深入了解同轴送粉3D打印技术

学习提要

掌握同轴送粉3D打印技术的原理及特点；

熟悉同轴送粉3D打印技术工艺流程及典型应用。

学习内容

在3D打印行业中，金属同轴送粉3D打印工艺由于研究单位和机构的不同，又可被称为激光直接制造技术（DLF）、激光熔化沉积（LMD）、直接金属沉积（DMD）、激光近净成型技术（LENS）、激光快速成型（LRF）、直接能量沉积（DED）等，但其原理本质上是相同的，本书中将其称为同轴送粉3D打印技术。

同轴送粉3D打印技术开始于20世纪80年代末，是指以激光为热源，采用快速成型制造技术生产金属功能模型和零件的技术。

一、同轴送粉3D打印技术的工艺原理及特点

1.工艺原理

同轴送粉3D打印技术以“离散—堆积”“添加式制造”的成型原理为基础，利用分层叠加的原理来制造金属零件，采用累积的方式产生特定形状的零件。首先在计算机中建立最终功能零件的三维CAD模型或利用现有模型，然后将该模型在模型处理软件中按一定的厚度分层切片，即将零件的三维数据信息转换为一系列的二维轮廓几何信息、层面几何信息，融合成型参数生成扫描路径数控代码，模型建立与处理过程与前述SLS、SLM技术相类似，激光器产生的激光通过光纤传导到加工头，金属粉末由送粉器通过氩气载送到加工头，与激光的聚焦点重合，高功率激光熔融金属粉末，数控机床带动加工头运动，按照预设轨迹逐层沉积，打印出当前层，层层叠加，直至整个零件成型结束，最终形成三维实体零件或仅需进行少量加工的近形件。为防止金属在成型的过程中氧化，设备安放在填充惰性气体的密封箱体中，使激光成型过程中的金属不被氧化。同轴送粉3D打印技术的原理如图3-44所示。

图3-44　同轴送粉3D打印技术原理图

2.工艺优势

同轴送粉3D打印技术具有无模具、短周期、低成本、高性能及快速响应等特点，因此具有以下几大优势：

①柔性化程度高，能够实现多品种、变批量零件加工的快速转换。

②生产全过程简化为零件的计算机设计、激光立体成型和少量后期处理3步，省去了设计和加工模具的时间和费用，产品研制周期短、加工速度快。

③全部设计在计算机中完成，实际的制造过程也在计算机控制下进行，真正实现制造的数字化、智能化和无纸化。

④能够在制造过程中根据零件的实际使用需要改变其各部分的成分和组织，实现零件各部分材质和性能的最佳搭配，生产梯度材料零件。

⑤实现无模具最终成型，极大节省材料，降低成本。

⑥高能激光产生的快速熔化和凝固过程使材料具有优越的组织和性能。

⑦产品的复杂程度对加工难度影响很小，甚至可以加工出具有复杂内腔的零件。

3.工艺流程

同轴送粉3D打印的流程是首先对打印产品进行三维建模得到三维模型，然后通过扫描切片分层软件对三维模型做切片处理，得到模型的分层信息和数据，接着将分层信息和数据导入打印设备，通过设备设定的激光功率、送粉速率、层厚、扫描策略等打印工艺参数进行打印成型，最后通过线切割、抛光、机械加工等后处理得到最终产品。以金属叶片为例说明同轴送粉3D打印的工艺流程，如图3-45所示。同轴送粉3D打印过程如图3-46所示。

4.技术特点

①材料使用范围广，可使用不锈钢、钛、镍、钴铬合金等金属粉末进行打印。

②可打印大型结构件，成型效率大于1 kg/h（铁基粉末）。

③可进行激光熔覆和激光打印等多种加工工艺，真正实现一机多用。

④粉末利用率高，可减少贵重金属粉末的消耗。

⑤加工过程全自动化，工作状态实时监测，实现无人化生产。

图3-45　3D打印金属叶片工艺流程图

图3-46　同轴送粉3D打印过程

5.关键技术

（1）激光器

激光器是同轴送粉3D打印的热源，同轴送粉3D打印技术采用的激光器种类主要有CO2激光器、Nd：YAG激光器和半导体激光器3种，功率范围可从几百瓦到几十千瓦。CO2激光器出现较早，工业上应用广泛，是当前使用较多的一种激光器；Nd：YAG激光器的优点在于：激光光束可用光纤传输，明显提高了柔性，Nd：YAG激光波长较CO2短，能量的反射损失少，零件变形小，工艺稳定性高；与CO2激光器和Nd：YAG激光器相比，半导体激光器在功率、光能吸收率、光电转换效率及运行成本上有明显的优势，也是发展应用的趋势。

半导体激光器拥有的下列特性可最大程度提高经济效益：高至45%的光电转化效率；低投资及运转费用；高度的稳定性及可靠性；高度的紧凑性及移动性；易与生产设备整合；光束质量极佳；低维护结构；友好的使用/操作界面；通过创新的、有效的冷却技术达到最大的输出功率及稳定性。目前主要的光纤耦合半导体激光器（见图3-47）品牌有IPG、Laserline、通快等。

图3-47　常用光纤耦合半导体激光器

大功率光纤耦合半导体激光加工系统与CO2激光系统对比见表3-10。

表3-10　大功率光纤耦合半导体激光加工系统与CO2激光系统对比

在传统的覆层及涂覆工艺中，常常需要很高的热量输入，同时存在晶体生长或覆层材料与基体材料覆着不牢的缺点。相较传统技术，二极管激光通过低热量输入达到高品质的覆层。与其他类型激光相比，二极管激光具有良好的经济效益以及极强的稳定性。半导体激光器用于熔覆具有以下优点：涂覆热量输入低；微观结构均匀，附着性极好；工艺稳定性高；稳定简易的自动化工艺；产品质量可靠稳定。

（2）同轴送粉装置及回收装置

为了使熔覆层在各个方向均保持相同的精度和性能，LENS过程中必须采用同轴送粉方式。同轴送粉装置主要由送粉器、同轴送粉喷嘴以及传送管路组成。在激光直接制造过程中，未被利用的金属粉末散落在沉积基体的表面及附近，为了使激光“堆积”过程能继续正常进行，必须通过回收装置对这些粉末进行清理和回收，以便循环再利用。光学头及送粉头除同轴送粉头外，还有旁轴送粉头、内控头、淬火头等，如图3-48所示。

送粉器采用双料仓负压式送粉器，采用载气式送粉结构，可以实现长距离的粉末输送，是实施激光加工的辅助设备，可实现激光加工的同步送粉，能满足三维激光熔覆和激光快速成型工艺的要求。

图3-48　主要应用的光学头及送粉头

（3）气体保护单元(https://www.xing528.com)

由于激光直接制造是在高温下进行，在制造过程中，金属材料的防氧化保护至关重要，因此金属材料必须在有惰性气体充分保护下进行激光直接制造。一般将氮气或氩气作为工作室中的保护气体。净化除尘系统包括气体循环净化、除尘及再生等系统，清除密封加工室内的氧和水，以及加工时产生的烟尘，实现密封工作箱内惰性气体循环，保护激光加工过程中材料清洁和不被氧化。

（4）中央控制系统及工艺软件

中央控制系统集中控制光纤激光器系统、冷水机组、五轴机床数控系统、惰性气体净化除尘系统、送粉系统、温度控制系统、实时监控系统、安全报警系统等，用于控制机械运动工作台的联动以及激光直接制造的其他工艺因素。

工艺软件主要对三维模型进行切片、路径规划等处理，并将加工参数信息整合到数控文件中去，最后通过3D打印设备完成整个零件的打印制造，并对整个加工过程的关键参数进行监控，保证零件的加工质量。

二、同轴送粉3D打印技术的常用材料

1.自熔性合金粉末

自熔性合金粉末可分为镍基自熔合金、钴基自熔合金、铁基自熔合金，其主要特点是含有硼和硅，因而具有自我脱氧和造渣的性能，即自熔性。其中，以镍基材料应用最多，与钴基材料相比，其价格更便宜。

2.碳化物复合粉末

碳化物复合粉末是由碳化物硬质相与金属或合金作为黏结相所共同组成的粉末体系。粉末中的黏结相能在一定程度上使材料免受氧化和分解，特别是经预合金化的碳化物复合粉末，能获得具有硬质合金性能的涂层。

3.自黏结复合粉末

自黏结复合粉末是指在热喷涂过程中，由于粉末产生的放热反应能使涂层与基体表面形成良好结合的一类热喷涂材料，其最大的特点是具有工作粉和打底粉的双重功能。

三、同轴送粉3D打印技术的主要应用

同轴送粉3D打印技术主要可用于多金属材料复合工件的加工制造和复杂大型工件的直接成型制造，以及矿山机械、石油、化工、电力、冶金、铁路、汽车、船舶、航空、机床、医疗器械、制药、印刷、包装、模具等行业的零部件及工具的表面强化、残损零件和工具的改造和修复。

图3-49　打印航空叶片

在航空航天领域，用于直接打印成型金属零部件，减少备件加工的等待时间，大幅提高飞机的可用性和战备完好性，降低寿命周期成本，并通过维修和实时制造保持好的使用可用度。同时通过缩短新型航天装备的研发周期，提高材料利用率，节约昂贵的战略材料，降低成本；通过优化零件结构，减轻质量，减少应力集中，增加使用寿命。3D打印航空叶片如图3-49所示。

在模具制造行业，传统的模具设计受到制造技术制约，一些拓扑优化的设计由于结构复杂而无法实现，送粉3D打印的模具带有复杂的形状，比传统方式铸造的模具，机械性能大幅提升，制作周期缩短和材料成本大幅降低。

送粉3D打印技术的原理与激光熔覆技术的原理类似，因此，送粉3D打印设备能同时用作激光熔覆设备进行表面处理和修复工作。

四、同轴送粉3D打印技术的设备

1.同轴送粉3D打印技术设备的系统组成

同轴送粉3D打印设备布局图如图3-50所示，同轴送粉3D打印设备由激光器、气体循环净化系统、气路柜、电气柜、五轴四联动机床（三轴机床+双轴变位机）、控制面板、水冷机、气站、送粉器、密封箱体等组成，同时还需配置控制系统和工艺软件等，以及稳压电源、防爆型真空吸尘器等配套设备。同轴送粉3D打印系统采用光纤耦合半导体激光器作为能量源，光纤传导作为外光路传导系统，送粉器为激光增材制造提供粉末。采用刚性密封箱体结构作为惰性气体加工室，五轴数控机床安装于加工室内。通过除尘系统、气体净化系统实现工作舱室内的气体净化，通过氩气置换的方式将箱内氧含量降至50 ppm，然后启动气体循环净化系统，进一步降低箱内气体的氧含量、水含量，直至将氧含量、水含量分别降至小于50 ppm。氧、水含量可通过工艺监控系统集成的氧分析仪和水分析仪进行检测。冷却系统负责在零件加工过程中为设备提供必要部位的冷却。整机控制系统负责控制各子系统间的高度自动化协同工作，包括加工机床的运动、箱体水氧含量的控制、箱体压力稳定控制、激光器和水冷机与机床的联动工作、安全报警信号的处理、CCD监控系统。该设备为机床型激光增材制造系统，可实现同轴送粉式激光增材制造、激光熔覆、多材料增材制造、激光再制造等功能。

图3-50　同轴送粉3D打印设备布局图

2.同轴送粉3D打印技术的典型设备

南京中科煜宸激光技术有限公司在大型送粉式金属3D打印技术方面处于国际领先水平，下面介绍该公司生产的LDM8060型号设备，该设备外观如图3-51所示。该设备详细技术参数见表3-11。

图3-51　LDM8060型设备效果图

表3-11　LDM8060技术参数表

表3-12所示为该LDM8060激光器设备详细配置。

表3-12　LDM8060设备主要配置表

续表

该设备关键部件激光器选用德国Laserliner公司3 000 W光纤耦合半导体激光器，型号LDF 3000-100。Laserline半导体激光器结合了先进的半导体激光元器件，如电源和制冷器，其体积小巧，可根据需要轻松移动。其具有45%的光电转换效率，以及连续运行下的高功率稳定性，成为淬火、熔覆、钎焊及金属焊接等工业应用的首选。在高功率下，适用于大面积的熔覆和热处理工作；在中等功率下，适用于金属焊接、铜焊等。Laserline激光器采用模块化设计，可以根据客户的需要进行系统定制。

该设备的连接示意图如图3-52所示。

图3-52　设备连接示意图

控制系统集中控制光纤激光器系统、冷水机组、五轴机床数控系统、惰性气体净化除尘系统、送粉系统、温度控制系统、实时监控系统、安全报警系统等。

CNC控制系统采用力士乐MTX micro数控系统，它由一个控制面板、带数控系统的紧凑型多轴控制器以及集成式PLC构成。

MTX micro开发针对激光打印专用的功能模块，可以便捷地直接通过MTX micro系统控制程序和面板功能按钮对激光器进行控制。

系统配置华北工控机为上位机，允许集成第三方应用软件。上位机可与数控系统进行远程通信、监控，传输程序或在线加工。

数控系统通过I/O点，接入箱体温度、压力报警等监视信号。控制原理如图3-53所示。

图3-53　控制原理

想一想

1.同轴送粉3D打印技术可以在哪些行业实现应用？

2.同轴送粉3D打印技术能够为传统机械行业的生产流程带来什么改变？