激光近净成形(Laser Engineered Net Shaping,LENS),又称激光工程化净成形,是利用高能激光束将同轴输送的粉末材料快速熔化凝固,通过层层叠加,最后得到近净形的零件实体的工艺。同LENS工艺原理相近的技术有激光粉末成形(Laser Cladding Fabrication,LCF)、直接金属沉积(Direct Metal Deposition,DMD)、直接光制造(Direct Laser Fabrication,DLF)或激光立体成形(Laser Solid Forming,LSF)等。LENS的成形材料主要有金属合金粉末、陶瓷粉末及复合材料粉末等。LENS主要用于制造成形金属注射模、修复模具、大型金属零件和大尺寸薄壁形状的整体结构零件,也可用于加工活性金属,如钛、镍、钽、钨、铼及其他特殊金属。
1992年左右,美国军方解密了以合金粉末为原料的激光直接加工成形的概念。美国Sandia国家实验室与美国联合技术公司(UTC)于1996年联合提出了LENS的思想,并于2000年获得了相关专利。在美国能源部研究计划支持下,Sandia国家实验室及Los Alomos国家实验室率先发展了LENS技术。同年,Optomec公司成功推出了商业化的激光近净成形系统。Sandia国家实验室组织了11家美国单位组成激光近净成形联盟进行后续研发,最后由美国Optomec公司进行商业运作。除了Optomec公司以外,法国BeAM公司、德国通快以及专为CNC机床公司提供增材制造包的HYBRID公司也纷纷推出了各自的LENS系统。
国内对于激光近净成形工艺的研究起步较晚。1995年,西北工业大学凝固技术国家重点实验室提出了金属材料的激光立体成形技术思想。1997年,西北工业大学联合北京航空工艺研究所开始对LENS系统进行研究。北京航空航天大学在国际上首次全面突破了钛合金、超高强度钢等难加工的大型复杂整体关键部件的激光成形工艺和成套设备,已经给我国提供了飞机的大型零部件并完成了装机,如发动机框架、起落架等,并且其成本低、速度快,工艺处于国际领先水平。
LENS成形工艺作为一种新型3D打印技术,具有以下优点:
(1)制造过程柔性化程度高。制造过程仅需改变CAD模型并设置参数即可获得不同形状的零件,能方便地实现多品种、多批量零件加工的快速转换。
(2)产品研制周期短,加工速度快。适合于新产品的开发,适合小批量、复杂、异形零件的快速生产。
(3)技术集成度高。零件的整个制造过程全部由计算机完成,无须或只需较少的人工干预即可制造出需要的原型或零件。
(4)有很高的力学性能和化学性能。LENS制造的零件不但强度高,而且塑性也较高,耐腐蚀性能突出。成形的零件几乎是完全致密,纤维组织十分细小均匀,没有宏观组织缺陷。(www.daowen.com)
(5)能实现多种材料以任意方式组合的零件成形。原则上可以在成形过程中根据零件的实际工况任意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。
(6)应用范围广。不仅可以用于金属零件的快速制造,而且可用于再制造工程中大型金属零部件的修复,为建设循环经济和节约型社会提供了技术支撑。
LENS技术仍面临以下难题:
(1)无粉床支撑,复杂结构零部件成形较困难。
(2)成形时热应力较大,成形精度较低。
(3)激光光斑较粗,一般加工余量为3~6 mm。
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