LENS 激光近凈成型技術(shù)：鏈接3D打印與傳統(tǒng)制造的橋梁

今天為你帶來的是LENS（激光近凈成型）技術(shù)。自這種技術(shù)問世以來，因為其能夠?qū)崿F(xiàn)梯度材料、復(fù)雜曲面修復(fù)等功能而深受工業(yè)界的寵愛。憑借這些優(yōu)勢，LENS技術(shù)在大型器件的修復(fù)上正在不斷地發(fā)揮作用，當(dāng)仁不讓的成為了鏈接傳統(tǒng)制造與3D打印的橋梁。

LENS技術(shù)原理

近凈成形技術(shù)是指零件成形后，僅需少量加工或不再加工，就可用作機械構(gòu)件的成形技術(shù)。激光近凈成型（Laser Engineered Net Shaping, LENS）通過激光在沉積區(qū)域產(chǎn)生熔池并持續(xù)熔化粉末或絲狀材料而逐層沉積生成三維物件。LENS技術(shù)由美國桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratory）于上世紀(jì)90年代研制，隨后美國Optomec公司將LENS技術(shù)進行商業(yè)開發(fā)和推廣。

因為LENS技術(shù)是由許多大學(xué)和機構(gòu)是分別獨立進行研究的，因此這一技術(shù)的名稱繁多。LENS技術(shù)也叫激光熔化沉積（Laser Metal Deposition, LMD），美國密歇根大學(xué)稱為直接金屬沉積(Direct Metal Deposition, DMD），英國伯明翰大學(xué)稱為直接激光成型(Directed Laser Fabrication, DLF)，中國西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東教授稱其為激光快速成形(Laser Rapid Forming, LRF)。美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）標(biāo)準(zhǔn)中將該技術(shù)統(tǒng)一規(guī)范為金屬直接沉積制造（Directed Energy Depositioin, DED）技術(shù)的一部分。圖為LENS技術(shù)正在修復(fù)物體表面。

LENS技術(shù)正在修復(fù)物體表面

在LENS技術(shù)過程中，計算機首先將三維CAD模型按照一定的厚度切片分層，每一層的二維平面數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為打印設(shè)備數(shù)控臺的運動軌跡。高能量激光束會在底板上生成熔池，同時將金屬粉末同步送入熔池中并快速熔化凝固，使之由點到線、由線到面的順序凝固，從而完成一個層截面的打印工作。這樣層層疊加，制造出近凈形的零部件實體。

LENS技術(shù)主要用于打印比較成熟的商業(yè)化金屬合金粉末材料，包括不銹鋼、鈦合金、鎳基合金等。

LENS打印過程

LENS優(yōu)勢和技術(shù)限制

LENS技術(shù)可以實現(xiàn)金屬零件的無模制造，節(jié)約成本，縮短生產(chǎn)周期。同時該技術(shù)解決了復(fù)雜曲面零部件在傳統(tǒng)制造工藝中存在的切削加工困難、材料去除量大、刀具磨損嚴(yán)重等一系列問題。LENS技術(shù)是無需后處理的金屬直接成形方法，成形得到的零件組織致密,力學(xué)性能很高,并可實現(xiàn)非均質(zhì)和梯度材料零件的制造。

LENS技術(shù)也遇到了一些瓶頸，包括粉末材料利用率較低，成形過程中熱應(yīng)力大,成形件容易開裂,成形件的精度較低，可能會影響零件的質(zhì)量和力學(xué)性能。由于受到激光光斑大小和工作臺運動精度等因素的限制，所直接制造的功能件的尺寸精度和表面粗糙度較差，往往需要后續(xù)的機加工才能滿足使用要求。

LENS應(yīng)用

LENS技術(shù)主要應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶等領(lǐng)域，用于制造或修復(fù)航空發(fā)動機和重型燃?xì)廨啓C的葉輪葉片以及輕量化的汽車零部件等。LENS技術(shù)可以實現(xiàn)對磨損或破損的葉片進行修復(fù)和再制造的過程，從而大大降低葉片的制造成本，提高生產(chǎn)效率。

利用LENS技術(shù)制造發(fā)動機葉片

利用LENS技術(shù)對破損的零件進行修復(fù)

德國O.R. Laser公司使用LENS技術(shù)在傳感器表面制造出一個硬合金熔覆層，為石油和天然氣行業(yè)的傳感器元件提供可靠保障，顯著延長傳感器的壽命。該方法能使材料精確沉積、低熱滲透，最終為傳感器鍍上一層不失真、無裂紋的涂層，如圖所示。

在傳感器表面制造硬合金熔覆層（圖片來源：3D科學(xué)谷）