【摘 要】
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选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)是一种基于粉床的激光增材制造技术,其具有材料利用率高、工艺流程短、可制成复杂形状零件等显著优势,近年来在砂型激光增材制造领域得到广泛应用。随着我国铸造行业的不断升级、提效,铸件尺寸不断增大,常规SLS技术在加工幅面、效率、强度等方面难以满足行业需求。本文为突破常规SLS法中低激光功率、窄线宽扫描导致的加工效率低的瓶颈,并合
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选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)是一种基于粉床的激光增材制造技术,其具有材料利用率高、工艺流程短、可制成复杂形状零件等显著优势,近年来在砂型激光增材制造领域得到广泛应用。随着我国铸造行业的不断升级、提效,铸件尺寸不断增大,常规SLS技术在加工幅面、效率、强度等方面难以满足行业需求。本文为突破常规SLS法中低激光功率、窄线宽扫描导致的加工效率低的瓶颈,并合理地平衡制件精度与制件初强度,着重研究基于覆膜粉体的光纤激光烧结/失效复合(Fiber Laser Sintering and Invalidating Compound,FLSIC)的增材制造方法及其配套装备、成形工艺及材料,并与传统铸造技术相结合,进行工程应用实例的验证。研究内容及结果如下:提出以功率更高、稳定性更强、寿命更长的500 W光纤激光器取代常规SLS成形系统的100 W二氧化碳激光器烧结成形热塑性酚醛树脂覆膜材料的新思路,并依此提出了大光斑宽线填充高效率烧结扫描截面(高效率粘接)与小光斑高精度失效扫描轮廓(高精度切割)复合的增材制造方法FLSIC。该方法在提升制件效率的同时,获得较高的制件初强度,并且可有效消除次级烧结体对制件精度的不良影响,保障制件尺寸精度。扩展了激光增材制造方法,尤其对于大尺寸复杂结构砂型砂芯的高效制备具有重要的理论意义和实用价值。围绕FLSIC方法并研制出了大幅面系列化成形装备。以高功率光纤激光器和移动式低成本后聚焦振镜为核心,采用分区拼接扫描技术实现高效变光斑大幅面加工,合理地平衡了装备的加工效率、加工幅面以及设计/制造/维护成本。采用低成本大行程XY皮带模组与光栅尺反馈的高精度小行程平移台的主从运动组合,有效保障了移动式振镜的高速精确定位,消除了皮带模组在高速定点运动时的跟随误差,实现了低成本大幅面高速高精度定位。装备兼容了 FLSIC和SLS成形方法,软硬件均自主研发,全部采用国产元器件。在长期运行过程中验证了装备的稳定性和可靠性,满足基础工艺实验及工程应用的需求。以覆膜宝珠砂为材料、以光纤激光为光源研究了 FLSIC成形新工艺,并与SLS法成形件进行对比。结果证实,采用离焦大光斑激光代替常规SLS聚焦小光斑激光进行烧结成形,可实现更高功率、更宽填充线间距扫描烧结。结果还表明,先采用大光斑激光以高制件强度对应的激光能量密度进行截面内部填充烧结(高效高强度粘接),再采用高激光能量密度的小光斑进行截面轮廓失效扫描(高精度切割),可实现高制件初强度的同时割离次级烧结体,从而解决了 SLS方法中激光高能量密度烧结获得较高初强度时带来较大的次级烧结区影响制件精度的问题。为解决砂型打印常用覆膜硅砂对FLSIC工艺所用的光纤激光吸收率低、成形性差的问题,提出采用掺入石墨烯的方法对原材料进行改性。研究了改性材料的制备工艺及其在光纤激光作用下的成形性能,结果表明,石墨烯的添加在提高覆膜硅砂对光纤激光吸收能力的同时,保证了砂型打印件的强度和精度,且当石墨烯占硅砂质量的0.1%时,其成形效率、成形强度最佳。最后,通过制造出质量合格的中等尺寸泵壳铸件,证明了该材料在铸造砂型打印中应用的可行性,为大型砂型的FLSIC成形提供了低成本高性能的基础材料。研制出一种可用于激光增材制造的新型保温轻质覆膜粉末。该覆膜材料以粉煤灰中提取的漂珠作为基体材料,以酚醛树脂热法覆膜制得复合粉末。研究了覆膜漂珠的制备工艺以及FLSIC成形工艺,分析了树脂含量对制件的强度、导热系数、精度和比强度的影响。结果表明FP20材料FLSIC制件的导热系数、体积密度及抗弯强度指标均满足铸造保温冒口套要求。该研究在拓展技术应用范围的同时又实现了废弃污染物的再利用,为铸造行业的复杂结构保温冒口的制造提供了基础材料。
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