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激光选区熔化——增材技术的优点、工作原理和应用

激光选区熔化 (LMF)——英文为“Laser Metal Fusion”——是一种增材制造工艺,利用该工艺在粉末床上逐步构建工件。为此激光使金属粉末恰好在部件的 CAD 设计数据所预先确定的位置逐层再熔化。因此,该工艺常被称为金属 3D 打印或 3D 金属打印,激光烧结及激光选区熔化等概念 在业内也很流行。该工艺特别适合批量生产带有精细内部通道和空腔的几何形状复杂的部件,使用传统工艺(如车削或铣削)无法生产或只能低效生产此类部件。通过工业化 3D 打印产生的部件兼具高稳定性和较轻重量——对于轻质结构或定制化植入物和假体特别有利。此外,激光选区熔化是一种可持续制造方法,因为与烧蚀工艺相比不仅不会产生切屑,而且仅产生少量多余材料。凭借在增材技术方面将近二十年的经验,通快提供达到工业级成熟的粉末床工艺完整套装——机床、服务和数字化一站式提供。从零件识别到制成品以及更多——我们覆盖整条加工链。

功能集成

通过激光选区熔化,用户可直接由 3D CAD 模型制成功能部件——例如柔性或可旋转结构  。

共形冷却

通过激光选区熔化 可制造带有共形冷却的部件。其将热量立即从产生的地方散发。

格栅结构

增材制造能够制造出布局复杂的精细结构。

增材制造设计

设计 自由: 在 3D 金属打印中,设计决定着部件的制造——不同于传统生产工艺。

生产效率

在 3D 金属打印中,不会产生生产准备时间。通过选配集束激光系统以及自动化部件,能够进一步提高加工效率。

效率

通快的工业化零件与粉末处理系统 提升生产经济效益。

洁净

封闭式粉末循环确保洁净安全的生产环境。

简要说明激光选区熔化的过程

在激光选区熔化工艺开始时,将生成部件的虚拟 3D 模型。在数据准备期间,设计数据会被转化为可机读的制造任务文件。同时,部件被定位在基板上,根据需要安装支撑结构。根据打印流程将 部件拆分为各层(“切片”)并定义对应的激光轨迹(“定线”)。 最后在充满保护气体的加工室内于基板上逐层构建工件。在加工室内,储备缸、工作缸和溢出缸在一根轴上并排放置。刮刀将粉末从储备缸推到工作缸上 (1)。然后激光根据部件轮廓使第一层粉末熔化并与下层牢固接合 (2)。接下来工作缸下降一层  (3)。也就是说,在粉床内构建部件。多余粉末落入溢出缸。不断重复该过程,直至生成整个部件。为提高生产效率,通快在其系统中使用同时工作的多个激光器。这就是所谓的多激光原理。成品部件最后在金属粉末拆包站被释放。然后将部件与基板分开,移除支撑结构(如有)并根据需要修整工件。

根据效果图介绍激光选区熔化(激光烧结)的工作方式。

简要介绍金属 3D 打印的功能原理。


应用和使用领域——全能技术,用途多样

利用增材制造法生产的个性化钛制颅内植入物

颅内植入物

激光选区熔化满足对医疗设备和植入物制造的严苛的质量与安全要求。例如,可在 8.45 个小时内以接近 5,000 层制作图中所示的个体化钛制颅内植入物。

Lightweight design of a mounting bracket generated with a TruPrint 1000

安装支架

在航空航天领域,轻质结构和工件内部良好的力分布至关重要。这种所谓的拓扑优化设计可通过粉末床工艺简单实现——如图中所示的飞机门安装支架,其在 8 小时内以大约 2,700 层构建而成。

使用通快的 TruPrint 机器通过添加法制造的液压块

液压块

所示液压块用于连接控制阀与液压缸。若使用激光选区熔化法制造,则其总体积可减少 80%,压力损失可降低 93%——功能不受任何影响。构建时无需支撑结构,在十一个小时内完成。

流道

采用传统方法制造流道需要五个单件。在 激光选区 熔化中,直接制造成品部件。复杂的共形调温通道可通过 LMF 简单生成。此外,客户还能得益于循环时间减少以及热稳定的生产流程和最低的废品率。图中的流道在 70 个小时内制造而成。

轴支座

在汽车行业中,可通过激光选区熔化无需模具快速构建能正常工作的复杂原型。所示轴支座的设计和拓扑结构经过优化,其增材制造需要五个小时。

Dental product produced with the TruPrint 1000

牙科产品

牙科行业也可得益于增材制造的诸多优点。可使用生物相容性材料在最短时间内高精度逐层构建任意复杂的适应症。图中所示带有齿冠的牙垫在六个小时内以大约 1,200 层制成。

R&D 领域的部件

在生成应用或参数时,采用图中所示的制造任务。同时,在从基板分离后,长栅条会被加工成拉伸试件。 通过它们可以检查部件的强度和可变形性。经过分离和研磨后,通过显微镜检查其他正方形部件 是否存在细微缺陷。这两种情况都关乎部件质量保证。

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哪些产品适合激光选区熔化?

激光金属熔化 (LMF)

激光选区熔化也常被称为金属 3D 打印、粉末床熔化或选择性激光熔化。激光从粉末床上逐层构建工件。CAD 模型提供构建计划。不需要模具。粉末被涂覆到构建平台上。激光束根据 CAD 数据精准熔化粉末并将指定位置与下方粉层连接起来。激光器不断重复该过程,直至金属零件完工。工件具有以粉末形式使用的材料的特性。可使用多种粉末形式的金属材料,如钢、铝或钛。

通过激光选区熔化生成部件

基于粉床的激光金属熔化优势

作为传统生产工艺的补充,LMF 技术具备一系列优势。设计自由几近不受限制。因此能够快速、灵活同时成本低廉地打造复杂形状与定制化部件。LMF 提供打破传统生产局限性的的解决方案,即使批量极小,亦可实现经济生产。

Radial turbine blower built with TruPrint 3000 (LMF)

应用领域

采用此工艺制成的部件可满足严苛任务提出的极高材料要求。稳定性与轻量化使该工艺尤为适合轻量制造及仿生结构,例如用于航空航天、汽车或医疗技术等行业。

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