激光成型技术的推广和前景

万永福

江苏威鹰机械有限公司江苏泰州225300

摘要：快速成型技术是近年来制造技术领域的一次重大突破和革命性的发展,激光成型技术是其重要组成部分，是近年来才发展起来的一种快速成型技术。本文介绍了激光成型技术的基本原理、特点以及发展史，分析了有关工艺方法和激光成型技术的研究和应用现状。讨论了激光快速制造技术的研究方向,指出这种新技术广阔的应用前景并展望其未来发展趋势。

关键词：激光成型基本原理、特点、应用研究现状发展趋势

1、激光成型的基本原理

激光成型技术的原理是用CAD生成的三维实体模型，通过分层软件分层、每个薄层断面的二维数据用于驱动控制激光光束，扫射液体、粉末或薄片材料，加工出要求形状的薄层，逐层积累形成实体模型。

激光成型技术快速制造出的模型或样件可以直接用于新产品设计验证、功能验证、工程分析、市场订货一级企业的决策等，缩短新产品开发周期，降低研发成本，提高企业竞争力。以此为基础进一步发展的快速模具工装制造(QuickTooling)技术,快速精铸技术(QuickCasting),快速金属粉末烧结技术(QuickPowderSintering)等,可实现零件的快速成品。

2.工艺方法

1)选择性激光烧结(SLS—Se1ectedLaserSintering)SLS

原理是根据CAD生成的三维实体模型,通过分层软件分层获得二维数据驱动控制激光束,有选择性地对铺好的各种粉末材料进行烧结,加工出要求形状的薄层,逐层累积形成实体模型,最后去掉未烧结的松散的粉未,获得原型制件。SLS的特点是可以采用多种材料适应不同的应用要求,固体粉材可以作为自然支撑,重要的是可以直接制造金属零件,因而具有更广阔的发展前景。但能量消耗非常高,成型精度有待进一步提高。DTM公司推出了系列Sinterstation成型及多种成型材料,其中SOMOS材料具有橡胶特性,耐热、抗化学腐蚀,用该材料制造出了汽车上的蛇形管、密封垫等柔性零件。EOS公司研制了PA3200GF尼龙粉末材料,用其制作的零件具有较高的精度和表面光洁度。

2)光固化立体造型(SL—Stereolithography,orSLA)

将计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态光敏树脂逐点扫描,被扫描的树脂薄层产生光聚合反应固化形成零件的一个截面,再敷上一层新的液态树脂进行扫描加工,如此重复直到整个原型制造完毕。这种方法的特点是精度高、表面质量好,能制造形状复杂、特别精细的零件,不足是设备和材料昂贵,制造过程中需要设计支撑.

3)叠层制造

叠层制造(LOM)是根据CAD模型各层切片的平面几何信息对箔材进行分层实体切割。首先利用激光控制装置进行X2Y切割运动,将铺在工作台上的一层箔材切成最下一层切片的平面轮廓,随后工作台下降一个切片高度,箔材送进机构又将新的一层箔材铺上并用热压辊碾压使其牢固地粘结在已成形的箔材上,激光再次进行切割运动并切出第二层平面轮廓,如此重复直至整个零件制作完成。LOM主要特点是设备和材料价格较低,制件强度较好、精度较高。Helisys公司研制出多种LOM工艺用的成型材料,可制造用金属薄板制作的成型件,该公司还开发基于陶瓷复合材料的LOM工艺。

4)激光熔覆成形(LCF-LaserCladdingForming)

LCF技术的工作原理与SLS技术基本相同,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。激光熔覆成形能制成非常致密的金属零件,因而具有良好的应用前景。美国Michigan的POM公司正在研制直接金属成型(DirectMetalDeposition,DMD)技术,用激光融化金属粉末,能一次制作出质地均匀、强度高的金属零件。

5)激光近形制造(LENS-LaserEngineeringNetShaping)

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:单一金属;金属加低熔点金属粘结剂;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。另外,由于要进行直接金属材料烧结,LENS中所用的激光器必须是大功率的。

4.激光成型的应用

(1)在新产品造型设计过程中的应用激光快速成形技术为工业产品的设计开发人员建立了一种崭新的产品开发模式。运用激光成型技术能够快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的实物模型(样件)，这不仅缩短了开发周期，而且降低了开发费用，也使企业在激烈的市场竞争中占有先机。

(2)在机械制造领域的应用由于激光成型技术自身的特点，使得其在机械制造领域内，获得广泛的应用，多用于制造单件、小批量金属零件的制造。有些特殊复杂制件，由于只需单件生产，或少于50件的小批量，一般均可用RP技术直接进行成型，成本低，周期短。

(3)快速模具制造传统的模具生产时间长，成本高。将激光成型技术与传统的模具制造技术相结合，可以大大缩短模具制造的开发周期，提高生产率，是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。激光快速成形技术在模具制造方面的应用可分为直接制模和间接制模两种，直接制模是指采用激光成型技术直接堆积制造出模具，间接制模是先制出快速成型零件，再由零件复制得到所需要的模具。

(4)在文化艺术领域的应用在文化艺术领域，激光快速成形制造技术多用于艺术创作、文物复制、数字雕塑等。

(5)概念模型制造和功能测试将设计构想转换成实体模型,具有更好的直观性和启示性,可充当交流沟通中介物和更有利于产品设计评估。产品零件原型具有足够的强度,可用于产品受载应力应变实验分析。

(6)快速模具制造和快速工具制造现代模具制造中缩短周期的关键之一是利用快速成型技术生成模型,结合精铸、电极研磨等技术快速制造出所需的功能模具,其制造周期较之传统的数控切削方法可缩短而成本下降。但是,LRP技术存在一些目前尚未很好解决的关键问题,主要是成型机理尚未完全清楚,成型能量消耗非常高,成型精度有待进一步提高等,从而制约了其进一步产业应用。

5.新的研究方向

技术正在发生巨大的变化,主要体现在新技术、新工艺及信息网络化等方面,其新的研究方向包括:

(1)研究新的成型工艺方法,在现有的基础上,拓宽激光成型技术的应用,开展新的成型工艺的探索。

(2)开发新设备和开发新材料。LRP设备研制向两个方向发展:自动化的桌面小型系统,主要用于原型制造;工业化大型系统,用于制造高精度、高性能零件。成型材料的研发及应用是目前LRP技术的研究重点之一。发展全新材料,特别是复合材料,如纳米材料、非均质材料、功能材料是当前的研究热点。激光成型技术是多学科交叉融合一体化的技术系统,正在不断研究开发和推广应用中,与生物科学交叉的生物制造、与信息科学交叉的远程制造、与纳米科学交叉的微机电系统等为它集成制造提供了广阔的发展空间。随着科学技术和现代工业的发展,它对制造业的作用日益重要并趋向更高的综合。