雙激光技術(shù)使金屬3D打印粗糙度降低80％

魔猴君  行業(yè)資訊   1453天前

KU Leuven的學(xué)生Lars Vanmunster開發(fā)了一種工藝，可以改進(jìn)使用激光粉末床熔合（LPBF）進(jìn)行3D打印的金屬零件的表面光潔度。該技術(shù)依賴于第二個(gè)脈沖激光的應(yīng)用，可將粗糙度降低80％。該項(xiàng)目的作用之大，以至于授予Vanmunster的工作獎(jiǎng)項(xiàng)。

由于在打印過程中粉末顆粒的飛濺，零件上會(huì)形成小的隆起，導(dǎo)致粗糙的表面。反過來(lái)，必須從打印機(jī)上取下部件，并使用諸如打磨和拋光之類的技術(shù)進(jìn)行精加工。盡管在某些情況下（例如整形外科植入物），粗糙的表面可能是有益的，但對(duì)于大多數(shù)零件，在打印時(shí)必須進(jìn)一步加工以滿足最終規(guī)格的情況并非如此。這種后處理非常耗時(shí)且成本高昂，在某些情況下，可能成為決定是否使用給定組件使用3D打印的決定的因素。

已經(jīng)開發(fā)出多種方法來(lái)解決在構(gòu)建過程中金屬零件的表面光潔度。這些包括機(jī)械加工，激光燒蝕和蝕刻，電化學(xué)加工等。這些方法引起的問題之一是會(huì)干擾構(gòu)建過程的金屬芯片的形成。Vanmunster及其同事在他的研究中遇到了一個(gè)想法，該想法通常是以前LPBF研究的一個(gè)問題。在使用脈沖激光進(jìn)行3D打印零件實(shí)驗(yàn)時(shí)，它遇到了沖擊波干擾部件的不幸副作用。但是，在其他領(lǐng)域，例如激光沖擊噴丸和箔成型，來(lái)自激光器的沖擊波實(shí)際上可以具有實(shí)際應(yīng)用。

過程的可視化。圖片由KU Leuven提供。

Vanmunster當(dāng)時(shí)是魯汶大學(xué)機(jī)械工程，制造過程和系統(tǒng)系的碩士研究生，他與同事們共同努力，并考慮將脈沖激光的沖擊波用作改善表面質(zhì)量的一種手段。通過將3D Systems ProX DMP 320A與500W激光器配合使用，并使用第二納秒級(jí)的fiber光纖激光器，他們開發(fā)了一種雙重激光方法，可在打印過程中自動(dòng)執(zhí)行表面精加工。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)能量源用于打印零件時(shí)，第二個(gè)脈沖激光通過向該區(qū)域發(fā)送微小的沖擊波來(lái)去除殘留的粉末。這會(huì)導(dǎo)致未燒結(jié)的粉末在一次激光重新熔化外表面之前被吹走。

重熔過程之前（上方）和之后（下方）的印刷零件和橫截面。表面更加光滑，消除了階梯效應(yīng)。

圖片由KU Leuven提供。

此過程最多可以減少80％的表面粗糙度，從而減少后處理工作量和整體零件成本。 Vanmunster的論文獲得了佛蘭德工程師協(xié)會(huì)的“ IE NET碩士論文獎(jiǎng)”。當(dāng)被問及從何處激發(fā)該工藝的靈感時(shí)，Vanmunster說(shuō)：“雙激光裝置是幾年前在魯汶大學(xué)的增材制造研究小組開發(fā)的。 AM團(tuán)隊(duì)通過對(duì)這種新穎的雙激光裝置進(jìn)行了深入的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了通過脈沖激光的沖擊波選擇性去除粉末的現(xiàn)象。我的研究集中在使用Jitka Metelkova的博士學(xué)位研究的背景下，使用這種設(shè)置來(lái)減少表面粗糙度，他正在使用該機(jī)器進(jìn)行混合增材制造?！?/span>

Vanmunster表示，將這項(xiàng)技術(shù)整合到現(xiàn)有的金屬3D打印機(jī)中需要與制造商本身合作，但最終可能會(huì)使其進(jìn)入市場(chǎng)。Vanmunster說(shuō)：“從一開始，我們就在3DSystems-LayerWise的商用LPBF機(jī)器中實(shí)現(xiàn)了雙激光設(shè)置。我們已經(jīng)與他們的工程師合作，共同實(shí)施了所需的所有硬件和軟件修改。這是通過在佛蘭芒政府資助的大型基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的框架內(nèi)修改3DSystems DMP ProX320機(jī)器來(lái)完成的。因此，我們的研究對(duì)工業(yè)的吸收非常簡(jiǎn)單。自1990年我們?cè)隰斻氪髮W(xué)的增材制造團(tuán)隊(duì)成立以來(lái)，這一直是我們的DNA。”

除了能夠在構(gòu)建過程中執(zhí)行平滑處理之外，與后處理技術(shù)相比，使用沖擊波還有其他好處。例如，機(jī)加工可能并不總是適合于平滑更復(fù)雜的3D打印零件。打印完成后進(jìn)行的基于激光的表面處理需要大量時(shí)間和勞動(dòng)密集型步驟：從機(jī)器上卸下零件，對(duì)其進(jìn)行夾緊，對(duì)激光進(jìn)行平滑處理以及將其松開。所有這些都會(huì)導(dǎo)致大量的額外費(fèi)用。 雙重激光裝置的優(yōu)勢(shì)在于它可以在原位進(jìn)行加工，這意味著不需要人工和重新夾緊。

接下來(lái)，Vanmunster希望將其技術(shù)應(yīng)用于更復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)世界對(duì)象，以便證明其在工業(yè)產(chǎn)品中的實(shí)用性。 為此，他在領(lǐng)導(dǎo)AM團(tuán)隊(duì)的Van Hooreweder教授的指導(dǎo)下加入了大學(xué)的AM團(tuán)隊(duì)，擔(dān)任博士研究員。Vanmunster說(shuō)：“我們將與許多工業(yè)合作伙伴共同啟動(dòng)一個(gè)新項(xiàng)目，在其中我們將進(jìn)一步探索新型雙激光系統(tǒng)的可能性。”

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