激光熔覆在材料加工領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用

　　快速制造
　　在粉末層添加制造中，激光束熔化沉積粉末，形成一個(gè)20～40μm的薄層，用于直接金屬粉末激光燒結(jié)（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）；形成100～150μm的薄層，用于選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering，SLS）；然后，附加的粉末將沉積到每個(gè)凝固薄層的表面，重復(fù)這樣的過程，就可以將這些薄片建立成三維零部件。DMLS和SLS技術(shù)由德國(guó)Electro Optical Systems公司首創(chuàng)。利用DMLS和SLS技術(shù)，可以用尼龍、玻璃填充尼龍或聚苯乙烯等材料，制造體積為700×380×580mm3的聚合物??型和美術(shù)模型；用不銹鋼、鈦和其他金屬材料制造體積為250× 250×195mm3的金屬零部件。英國(guó)3T RPD 公司利用DMLS和SLS技術(shù)為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)定制零部件，其應(yīng)用領(lǐng)域從建筑模型到牙齒種植體（見圖2、圖3）。該公司甚至為一輛智能轎車設(shè)計(jì)了改進(jìn)的SLS尼龍部件，這些部件同出廠生產(chǎn)的部件一樣，能很好地工作。

圖2：用高功率激光束逐層熔化聚合物或金屬粉末，生產(chǎn)定制的航空渦輪零件

圖3：甚至能直接從CAD模型生產(chǎn)牙齒移植體“牙科實(shí)驗(yàn)室用直接金屬粉末激光燒結(jié)方法創(chuàng)建牙冠（coping）和牙橋(bridge)；我們公司的EOSINT M 270型金屬燒結(jié)設(shè)備為客戶定制了一批數(shù)量達(dá)200只以上的假牙，DMLS技術(shù)顯著提高了實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)量，同時(shí)還能滿足嚴(yán)格的質(zhì)量要求。”EOS公司醫(yī)療客戶經(jīng)理Martin Bullemer說(shuō)，“大批量定制正在牙科、外科儀器??型和假肢制造領(lǐng)域產(chǎn)生一定的影響力。激光燒結(jié)技術(shù)在新興領(lǐng)域的應(yīng)用將變得更為實(shí)用，并且更具成本效益。”

　　POM Group首席運(yùn)營(yíng)官（COO）Bhaskar Dutta表示，對(duì)于用昂貴材料建設(shè)性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)而言，激光金屬沉積方法能減少生產(chǎn)時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，并且與傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法相比，還可以減少能源消耗。POM Group是一家快速制造公司，其直接金屬沉積（DMD）激光工藝在業(yè)界處于領(lǐng)先地位。Dutta指出，在由美國(guó)航天局（NASA）發(fā)起的一項(xiàng)案例研究中，建立了一個(gè)鏡子房，其采用閉環(huán)反饋控制DMD系統(tǒng)。案例研究中，將用DMD方法制造的部件與用電火花加工（EDM）方法用固態(tài)金屬板制造的部件進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示，EDM方法產(chǎn)生了大量廢料（見圖4）?！爸圃焱瑯拥牧悴考珼MD加工需要的材料僅僅是EDM方法所需材料的1/3，從而能大量節(jié)省成本，特別是對(duì)于像鎳合金這樣的昂貴材料來(lái)講，DMD的加工優(yōu)勢(shì)更加明顯?！盌utta說(shuō)道。

圖4：由美國(guó)航天局（NASA）發(fā)起的一項(xiàng)案例研究中，建立了一個(gè)鏡子房用于激光直接金屬沉積。案例研究對(duì)DMD和EDM這兩種加工方法進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示，DMD在材料節(jié)省、降低能耗和提高加工速度等方面都大大優(yōu)于EDM。

　　修復(fù)與再造
　　飛機(jī)制造商們預(yù)計(jì)，他們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的需求將呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)?！邦A(yù)計(jì)到2025年，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的需求量將超過11.4萬(wàn)臺(tái)，這為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)制造商在制造過程中減少對(duì)環(huán)境的影響，帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)。”英國(guó)Rolls-Royce公司生產(chǎn)過程主管Steve Beech說(shuō)，“對(duì)于某些零部件，BTF比率（buy-to-fly ratio，即制造一個(gè)零部件所需的??材料量與最終零部件中所含材料量的比率）甚至高達(dá)13:1，也就是說(shuō)，用13公斤的鈦材料加工成的零部件中，只含有1公斤的鈦，其余的都成了廢料。”

　　對(duì)一個(gè)高壓渦輪航空發(fā)動(dòng)機(jī)的密封部件進(jìn)行激光添加修復(fù)，是減少新制造對(duì)環(huán)境影響的一個(gè)很好的例子?！皩?duì)于這種單晶零部件，傳統(tǒng)的制造方法是用EDM方式加工晶格（lattice），并在固體基底中加入耐磨性材料，當(dāng)渦輪葉片的密封元件摩擦到它時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)服務(wù)期間受到磨損的是這種耐磨基底。” Beech說(shuō)（見圖5）。在這種應(yīng)用中，傳統(tǒng)的技術(shù)（如在一個(gè)密封元件上焊接一個(gè)新的晶格）并不可行，因?yàn)榫Ц癖诘暮穸缺仨氁∮?.3mm（并且每個(gè)渦輪機(jī)具有34個(gè)密封元件，這樣做成本高昂）?！暗抢弥苯蛹す獬练e技術(shù)熔化合適的粉末來(lái)建立晶格，修復(fù)成本將下降到OEM成本的一半?！盉eech 說(shuō)。

圖5：激光添加制造可用于為航空零件上的晶格制造厚度為0.3mm的薄墻。晶格內(nèi)充滿陶瓷以達(dá)到密封功能，并避免渦輪葉片對(duì)其的磨損。

　　美國(guó)GE Aviation公司采用激光熔覆技術(shù)的歷史已經(jīng)長(zhǎng)達(dá)20多年?！?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/激光熔">激光熔覆適用于對(duì)那些從現(xiàn)場(chǎng)返回的硬件進(jìn)行頗具成本效益的修復(fù)和表面硬化，例如用于