考虑产品质量控制的激光3D打印系统设计

部分生产企业为降低成本,并为后续的规模生产提供前期参考样本,会在规模生产前对产品进行有必要激光3D打印,为保证样品参考质量,有必要提升激光3D打印控制精度,缩短激光3D打印时间。为实现这一目标,设计了一种考虑产品质量控制的激光3D打印系统。首先对系统框架进行设计,将其分为上位机层、中间层和下位机层;关键硬件组成包括微控制器、交换机、步进电机、温控单元组件以及激光3D打印机;软件部分对其主程序以及三个子程序(待打印产品三维模型建立子程序、信息文件格式转换程序、产品图像打印子程序)进行设计。系统实现与测试结果证明:设计系统的控制精度较强,精度最高可达到99%,且打印误差率较低,仅为1%,打印时间较短,最低仅为302 s,以期通过研究为提升激光3D打印控制精度,缩短激光3D打印时间提供一定帮助。

基于数据挖掘的激光3D打印质量工艺参数优化研究

若是参数设置出现较大偏差直接导致激光3D打印成品与预期成品精度存在很大误差,严重影响打印质量。为了能自动寻找最佳的工艺参数,结合数据挖掘技术,提出一种参数优化方法。通过计算皮尔逊相关系数,选出6个工艺参数作为优化对象。计算多层打印误差的平均值作为激光3D打印质量的衡量标准。以6个工艺参数为输入,以打印误差的平均值为输出,利用数据挖掘中的神经网络算法建立二者之间的非线性映射关系(目标函数),利用萤火虫算法对模型进行求解,得到最佳激光3D打印质量工艺参数。测试结果表明:基于数据挖掘的优化方法求出的工艺参数应用下,激光3D打印在x、y、z三个方向上的误差均达到最小值,说明成型精度更高,实现参数优化目标。

激光3D打印制备多孔结构不锈钢的组织及压缩性能研究

采用316L不锈钢粉末基于激光3D打印技术（Laser 3D printing，L3DP）制备多孔结构试样与致密试样，研究其微观组织结构及压缩性能。首先对两种试样进行显微组织分析及显微硬度测量；随后进行压缩试验，获得两种试样工程应力．应变曲线并比较其压缩性能；最后利用有限元数值模拟动态再现两种试样的压缩过程，分析变形过程中金属流动与宏观工程应力．应变曲线的内在联系。结果表明：L3DP成型多孔结构不锈钢部件内部组织具有典型的层带结构，主要由沿不同方向生长的柱状晶构成，晶粒尺寸由中心白亮组织向外逐层递增，各层带成分分布均匀且显微硬度在170～190HV之间变化；L3DP成型多孔不锈钢部件的屈服强度为380MPa，压缩弹性模量为23．0GPa，具有良好强塑性匹配；压缩仿真试验显示多孔结构部件内部孔隙在应力作用下逐渐弯曲，最终由流动金属压合填充，由此导致整体空间体积减小，所以相同工程应力下多孔结构部件的工程应变较大。

EIGA法制备激光3D打印用TC4合金粉末

采用电极感应熔炼气雾化法(EIGA)制备激光3D打印用TC4合金粉末,研究了雾化气压对粉末收得率、粒径、粉末形貌、松装密度、流动性及空心球率等特征的影响.结果表明:随着雾化气压的增加,粉末收得率、球形度增加,而粉末平均粒径减小.雾化气压为6.0MPa时,粉末收得率超过50%,平均粒径小于100μm,松装密度为2.950 g/cm^3,流动性为2.242 g/s,空心球率低于3%.雾化气压为7.0 MPa时,非球形缺陷粉末和空心球率增加.对比雾化气压为6.0 MPa制备的不同粒径粉末,以及激光3D打印后的拉伸曲线与断口形貌,发现50~100μm粉末打印TC4合金的抗拉强度达907.7 MPa,延伸率最大达15.3%,具有良好的强韧性.

激光3D打印TC4球形合金粉末的制备

采用真空旋转电极气雾化法（EIGA）制备激光3D打印用TC4钛合金球形粉末，利用SEM、XRD、EDS、激光粒度分析仪、霍尔流速计等分析方法对制得球形粉末的形成机制、表面微观组织、成分、相组成、粒度分布、流动性和松装密度等进行了研究，结果表明：在工艺参数为感应功率60kW，雾化气压6．0MPa条件下，EIGA法成功制备了激光3D打印用TC4钛合金球状粉末，粉末球形度达到98％以上，含氧量（质量分数）为0．09％；合金粉末中Ti、Al、V等元素分布均匀，粉末颗粒表面物相为密排六方α-Ti单相固溶体；制得的TC4粉末表面平整、光洁，粒度分布均匀，主要粒径在1—180μm之间，粉末流动性为24．1s／50g，松装密度为2．699g／cm^3，松装密度比为60．93％，符合激光3D打印用TC4钛合金粉末特征要求．

激光3D打印方法制备Nb/SiC体系梯度材料的微观组织及反应机理

采用激光3D打印的方法制备了Nb/SiC体系梯度材料,获得了从纯金属铌逐渐过渡到40%Nb+60%SiC(体积分数)复合层的梯度材料.通过扫描电子显微镜(SEM)、电子探针(EPMA)和X射线衍射仪(XRD)分析了梯度复合层的微观组织.结果表明,层与层之间结合良好,激光熔敷过程中铌和SiC之间发生了反应,生成了Nb_5Si_3,Nb_2C,NbC和NbSi_2等二元化合物,并且随着SiC含量的逐渐增加,梯度材料内部产物呈现如下变化趋势:Nb+Nb5Si_3+Nb_2C+NbC→Nb_5Si_3+NbSi_2+SiC+NbC→NbSi_2+SiC+NbC.当SiC含量达到30%时,梯度复合层中残留金属铌消失,且开始出现残余的SiC颗粒,随着原始SiC比例的增加,复合层中不仅残余SiC的含量增加,而且粒度也逐渐增大.

激光3D打印TC4钛合金工件根部裂纹成因分析

激光3D打印TC4钛合金工件的根部出现了裂纹。通过分析裂纹的微观特征以及工件的残余应力,分析了裂纹产生的主要原因。结果表明:以高速、微层、微区连续熔凝为特征的激光3D打印,其热输入量较小,打印层对已成型层的退火作用小,导致激光3D打印TC4钛合金工件外表面出现严重的拉应力,最大值达到了640 MPa;同时3D打印过程中存在的飞溅、咬边和熔道不连续等缺陷,会影响下一层铺粉厚度和密度的均匀性,导致微观缺陷的产生,或使得打印工件的性能在微观上不均匀;微观分析显示,裂纹起源和终止于微缺陷处,在扩展过程中有向微缺陷处发展的特征;预热温度不够、严重的残余拉应力、微观缺陷或性能不均匀的共同作用,是导致激光3D打印TC4钛合金工件根部出现裂纹的主要原因。

激光3D打印H13/WC-Co复合涂层组织及性能研究

采用YLR-2000型连续光纤激光器制备H13合金基层,然后在其表面熔覆WC-Co覆层,通过正交试验分析激光功率、扫描速度和送粉量对覆层成形质量的影响,并确定最佳参数。借助光学显微镜和扫描电镜分析复合涂层组织形貌,使用显微硬度计测试H13/WC-Co复合涂层的纵截面显微硬度。结果显示,激光功率对WC-Co覆层的熔宽和熔高影响最大,扫描速度和送粉量对熔宽和熔高影响较小。优化的工艺参数为:激光功率600 W、扫描速度8 mm/s、送粉量6 g/min。经激光3D打印后的H13合金基层的顶部组织主要为网状枝晶,底部主要为柱状枝晶,WC-Co熔敷覆层组织主要由胞状晶和等轴树枝晶两部分组成,覆层和基层之间形成了良好的冶金结合。复合涂层的横截面显微硬度从基层到覆层的方向逐渐增大,基层的平均显微硬度约为464.21 HV0.1,覆层平均显微硬度约为1218.11 HV0.1,约为基层显微硬度的2.62倍。

SLA激光3D打印导向器在全膝关节置换术中的应用研究

目的:探究SLA激光3D打印导向器在全膝关节置换术中的临床应用价值和可行性。方法:纳入1例骨性关节炎患者,行双下肢多排双源螺CT平扫,利用计算机软件Mimics19.0进行患者DICOM处理数据,测量力线和畸形角度,重建骨骼模型:使用UG(Unigraphics)NX 11.0进行导向器设计和术前模拟手术操作;术中使用SLA激光3D打印机制造的导向器进行截骨定位,安装假体,术后复查膝关节正侧位X线片,记录术前、术后4周的美国特种外科医院(Hospitcal for Special Surgery,HSS)评分情况、膝关节活动度(range of motion,ROM)、下肢力线角度(股骨与胫骨机械轴的夹角)。结果:患者手术过程顺利,膝关节假体位置良好,关节间隙平行等宽,膝关节内翻畸形得以矫正,术后4周HSS评分74,关节活动度ROM:屈98°、伸3°下肢力线角度(股骨与胫骨机械轴的夹角):HKA角176.59°,FFC角94.63°,FTC角87.55°,LFC角13.96°,LTC角91.97°。患者恢复满意膝关节活动度和正常的下肢生物学力线。结论:SLA激光3D打印导向器应用于全膝关节置换术可简化手术操作,提高截骨精准性,获得良好的下肢力线,为TKA手术提供了一种切实可行的方法。

EIGA法制备TC4合金粉末的激光3D打印性能研究

采用电极感应熔炼气雾化法制备了50~180μm激光3D打印用TC4合金粉末,研究了粉末截面微观组织和成分,并采用激光3D打印成形了TC4合金样品,研究了松装密度对激光3D成形熔池截面形貌的影响,粉末粒径范围对打印样品的微观组织、拉伸断口形貌的影响。结果表明:TC4合金粉末内部组织存在大量的针状马氏体;随着松装密度增大,熔池的宽度和高度先增大后减小,激光3D打印成形TC4钛合金最佳松装密度为2.696~2.792g/cm^3;块状魏氏体组织随打印粉末的粒径范围减小而减少,致使拉伸断口形貌中韧窝密集程度逐渐增大,样品塑性提高。打印样品DSC分析相变起始温度为830.09℃、峰值温度为927.39℃均低于稳态相变温度,表明打印样品内存在大量亚稳相。

工艺参数对激光3D打印钛合金组织拉伸性能的影响分析

为了减少3D打印钛合金缺陷,提高连接点质量,分析了工艺参数对激光3D打印钛合金组织拉伸性能的影响。首先分析了影响激光3D打印钛合金组织拉伸性能的参数不确定性;进行2次不同工艺参数对拉伸性能的影响实验,可以发现在热处理环境下,晶粒尺寸增加,拉伸性下降,集束尺寸扩大,拉伸性能增强,而厚片度的提高,对钛合金的强度与拉伸性均有利;实验二将线能量密度、坡口角度以及扫描路径作为工艺参数,对拉伸性能做方差对比,结果表明线能量密度对钛合金拉伸性能影响较明显,密度越大拉伸性能越强,通过分析可以为后续打印过程提供近优工艺参数,保证激光3D打印质量。

激光3D打印用TC21钛合金粉末制备及其成形性研究

采用电极感应熔炼气雾化法制备激光3D打印用TC21钛合金粉末,并利用制备的合金粉末打印出钛合金样品。采用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射对电极感应熔炼气雾化法制备的TC21钛合金粉末的形貌、粒径、组织进行了研究。并对成形合金的力学性能进行了分析。结果表明:在优化后的制粉工艺参数下,制备的TC21粉末为球形,粉末表面和内部都是由等轴状的原始β晶粒构成,二次枝晶沿着晶界向晶粒内部发展,主要相由α'相、β相以及金属间化合物AlTi_3、Ti_2AlNb、Zr_3Al构成。在优化后的激光3D打印参数下,打印的TC21钛合金组织为α'相、β相,以及金属间化合物AlTi_3、Ti_2AlNb、Zr_3Al。合金的金相组织分为明区、过渡区、暗区三个区域。明区为α'马氏体针,暗区为网篮组织;明区硬度达541 HV,暗区硬度达470 HV;打印合金的抗拉强度为1150 MPa,伸长率约为8%。该方法制备的TC21钛合金粉末具有良好的激光3D打印成形性。

EIGA法制备激光3D打印用TA15钛合金粉末

采用电极感应熔炼气雾化(EIGA)法制备了激光3D打印用TA15钛合金粉末,研究了熔炼功率对粉末收得率、粒径分布、粉末形貌、松装密度和流动性等特征的影响。结果表明,随着感应熔炼功率增大,粉末收得率和平均粒径减小,当熔炼功率为65kW时,粉末收得率超过62%,中值粒径D_(50)小于100μm,松装密度为2.731g/cm3,流动性为22.46s/50g。对粒径50~180μm的粉末采用激光3D打印,激光直接沉积成形的TA15钛合金样品表面无宏观裂纹和气孔等缺陷,金相组织为细晶网篮组织,制备的TA15钛合金粉末具有良好的可打印性。

激光3D打印用TC4合金粉末的制备研究

激光3D打印是一种快速成型技术,合金粉末作为激光3D打印的重要原料之一,粉末的相关参数会直接影响打印成型的质量。文章介绍了激光3D打印用TC4合金粉末的3种制备方法,包括等离子旋转电极法、等离子丝材雾化法与气体雾化法,并以等离子旋转电极法为例分析了利用此法制备TC4合金粉末的原理,并探讨了其微观组织演变规律与热处理方法,表明利用此方法制得的TC4合金粉末具有良好特征,可以很好地满足激光3D打印的要求。

激光3D打印工艺对钛合金质量的影响

为了解决传统锻造方法锻造TC4钛合金时容易造成的生产效率低且锻造形状简单等问题,对TC4钛合金进行了激光3D打印,并确定了最佳激光3D打印工艺参数.利用金相显微镜和扫描电子显微镜对TC4钛合金单道打印层的成形质量、显微组织与相组成进行了分析.利用显微维氏硬度计和万能拉伸试验机测量了打印层的硬度和拉伸力学性能.结果表明,在最佳工艺参数下TC4钛合金打印成形良好,其打印层组织主要由片层状α固溶体组成.打印层的Z向拉伸强度指标低于XY向,而Z向拉伸塑性指标高于XY向,且Z向强度和塑性指标均超越了TC4锻件国家标准(GB/T 25137-2010).同时Z向和XY向拉伸断口形貌均为塑性断口.

激光3D打印用覆膜砂的制备工艺研究

使用热法覆膜工艺开发适用于激光3D打印砂型砂芯用的覆膜砂烧结材料。以硅砂作为原砂,以PF-1904和PFR-1350两种热塑性酚醛树脂按1：1比例混合作为粘结剂,通过正交试验的方法探索最佳的覆膜工艺参数。结果表明,为获得较高的覆膜砂常温抗拉强度,宜选用的制备工艺参数为砂温180℃,树脂含量3%,加固化剂后混砂40 s,加硬脂酸钙后混砂时间30 s。覆膜砂经激光选区烧结后,其抗拉强度达到3.42 MPa,基本满足新材料的开发要求。

激光3D打印过程温度场数值模拟

通过对激光能量输入的数学处理,建立激光3D打印过程中的温度场模型.利用ANSYS对不同工艺条件下的温度场进行数值模拟,温度场云图的圆形高斯分布符合激光光束截面上的光强分布.采用热像仪对激光3D打印过程的温度场进行实测,对实测结果与模拟结果进行对比分析,两者的温度场分布互相吻合.所建立的温度场模型可实现激光3D打印工艺的计算机分析和优化.

激光3D打印过程自动测温研究

针对目前传统的热电偶测温方法所带来的装夹困难、响应时间长、只能获得单点温度数据等不足之处,提出了一种基于热像仪的激光3D打印过程自动测温方法.对覆膜砂SLS过程的温度场进行了实测,通过对实测云图数据的分析得出了覆膜砂SLS的最佳工艺参数,并实际打印出样品,样品与CAD设计模型的相对误差小于1%.此方法可以节省试制的时间成本及材料成本,所获得的完整温度场云图信息有利于激光3D打印工艺的计算机模拟及优化.

激光3D打印非晶合金晶化体积分数的理论预测

采用一种有效的方法预测激光3D打印块状非晶合金的晶化程度,对于激光3D工艺参数的选择与优化至关重要。本工作从非晶合金的晶化动力学入手,通过测试不同加热速率下非晶合金的特征温度,获得非晶合金发生晶化所要克服的晶化激活能和Arrhenius指前因子,并结合有限元模拟技术,提出了一种预测激光3D打印非晶合金晶化体积分数的方法。以Zr50Ti5Cu27Ni10Al8(Zr50)非晶合金为模型体系,验证了该方法的有效性。结果表明:利用该方法获得的激光3D打印单道Zr50非晶合金晶化相体积分数为1.23%,与实验得到的晶化相体积分数1.65%较接近,这有力地证明了提出的激光3D打印非晶合金晶化体积分数的理论预测方法是可行的。

同轴送粉激光3D打印光粉耦合作用以及熔池气液界面追踪数值模拟的研究进展

金属激光3D打印作为一种"无需工具"的数字化制造技术,摆脱了传统加工方式的约束,将有可能改变产品的生产模式,给企业和消费者带来巨大的经济效益和社会效益。它利用层层堆积的精密加工模式,使得高精度复杂结构制造变为可能。这将极大简化产品设计环节,提高零部件的集成度,缩小产品的研发周期。相对于利用切削机床对毛坯进行加工的"减材制造",3D打印制造减少了原材料的使用量,降低了对自然环境的压力。3D打印技术实际上是一个"逐点扫描-逐线搭接-逐层堆积"的循环往复过程,在长时间的加工过程中,零件的不同部位材料均经受着一系列短时变温、非稳态、强约束、循环固态相变的微热处理过程。这种微热处理的加热及冷却速度极快、相变持续时间极短,且每一微热处理的相变温度、加热及冷却速度和相变持续时间均随热循环次数的变化而变化,使得激光3D打印的金属构件显微组织结构独特,并表现出对加工工艺条件强烈的依赖性,进而影响成型零部件的综合力学性能。因此,实现对激光3D打印金属零部件显微组织结构、冶金缺陷的主动控制是亟待解决的关键问题。其中掌握同轴送粉金属激光3D打印加工过程中粉末流与激光束的耦合作用,以及熔池气-液自由界面的传质和扩展特征,是选择最优加工参数,获得综合力学性能优良的金属零件的关键。然而,采用试验分析途径难以精确并定量地揭示上述问题,但数值仿真模拟却能有效揭示其微观规律。例如在光-粉耦合作用方面,目前大部分研究学者从单个粉末颗粒到粉末流对激光束产生衰减的角度出发,研究了激光束与粉末相互作用的机理;另一方面其他研究人员从粉末颗粒对激光束吸收和散射的角度建立数学模型,利用米氏散射理论和朗伯-比尔定律仿真分析计算了粉末流与激光束的相互作用。而包含粉末流对激光束产生衰减以及粉末流吸收并反射、散射激光等多角度多因素的数值模型却鲜有报道,因此,这些方面是学者今后研究的主要方向。本文主要综述了国内外研究学者对同轴送粉金属激光3D打印仿真模拟的研究进展,并详细阐述了3D打印过程中的光-粉耦合作用、熔池气-液界面和固-液界面追踪等。