激光选区熔化在医学领域应用前景广阔

<正>3D打印实际上是数字化、网络化、定制化、个性化的制造技术。3D打印的学术名称叫增材制造,英文Additive Manufacturing。广义的3D打印是增材制造的统称,狭义的3D打印是指三维喷射工艺。目前,广义上的3D打印工艺分为:立体光刻、分层制造、熔化沉积制模、三维印刷、激光立体成型、激光选区烧结、激光选区熔化等。3D打印金属零件华南理工大学主要研究的领域是激光选区熔化,即用激光选区熔化制作精     

选区激光熔化直接成型个性化舌侧托槽的研究

为了探讨应用选区激光熔化快速成型技术直接制造个性化金属舌侧托槽的可行性,采用3维激光扫描仪采集与重建牙颌模型数据,并以该数字模型为基础,应用3维软件进行了个性化舌侧托槽的CAD设计,再通过自主研发的选区激光熔化快速成型机直接制造出个性化金属舌侧托槽,并对托槽的直接成型质量进行了理论分析和实验验证。结果表明,3维激光扫描仪获得的牙颌模型数据可以满足个性化舌侧托槽设计要求;应用选区激光熔化技术能够制造出与实际牙颌模型相一致的个性化舌侧托槽,取得了个性化前牙槽沟宽度为0.471mm±0.009mm数据,前牙槽沟宽度CAD设计值为0.460mm,两者间没有统计学上的差异(p0.05)。这一结果对选区激光熔化技术直接制造个性化金属舌侧托槽的实际应用是有帮助的。     

选区激光熔化直接成型个性化牙冠牙桥研究

为了探索应用数字化反求设计结合选区激光熔化快速成型技术制作个性化牙冠牙桥的可行性,通过Laser-denta扫描系统测量牙列模型并 3 维重建其数字化外形,采用计算机辅助设计了牙冠牙桥。利用自主研发的选区激光熔化快速成型设备Dimetal-280进行了316L不锈钢粉末的正交实验工艺研究,获得优化参量,并用该参量加工设计了牙冠牙桥。结果表明,该方法能快速而精确地制造出形状复杂的个性化牙冠牙桥,且成型速度快、尺寸精度高、表面质量好、误差在±0.15mm以内,未经打磨表面粗糙度达到20μm;与传统加工方式相比,反求工程结合选区激光熔化快速成型的方法能快速而精确地制造出形状复杂的个性化金属牙冠牙桥,为其应用于口腔修复体的计算机辅助设计与制造提供了科学依据。     

激光选区熔化成形TC4钛合金薄壁件变形与残余应力

增材制造（3-D打印）作为一种近净成形技术，为钛合金薄壁件高质量毛坯制造提供了新途径，但在薄壁件成形过程中产生的变形与残余应力会影响试件的成形质量与后续加工。为了解决这一问题，采用激光选区熔化成形TC4钛合金薄壁件，研究了激光功率、扫描速率、薄壁厚度和扫描路径方向对试件变形与残余应力的影响，测量了试件不同深度的表面残余应力。结果表明，变形主要在薄壁件顶层两侧，最大残余应力主要分布在试件底层与薄壁件中间；当激光功率为180W、扫描速率为1200mm/s时，试件变形最小；当壁厚为0.6mm、扫描路径方向45°时，试件残余应力最小；薄壁件的未处理表面残余应力大于内层表面残余应力。该研究为钛合金薄壁高质量毛坯制造提供了技术帮助。     

激光选区熔化成型典型几何特征尺寸精度研究

为了探讨激光选区熔化成型典型几何特征的尺寸精度,并为激光选区熔化直接成型金属零件提供设计参考依据,设计了薄板、尖角、圆柱体、圆孔、方孔等典型几何特征的三维模型,采用华南理工大学研发的激光选区熔化设备(Di Metal-100)在优化的工艺参数下选用316L不锈钢粉末对这些典型几何特征进行激光选区熔化成型。实验结果表明,激光光斑约束、台阶效应、粉末粘附、激光深穿透等因素是影响零件尺寸精度和激光选区熔化成型能力的主要原因。基于对激光选区熔化成型典型几何特征的尺寸精度及成型能力研究,提出了一些适用于激光选区熔化的零件设计规则,为产品的创新设计提供了参考依据。     

铜磷合金粉末选区激光熔化成型研究

为了应用选区激光熔化技术直接制造金属零件,采用Dimetal 240快速成型机对平均直径为75μm的铜磷合金粉末进行了工艺试验。成型机配备200W半导体抽运Nd:YAG激光器,激光功率为103W～117W,内部扫描速度为0.25m/s～0.41m/s,边框扫描速度为0.15m/s,铺粉厚度为0.2mm。所得试样用扫描电镜和光学显微镜进行了微观组织分析。试样层问结合为冶金结合,致密度达到90%以上,层内组织为细长枝晶,层问组织为细小等轴晶。结果表明,通过设定合适的工艺参量,选区激光熔化技术可以直接成型金属零件。     

选区激光熔化中激光束的传输变换及聚焦特性

为了获得光束质量较好、光斑尺寸较小、功率密度较高的、适合于在选区激光熔化快速成型技术中应用的激光束,对应用于选区激光熔化快速成型技术中的高斯光束进行传输与变换。对其传输变换及聚焦特性进行了理论分析与实验验证,实验结果与理论分析的结果相符。取得了功率密度达106W/cm2以上的、光斑尺寸较小的、满足于在选取激光熔化技术中应用的光斑。将其应用于镍基合金(Ni25)和铜磷合金粉末的三维选区激光熔化快速成型。结果表明,这种传输变换及聚焦特性是可行有效的,得到了满足要求的光斑尺寸和功率密度。     

激光表面处理和快速制造技术的新进展

主要介绍激光表面处理和快速制造技术领域的一些新进展，其中激光表面处理主要包括激光熔覆、清洗和抛光技术。在一系列用于直接制造金属零部件的工艺中主要采用选择性激光熔化(又称快速成型制造)技术。     

层间扫描策略对SLM直接成型金属零件质量的影响

为了通过选区激光熔化技术直接快速成型高致密度及高表面质量零件,采用正交试验对316L不锈钢粉末进行了光纤激光选区熔化成型研究,分析了正交实验中存在的扫描线间搭接缺陷及零件外边凸起缺陷,随后“层间错开”扫描策略因为更好的扫描线间润湿效果及成型效率而被应用于实验中,进行扫描线间搭接情况及层间熔接情况显微观察。层间层内扫描线具有良好的冶金结合,孔隙率大大减少,获得了高致密化的成型效果;使用优化的工艺参量与扫描策略成型具有空间曲面的个性化手术模板,硬度与致密度分别达HV0.3250和95.8%。结果表明,层间扫描策略对选区激光熔化技术直接成型金属零件成型效果良好。     

采用区域选择激光熔化技术直接制造铝合金零件

区域选择激光熔化技术(SLM)与选区烧结技术(SLS)相比其突出的特点在于SLM过程使用的金属粉末为单组元粉末材料以及该过程中金属粉末完全熔化。因而采用SLM技术生产的金属功能模型和零件致密度高，具有系列产品的组织结构和使用性能,为单件、小批量直接制造金属零件提供了可能。介绍了SLM技术的特点以及采用SLM技术加工铝合金粉末的特殊性,采用SLM工艺熔化金属在随后的结晶过程中易出现成球现象,优化激光加工参数以及在加工过程中通入惰性气体可以克服该问题。采用SLM技术加工了AlSi25和AlSi10Mg两种铝合金粉末,制备了样件和拉伸试样。微观分析显示:样件的横截面中均无孔隙和裂纹存在,组织细小,微观结构分为细晶区和搭接区,搭接区的结构明显长大,经拉伸测试,采用SLM技术生产的样件具有优于传统方法生产试样的综合机械性能。给出了采用SLM技术制造的铝合金功能模型。     

金属零件自动超轻结构化设计及激光增材制造

为解决金属超轻结构零件设计技术复杂、设计周期长、难添加蒙皮进行增材制造等难题,提出一种基于激光选区熔化增材制造工艺的金属零件自动超轻结构化设计方法:根据激光选区熔化工艺特点,编制程序将原始零件CAD模型自动转化为设定孔隙率的带蒙皮类蜂窝状超轻结构零件模型,且其数据可直接驱动设备实现零件增材制造。研究了带蒙皮超轻结构的构造形式及设计方法;探讨了合适的成型棱长及合理蒙皮结构形式;成功实现复杂零件自动带蒙皮超轻结构化设计及增材制造,所得零件孔隙率误差2.79%,表明能较准确按预期减重。该方法能根据原始零件CAD模型自动、快速地构建带蒙皮金属超轻结构零件模型,大大减轻该类零件设计负担及提高其实用性。     

3D金属打印天线技术研究综述

近年来, 随着通信用户量的迅速增加和通信设备市场的快速发展, 数据速率高于10 Gbit/s的高速通信系统要求多种功能集成在天线上, 天线的制造要求趋于高精度、低成本和微型化. 3D打印或增材制造(additive manufacturing, AM)是一种直接从数字模型到零件制造的新兴产业技术, 可在短时间内生产出高精度和复杂的天线零件, 该技术已经成为了当前天线设计的研究热点.制造天线的AM技术主要有粉床熔合、材料挤压和材料喷射.文章首先简要介绍3D金属打印技术的基本原理、操作流程和分类, 接着重点分析几种3D金属打印天线技术的研究成果, 然后浅析3D金属打印天线技术的发展趋势, 最后对3D金属打印天线技术做了总结.     

Ti-Ni合金选区激光熔化快速成型基础实验研究

选区激光熔化（SLM）是一种极具挑战力的新型快速成型技术，能一步加工出具有冶金结合，相对密度接近100%，具有复杂结构、高的尺寸精度及好的表面粗糙度的金属零件。选用适用于医学植入体的Ti-Ni合金材料进行了选区激光熔化成型实验研究。讨论了扫描速度、铺粉厚度、激光功率等加工参数对成型致密性及成型精度的影响。设计和成型了梯度网格结构，重点分析了翘曲变形现象的成因及消除方法，认为可通过特殊的扫描策略，减小成型件各处温差的方法有效消除成型件的翘曲变形。对成型样品的内部组织显微分析表明，成型样品达到了完全的冶金结合，内部由枝晶和等轴晶两种组织构成，其分布取决于扫描方式、扫描速度、激光功率等参数。     

汽车发动机连杆激光3-D打印工艺研究

为了研究汽车发动机连杆激光3-D打印制造工艺,采用理论分析和实验验证的方法,建立了连杆3-D数据模型,进行了分层切片处理,通过S型扫描和轮廓偏移扫描,规划两种连杆加工路径。选用铁基合金粉末以及相应的工艺参量,在激光3-D打印系统中进行连杆打印试验。扫描单层轨迹用时4min30s~4min56s,总用时4h20min。结果表明,连杆成形区底部的金相组织主要是柱状晶和树枝晶,中上部是细小的等轴晶,层间致密搭接,形成良好的冶金结合;成形连杆显微硬度为450HV~490HV,屈服强度为754MPa,抗拉强度为1189MPa,延伸率为9%。连杆激光3-D打印成形制坯性能相比于锻造、粉锻制造工艺,减少了工装成本支出并缩短了生产准备工时,其屈服强度、抗拉强度等力学性能超过钢锻连杆,与国外粉锻连杆相比,差别不大,能满足连杆制坯要求。     

Simplified Large‐Area Manufacturing of Organic Electrochemical Transistors Combining Printing and a Self‐Aligning Laser Ablation Step

A hybrid manufacturing approach for organic electrochemical transistors (OECTs) on flexible substrates is reported. The technology is based on conventional and digital printing (screen and inkjet printing), laser processing, and post‐press technologies. A careful selection of the conductive, dielectric, and semiconductor materials with respect to their optical properties enables a self‐aligning pattern formation which results in a significant reduction of the usual registration problems during manufacturing. For the prototype OECTs, based on this technology, on/off ratios up to 600 and switching times of 100 milliseconds at gate voltages in the range of 1 V were obtained.     

基于线结构光旋转扫描和光条纹修复的三维视觉测量技术研究

非接触式三维视觉测量广泛应用在工业制造质量检测中。针对工业金属零部件检测的应用场景,提出了一种基于线结构光旋转扫描和光条纹修复的三维视觉测量方案。首先,通过基于线结构光投影的计算机视觉技术,设计了线结构光旋转扫描视觉子系统,并对工业相机、线结构光平面和旋转扫描中心轴进行标定;然后,针对采集到的光条纹图像存在低灰度区域缺失数据的问题,提出了基于缺失区域自适应灰度增强的光条纹中心线提取算法,有效修复了被测零部件的线结构光投影条纹;同时,利用文中提出的线结构光三维视觉测量方案,通过重建标准球棒的表面点云计算两球直径和球间距来评价测量系统的精度,测量系统精度优于0.06 mm;最后,进行金属轮毂外轮廓形貌测量,通过重复性实验计算轮毂外轮廓最大半径,验证重复性误差优于0.03%。实验结果表明:该方法可以无损伤、高效率、高精度地实现工业金属零部件三维测量,弥补了接触式三维测量方法的缺陷。     

激光增材制造成形合金钢件质量特征及其检测评价技术现状(特邀)

无损检测技术是合金钢构件激光增材制造的重要技术支撑,是保证激光增材制造产品质量和在役安全性的关键技术,是贯穿产品全寿命安全保证的重要技术组成。金属激光增材制造合金钢件成形、组织和力学性能不同于传统技术制造构件性能,使得无损检测技术面临诸多挑战。综述了激光增材制造合金钢成形质量特性,包括成形缺陷和力学性能;基于无损检测技术,论述了无损检测技术在激光增材制造合金钢件质量评价中的应用,重点论述了无损检测技术在激光增材制造构件缺陷和力学性能中的应用现状;提出了基于超声和微磁检测技术评价材料力学性能的原理、标定方法和微磁传感器设计方案;最后总结了无损检测评价技术在激光增材制造合金钢件检测评价应用中面临的挑战和发展趋势。