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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻綜述） 第 7 頁
激光快速成型技術(shù)的研究和應(yīng)用
摘要：快速成型技術(shù)是近年來制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破和革命性的發(fā)展,激光快速成型技術(shù)是其重要組成部分，是近年來才發(fā)展起來的一種快速成型技術(shù)。本文介紹了激光快速成型技術(shù)的基本原理、特點以及發(fā)展史，分析了有關(guān)工藝方法和激光快速成型技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀。討論了激光快速制造技術(shù)的研究方向,指出這種新技術(shù)廣闊的應(yīng)用前景并展望其未來發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：激光快速成型 基本原理、特點、應(yīng)用 研究現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢
1 前言
80年代后期發(fā)展起來的快速成型技術(shù)(RapidPrototyping ,RP) 是基于分層技術(shù)、堆積成型, 直接根據(jù)CAD 模型快速生產(chǎn)樣件或零件的先進制造成組技術(shù)總稱。RP 技術(shù)不同于傳統(tǒng)的去除成型、拼合成型及受迫成型等加工方法,它是利用材料累加法直接制造塑料、陶瓷、金屬及各種復(fù)合材料零件。以激光作為加工能源的激光快速成型( Rapid Prototyping Manufacturing ,RPM)是快速成型技術(shù)的重要組成部分,它集成了CAD 技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料科學(xué)等現(xiàn)代科技成果?？焖俪尚沃圃焓且环N全新的生產(chǎn)方法,其原理突破了傳統(tǒng)的材料變形成形和去除成形的工藝方法,可在沒有工裝夾具或模具的條件下,迅速制造出任意復(fù)雜形狀的三維實體零件,因此被認為是20世紀(jì)末制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破,并有可能成為21世紀(jì)的主流制造技術(shù)。
2 激光快速成型的基本原理
激光快速成型技術(shù)的原理是用CAD生成的三維實體模型，通過分層軟件分層、每個薄層斷面的二維數(shù)據(jù)用于驅(qū)動控制激光光束，掃射液體、粉末或薄片材料，加工出要求形狀的薄層，逐層積累形成實體模型。
傳統(tǒng)的工業(yè)成形技術(shù)中大部分遵循材料去除法這一方法的，如車削、銑削、鉆削、磨削、 刨削；另外一些是采用模具進行成形，如鑄造、沖壓。而激光快速成形卻是采用一種全新的 成形原理——分層加工、迭加成形。而激光快速成型技術(shù)快速制造出的模型或樣件可以直接用于新產(chǎn)品設(shè)計驗證、功能驗證、工程分析、市場訂貨一級企業(yè)的決策等，縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高企業(yè)競爭力。以此為基礎(chǔ)進一步發(fā)展的快速模具工裝制造(Quick Tooling) 技術(shù),快速精鑄技術(shù)(Quick Casting) ,快速金屬粉末燒結(jié)技術(shù)(Quick Powder Sintering) 等,可實現(xiàn)零件的快速成品。
3 激光快速成型的特點
由于快速成型技術(shù)（包含激光快速成型技術(shù)）僅僅在需要增加材料的地方增加材料，所以從設(shè)計到自動化，從知識獲取到計算機處理，從計劃到接口、通訊等方面來看，非常適合于CIM、CAD及CAM，因此，同傳統(tǒng)的制造方法相比較，激光快速成型顯示出諸多的優(yōu)點：
（1）制造速度快、成本低、節(jié)省時間和節(jié)約成本，為傳統(tǒng)制造方法注入新的活力，而且可實現(xiàn)自由制造(Free Form Fabrication)，產(chǎn)品制造過程以及產(chǎn)品造價幾乎與產(chǎn)品的批量和復(fù)雜性無關(guān)。
（2）采用非接觸加工的方式，沒有傳統(tǒng)加工的殘余應(yīng)力的問題，沒有工具更換和磨損之類的問題，無切割、噪音和振動等，有利于環(huán)保。
（3）可實現(xiàn)快速鑄造、快速模具制造，特別適合于新產(chǎn)品開發(fā)和單間零件生產(chǎn)。
4 工藝方法
1) 選擇性激光燒LS—Se1ected LaserSintering)SLS
原理是根據(jù)CAD 生成的三維實體模型,通過分層軟件分層獲得二維數(shù)據(jù)驅(qū)動控制激光束,有選擇性地對鋪好的各種粉末材料進行燒結(jié),加工出要求形狀的薄層,逐層累積形成實體模型,最后去掉未燒結(jié)的松散的粉未,獲得原型制件。SLS的特點是可以采用多種材料適應(yīng)不同的應(yīng)用要求,固體粉材可以作為自然支撐,重要的是可以直接制造金屬零件,因而具有更廣闊的發(fā)展前景。但能量消耗非常高,成型精度有待進一步提高。DTM 公司推出了系列Sinterstation 成型及多種成型材料, 其中SOMOS材料具有橡膠特性,耐熱、抗化學(xué)腐蝕,用該材料制造出了汽車上的蛇形管、密封墊等柔性零件。EOS 公司研制了PA3200GF 尼龍粉末材料,用其制作的零件具有較高的精度和表面光潔度。
2) 光固化立體造型(SL —Stereolithography ,or SLA)
將計算機控制下的紫外激光按預(yù)定零件各分層截面的輪廓為軌跡對液態(tài)光敏樹脂逐點掃描,被掃描的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)固化形成零件的一個截面, 再敷上一層新的液態(tài)樹脂進行掃描加工,如此重復(fù)直到整個原型制造完畢。這種方法的特點是精度高、表面質(zhì)量好,能制造形狀復(fù)雜、特別精細的零件,不足是設(shè)備和材料昂貴,制造過程中需要設(shè)計支撐.
3) 疊層制造
疊層制造(LOM) 是根據(jù)CAD模型各層切片的平面幾何信息對箔材進行分層實體切割。首先利用激光控制裝置進行X，Y 切割運動,將鋪在工作臺上的一層箔材切成最下一層切片的平面輪廓,隨后工作臺下降一個切片高度,箔材送進機構(gòu)又將新的一層箔材鋪上并用熱壓輥碾壓使其牢固地粘結(jié)在已成形的箔材上,激光再次進行切割運動并切出第二層平面輪廓,如此重復(fù)直至整個零件制作完成。LOM主要特點是設(shè)備和材料價格較低,制件強度較好、精度較高。Helisys公司研制出多種LOM工藝用的成型材料,可制造用金屬薄板制作的成型件,該公司還開發(fā)基于陶瓷復(fù)合材料的LOM工藝。
4) 激光熔覆成形(LCF - Laser Cladding Forming)
LCF技術(shù)的工作原理與SLS技術(shù)基本相同,通過對工作臺數(shù)控,實現(xiàn)激光束對粉末的掃描、熔覆,最終成形出所需形狀的零件。研究結(jié)果表明: 零件切片方式、激光熔覆層厚度、激光器輸出功率、光斑大小、光強分布、掃描速度、掃描間隔、掃描方式、送粉裝置、送粉量及粉末顆粒的大小等因素均對成形零件的精度和強度有影響。激光熔覆成形能制成非常致密的金屬零件,因而具有良好的應(yīng)用前景。美國Michigan的POM公司正在研制直接金屬成型(Direct Metal Deposition ,DMD) 技術(shù),用激光融化金屬粉末,能一次制作出質(zhì)地均勻、強度高的金屬零件。
5) 激光近形制造(LENS - Laser EngineeringNet Shaping)
LENS技術(shù)是將SLS技術(shù)和LCF技術(shù)相結(jié)合,并保持了這兩種技術(shù)的優(yōu)點。選用的金屬粉末有三種形式:單一金屬;金屬加低熔點金屬粘結(jié)劑;金屬加有機粘結(jié)劑。由于采用的是鋪粉方式,所以不管使用哪種形式的粉末, 激光燒結(jié)后的金屬的密度較低、多孔隙、強度較低。要提高燒結(jié)零件強度,必須進行后處理,如浸滲樹脂、低熔點金屬,或進行熱等靜壓處理。但這些后處理會改變金屬零件的精度。另外,由于要進行直接金屬材料燒結(jié),LENS 中所用的激光器必須是大功率的。
5 激光快速成型的應(yīng)用
不斷提高激光快速成型技術(shù)的應(yīng)用水平是推動激光快速成型技術(shù)技術(shù)發(fā)展的重要方面。目前，激光快速成型技術(shù)已在工業(yè)造型、機械制造、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫(yī)學(xué)、考古、文化藝術(shù)、雕刻、首飾等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。并且隨著這一技術(shù)本身的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣?。激光快速成型技術(shù)的實際應(yīng)用主要集中在以下幾個方面：
(1) 在新產(chǎn)品造型設(shè)計過程中的應(yīng)用激光快速成形技術(shù)為工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)人員建立了一種嶄新的產(chǎn)品開發(fā)模式。運用激光快速成型技術(shù)能夠快速、直接、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)化為具有一定功能的實物模型(樣件)，這不僅縮短了開發(fā)周期，而且降低了開發(fā)費用，也使企業(yè)在激烈的市場競爭中占有先機。
(2) 在機械制造領(lǐng)域的應(yīng)用由于激光快速成型技術(shù)自身的特點，使得其在機械制造領(lǐng)域內(nèi)，獲得廣泛的應(yīng)用，多用于制造單件、小批量金屬零件的制造。有些特殊復(fù)雜制件，由于只需單件生產(chǎn)，或少于50件的小批量，一般均可用RP技術(shù)直接進行成型，成本低，周期短。
(3) 快速模具制造傳統(tǒng)的模具生產(chǎn)時間長，成本高。將激光快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)相結(jié)合，可以大大縮短模具制造的開發(fā)周期，提高生產(chǎn)率，是解決模具設(shè)計與制造薄弱環(huán)節(jié)的有效途徑。激光快速成形技術(shù)在模具制造方面的應(yīng)用可分為直接制模和間接制模兩種，直接制模是指采用激光快速成型技術(shù)直接堆積制造出模具，間接制模是先制出快速成型零件，再由零件復(fù)制得到所需要的模具。
(4) 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用近幾年來，人們對激光快速成型技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究較多。以醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用激光快速成型技術(shù)制作人體器官模型，對外科手術(shù)有極大的應(yīng)用價值。
(5) 在文化藝術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用在文化藝術(shù)領(lǐng)域，激光快速成形制造技術(shù)多用于藝術(shù)創(chuàng)作、文物復(fù)制、數(shù)字雕塑等。
(6) 在航空航天技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域中，空氣動力學(xué)地面模擬實驗(即風(fēng)洞實驗)是設(shè)計性能先進的天地往返系統(tǒng)(即航天飛機)所必不可少的重要環(huán)節(jié)。該實驗中所用的模型形狀復(fù)雜、精度要求高、又具有流線型特性，采用激光快速成型技術(shù)，根據(jù)CAD模型，由激光快速成型設(shè)備自動完成實體模型，能夠很好的保證模型質(zhì)量。
(7) 在家電行業(yè)的應(yīng)用目前，激光快速成形系統(tǒng)在國內(nèi)的家電行業(yè)上得到了很大程度的普及與應(yīng)用，使許多家電企業(yè)走在了國內(nèi)前列。如：廣東的美的、華寶、科龍；江蘇的春蘭、小天鵝；青島的海爾等，都先后采用快速成形系統(tǒng)來開發(fā)新產(chǎn)品，收到了很好的效果?？焖俪尚渭夹g(shù)的應(yīng)用很廣泛，可以相信，隨著快速成形制造技術(shù)的不斷成熟和完善，它將會在越來越多的領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用。
(8) 概念模型制造和功能測試將設(shè)計構(gòu)想轉(zhuǎn)換成實體模型,具有更好的直觀性和啟示性,可充當(dāng)交流溝通中介物和更有利于產(chǎn)品設(shè)計評估。產(chǎn)品零件原型具有足夠的強度,可用于產(chǎn)品受載應(yīng)力應(yīng)變實驗分析。
(9) 快速模具制造和快速工具制造現(xiàn)代模具制造中縮短周期的關(guān)鍵之一是利用快速成型技術(shù)生成模型,結(jié)合精鑄、電極研磨等技術(shù)快速制造出所需的功能模具,其制造周期較之傳統(tǒng)的數(shù)控切削方法可縮短而成本下降。但是,LRP技術(shù)存在一些目前尚未很好解決的關(guān)鍵問題,主要是成型機理尚未完全清楚,成型能量消耗非常高,成型精度有待進一步提高等,從而制約了其進一步產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。
6 快速成形技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
美國3DSyetems公司1988年生產(chǎn)出世界上第一臺SLA250型光固化快速造型機，開創(chuàng)了激光快速成型技術(shù)迅速發(fā)展和推廣的新紀(jì)元。美國在設(shè)備研制、生產(chǎn)銷售方面占全球主導(dǎo)地位，其發(fā)展水平及趨勢基本代表了世界的發(fā)展水平及趨勢。歐洲和日本也不甘落后，紛紛進行相關(guān)技術(shù)研究和設(shè)備研發(fā)。香港和臺灣比內(nèi)地起步早，臺灣大汛擁有LOM設(shè)備，臺灣各單位及軍方安裝多臺進口SL系列設(shè)備。香港生產(chǎn)力促進局和香港科技大學(xué)、香港理工大學(xué)、香港城市大學(xué)等都擁有RP設(shè)備，其重點是有關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用與推廣。
國內(nèi)自20世紀(jì)90年代初開始進行研究，現(xiàn)有西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、北京隆源公司多所研究單位自主開發(fā)了成型設(shè)備并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。其中，西安交通大學(xué)生產(chǎn)的紫外光CPS系列光固化成型系統(tǒng)快速成型機等新技術(shù)，引起了國內(nèi)外的高度重視;華中科技大學(xué)研究LOM、SLS 工藝,推出了系列成型機和成型材料; 清華大學(xué)主要研究RP方面的現(xiàn)代成型學(xué)理論,并開展了基于SL工藝的金屬模具的研究;北京隆源公司主要研究SLS系列成型設(shè)備和配套材料并承接相關(guān)制造工程項目。
7 未來發(fā)展趨勢
技術(shù)正在發(fā)生巨大的變化,主要體現(xiàn)在新技術(shù)、新工藝及信息網(wǎng)絡(luò)化等方面,其未來發(fā)展方向包括:
(1) 研究新的成型工藝方法,在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上,拓寬激光快速成型技術(shù)的應(yīng)用,開展新的成型工藝的探索。
(2) 開發(fā)新設(shè)備和開發(fā)新材料。LRP設(shè)備研制向兩個方向發(fā)展: 自動化的桌面小型系統(tǒng),主要用于原型制造;工業(yè)化大型系統(tǒng),用于制造高精度、高性能零件。成型材料的研發(fā)及應(yīng)用是目前LRP技術(shù)的研究重點之一。發(fā)展全新材料,特別是復(fù)合材料,如納米材料、非均質(zhì)材料、功能材料是當(dāng)前的研究熱點。激光快速成型技術(shù)是多學(xué)科交叉融合一體化的技術(shù)系統(tǒng),正在不斷研究開發(fā)和推廣應(yīng)用中,與生物科學(xué)交叉的生物制造、與信息科學(xué)交叉的遠程制造、與納米科學(xué)交叉的微機電系統(tǒng)等為它集成制造提供了廣闊的發(fā)展空間。隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,它對制造業(yè)的作用日益重要并趨向更高的綜合。
作為一項新型的制造技術(shù),激光快速成形以其分層制造的思想和一體化的設(shè)計在其出現(xiàn)之始就引起了各界的廣泛關(guān)注,迅速成為制造界的研究熱點。經(jīng)過十幾年的發(fā)展,激光快速成形技術(shù)已突破了其最初意義上的“原型”概念,向著快速零件、快速工具的方向發(fā)展。占主導(dǎo)地位的SLA ,LOM ,FDM ,SLS等較成熟且已商品化的快速成形技術(shù)逐漸被學(xué)術(shù)界和工業(yè)界認識采用,并在實踐中逐漸確定了自己的應(yīng)用范圍。但激光快速成形技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展只有十幾年時間,還有較大的發(fā)展空間:
(1) 沒有粘結(jié)劑金屬材料的快速制造,特別是高熔點、高強度金屬零件的制造;
(2) 各種快速成形方法中材料成形機理、成形性的研究,最終形成快速成形材料的商品化;
(3) 成形工藝和設(shè)備的開發(fā)與改進,以提高原型件的表面質(zhì)量、尺寸精度、機械性能;
(4) 探索RP技術(shù)與傳統(tǒng)加工、特種加工技術(shù)相結(jié)合的多種加工手段綜合工藝,為快速模具、工具制造提供新的技術(shù)手段。
隨著激光快速成形技術(shù)的發(fā)展,新工藝、新材料的不斷出現(xiàn),勢必會對未來的實際零件制造產(chǎn)生較大影響,對制造業(yè)產(chǎn)生巨大的推動作用。
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