進入2017年，金屬3D打印繼續在新聞（wén）端發酵，其（qí）應用也得到了（le）更多行（háng）業的肯定，比如西門子3D打印的葉片經受住了高溫的考驗（yàn）。而激光近淨成形技術，以其能夠實現梯度材料、複雜曲麵修複等功能而深受工（gōng）業界的寵愛。而憑借這一特點，LENS技術當仁不讓的成為了鏈接（jiē）傳統製造與3D打印的橋梁，在大型器件的（de）修複上正在不斷地發揮（huī）著作用。靖哥有幸（xìng）邀請到了寧（níng）福達博士，為大家深刻解讀激光近淨成形技術。靖哥3D打印，3D打印（yìn）的高知平台。

 

背景

激光近淨（jìng）成形技（jì）術LENSTM是激光3D打印(3D Printing) / 增材製造 (Additive Manufacturing) 技術的一種，通過激（jī）光在沉積區域產生熔池並持續熔化粉末（mò）或絲狀材料而逐層沉積（jī）生成具有三維（wéi）形貌尺（chǐ）寸的零部件（jiàn）。這種技術由美（měi）國桑（sāng）迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratory）於上世紀（jì）90年代研製，使快速成型技術進入到了嶄新階段。隨後，美國Optomec公司將LENSTM技術進行商業開發和推廣，並逐漸推出成品機床LENSTM 450/850等設備。

 

技（jì）術原理

與其他3D打印技術相同，在LENSTM技術（shù）過程中，計算機（jī）首先將三維（wéi）CAD模型進行分層切片，得到每一層的二維平麵輪廓數據並轉化為打印（yìn）設備數控台的運動軌跡。高能量的激光束 (laser beam) 會在基體（tǐ）底板 (substrate) 上生成熔池 (molten pool)，同時金（jīn）屬粉末束流 (powder stream) 以一定的供給速度（約100cm3/小（xiǎo）時）噴射至熔池並快速熔化（huà）凝固，通過點（diǎn） – 線的方式來生成（chéng）每一層的目標（biāo）截麵幾何（hé）形狀，這樣層層疊加 (layer-by-layer) 製造出近淨形的零部件實體。具體打印過程如圖1所示[1]。

 

 

 

成型材料（liào）

目前，LENSTM技術主要（yào）用於打印（yìn）一些比較成熟的商業化金屬合金粉末材料，包括不鏽鋼304/316，工具鋼H13，鈦合（hé）金Ti6-4，鎳基合金IN625/IN718等。同時，這些合金材料的其他（tā）牌號（hào）以及銅、陶瓷、金（jīn）屬基複合（hé）材料等也正在研發中。具體材料分類和牌號詳見表1（數據來源於Optomec公司）。

 

 

 

技術（shù）優（yōu）點與瓶（píng）頸

LENSTM技術可以針對中小規模生產的零件實現無模製造，節約成本，縮短生產周期。尤其對於（yú）那（nà）些高性能的、成本（běn）高的零件製造（zào）具有巨大的技術應用價值。同時該技術解決了複雜曲麵零部件在傳統製造工（gōng）藝中存在的切削加工困難、材料去除量大、刀（dāo）具磨損嚴（yán）重等一係列問題。此外，與其（qí）他的粉床3D打印工藝如選擇性電（diàn）子束燒結/熔（róng）融（selective laser sintering/melting）（詳（xiáng）見靖哥（gē）3D打印（yìn） | 第39期 金屬3D打印，電子束有何“神通（tōng）”?）相比，LENSTM技術具備特（tè）有的優（yōu）勢，包括可以（yǐ）打印功能梯度材料、零部件的修複和再（zài）製造、較小的熱影響區（heat affected zone）等等[2]。

 

美國賓州州立大學通過LENSTM技術打印出不鏽鋼304L和鎳基合金IN625的功能梯度材（cái）料（圖（tú）2）。基座由（yóu）20層不鏽鋼材料打印（yìn）而成，在之後的24層梯度（dù）材料（liào）區域內，不鏽鋼材料（liào）的體積含（hán）量每層減少4%，同時鎳基合金（jīn）每層增加4%，直至頂部區域打印出（chū）100%鎳基合金含量的材料。功能梯度材料件使得零件不同區域具（jù）有各異的材料特性（xìng），並可應（yīng）用於一些極端（duān）工況。

 

 

 

當然，LENSTM技術也遇到了一些瓶頸，主要包括粉末材料利（lì）用率較低，熱（rè）應力（lì）大，零（líng）件存（cún）在內部（bù）缺陷如孔隙/裂紋（圖3）和不規則顯微組織（圖4），這將影響零件的質量和力學性能。

 

 

 

 

 

應用（yòng）

LENSTM技術目前主要應用於（yú）航空航天、汽車、船舶等領域，用於製造或修複航空發動機和（hé）重型燃氣輪機的葉輪葉片以及輕量化的汽車零部件等。圖5為運用LENSTM技術實現發動機葉片的製造/修複的應用。該技術可以實現對磨（mó）損或（huò）破損的葉（yè）片進行（háng）修複和再製造的過程，從而大大降低葉片的製造成本，提高生產效（xiào）率。LENSTM技術還被報道成功用於修複W87導彈外罩上具有曲麵幾何特性的凸緣結合部分，如圖6所示。除此之外，LENSTM技術已經逐漸開始用於製造醫療器械和植入物。圖7運用CT掃描生成骨頭和植入物的3D模型以滿足植入物與患者局部解剖結構（gòu）上的高（gāo）度匹配。LENSTM技術通過精確（què）控製橫斷麵輪廓，有效實現個體化植入（rù）物（wù）的製造。

 

 

 

 

展（zhǎn）望

 

LENSTM技術（shù）以其特有的（de）加（jiā）工優勢（shì）將會被應用（yòng）到越來越廣泛的工業領域，如何結合後（hòu）處理（post-processing）以及輔助技術（assisted-technique）使LENSTM技（jì）術能夠打印（yìn）出精度更高、性能更好的零部件將會是今後的研究趨（qū）勢（shì）。

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應用技術解決方案。

 

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