激光快速成型技術

1、主講教師：張璞樂哈爾濱理工大學榮成學院材料系快速成型（RP)技術是一項通過材料堆積法制造實際零件的高新技術。它根據零件的三維模型和數據， 無需借助其他工具和設備，就能迅速精確地制造出該零件，集中地體現了計算機輔助設計、數控、激光加工、新材料等科學和技術的綜合應用。傳統(tǒng)的零件（包括模具）制造，需要車、鉗、銑、刨、磨或鑄造等多種加工手段，成本高又費時，一個復雜的零件或模具的制造往往需要數月的時間，很難適應低成本和高效率的要求。 激光快速成型技術是上個世紀80年代發(fā)展起來的一門高新技術。它是利用激光技術、CAX技術、自動控制技術、新材料技術、直接造型、快速制造產品模型的一們多學科綜合技術。目前，激光

2、快速成型技術主要應用在航空航天、汽車、玩具制造等行。 從國際市場來看，R P 市場正逐漸向RM（快速制）市場發(fā)展，R P 市場本身已進入成熟的商業(yè)化階段。我國已初步形成了RP設備和材料的制造體系。近年來，我國已經建立一批向企業(yè)提供RP 技術的服務機構，并開始起到了積極的作用, 推動了該技術在我國的廣泛應用。 激光成型技術原理為激光成型技術原理為離散、堆積離散、堆積理論。通過離散獲理論。通過離散獲得堆積的路徑、限制和方式，通過堆積材料疊加起得堆積的路徑、限制和方式，通過堆積材料疊加起來形成三維實體。來形成三維實體。由于快速成型技術由于快速成型技術( (包括激光快速成型技術包括激光快速成型技術)

3、)僅在需要僅在需要增加材料的地方加上材料，所以從設計到制造自動增加材料的地方加上材料，所以從設計到制造自動化，從知識獲取到計算機處理，從計劃到接口、通化，從知識獲取到計算機處理，從計劃到接口、通訊等方面來看，非常適合于訊等方面來看，非常適合于CIMCIM、CADCAD及及CAMCAM，同，同傳統(tǒng)的制造方法相比較，顯示出諸多優(yōu)點。傳統(tǒng)的制造方法相比較，顯示出諸多優(yōu)點。 快速性快速性： 生產制品的周期較傳統(tǒng)加工工藝短。生產制品的周期較傳統(tǒng)加工工藝短。RPRP對設對設計的敏感性很低，制造時幾乎不用考慮制品的外計的敏感性很低，制造時幾乎不用考慮制品的外形問題，由此可節(jié)約大量時間。形問題，由此可節(jié)約大量

4、時間。適合成型復雜零件適合成型復雜零件： 不論零件多復雜，都由計算機分解為二維數不論零件多復雜，都由計算機分解為二維數據據進行成型制作，無簡單復雜之分，因此他特別適合進行成型制作，無簡單復雜之分，因此他特別適合成型形狀復雜，傳統(tǒng)方法難以制造甚至無法制造的成型形狀復雜，傳統(tǒng)方法難以制造甚至無法制造的零件。零件。高度柔性高度柔性： 零件在一臺設備上即可快速成型出具有零件在一臺設備上即可快速成型出具有一定精度一定精度滿足一定功能的原理及零件（若滿足一定功能的原理及零件（若要修改零件只要修改要修改零件只要修改CADCAD模型即可）模型即可）高度集成化高度集成化： 激光快速成型技術將激光快速成型技術將C

5、ADCAD數據轉換成數據轉換成STLSTL格式后，即可開始快速制作（該過程是格式后，即可開始快速制作（該過程是二維操作在二維操作在CADCAD只完成的）。只完成的）。1 激光分層制造技術（SFF)：原理：從幾何上講，可將任意復雜的三維實體用平行的截面去截取-分層，從而獲得若干個層面，將這些層面疊加起來就形成了原三維實體。包括：立體光刻（SL)或光固法、選擇性激光燒結（SLS）法、激光層壓成型（LOM）法和激光快速熔融沉積（FDM)法等。立體光刻(SL）制模技術：原理：計算機控制激光束對光敏樹脂為計算機控制激光束對光敏樹脂為 原料的表面進行逐點掃描，被掃描區(qū)域原料的表面進行逐點掃描，被掃描區(qū)域

6、的樹脂薄層的樹脂薄層( (約十分之幾毫米約十分之幾毫米) )產生光聚產生光聚 合反應而固化，形成零件的一個薄層。合反應而固化，形成零件的一個薄層。提高激光立體光刻制模面型精度的措施：1 減小薄層厚度L，增加分層數目2減小模型表面與堆積方向的角度3采用月牙光滑工藝4變厚層的分區(qū)激光掃描固化工藝5采用整體涂刮工藝1 1、系統(tǒng)工作穩(wěn)定。、系統(tǒng)工作穩(wěn)定。2 2、尺寸精度較高，可確保工件的尺寸精度在、尺寸精度較高，可確保工件的尺寸精度在 0.1mm0.1mm以內。以內。3 3、 表面質量較好，工件的最上層表面很光滑，表面質量較好，工件的最上層表面很光滑， 側面可能有臺階不平及不同層面間的曲側面可能有臺階

7、不平及不同層面間的曲面不平；比較適合做小件及較精細件。可直接面不平；比較適合做小件及較精細件?？芍苯又圃焖芰霞a品為透明體。制造塑料件，產品為透明體。4 4、 系統(tǒng)分辨率較高，因此能構建復雜結構的系統(tǒng)分辨率較高，因此能構建復雜結構的工件。工件。 5 5、 成形速度較快。成形速度較快。1 1、需要專門實驗室環(huán)境，維護費用高昂。、需要專門實驗室環(huán)境，維護費用高昂。2 2、成型件需后處理，二次固化，防潮處理等工序。、成型件需后處理，二次固化，防潮處理等工序。3 3、光敏樹脂固化后較脆，易斷裂，可加工性不、光敏樹脂固化后較脆，易斷裂，可加工性不 好；工作溫度不能超過好；工作溫度不能超過100100，

8、成形件易吸濕膨，成形件易吸濕膨 脹，抗腐蝕能力不強。脹，抗腐蝕能力不強。4 4、氦、氦- -鎘激光管的壽命僅鎘激光管的壽命僅30003000小時，價格較昂貴，小時，價格較昂貴， 運行費用高同時需對整個截面進行掃描固化，運行費用高同時需對整個截面進行掃描固化， 成型時間較長，因此制作成本相對較高。成型時間較長，因此制作成本相對較高。 5 5、可選擇的材料種類有限，必須是光敏樹脂。、可選擇的材料種類有限，必須是光敏樹脂。6 6、需要設計工件的支撐結構，支撐結構需在未完、需要設計工件的支撐結構，支撐結構需在未完 全固化時手工去除，容易破壞成型件全固化時手工去除，容易破壞成型件。原理：SLS技術與SL

9、A技術很相似，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 。選擇性激光燒結技術基本原理示意圖1 1、與其他工藝相比，能生產很硬的模具。有直接、與其他工藝相比，能生產很硬的模具。有直接金屬型的金屬型的 概念。概念。2 2、可以采用多種原料，例如絕大多數工程用塑料、可以采用多種原料，例如絕大多數工程用塑料、蠟、金屬、陶瓷等。蠟、金屬、陶瓷等。3 3、 零件的構建時間短，可達到零件的構建時間短，可達到1in/h1in/h高度。高度。 4 4、 無需對零件進行后矯正。無需對零件進行后矯正。 5 5、 無需設計和構造支撐無需設計和構造支撐。1 1、需要專門實驗室環(huán)境，

10、維護費用高昂。、需要專門實驗室環(huán)境，維護費用高昂。2 2、預熱和冷卻時間長，總的成形周期長。、預熱和冷卻時間長，總的成形周期長。3 3、成形件強度和表面質量較差，精度低。表面粗、成形件強度和表面質量較差，精度低。表面粗糙度的高糙度的高 低受粉末顆粒大小及激光光斑的限制。低受粉末顆粒大小及激光光斑的限制。 4 4、 零件的表面一般是多孔性的，為了使表面光滑零件的表面一般是多孔性的，為了使表面光滑必須進行滲蠟等較復雜的后處理。在后處理中難必須進行滲蠟等較復雜的后處理。在后處理中難于保證制件尺寸于保證制件尺寸 精度，后處理工藝復雜，樣件變精度，后處理工藝復雜，樣件變型大，無法裝配。型大，無法裝配。5

11、 5、 需要對加工室不斷充氮氣以確保燒結過程的安需要對加工室不斷充氮氣以確保燒結過程的安全性，加工的成本高。全性，加工的成本高。 6 6、 該工藝產生有毒氣體，污染環(huán)境。該工藝產生有毒氣體，污染環(huán)境。選擇性激光燒結技術的應用選擇性激光燒結技術的應用 美國美國DTMDTM公司研制出公司研制出SLS2000SLS2000系列第三代產品，系列第三代產品，該系統(tǒng)能燒結蠟、聚碳酸酯、尼龍、金屬等各種該系統(tǒng)能燒結蠟、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，可注材料。用該系統(tǒng)制造的鋼銅合金注塑模具，可注塑塑5 5萬件工件。近年來基于萬件工件。近年來基于RPMRPM技術模具制造技術技術

12、模具制造技術已從最初的原型制造，發(fā)展到快速工模具制造已從最初的原型制造，發(fā)展到快速工模具制造, ,成為國內外應用研究開發(fā)的重點。成為國內外應用研究開發(fā)的重點。三激光熔覆成形技術LCF 原理 ：LCF技術的工作原理與其他快 速成形技術基本相同，也是通過對工作 臺數控，實現激光束對粉末的掃描、熔 覆，最終成形出所需形狀的零件。 激光熔覆成型技術原理示意圖激光熔覆成型技術原理圖如圖7-24所示，目前用此法制造出復雜截面變換器的零件外形的誤差在0.5mm以內（圖7-25）。 激光熔覆的復雜截面變換器1 1、激光束的能量密度高，作用時間短，使基材熱、激光束的能量密度高，作用時間短，使基材熱影響區(qū)及影響區(qū)

13、及 熱變形均可降低到最小程度。熱變形均可降低到最小程度。2 2、可對基材表面進行改性。、可對基材表面進行改性。3 3、熔覆層組織致密，微觀缺陷少，結合強度高，、熔覆層組織致密，微觀缺陷少，結合強度高，性能更優(yōu)。性能更優(yōu)。4 4、熔覆層的尺寸大小和位置可以精確控制。、熔覆層的尺寸大小和位置可以精確控制。5 5、無污染無輻射低噪聲勞動條件得到較大程度的、無污染無輻射低噪聲勞動條件得到較大程度的改善。改善。精度和強度的影響因數：精度和強度的影響因數：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

14、和強度有影響。 與其他快速成形技術的區(qū)別：與其他快速成形技術的區(qū)別：激光熔覆成形能制成非常致密的金屬零件，其強度達到甚至超過常規(guī)鑄造或鍛造方法生產的零件，因而具有良好的應用前景。 激光近形制造技術(Laser Engineering Net Shaping，簡稱LENS)技術，將快速成型技術中的選擇性激光燒結技術和激光熔覆成型技術結合了起來。該系統(tǒng)主要由4部分組成：計算機、高功率激光器、多坐標數控工作臺和送粉裝置。 圖7-26 激光近形制造技術的基本原理示意圖送粉裝置是激光近形成型制造系統(tǒng)中非常重要并具有特點的一個部分。送粉裝置性能的好壞決定了零件的制作質量。對送粉裝置的基本要求是能夠提供均勻

15、穩(wěn)定的粉末流。送粉裝置有兩種形式：側向送粉裝置和同軸送粉裝置。 采用多坐標數控工作臺的運動實現掃描：在工作臺上的零件除能夠沿著X,Y軸方向運動外，還可以繞X,Y軸轉動。 （4）送粉裝置 （1） 計算機 用于建立待制作零件的CAD模型，將零件的CAD模型轉換成STL文件，對零件的CAD模型進行切片處理，生成一系列具有一定厚度的薄層，并形成每一層薄層的掃描軌跡，以便控制多坐標數控工作臺運動。 （2）高功率激光器 使用的是高達幾千瓦到十幾千瓦功率的CO2激光器，而不像選擇性激光燒結技術中所用的CO2激光器只有50瓦。 （3）多坐標數控工作臺 優(yōu)點： 除了有SLS的優(yōu)點外,還有成型金屬零件非常致密，力

16、學性能優(yōu)良等優(yōu)點。選用的金屬粉末形式： 1 單一金屬， 2 金屬加低熔點金屬粘結劑， 3 金屬加有機粘結劑。 五五 薄片疊成制造技術（薄片疊成制造技術（LOMLOM） 優(yōu)點：節(jié)約材料，生產周期短。 原理：是利用在一定條件下（如加熱等） 可以黏結的帶狀材料（通常使用紙或陶瓷 基或金屬材料），運用激光切割出按照 RP軟件離散出的各層形狀，隨后再使各 層黏合為一個幾何整體。薄片疊層制造技術是一種常用來制作模具的新型快速成型技術。其工作原理就是，首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(模具)的立體幾何形狀。 1 用于制造復雜形狀的零件2 快速制造原

17、型 3 用于制造多種材料或非均勻材料的零件 4 用于制造活性金屬的零件 5 用于小批量生產塑料制件 6 用于制造各種模具或模型 1用于制造復雜形狀的零件： 特別適用于在航天航空工業(yè)中制作大型加強筋的整體薄壁結構。在制造內部型腔時，不需要做芯子和模子，故特別適合制造很小的零件，很薄的壁及雕刻表面。2快速制造原型： 可以在極短的時間內制造出原件，進行外觀功能和合運動上的考核，發(fā)現錯誤和及時糾正，避免由于設計錯誤而帶來的工裝和模具的浪費。3用于制造多種材料或非均勻材料的零件： 再制造多種材料的種類，因此可以生產出各種不同材料、顏色、機械性能、熱性能組合的器件。4用于制造活性金屬的零件： 由于激光快速成型制造能夠提供良好的工作環(huán)境，材料浪費少，所以可以用于加工活性金屬（鈦鎢鎳）及其他特殊金屬。另外，它還可以用于大型金屬齡零件的修復5用于小批量生產塑料制件: 從投入與產出角度看，一個塑料制件模具需要生產數千個零件才劃的來，幾十件到幾百件可以用于快速成型法來經濟的生產;特別是在不同的零件生產時，快速成型法優(yōu)點更加明顯。6用于制造各種模具或模型: 選擇性激光燒結技術在航空工業(yè)中最有發(fā)展前途的運用，就是制造精密鑄造中的陶瓷模殼和型芯。采用該技術的主要優(yōu)點是，可以制造