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1、激光快速成形技術(shù)最新發(fā)展及應(yīng)用1引言激光快速成形(Laser Rapid Prototyping:LRP是將 CAD、CAM、CNC、激光、 精密伺服驅(qū)動(dòng)和新材料等先進(jìn)技術(shù)集成的一種全新制造技術(shù)。與傳統(tǒng)制造方法相比 具有:原型的復(fù)制性、互換性高;制造工藝與制造原型的幾何形狀無(wú)關(guān);加工周期短、 成本低,一般制造費(fèi)用降低50%,加工周期縮短70%以上;高度技術(shù)集成,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制 造一體化。近期發(fā)展的LRP主要有:立體光造型(SLA技術(shù);選擇性激光燒結(jié)(SLS技術(shù);激光 熔覆成形(LCF技術(shù);激光近形(LENS技術(shù);激光薄片疊層制造(LOM技術(shù);激光誘發(fā)熱 應(yīng)力成形(LF技術(shù)及三維印刷技術(shù)等。2激光快

2、速成形最新技術(shù)2.1立體光造型(SLA技術(shù)SLA技術(shù)又稱(chēng)光固化快速成形技術(shù),其原理是計(jì)算機(jī)控制激光束對(duì)光敏樹(shù)脂為 原料的表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描,被掃描區(qū)域的樹(shù)脂薄層(約十分之幾毫米產(chǎn)生光聚合反應(yīng) 而固化,形成零件的一個(gè)薄層。工作臺(tái)下移一個(gè)層厚的距離,以便固化好的樹(shù)脂表面 再敷上一層新的液態(tài)樹(shù)脂,進(jìn)行下一層的掃描加工,如此反復(fù),直到整個(gè)原型制造完 畢。由于光聚合反應(yīng)是基于光的作用而不是基于熱的作用,故在工作時(shí)只需功率較 低的激光源。此外,因?yàn)闆](méi)有熱擴(kuò)散,加上鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能夠很好地控制,能保證聚合反應(yīng) 不發(fā)生在激光點(diǎn)之外,因而加工精度高,表面質(zhì)量好,原材料的利用率接近100%,能制 造形狀復(fù)雜、精細(xì)的零件,

3、效率高。對(duì)于尺寸較大的零件,則可采用先分塊成形然后 粘接的方法進(jìn)行制作。美國(guó)、日本、德國(guó)、比利時(shí)等都投入了大量的人力、物力研究該技術(shù) ,并不斷 有新產(chǎn)品問(wèn)世。我國(guó)西安交通大學(xué)也研制成功了立體光造型機(jī) LPS600A。目前,全 世界有10多家工廠生產(chǎn)該產(chǎn)品。2.2選擇性激光燒結(jié)(SLS技術(shù)SLS技術(shù)與SLA技術(shù)很相似,只是用粉末原料取代了液態(tài)光聚合物,并以一定的 掃描速度和能量作用于粉末材料。該技術(shù)具有原材料選擇廣泛、多余材料易于清 理、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn),適用于原型及功能零件的制造。在成形過(guò)程中,激光工作參 數(shù)以及粉末的特性和燒結(jié)氣氛是影響燒結(jié)成形質(zhì)量的重要參數(shù)。2.3激光熔覆成形(LCF技術(shù)L

4、CF技術(shù)的工作原理與其他快速成形技術(shù)基本相同,也是通過(guò)對(duì)工作臺(tái)數(shù)控,實(shí) 現(xiàn)激光束對(duì)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(qiáng)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(duì)成形零件的精 度和強(qiáng)度有影響。與其它快速成形技術(shù)的區(qū)別在于,激光熔覆成形能制成非常致密的金屬零件,其 強(qiáng)度達(dá)到甚至超過(guò)常規(guī)鑄造或鍛造方法生產(chǎn)的零件,因而具有良好的應(yīng)用前景。2.4激光近形(LENS技術(shù)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(diǎn)。選 用的金屬粉末有三種形式:1單一金屬;2金屬

5、加低熔點(diǎn)金屬粘結(jié)劑;3金屬加有機(jī)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(qiáng)度較低。要提高燒結(jié)零件強(qiáng)度 ,必須進(jìn)行后處理,如浸滲樹(shù)脂、 低熔點(diǎn)金屬,或進(jìn)行熱等靜壓處理。但這些后處理會(huì)改變金屬零件的精度。2.5激光薄片疊層制造(LOM技術(shù)LOM技術(shù)是一種常用來(lái)制作模具的新型快速成形技術(shù)。其原理是先用大功率 激光束切割金屬薄片,然后將多層薄片疊加,并使其形狀逐漸發(fā)生變化,最終獲得所需 原型的立體幾何形狀。LOM技術(shù)制作沖模,其成本約比傳統(tǒng)方法節(jié)約1/2,生產(chǎn)周期大大縮短。用來(lái)制 作復(fù)合模、薄料模、級(jí)進(jìn)模等,經(jīng)濟(jì)效益也甚為顯著。該技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)

6、得到了廣 泛的使用。2.6激光誘發(fā)熱應(yīng)力成形(LF技術(shù)LF技術(shù)的原理是基于金屬熱脹冷縮的特性,即對(duì)材料進(jìn)行不均勻加熱,產(chǎn)生預(yù)定 的塑性變形。該技術(shù)具有下列特點(diǎn):1無(wú)模具成形:生產(chǎn)周期短、柔性大,特別適合單 件小批量或大型工件的生產(chǎn);2無(wú)外力成形:材料變形的根源在于其內(nèi)部的熱應(yīng)力;3 非接觸式成形:成形精度高、無(wú)工模具磨損,可用于精密件的制造;4熱態(tài)累積成形:能 夠成形常溫下的難變形材料或高硬化指數(shù)金屬,而且能夠產(chǎn)生自冷硬化效果,使變形 區(qū)材料的組織與性能得以改善。德國(guó)學(xué)者M(jìn).Geiger及F.V ollertsen等在激光成形與其他加工方法的復(fù)合化加工 等方面進(jìn)行了大量研究,目前該技術(shù)已被運(yùn)用

7、于汽車(chē)覆蓋件的柔性校平和其它異形 件的成形等。3激光快速成形技術(shù)研究主要方向3.1材料材料是快速成形技術(shù)的核心,任何一類(lèi)快速成形機(jī)都是針對(duì)特定種類(lèi)或特定形 態(tài)的材料而研究開(kāi)發(fā)出來(lái)的,液態(tài)光敏樹(shù)脂用SLA,紙用LOM,絲狀材料用FDM,粉 末狀材料用SLS,現(xiàn)又在開(kāi)發(fā)一種新的激光快速成形機(jī),用的是氣態(tài)材料一種活性氣體,這種活性氣體在激光作用下發(fā)生分解,在工作臺(tái)上沉積出一層層陶瓷或金屬 形成工件。另外,目前人們對(duì)激光快速成形技術(shù)最大的期望,在于直接形成人們所需要的不 同材質(zhì)的成形件,如塑料件、金屬件等。即使是間接翻制,也要解決適當(dāng)?shù)牟牧虾凸?藝問(wèn)題。材料的廉價(jià)化也是個(gè)研究重點(diǎn)。3.2設(shè)備設(shè)備不僅包

8、含硬件,即激光快速成形機(jī)本身,而且包含相應(yīng)的軟件,如何直接對(duì)三 維CAD軟件進(jìn)行切片,避免STL格式文件這一近似處理環(huán)節(jié),其目的是提高成形機(jī) 的成形精度和成形效率。4激光快速成形技術(shù)主要應(yīng)用激光快速成形技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,其中最主要的應(yīng)用有以下 幾個(gè)方面:4.1在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用SLA技術(shù)用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管試驗(yàn)。進(jìn)氣管內(nèi)腔形狀是由十分復(fù)雜的自由 曲面構(gòu)成的,它對(duì)提高進(jìn)氣效率、燃燒過(guò)程有十分重要的影響。設(shè)計(jì)過(guò)程中,需要對(duì)不同的進(jìn)氣管方案做氣道試驗(yàn),傳統(tǒng)的方法是用手工方法加工出由幾十個(gè)截面來(lái)描 述的氣管木?;蚴嗄?,再用砂模鑄造進(jìn)氣管,加工中,木模工對(duì)圖紙的理解和本身的 技術(shù)水平常

9、導(dǎo)致零件與設(shè)計(jì)意圖的偏離,有時(shí)這種誤差的影響是顯著的。使用數(shù)控 加工雖然能較好地反映出設(shè)計(jì)意圖,但其準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng),特別是幾何形狀復(fù)雜時(shí)更是如 此。英國(guó)Rover公司使用快速成形技術(shù)生產(chǎn)進(jìn)氣管的外模及內(nèi)腔模 ,取得了令人滿(mǎn) 意的效果。SLA技術(shù)在汽車(chē)車(chē)身制造中的應(yīng)用。SLA技術(shù)可制造出所需比例的精密鑄造 模具,從而澆鑄出一定比例的車(chē)身金屬模型,利用此金屬模型可進(jìn)行風(fēng)洞和碰撞等試 驗(yàn),從而完成對(duì)車(chē)身最終評(píng)價(jià),以決定其設(shè)計(jì)是否合理。美國(guó)克萊斯勒公司已用SLA技術(shù)制成了車(chē)身模型,將其放在高速風(fēng)洞中進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)分析,取得了令人滿(mǎn) 意的效果,大大節(jié)約了試驗(yàn)費(fèi)用。SLS技術(shù)在汽車(chē)燈具制造上的應(yīng)用。汽車(chē)燈

10、具大多數(shù)的形狀是不規(guī)則的 ,曲面 復(fù)雜,模具制造難度很大。通過(guò)快速成形技術(shù),可以很快得到精確的產(chǎn)品試樣,為模具 設(shè)計(jì)CAD和CAM提供了有利的參考。同時(shí),也可以通過(guò)快速成形技術(shù),用熔模鑄造 的方法快速、高精度地制造出燈具模具??焖僦谱鳂蛹?,雖然在材質(zhì)上與最終的實(shí)際產(chǎn)品有差異但由于形狀及尺寸精度 高,可以用來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品的形狀和尺寸評(píng)判,甚至可以進(jìn)行部分性能測(cè)試,與傳統(tǒng)的樣機(jī) 生產(chǎn)相比,不僅大幅度地節(jié)省時(shí)間,而且大幅度地節(jié)約費(fèi)用??焖俪尚渭夹g(shù)與三坐標(biāo) 測(cè)量、三維激光掃描、工業(yè) CT結(jié)合使用,還可以快速實(shí)施反求(逆向工程。4.2在模具制造中的應(yīng)用SLS技術(shù)在汽車(chē)模具制造中應(yīng)用。美國(guó)德克薩斯州立大學(xué)研究

11、的SLS技術(shù),已由美國(guó)DTM公司商品化。目前該公司已研制出 SLS2000系列第三代產(chǎn)品。該系統(tǒng) 能燒結(jié)蠟、聚碳酸酯、尼龍、金屬等各種材料。用該系統(tǒng)制造的鋼銅合金注塑模具 可注塑5萬(wàn)件工件。近年來(lái)基于RPM技術(shù)模具制造技術(shù)已從最初的原型制造,發(fā)展到快速工模具制 造,成為國(guó)內(nèi)外應(yīng)用研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。基于 RPM的模具制造方法可分為直接制模法 和間接制模法。直接制模法是直接采用RPM技術(shù)制作模具,在RPM技術(shù)諸方法中能夠直接制 作金屬模具的是SLS法。用這種方法制造的鋼制銅合金注射模,壽命可達(dá)5萬(wàn)件以 上。但此法在燒結(jié)過(guò)程中材料發(fā)生較大收縮,精度難以控制。間接制模法可分為:1軟質(zhì)簡(jiǎn)易模具的制作。采用

12、硅橡膠、金屬粉環(huán)氧樹(shù)脂粉和 低熔點(diǎn)合金等將原型準(zhǔn)確復(fù)制成模具,或?qū)υ瓦M(jìn)行表面處理,用金屬?lài)娡糠ɑ蛭锢?蒸發(fā)沉積法鍍上一層熔點(diǎn)較低的合金來(lái)制作模具。這些簡(jiǎn)易模具的壽命為50-5000件,由于其制造成本低、周期短,特別適合于產(chǎn)品試制階段的小批量生產(chǎn)。2鋼質(zhì)模 具的制作。將RPM技術(shù)與精密鑄造技術(shù)相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)金屬模的快速制造?;蛘咧?接制造出復(fù)形精度較高的EDM電極,用于注塑模、鍛模、壓鑄等鋼制模具型腔的加 工。一個(gè)中等大小、較為復(fù)雜的電極一般 4-8h即可完成,復(fù)形精度完全滿(mǎn)足工程要 求。福特汽車(chē)公司用此技術(shù)制造汽車(chē)模具取得了滿(mǎn)意的效果。上海交通大學(xué)也已通 過(guò)RP與精密鑄造結(jié)合的方法為汽車(chē)及汽

13、車(chē)輪胎等行業(yè)生產(chǎn)進(jìn)口替代模具計(jì)80余副。與傳統(tǒng)機(jī)加工法相比,快速模具制造的制作成本及周期大大降低。我國(guó)每年需進(jìn)口模具達(dá)8億多美元,主要是復(fù)雜模具和精密模具,因此,SLS技術(shù)在未來(lái)的汽車(chē)模 具制造業(yè)中的應(yīng)用前景十分廣闊。LOM制作的紙模經(jīng)表面處理直接代替砂型鑄造的木模,對(duì)于形狀復(fù)雜的高精度 模具,其優(yōu)點(diǎn)尤為突出。LOM制作的紙模具經(jīng)表面處理直接用作低熔點(diǎn)合金鑄造 模、試制用注塑模或失蠟鑄造中的蠟?zāi)5某尚文?。SLS制作的模具經(jīng)滲銅后,直接用作金屬模具。用快速成形件作母模翻制軟模具。軟模具是指用硅橡膠、環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨脂等 材料制作的模具。用快速成形件作母模澆注上述材料可形成軟型腔,形成軟模具,這 種

14、軟模具可用于小批量生產(chǎn),例如:注塑件、低熔點(diǎn)合金離心鑄造件等。對(duì)于塑料件, 除了常見(jiàn)的熱注射成形(注塑機(jī)外,還可采用反應(yīng)式注塑法進(jìn)行小批量生產(chǎn)。而反應(yīng) 式注塑的優(yōu)點(diǎn)是:使用液態(tài)原料在室溫、低壓下注塑,對(duì)模具要求不高。固化后得到 的聚氨脂件與通過(guò)注塑機(jī)得到的工業(yè)熱塑性材料性能相似,可得到不同顏色的制 件。所需設(shè)備簡(jiǎn)單、便宜、易于操作,所用材料價(jià)格也不高。用快速成形件翻制硬模具。硬模具是指金屬模具、陶瓷模具、石膏模具等。制 作方法有兩種:一種是直接用LOM制作紙基模具,經(jīng)表面金屬電弧噴鍍和拋光后制成金 屬模。另一種是所謂金屬面、硬背襯模具,制作方法是以快速成形件(如LOM件作 母模,用電弧噴鍍法在

15、母模表面噴鍍形成 1.6-6.4mm的金屬殼體,然后移去母模,在殼 的背面注入金屬基合成材料(液態(tài)金屬或環(huán)氧樹(shù)脂,形成所謂金屬面、硬背襯模具。 上述硬模具可用于砂型鑄造、消失模的壓型制作、注塑模以及簡(jiǎn)易非鋼質(zhì)拉深模。 用快速成形技術(shù)制作模具,既避開(kāi)了復(fù)雜的機(jī)械切削加工,又可以保證模具的精度,還 可以大大縮短制模時(shí)間、節(jié)省制模費(fèi)用,對(duì)于形狀復(fù)雜的精度模具,其優(yōu)點(diǎn)尤為突 出。但是,目前還存在著模具壽命相對(duì)較短的缺點(diǎn),即使是金屬面、硬背襯模具,其使 用壽命也不及真正的金屬模,所以快速成形模具比較適合于單件小批量生產(chǎn)。4.3在矯形醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用每個(gè)人骨骼、牙齒各不相同,在矯形醫(yī)學(xué)中常常遇到對(duì)人體的部分骨骼或牙齒 進(jìn)行修補(bǔ)、復(fù)制的問(wèn)題,如何量身定制是一個(gè)過(guò)去不易解決的難題,常常給醫(yī)生帶來(lái) 麻煩,給病人帶來(lái)痛苦。激光快速成形技術(shù)給這一狀況帶來(lái)轉(zhuǎn)機(jī),利用反求(逆向工程的原理,可以方便快 捷地解決這一問(wèn)題,最近在北大醫(yī)院就進(jìn)行了一次成功的應(yīng)用。

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