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镁合金3D打印为什么难?突破已经发生!

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镁合金在航空航天、轨道交通、生物医用等领域具有广阔应用前景。

但该材料的一系列特点导致其3D打印应用没有广泛推广,但这一情况正在发生改变。


镁合金3D打印为什么困难


镁合金熔沸点低、蒸气压高、氧化性强,在3D打印过程中容易在构件内部形成孔隙、裂纹等缺陷;

而且,镁在高温下的活性极高,其风险贯穿LPBF工艺从粉末处理、打印到后处理的全流程,很多高校明确禁止打印该材料。

在DED激光送丝中,镁合金激光送丝增材还有大量难点:

镁合金与氧的亲和力高,对储存环境要求高,丝材在非真空环境下易氧化,氧化严重的丝材直接影响成形效果,甚至无法成形。

➡️ 镁合金工艺窗口窄,对各项工艺数值如激光焦点、功率、扫描速度、送丝速度等极其敏感,且镁合金各系列之间工艺相差大,参数优化依赖调试。

➡️ 激光加工时极易发生剧烈蒸发,产生严重的粉体烟尘飞溅,导致熔池不稳定、能量传递不均,并造成材料损失和成分偏离。➡️ 镁合金加工过程中,产生的火花容易烧毁耗材,致使成本增加,飞溅的烟尘,容易反渣至内部光学系统。

➡️ 激光加工时,难以实时精确监测,过程稳定性控制难度大。


通历环形光斑解决镁合金

激光送丝3D打印难题

通历激光作为国内首批可批量生产同轴送丝送粉激光头厂家,为客户试打印过多种丝材,如钛合金、全系铝合金,铜合金、In718、钴基合金、高熵合金、高碳高铬以及巴氏合金等,但这些材料的打印都没有镁合金难。

通历首次测试镁合金时“临危受命”,用户在此前已尝试过多光束、环形光等多种光学方案,测试效果要么熔池形貌不佳要么无法成形。

通历工程师根据加工效果,不断调试功率、扫描速度等参数,测试出通历的环形光斑方案可实现镁合金3D打印。


通历环形光斑3D打印方案对加工轨迹无方向性及角度要求,采用同轴送出镁合金丝材,中空环形的光束轮廓直接聚焦到丝材和工件表面之间的交汇区域。

该过程使光束能量强度全向分布,均匀预热,可完全控制加工过程中的能量输入,避免了熔池不稳定、能量传递不均等情况,进而避免了气孔与裂纹。

相较于镁合金粉材,镁合金丝材的利用率和加工效率都更高,风险也更小,甚至可以增加热丝电源/电弧与激光复合,进一步提高加工效率。


同时,激光头的双层密封系统及喷嘴组件也阻断了镁合金的反渣、起火,保护了内部光学系统及降低了耗材成本。

但是镁合金加工时起火并对激光焦点敏感,加之加工时粉体烟尘产生散射影响,为了使加工过程更加稳定,工程师根据熔池状态,调节调焦旋钮,实时调整加工功率,保证加工效果。

镁合金丝粉同送

尝试更多3D打印可能

起初,通历尝试AZ系列镁合金,随着加工头在现场应用方案越来越多,稀土镁合金、ZK61等丝材,均进行了大批量实验,不同牌号、轻微氧化的镁合金工艺窗口差别较大,成形难度不一,但也均可成型。


同轴送丝送粉激光头,可单送丝、单送粉、可丝粉同送,也可一层丝一层粉,材料制备方式灵活。

送丝、送粉、丝粉同送,系统集中控制,各加工单元可单独执行加工。丝材线径0.8mm-3.0mm,送粉器颗粒度20-800μm,粉筒数量可单桶、双桶或定制。


镁合金丝+稀土粉末、镁合金丝+钛粉,实现金属基复合材料的原位制备,为材料改性,在激光增材制造个性化工件和提升使用性能方面具有重要价值,也可减少生产成本。



通历同轴送丝送粉激光头

有何特殊之处

市场上除了通历同轴送丝送粉激光头,也有环形光方案,该公司的不同之处在于其10年来专业生产激光核心部件,有着丰富的光学经验。

激光头在光学系统设计方面,也与市场上大部分环形光方案有所不同。

光路工程:自研同轴环形分光镜组,精准分配内外环光路能量。外环预热基材,内环熔融丝材,从根源上杜绝丝材未熔和过烧,实现近乎100%的材料利用率。

热控工程:分层式环绕镜片水冷结构,针对镜腔、腔体、送料接口分区散热。中空环形光斑的内部空间允许水路直达镜片中心,保证镜片恒温工作,支撑设备在12kW下长时间满功率连续运行。

精密机械:微纳级同轴装配工艺,将激光光路、送丝管道、保护气路通道,以及测温、压力、湿度、光散等多种传感器集成,保证大流量送丝和高功率光学传输的双重稳定性。

流体工程:冷却水流通道与流线型层流保护相结合,有效抑制熔池飞溅,提升激光能量利用率。


通历同轴送丝送粉激光头——应用现场


能源电力·大型冲击式转轮模锻水斗


汽车模具应用


航空航天应用


3C电子行业应用

如今,通历同轴送丝3D打印激光头已率先从科研走向工厂,实现批量生产及大规模应用,在航空航天、能源电力、轨道交通、3C电子、汽车、模具、船舶等领域均有相关应用。

注:本文由3D打印技术参考创作,未经授权,谢绝转载。

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