金屬零件3D打印技術(shù)作為整個3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。隨著科技發(fā)展及推廣應(yīng)用的需求，利用快速成型直接制造金屬功能零件成為了快速成型主要的發(fā)展方向。目前可用于直接制造金屬功能零件的快速成型方法主要有：選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）、電子束選區(qū)熔化（Electron Beam Selective Melting，EBSM）、激光近凈成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS）等。



激光工程化凈成形技術(shù)( LENS)

LENS是一種新的快速成形技術(shù)，它由美國Sandia國家實驗室首先提出。其特點(diǎn)是: 直接制造形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬功能零件或模具； 可加工的金屬或合金材料范圍廣泛并能實現(xiàn)異質(zhì)材料零件的制造； 可方便加工熔點(diǎn)高、難加工的材料。



LENS是在激光熔覆技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種金屬零件3D打印技術(shù)。采用中、大功率激光熔化同步供給的金屬粉末，按照預(yù)設(shè)軌跡逐層沉積在基板上，最終形成金屬零件。1999年，LENS工藝獲得了美國工業(yè)界中“最富創(chuàng)造力的25項技術(shù)”之一的稱號。國外研究人員研究了LENS工藝制備奧氏體不銹鋼試件的硬度分布，結(jié)果表明隨著加工層數(shù)的增加，試件的維氏硬度降低。


國外研究人員應(yīng)用LENS工藝制備了載重植入體的多孔和功能梯度結(jié)構(gòu)，采用的材料為Ni、Ti等與人體具有良好相容性的合金，制備的植入體的孔隙率最高能達(dá)到70%，使用壽命達(dá)到7-12年。  Krishna等人采用Ti-6Al-4V和Co-Cr-Mo合金制備了多孔生物植入體，并研究了植入體的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)孔隙率為10%時，楊氏模量達(dá)到90 GPa，當(dāng)孔隙率為70%時，楊氏模量急劇降到2 GPa，這樣就可以通過改變孔隙率，使植入體的力學(xué)性能與生物體適配。   Zhang等制備了網(wǎng)狀的 Fe 基（Fe-B-Cr-C-Mn-Mo-W-Zr）金屬玻璃（MG）組件，研究發(fā)現(xiàn)MG的顯微硬度達(dá)到9.52 GPa。Li通過LENS工藝修復(fù)定向凝固高溫合金GTD-111。國內(nèi)的薛春芳等采用LENS工藝，獲得微觀組織、顯微硬度和機(jī)械性能良好的網(wǎng)狀的Co基高溫合金薄壁零件。費(fèi)群星等采用LENS工藝成型了無變形的Ni-Cu-Sn合金樣品。無人機(jī)



在LENS系統(tǒng)中，同軸送粉器包括送粉 器、送粉頭和保護(hù)氣路3部分。送粉器包括粉末料箱和粉末定量送給機(jī)構(gòu)，粉末的流量由步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速決定。為使金屬粉末在自重作用下增加流動性，將送粉器架設(shè)在2. 5 m的高度上。從送粉器流出的金屬粉末經(jīng)粉末分割器平均分成4份并通過軟管流入粉頭，金屬粉末從粉頭的噴嘴噴射到激光焦點(diǎn)的位置完成熔化堆積過程。全部粉末路徑由保護(hù)氣體推動，保護(hù)氣體將金屬粉末與空氣隔離，從而避免金屬粉末氧化。LENS 系統(tǒng)同 軸送粉器結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。 目前，快速原型技術(shù)已經(jīng)逐步趨于成熟，發(fā)達(dá)國家也將激光工程化凈成形技術(shù)作為研究的重點(diǎn)，并取得了一些實質(zhì)性成果。在實際應(yīng)用中，可以利用該技術(shù)制作出功能復(fù) 合型材料，可以修復(fù)高附加值的鈦合金葉片，也可以運(yùn)用到直升機(jī)、客機(jī)、導(dǎo)彈的制作中。另外，還能將該技術(shù)運(yùn)用于生物植入領(lǐng)域，采用與人體具有相容性的Ni、Ti材質(zhì)制備植入體，有效提升了空隙率，延長了植入體的使用時長。