激光快速成型

　　激光快速成型技術(shù)是上個(gè)世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一門(mén)高新技術(shù)，他是利用激光技術(shù)，CAX技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，新材料技術(shù)，直接造型，快速制造產(chǎn)品模型的一們多學(xué)科綜合技術(shù).激光快速成型技術(shù)一改傳統(tǒng)加工"去除"成型加工工藝，而采用"堆積"成型加工工藝，在加工領(lǐng)域具有劃時(shí)代的意義.目前，激光快速成型技術(shù)主要應(yīng)用在航空航天，汽車(chē)，玩具制造等行業(yè).

　　1、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(shí)體模型，通過(guò)分層軟件分層、每個(gè)薄層斷面的二維數(shù)據(jù)用于驅(qū)動(dòng)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(shí)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(chē)削、銑削、鉆削、磨削、 刨削；另外一些是采用模具進(jìn)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(jì)驗(yàn)證、功能驗(yàn)證、工程分析、市場(chǎng)訂貨一級(jí)企業(yè)的決策等，縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。激光快速成型又分為以下幾類(lèi)：

　?、?光固化立體造型（SL—Stereolithography,orSLA)

　　將計(jì)算機(jī)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(duì)液態(tài)光敏樹(shù)脂逐點(diǎn)掃描，被掃描的樹(shù)脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)固化形成零件的一個(gè)截面，再敷上一層新的液態(tài)樹(shù)脂進(jìn)行掃描加工，如此重復(fù)直到整個(gè)原型制造完畢。這種方法的特點(diǎn)是精度高、表面質(zhì)量好，能制造形狀復(fù)雜、特別精細(xì)的零件，不足是設(shè)備和材料昂貴，制造過(guò)程中需要設(shè)計(jì)支撐。

　?、?分層實(shí)體制造（LOM—Laminated Object Manufacturing)

　　LOM工藝是根據(jù)零件分層得到的輪廓信息用激光切割薄材，將所獲得的層片通過(guò)熱壓裝置和下面已切割層粘合，然后新的一層紙?jiān)侬B加在上面，依次粘結(jié)成三維實(shí)體。LOM主要特點(diǎn)是設(shè)備和材料價(jià)格較低，制件強(qiáng)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(kāi)發(fā)基于陶瓷復(fù)合材料的LOM工藝。

　?、?選擇性激光燒結(jié)（SLS —Se1ected Laser Sintering)

　　SLS是采用激光有選擇地分層燒結(jié)固體粉末，并使燒結(jié)成型的固化層層層疊加生成所需形狀的零件。其整個(gè)工藝過(guò)程包括CAD模型的建立及數(shù)據(jù)處理、鋪粉、燒結(jié)以及后處理等。SLS 最突出的優(yōu)點(diǎn)在于它所使用的成型材料十分廣泛。從理論上說(shuō)，任何加熱后能形成原子間粘結(jié)的粉末材料均可作為其成型材料。目前，可成功進(jìn)行SLS 成型加工的材料有石蠟、高分子、金屬、陶瓷粉末和它們的復(fù)合粉末材料。由于SLS 成型材料品種多、用料節(jié)省、成型件性能分布廣泛、適合多種用途以及SLS 無(wú)需設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜的支撐系統(tǒng)，所以其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但是SLS 采用的是一種金屬材料與另一種低熔點(diǎn)材料（可以是低熔點(diǎn)金屬或有機(jī)粘接材料）的混合物，在加工過(guò)程中，低熔點(diǎn)材料熔化或部分熔化，但熔點(diǎn)較高的金屬材料并不熔化，而是被熔化或部分熔化的低熔點(diǎn)材料包覆粘結(jié)在一起，形成的三維實(shí)體為類(lèi)似粉末冶金燒結(jié)的坯件，實(shí)體存在一定比例孔隙，不能達(dá)到100%密度，力學(xué)性能也較差， 常常還需要經(jīng)過(guò)高溫重熔或滲金屬填補(bǔ)孔隙等后處理才能使用。

　?、?激光熔覆成形（LCF - Laser Cladding Forming)

　　LCF是指以不同的方式在基底合金表面上預(yù)置或同步送給所選擇的熔覆材料，然后經(jīng)激光照射使之與基底表層同時(shí)熔化，并快速凝固成稀釋度低、與基底材料呈冶金結(jié)合的表面層，從而顯著改變基底材料表層的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣等特性的工藝方法。LCF是以激光為熱源在基材的表面熔覆一層材料，形成與基體具有完全不同成分和性能的合金層的表面改性方法。LCF具有許多優(yōu)良特性：對(duì)工作環(huán)境的要求低；可通過(guò)計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)智能化和自動(dòng)化處理；熔覆層的外觀平整，工件變形小，加工后工件可不進(jìn)行處理而直接使用；適合關(guān)鍵局部區(qū)域的處理；由于激光具有近似絕熱的快速加熱過(guò)程，激光熔覆對(duì)基體的熱影響較小，引起的變形也??；控制激光的輸入能量，可以將基體材料對(duì)熔覆材料的稀釋控制在很低的程度，從而在保證熔覆層與基體形成冶金結(jié)合的前提下，保持原選定熔覆材料的優(yōu)異性能；適用范圍廣，理論上幾乎所有的金屬或陶瓷材料都能激光熔覆到任何合金上，因而激光熔覆在航空、汽車(chē)、化工、機(jī)械等各領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景，正被越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)所重視，對(duì)其研究也越來(lái)越廣泛深入。但裂紋是目前大面積激光熔覆技術(shù)中最棘手的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的科學(xué)家正在努力尋求這一問(wèn)題的解決方案。

　　2、激光快速成型的特點(diǎn)

　　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(jì)到自動(dòng)化，從知識(shí)獲取到計(jì)算機(jī)處理，從計(jì)劃到接口、通訊等方面來(lái)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(diǎn)：

　?、胖圃焖俣瓤?、成本低、節(jié)省時(shí)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(shí)現(xiàn)自由制造，產(chǎn)品制造過(guò)程以及產(chǎn)品造價(jià)幾乎與產(chǎn)品的批量和復(fù)雜性無(wú)關(guān)。

　　⑵采用非接觸加工的方式，沒(méi)有傳統(tǒng)加工的殘余應(yīng)力的問(wèn)題，沒(méi)有工具更換和磨損之類(lèi)的問(wèn)題，無(wú)切割、噪音和振動(dòng)等，有利于環(huán)保。

　　⑶可實(shí)現(xiàn)快速鑄造、快速模具制造，特別適合于新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和單間零件生產(chǎn)。

　　3、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(dòng)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(jī)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(shí)際應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面：

　?、旁谛庐a(chǎn)品造型設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)開(kāi)發(fā)人員建立了一種嶄新的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式。運(yùn)用激光快速成型技術(shù)能夠快速、直接、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化為具有一定功能的實(shí)物模型（樣件），這不僅縮短了開(kāi)發(fā)周期，而且降低了開(kāi)發(fā)費(fèi)用，也使企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占有先機(jī)。

　?、圃跈C(jī)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(diǎn)，使得其在機(jī)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(jìn)行成型，成本低，周期短。

　?、强焖倌＞咧圃靷鹘y(tǒng)的模具生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，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(kāi)發(fā)周期，提高生產(chǎn)率，是解決模具設(shè)計(jì)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。

　?、仍卺t(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用近幾年來(lái)，人們對(duì)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(duì)外科手術(shù)有極大的應(yīng)用價(jià)值。

　?、稍谖幕囆g(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。

　?、试诤娇蘸教旒夹g(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域中，空氣動(dòng)力學(xué)地面模擬實(shí)驗(yàn)（即風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)）是設(shè)計(jì)性能先進(jìn)的天地往返系統(tǒng)（即航天飛機(jī)）所必不可少的重要環(huán)節(jié)。該實(shí)驗(yàn)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(dòng)完成實(shí)體模型，能夠很好的保證模型質(zhì)量。

　　⑺在家電行業(yè)的應(yīng)用目前，激光快速成形系統(tǒng)在國(guó)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(guó)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(lái)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，收到了很好的效果。快速成形技術(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(huì)在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用。

　　4、激光快速成型的發(fā)展現(xiàn)狀

　　美國(guó)3DSyetems公司1988年生產(chǎn)出世界上第一臺(tái)SLA250型光固化快速造型機(jī)，開(kāi)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(guó)在設(shè)備研制、生產(chǎn)銷(xiāo)售方面占全球主導(dǎo)地位，其發(fā)展水平及趨勢(shì)基本代表了世界的發(fā)展水平及趨勢(shì)。歐洲和日本也不甘落后，紛紛進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究和設(shè)備研發(fā)。香港和臺(tái)灣比內(nèi)地起步早，臺(tái)灣大汛擁有LOM設(shè)備，臺(tái)灣各單位及軍方安裝多臺(tái)進(jìn)口SL系列設(shè)備。香港生產(chǎn)力促進(jìn)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(diǎn)是有關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用與推廣。

　　國(guó)內(nèi)自20世紀(jì)90年代初開(kāi)始進(jìn)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(kāi)發(fā)了成型設(shè)備并實(shí)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(jī)等新技術(shù)，引起了國(guó)內(nèi)外的高度重視等等。

　　激光快速成型技術(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(lái)發(fā)展方向包括：

　?、?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(kāi)展新的成型工藝的探索。

　?、?開(kāi)發(fā)新設(shè)備和開(kāi)發(fā)新材料。LRP 設(shè)備研制向兩個(gè)方向發(fā)展：自動(dòng)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(diǎn)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(diǎn)。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(kāi)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(yuǎn)程制造、與納米科學(xué)交叉的微機(jī)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(duì)制造業(yè)的作用日益重要并趨向更高的綜合。