激光快速成形技术最新发展及应用

卓辉激光

激光快速成形（Laser Rapid Prototyping：LRP）是将CAD、CAM、CNC、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集成的一种全新制造技术。与传统制造方法相比具有：原型的复制性、互换性高；制造工艺与制造原型的几何形状无关；加工周期短、成本低，一般制造费用降低50%，加工周期缩短70%以上；高度技术集成，实现设计制造一体化。 　　近期发展的LPR主要有：立体光造型(SLA) 技术；选择性激光烧结(SLS) 技术；激光熔覆成形（LCF）技术；激光近形（LENS）技术；激光薄片叠层制造(LOM) 技术；激光诱发热应力成形（LF）技术及三维印刷技术等。 　　立体光造形(SLA)技术 　　SLA技术又称光固化快速成形技术，其原理是计算机控制激光束对光敏树脂为原料的表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层（约十分之几毫米）产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。工作台下移一个层厚的距离，以便固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，进行下一层的扫描加工，如此反复，直到整个原型制造完毕。由于光聚合反应是基于光的作用而不是基于热的作用，故在工作时只需功率较低的激光源。此外，因为没有热扩散，加上链式反应能够很好地控制，能保证聚合反应不发生在激光点之外，因而加工精度高 ），表面质量好，原材料的利用率接近100%，能制造形状复杂、精细的零件，效率高。对于尺寸较大的零件，则可采用先分块成形然后粘接的方法进行制作。 　　美国、日本、德国、比利时等都投入了大量的人力、物力研究该技术，并不断有新产品问世。我国西安交通大学也研制成功了立体光造型机LPS600A。目前，全世界有10多家工厂生产该产品。 　　●在汽车车身制造中的应用 SLA技术可制造出所需比例的精密铸造模具，从而浇铸出一定比例的车身金属模型，利用此金属模型可进行风洞和碰撞等试验，从而完成对车身最终评价，以决定其设计是否合理。美国克莱斯勒公司已用SLA技术制成了车身模型，将其放在高速风洞中进行空气动力学试验分析，取得了令人满意的效果，大大节约了试验费用。 　　●用于汽车发动机进气管试验 进气管内腔形状是由十分复杂的自由曲面构成的，它对提高进气效率、燃烧过程有十分重要的影响。设计过程中，需要对不同的进气管方案做气道试验，传统的方法是用手工方法加工出由几十个截面来描述的气管木模或石膏模，再用砂模铸造进气管，加工中，木模工对图纸的理解和本身的技术水平常导致零件与设计意图的偏离，有时这种误差的影响是显著的。使用数控加工虽然能较好地反映出设计意图，但其准备时间长，特别是几何形状复杂时更是如此。英国Rover公司使用快速成型技术生产进气管的外模及内腔模，取得了令人满意的效果。 　　选择性激光烧结（SLS）技术 　　SLS技术与SLA技术很相似，只是用粉末原料取代了液态光聚合物，并以一定的扫描速度和能量作用于粉末材料。该技术具有原材料选择广泛、多余材料易于清理、应用范围广等优点，适用于原型及功能零件的制造。在成形过程中，激光工作参数以及粉末的特性和烧结气氛是影响烧结成形质量的重要参数。 　　●在汽车模具制造中应用 美国德克萨斯州立大学研究的SLS技术，已由美国DTM公司商品化。目前该公司已研制出SLS2000系列第三代产品。该系统能烧结蜡、聚碳酸酯、尼龙、金属等各种材料。用该系统制造的钢铜合金注塑模具，可注塑5万件工件。近年来基于RPM技术模具制造技术已从最初的原型制造，发展到快速工模具制造,成为国内外应用研究开发的重点。基于RPM的模具制造方法可分为直接制模法和间接制模法。 直接制模法是直接采用RPM技术制作模具，在RPM技术诸方法中能够直接制作金属模具的是SLS法。用这种方法制造的钢制铜合金注射模，寿命可达5万件以上。但此法在烧结过程中材料发生较大收缩，精度难以控制。 　　间接制模法可分为： 　　（1）软质简易模具的制作 采用硅橡胶、金属粉环氧树脂粉和低熔点合金等将原型准确复制成模具，或对原型进行表面处理，用金属喷涂法或物理蒸发沉积法镀上一层熔点较低的合金来制作模具。这些简易模具的寿命为50～5000件，由于其制造成本低、周期短，特别适合于产品试制阶段的小批量生产。 　　（2）钢质模具的制作 将RPM技术与精密铸造技术相结合，可实现金属模的快速制造。或者直接制造出复形精度较高的EDM电极，用于注塑模、锻模、压铸等钢制模具型腔的加工。一个中等大小、较为复杂的电极一般4～8h即可完成，复形精度完全满足工程要求。福特汽车公司用此技术制造汽车模具取得了满意的效果。上海交通大学也已通过RP与精密铸造结合的方法为汽车及汽车轮胎等行业生产进口替代模具计80余副。与传统机加工法相比，快速模具制造的制作成本及周期大大降低。我国每年需进口模具达8亿多美元，主要是复杂模具和精密模具，因此，SLS技术在未来的汽车模具制造业中的应用前景十分广阔。 　　●在汽车灯具制造上的应用 汽车灯具大多数的形状是不规则的,曲面复杂,模具制造难度很大。通过快速成型技术,可以很快得到精确的产品试样,为模具设计CAD和CAM提供了有利的参考。同时,也可以通过快速成型技术,用熔模铸造的方法快速、高精度地制造出灯具模具。 　　激光熔覆成形（LCF）技术 　　LCF技术的工作原理与其他快速成形技术基本相同，也是通过对工作台数控，实现激光束对粉末的扫描、熔覆，最终成形出所需形状的零件。研究结果表明：零件切片方式、激光熔覆层厚度、激光器输出功率、光斑大小、光强分布、扫描速度、扫描间隔、扫描方式、送粉装置、送粉量及粉末颗粒的大小等因素均对成形零件的精度和强度有影响。 与其他快速成形技术的区别在于，激光熔覆成形能制成非常致密的金属零件，其强度达到甚至超过常规铸造或锻造方法生产的零件，因而具有良好的应用前景。 激光近形（LENS）技术 LENS技术是将SLS技术和LCF技术相结合，并保持了这两种技术的优点。选用的金属粉末有三种形式： （1）单一金属； （2）金属加低熔点金属粘结剂； （3）金属加有机粘结剂。由于采用的是铺粉方式，所以不管使用哪种形式的粉末，激光烧结后的金属的密度较低、多孔隙、强度较低。要提高烧结零件强度，必须进行后处理，如浸渗树脂、低熔点金属，或进行热等静压处理。但这些后处理会改变金属零件的精度。 　　激光薄片叠层制造（LOM）技术 　　LOM技术是一种常用来制作模具的新型快速成形技术。其原理是先用大功率激光束切割金属薄片，然后将多层薄片叠加，并使其形状逐渐发生变化，最终获得所需原型的立体几何形状。 　　LOM技术制作冲模，其成本约比传统方法节约1/2，生产周期大大缩短。用来制作复合模、薄料模、级进模等，经济效益也甚为显著。该技术在国外已经得到了广泛的使用。 　　激光诱发热应力成形（LF）技术 　　LF技术的原理是基于金属热胀冷缩的特性，即对材料进行不均匀加热，产生预定的塑性变形。该技术具有下列特点： （1）无模具成形：生产周期短、柔性大,特别适合单件小批量或大型工件的生产； （2）无外力成形：材料变形的根源在于其内部的热应力； （3）非接触式成形：成形精度高、无工模具磨损，可用于精密件的制造； （4）热态累积成形：能够成形常温下的难变形材料或高硬化指数金属,而且能够产生自冷硬化效果,使变形区材料的组织与性能得以改善。 　　

纳深

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