.162. 工程科学学报，第41卷，第2期 表2不同金属增材制造技术设备的典型参数及代表性制造单位[2-3，-] Table 2 Typical parameters and manufacturing units of equipment for different metal additive manufacturing technologies,] 成形尺寸 成形效率/ 设备名称 气氛要求 热源参数 运动参数 (长×宽×高)/ 代表性制造单位 (cm3.h-1) mm x mm x mm) 惰性气体保护，氧C02激光器，功率10激光水平运动速度 ≤450×450× 激光选区烧结 ≤100 EOS 体积分数≤0.01% w200W ≤8msl 500 基板水平机械运动速 真空/惰性气体保 微滴喷射 电阻/感应加热 度≤10cm·minl,微 ≤50 西北工业大学 为 滴沉积颜率≤10Hz 一个或多个Yb-fber Fraunhofer ILT, 惰性气体保护，氧激光器，功率50。激光水平运动速度≤ ≤800×400× 激光选区熔化 ≤100 Concept Laser,SLM 体积分数≤0.01%1000W,光斑直径5015ms1 500 Solutions,铂力特 ~200μm Yb-fiber/Nd-YAG/ 激光器或基板做机械 激光工程化净惰性气体保护，氧C02激光器，功率0.53~6轴运动，水平机 ≤3000×3000× ≤300 成形 体积分数≤0.01% ~10kW,光斑直径械运动速度≤800cm· InssTek,Optomec 6000 0.3~7mm min-1 钨极氩弧/熔化极氩焊枪或基板水平机械 Cranfield Universi- 金属电弧增材 惰性气体保护 弧/等离子弧，电流90运动速度≤100cm· ≤900 y,哈尔滨工业大 制造 ~300A min-1 学 电子束，功率1~7 电子束选区熔 真空环境，真空度 电子束水平运动速度 ≤200×200× kW,束斑直径100~ ≤200 ≤10-2Pa Arcam AB 化 ≤8000ms-1 380 400μm 基板水平机械运动速 金属熔融沉积大气环境 电阻加热 UTEP 度≤60cm*minl 电子束熔丝沉真空环境，真空度电子束，功率<45kW, 基板运动，速度≤200 ≤5791×1219× ≤1000 Efesto 积 ≤10-2Pa 束斑直径3~5mm cm.min-1 1219 在熔体输送式原料供给系统中，喷嘴形状的设 2.3成形系统研究现状 计、金属熔体出料形态的控制对于工艺的制定以及 金属增材制造设备成形系统的研究主要集中在 产品的质量控制具有重要影响[s-).Zhog等a] 提升产品成形尺寸、开发基板预热系统、提升激光功 模拟了微滴喷射过程中具有代表性的点的轨迹，从 率、研发动态聚焦振镜、开发多激光器成形系统以及 而对金属熔体的出料过程进行控制，如图3所示 研究激光与粉材之间的交互作用等4-s)】.Schleifen- 第一次” 第二次 baum等s设计了一种高功率多光束可变焦的激光 震动 断裂1 断裂 20 选区熔化成形系统，该系统采用千瓦级激光器，并通 s点1△点2◆点3 过多激光束叠加的方式使光斑直径在193um和 2000 D点4D点5 15 1050μm之间变化，能够大大提升成形效率，如图4 4000 10 所示. 2.4控制系统研究现状 在金属增材制造技术中，控制系统与各子系统 实现良好的协调配合，才能保证金属增材制造设备 10000 的正常运转.在金属增材制造设备的控制系统中， 12000 10 20 30 40 反馈调节关系到金属增材制造设备智能化水平和控 时间/ms 制水平的高低，是控制系统研究的热点 图3 微滴形成过程中具有代表性的点的轨迹)] 控制系统的反馈调节主要通过机器视觉来实 Fig.3 Tracks of representation points during droplet formation[] 现[s2-s5].Heralic等[s]对激光工程化净成形控制系工程科学学报,第 41 卷,第 2 期 表 2 不同金属增材制造技术设备的典型参数及代表性制造单位[2鄄鄄3, 31鄄鄄37] Table 2 Typical parameters and manufacturing units of equipment for different metal additive manufacturing technologies [2鄄鄄3, 31鄄鄄37] 设备名称 气氛要求 热源参数 运动参数 成形尺寸 (长 伊 宽 伊 高) / (mm 伊 mm 伊 mm) 成形效率/ (cm 3·h - 1 ) 代表性制造单位 激光选区烧结 惰性气体保护,氧 体积分数臆0郾 01% CO2 激光器, 功 率 10 ~ 200 W 激光水平运动速度 臆8 m·s - 1 臆450 伊 450 伊 500 臆100 EOS 微滴喷射 真空/ 惰性气体保 护 电阻/ 感应加热 基板水平机械运动速 度臆10 cm·min - 1 ,微 滴沉积频率臆10 Hz — 臆50 西北工业大学 激光选区熔化 惰性气体保护,氧 体积分数臆0郾 01% 一个 或 多 个 Yb鄄fiber 激 光 器, 功 率 50 ~ 1000 W,光斑直径 50 ~ 200 滋m 激光水平运动速度臆 15 m·s - 1 臆800 伊 400 伊 500 臆100 Fraunhofer ILT, Concept Laser,SLM Solutions,铂力特 激光工程化净 成形 惰性气体保护,氧 体积分数臆0郾 01% Yb鄄fiber/ Nd鄄YAG/ CO2激光器,功率 0郾 5 ~ 10 kW, 光 斑 直 径 0郾 3 ~ 7 mm 激光器或基板做机械 3 ~ 6 轴运动,水平机 械运动速度臆800 cm· min - 1 臆3000 伊 3000 伊 6000 臆300 InssTek,Optomec 金属电弧增材 制造 惰性气体保护 钨极 氩 弧/ 熔 化 极 氩 弧/ 等离子弧,电流 90 ~ 300 A 焊枪或基板水平机械 运动速度 臆100 cm· min - 1 — 臆900 Cranfield Universi鄄 ty,哈尔 滨 工 业 大 学 电子束选区熔 化 真空环境,真空度 臆10 - 2 Pa 电 子 束, 功 率 1 ~ 7 kW,束斑直径 100 ~ 400 滋m 电子束水平运动速度 臆8000 m·s - 1 臆200 伊 200 伊 380 臆200 Arcam AB 金属熔融沉积 大气环境 电阻加热 基板水平机械运动速 度臆60 cm·min - 1 — — UTEP 电子束熔丝沉 积 真空环境,真空度 臆10 - 2 Pa 电子束,功率 < 45 kW, 束斑直径 3 ~ 5 mm 基板运动,速度臆200 cm·min - 1 臆5791 伊 1219 伊 1219 臆1000 Efesto 在熔体输送式原料供给系统中,喷嘴形状的设 计、金属熔体出料形态的控制对于工艺的制定以及 产品的质量控制具有重要影响[45鄄鄄47] . Zhong 等[47] 模拟了微滴喷射过程中具有代表性的点的轨迹,从 而对金属熔体的出料过程进行控制,如图 3 所示. 图 3 微滴形成过程中具有代表性的点的轨迹[47] Fig. 3 Tracks of representation points during droplet formation [47] 2郾 3 成形系统研究现状 金属增材制造设备成形系统的研究主要集中在 提升产品成形尺寸、开发基板预热系统、提升激光功 率、研发动态聚焦振镜、开发多激光器成形系统以及 研究激光与粉材之间的交互作用等[48鄄鄄51] . Schleifen鄄 baum 等[51]设计了一种高功率多光束可变焦的激光 选区熔化成形系统,该系统采用千瓦级激光器,并通 过多激光束叠加的方式使光斑直径在 193 滋m 和 1050 滋m 之间变化,能够大大提升成形效率,如图 4 所示. 2郾 4 控制系统研究现状 在金属增材制造技术中,控制系统与各子系统 实现良好的协调配合,才能保证金属增材制造设备 的正常运转. 在金属增材制造设备的控制系统中, 反馈调节关系到金属增材制造设备智能化水平和控 制水平的高低,是控制系统研究的热点. 控制系统的反馈调节主要通过机器视觉来实 现[52鄄鄄55] . Heralic' 等[55]对激光工程化净成形控制系 ·162·