＬＭ金属功能件直接制造与传统制造都需要数字化建模，而建模的过程也就是通过产品的设计来实现产品的功能。
产品的设计又需要提取制造信息补充设计规则、理论，减少后反馈设计。
传统制造将特征识别作为一种映射工具，而基于ＳＬＭ的金属功能件自由制造的理念使其不限于已知的特征，即ＳＬＭ技术拓展了现有的设计特征。
同时ＳＬＭ离散／累积制造在原理上也有一定约束，设计时需要提取的制造约束信息有：１）分层约束；２）激光光斑约束；３）激光与材料相互作用约束［９］。
目前很多学者开始重视成型件的设计，如英国Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｗａｌｅｓ采用工艺试验测试选区激光熔化直接制造几何形状的成型能力［１２］，但大多只在应用研究中稍有涉及，并且针对ＳＬＭ设计与制造大多局限于几何形状的设计以及单个零件的制造，无法发挥ＳＬＭ制造的优势。
３ 基于选区激光熔化快速成型免组装机构自由设计与制造如何解放机构理论模型设计约束，让机构理论模型研究成果真正实现其工程应用价值，是目前急需解决的问题。
传统机构制造方式是将机构的各个构件先制造出来，然后组装成机构。
这要求设计者在设计时必须考虑到组装手段和装配空间，并由此延伸了面向装配的设计（ＤＦＡ），可见因组装带来的设计约束很大。
华南理工大学苏旭彬等［１３］提出了免组装机构的概念，为了区别于传统机构，将采用数字化设计和组装并直接制造成型，无需实际组装工序的机构称为免组装机构，并采用ＳＬＭ技术一次性将金属机构制造出来。
免组装机构ＳＬＭ直接成型的主要步骤为：建立各个零件三维模型，将各个零件模型数字化组装后进行数据处理，导入ＳＬＭ成型设备直接成型。
０８００２６－２５０，０８００２６激光与光电子学进展ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ结合目前的研究，在此定义下的免组装机构将分为运动副的免组装和功能件的免组装。
运动副的免组装主要研究现有的一些活动机构，在计算机设计过程中将构件组装，通过ＳＬＭ一次直接制造。
如传统万向节由节和十字架组成，将构件ＣＡＤ模型在计算机中组装后，用ＳＬＭ制造，如图１所示。