华南理工杨永强教授团队在新一代SLM技术领域的研究进展 

发布时间: 2021-04-20 10:22
编者按:本文来自微信公众号“3D打印技术参考”(ID:AMReference),3D打印资源库经授权发布。

3D打印技术参考曾撰文指出,新一代SLM技术已经表现出了差异化的竞争趋势,这些差异化围绕着成型效率、制造成本、后处理、质量保证等一直以来备受关注的“痛点”展开,诞生出了一系列的新技术,不仅丰富了产品类型,更给这项发展了20多年的技术带来了新活力。本期,3D打印技术参考介绍华南理工大学杨永强教授团队在新一代SLM技术领域的研究进展。
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双波长激光粉末床金属3D打印机

将1070nm的红外光纤激光器与450nm的蓝光半导体激光器相结合,实现红外/蓝光复合,既可以打印钛合金、铝合金、不锈钢等常规材料,也可以打印对红外光具有高反作用的金、银、纯铜等材料,在实际加工过程中只需要根据材料不同切换激光器即可。这是华南理工杨永强教授团队正在承担的一个项目。
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此种类型的金属3D打印机目前在市场中还未看到过具体的案例,但却具有较高的应用价值,尤其是对于面向加工服务的平台和科研领域的高校。目前,杨永强教授团队已经在两束不同激光的复合打印研究方面取得了比较好的效果。

以粉末床熔融为代表的金属3D打印机动辄几百万,而传统机型所配备的红外光纤激光在打印纯铜等材料时存在弊端。目前虽已有配备绿光激光器的市售打印机,但对于有多重需求的应用端无疑会增加购机成本。而双波长打印机的研发正是新一代SLM技术差异化的表现,具有现实的应用价值。
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3D打印技术参考查询了华南理工大学有关本项研究的专利,相关资料指出,450-560nm波长激光的应用提高了镁、铝、铜合金等高反射金属粉末在激光选区熔化技术中的吸收率,提高了高反射率金属材料的加工质量与加工效率。一种高反射材料蓝绿激光微熔化成型装置,最终实现聚焦光斑直径小于15μm,采用5-10μm的微细粉末,实现了尺寸精度5μm、特征尺寸小于10微米,表面粗糙度Ra小于2μm,致密度大于99%的蓝/绿光激光选区微熔化。

8激光大幅面金属3D打印机
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把打印尺寸做大,在保证精度的前提下提高效率,增加振镜和激光的数量在目前是比较有效的办法。通过简单振镜拼接方式来提高打印幅面可以将打印尺寸提高到600mm以上,然而通过2振镜或4振镜协同实现的全幅面打印,尺寸会局限在300-400mm;4振镜拼接打印效率提升有限,不足四倍;9振镜拼接的搭接面太多。

杨永强教授团队与大族激光合作承担了广东省重点研发计划,正在开发8激光器、4个双振镜组动态调焦的大幅面3D打印机。按照杨永强教授的介绍,在该方案中,两个激光负责同一个幅面,8个激光分成了四个区,来实现大幅面打印。

激光和振镜的摆列方式有多重组合,如何更有效的组合好,最关键的是解决协同控制以及多振镜的光学调校等问题。

多激光大幅面打印机面临的一个最大问题是气流和风场的问题,打印过程中的烟尘和飞溅难以避免,在多激光情况下将更加严重,气流场流道的结构设计、处于成型腔内的位置、进出气流的大小,都将对材料的成型质量控制产生不同的影响,这是该技术普遍性的问题,杨永强教授团队有专门的博士生在从事该方面的工作。
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该团队目前开发的商业化最大尺寸打印机是四激光四振镜的Dimetal-650,成型尺寸为620*620*1100mm,将亮相TCT 3D打印展。

多材料铺粉式金属3D打印机

华南理工杨永强教授团队开发了基于SLM技术的多材料铺粉式金属3D打印机,采用上送粉方式,可在成型过程中,不间断打印的情况下添加粉末,可实现1-4种材料梯度成型、选区成型,支持单一材料及多种材料转换。通过控制系统,还可以实时监控不同粉末用量数据。
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成分梯度合金在航空航天和核领域具有重要的应用价值,部件不同位置可能会根据工作条件的不同选择不同的材料。这些不同的工作条件可能需要某个特定的主要功能,例如一个位置需要抗腐蚀和另一个位置需要抗蠕变,这就需要连接两种或多种不同的合金。同时,成分梯度材料在一些应用中可以显著降低成本,中航工业沈阳飞机设计研究所采用增材制造实现了300M与A-100钢梯度复合设计成型,使飞机起落架的制造成本降低了45%。
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使用激光粉末床熔化和直接能量沉积为成分梯度合金制造提供了一种有吸引力的途径,它们的分层送粉机制可以在多个空间维度引入化学成分的梯度。

END

无论聚焦细分领域,还是解决传统SLM技术的制造通病,对原有技术进行创新正在成为趋势,同时也成为产品脱颖而出的关键所在。实际上,这一点已经成为很多传统SLM设备商的共识。

除以上研究方向外,该团队还在开发机器人激光/等离子增减材设备等项目;同时,3D打印技术参考还查询到杨永强教授团队多项关于粘结剂喷射3D打印的专利已经在去年获得授权。
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