自1960年第一臺激光器問世以來，激光技術的研究及其在各個領域的應用得到了迅速的發(fā)展。與傳統(tǒng)加工方法相比，激光加工技術具有高相干性、高方向性和高亮度已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)、軍事、科學研究及日常生活中，尤其是近20年來，激光制造技 術已經(jīng)滲入到諸多高新技術領域和產(chǎn)業(yè)，其中最突出的是，最近十多年來發(fā)達國家推出的集精密機械、計算機、數(shù)控、激光、新材料于一體的全新制造技術——快速成形技術(又稱3D打印技術)，應用這種技術開發(fā)的設備——快速制造系統(tǒng)，近年以40%以上的高增速發(fā)展。
激光快速成型技術概述
激光快速制造技術(LRMT)又稱激光 快速成形技術或激光3D打印技術，是一種借助計算機輔助設計，或用實體反求方法采集得到有關原型或零件的幾何形狀、結構和材料的組合信息，從而獲得目標原型的概念并以此建立數(shù)字化描述模型，之后將這些信息又輸?shù)接嬎銠C控制的光、機、電集成的激光快速成形制造系統(tǒng)，利用激光為工具，通過逐點、逐面進行材料的“三維堆砌”成形，再經(jīng)過必要的處理，使其在外觀、強度和性能等方面達到設計要求，達到快速、準確地制造原型或?qū)嶋H零件、部件，而無需傳統(tǒng)的機械加工機床和模具的技術。
從廣義的范疇來說，快速成形屬于添加成形;而從狹義的角度來講，快速成形應該屬于離散/堆積成形，即依照計算機上構成零件三維設計模型，利用快速成形機對其進行分層切片，得到各層截面的二維輪廓圖，并按照這些輪廓圖逐步順序疊加成所要成形的實體。
激光快速制造的全過程可以歸納為以下三個步驟： 前處理 它包括零件三維模型的構建、三維模型的近似處理、模型成形方向的選擇和三維模型的切片處理、拋光和表面強化處理等。 分層疊加自由成形 根據(jù)切片處理的截面輪廓，在計算機控制下，相應的成形頭(激光頭或噴頭)按各自截面輪廓信息做掃描運動，在工作臺上一層一層的堆積材料，然后將各層相黏結，最終得到原型產(chǎn)品。
后處理
從成形系統(tǒng)里取出成形件，進行剝離、后固化、修補、打磨、拋光、涂掛，或放在高溫爐中進行最后的燒結，進一步提高其強度。目前激光快速制造技術的研究，根據(jù)對象和功能的不同，可分成兩大類，即快速原型制造和金屬零件快速直接制造技術。
激光快速制造技術是近年來增長最快的工業(yè)領域之一。相對于傳統(tǒng)的制造加工過程，按照零件的復雜程度和采用的方法不同，往往需要幾周甚至幾個月的加工時間。基于計算機對物體幾何形狀、結構與連接狀態(tài)的描述，激光快速制造技術的制造時間從幾個小時到幾十個小時便可完成?？梢灶A見，激光快速制造技術將對當今材料的生產(chǎn)、加工過程和制造工程產(chǎn)生重要的影響。
激光快速成型技術的研究
近幾年基于激光技術的快速制造技術(LRPT)處在飛速發(fā)展之中，呈現(xiàn)三個特 點：一是新的激光快速制造工藝不斷涌現(xiàn); 二是配套硬件和軟件不斷完善;三是應用領 域日益拓寬。近期發(fā)展的LPRT技術主要有立體光 造型(SLA)技術、選擇性激光燒結(SLS) 技術、激光薄片疊層制造(LOM)技術、激 光熔覆成形(LCF)技術、激光近成形 (LENS)技術、直接光學制造(DLF)技 術、金屬激光燒結工藝(DMLS)及形狀沉 積制造(SDM)技術。下面簡要介紹幾種主要激光快速成形 技術的概況。
2.1激光立體印刷成型技術
激光立體印刷成形(Stereo Lithography Apparatus，SLA)又稱光敏液 相固化、立體光刻、立體造型等，是一種最 早出現(xiàn)的快速成形方法，也是目前世界上研究最深入、技術最成熟、應用最廣泛的的一種快速成形方法。該技術以光敏樹脂(如丙烯基樹脂)為原料，采用計算機控制下的紫外激光以預定 原型各分層截面的輪廓信息為軌跡逐點掃描，使被掃描區(qū)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應 后固化，從而形成一個薄層截面。當一層固化后，向下(或向上)移動工作臺，在剛剛 固化的樹脂表面布放一層新的液態(tài)樹脂，再 進行新一層掃描、固化。新固化的一層牢固的黏合在前一層上，如此重復至整個原型制造完畢。制造過程依賴于激光束有選擇性地 固化連續(xù)薄層的光敏聚合物，通過分層固化，最終構造出三維物體。
其成型設備又稱“立體平版印刷設備”，是最早出現(xiàn)的一種商品化的快速成形機，它由液槽、可 升降工作臺、激光器、掃描系統(tǒng)和計算機控 制系統(tǒng)等組成。其中，液槽中盛滿液態(tài)光敏 聚合物(通常20~200L)。帶有許多小孔洞 的可升降工作臺在步進電機的驅(qū)動下能沿 高度Z方向作往復運動。激光器為紫外(UV)激光器，如氦鎘(He-Cd)激光器、氬離子(Ar)激光器和固態(tài)激光器，其功率一般為10至200mW，波長為320至370um(處在中紫外至近紫外波段)。掃描系統(tǒng)為一組定位鏡，它能根據(jù)控制系統(tǒng)的指令，按照每一截面輪廓的要求作高速往復擺動，從而使激光器發(fā)出的激光束反射并聚焦于液槽中液態(tài)光敏聚合物的上表面，并沿此面作X-Y方向的掃描運動(如圖2所示)。在這一層受到紫外激光束照射的部位，液態(tài)光敏聚合物快速固化，形成相應的一層固態(tài)截面輪廓。 SLA成形時，激光束按數(shù)控指令掃描，可升降工作臺的上表面處于液面下一個截面層厚的高度(通常為0.125至0.75mm)，該層液態(tài)光敏聚合物被激光束掃描發(fā)生聚合反應而固化，并形成所需第一層固態(tài)截面輪廓后，工作臺下降一層高度，液槽中的液態(tài)光敏聚合物流過已固化的截面輪廓層，刮刀按照設定的層高作往復運動，刮去多余的聚合物，再對新鋪上的這一層液態(tài)聚合物進行掃描固化，形成第二層所需固態(tài)截面輪廓，新固化的一層能牢固的黏結在前一層上，如此重復直到整個制作成形完畢，得到一個三維實體原型。
1988年，美國3DSystem公司率先生產(chǎn)了世界上第一臺SLA250型液態(tài)光敏樹脂選擇性激光固化快速造型機，其最近推出的辦公室用桌面3D打印機CubePro及Cube Pro，更是將3D打印技術進一步推向民用。此外，目前世界上從事該技術研究的還有EOS公司、MEC公司及日本三菱公司下屬的CMET公司等。近年來，3D System公司又采用了一種稱之為Zephyer Recoating System的新技術，該技術是在每一成形層上，用一種真空吸附式刮板在該層上涂一層0.05~0.1mm的待固化樹脂，使成形時間平均縮短20%。
我國研究SLA成形技術的有西安交通大學，其從1993年開始，選擇成形質(zhì)量好、速度快的光固化樹脂成形機的關鍵技術及其材料為突破口。在國家大力支持下，與陜西恒通只能機器設備有限公司合作，先后研制出并向市場退出了國內(nèi)首臺LPS、SPS和CPS光固化成形機及其配套樹脂材料。
陜西恒通在軟、硬件技術上的優(yōu)勢主要表現(xiàn)如下：樹脂材料為國外一半;自主開發(fā)的軟件功能更加強大;真空吸附式樹脂涂覆系統(tǒng)，提高了制作速度及質(zhì)量;采用抽殼制件。目前，立體印刷成形技術主要存在以下幾個方面的問題：(1)成形機理尚不清楚，需要從實驗研究及理論分析上解決這些問題;(2)SLA產(chǎn)品成本較高;(3)成形材料單一，尚需多樣化;(4)成形精度低; (5)成形制件強度較低。
2.2分層實體快速成型技術
分層實體制造技術(Laminated ObjectManufacturing，LOM)，又稱薄形材料選擇性切割，是幾種最成熟的快速成形技術之一。這種工藝按照CAD分層模型所獲得的數(shù)據(jù)，用激光束將單面涂有熱熔膠的薄膜材料或其他材料的箔帶切割成欲制原型在該層平面的內(nèi)外輪廓，在通過加熱輥加熱，是剛剛切好的一層與下面已切割層粘結在一起。通過逐層切割、黏合，最后將不需要的材料剝離，得到欲求的原型。
具體的成形原理如下： 成形零件的CAD模型輸入成形系統(tǒng)，再用系統(tǒng)中的切片軟件對模型進行切片處理，從而得到產(chǎn)品在高度上的一系列橫面輪廓線，其成形過程如圖3所示，由系統(tǒng)控制微機指令，步進電動機帶動主動輥芯轉動，使紙卷轉動，并在切割臺面上自右向左移動預定的距離，同時，工作臺升高至切割位置，之后熱壓裝置中的熱壓輥自左向右滾動，對工作臺上方的紙及涂覆與紙的下表面的熱熔膠加熱、施壓，使紙粘于基底上，激光切割頭依據(jù)分層截面輪廓線切割紙，并在余料上切出長方形邊框，工作臺連同被切出的輪廓層下降至一定高度后，步進電動機驅(qū)動主動輥再次沿逆時針方向運動，直至完成最后一層輪廓黏合和切割。從工作臺上取下被邊框所包圍的長方體，用小錘敲打是大部分由小網(wǎng)格構成的小立方體廢料與制品分離，再用小刀從制品上提出殘余的小立方塊，得到三維原型制品。
分層實體制造工藝與立體印刷成形工藝的主要區(qū)別在于將立體印刷成形中的光致樹脂固化的掃描運動變?yōu)榧す馇懈畋∧み\動。這種工藝使用低能CO2激光器，成形的制件無內(nèi)應力、無變形，因而精度較高，且激光束只需按照分層信息提供的截面輪廓線逐層切割而無需對整個截面進行掃描，不需要考慮支撐，故其具有制作效率高、速度快、成本低等優(yōu)點。分層實體制造的常用材料是紙、金屬箔、塑料膜等。 該制造工藝和設備自1991年問世以來，得到迅速發(fā)展。
目前世界上已經(jīng)有100多臺設備投入使用，主要有Helisys Inc的紙張疊層造型LOM系列、日本KIRA公司采用一種超硬質(zhì)刀切割和選擇性黏結方法的PLT-A4機型。中國在該技術領域發(fā)展的比較快的有，清華大學推出的SSM系列成形機及成形材料。華中科技大學推出的HRP-IIA系列成形機和成形材料，具有較高的性價比。目前，分層實體制造工藝仍然存在以下 幾個問題：(1)成本價格問題;(2)分層材料的堆積成形精度問題;(3)金屬板材的連接問題;(4)材料浪費問題;(5)LOM設備系統(tǒng)比較復雜，工作穩(wěn)定性較差;(6)成形件的抗拉強度和彈性不夠好。
2.3選擇性激光燒結技術
選擇性激光燒結技術(Selective Laser Sintering，SLS)又稱為選區(qū)激光燒結技術，其使用激光束熔化或燒結粉末材料，利用分層思想，把計算機中的CAD模型直接成形為三維實體零件。它的創(chuàng)新之處在于將激光、光學、溫度控制和材料相聯(lián)系，并借助精確引導的激光束使材料粉末燒結或熔融后凝固形成三維原型或制件。 選擇性激光燒結技術工藝原理如圖5所示。其工藝過程是，用紅外線板將粉末材料加熱至恰好低于燒結點的某一溫度，然后用計算機控制激光束，按原型或零件的截面 形狀掃描平臺上的粉末材料，使其受熱熔化 或燒結。繼而平臺下降一個層厚，用熱輥將 粉末材料均勻地分布在前一個燒結層上，再 用激光燒結。如此反復，逐層燒結成形。全部燒結后去掉多余的粉末，再進行打磨、烘 干等處理便獲得原型或零件。這種工藝與立 體印刷成形(SLA)基本相同，只是將SLA 中的液態(tài)樹脂換成在激光照射下可以燒結的粉末材料，并由一個溫度控制單元優(yōu)化的輥子鋪平材料以保證粉末的流動性，同時控制工作腔熱量使粉末牢固黏結。SLS技術不受零件幾何形狀的限制，不需要任何的工裝模具，可以縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力。其造型速度快，一般制品僅需1~2天即可完成。
選擇性激光燒結具有如下特點：(1)可采用多種材料;(2)制造工藝比較簡單;(3)高精度;(4)成本較低。選擇性激光燒結工藝的最初思想是由 Texas大學Austin分校的Deckard于1986 年提出，進而DTM、德國的EOS公司先后 將這一思想轉化成現(xiàn)實。其中德國的EOS公司通過與芬蘭的Rapid Product Innovation公司合作，研制出可用于SLS成形的不收縮銅粉和不銹鋼粉末，使得SLS技術拓展到金屬材料成形領域。中國從事該技術研究的單位有北京隆源公司、南京航天航空大學和華中科技大學等。其中南京航空航天大學研制的RAP-I型激光燒結快速成型系統(tǒng)、北京隆源自動成型有限公司開發(fā)的AFS-300激光快速成型的商品化設備。
2.4激光熔覆快速制造技術
激光涂覆快速制造技術也稱近形技術(Laser Engineering Net Shaping ，LENS)、直接光制造技術(Directed Laser Fabrication，DLF)、直接金屬沉積技術(Directed metal Deposition，DMD)和激光共凝固技術( Laser Consolidation ，LC)，是今年來再激光熔覆技術和快速原型技術的基礎上發(fā)展起來的一種新技術。首先由CAD產(chǎn)生零件實體模型，然后用分層軟件對實體模型進行處理，獲取各截面的幾何信息，并將其轉化成NC工作臺的運動的軌跡信息。成形時，有一束高功率激光會照射到基材表面形成熔池，與此同時金屬粉末通過同軸送粉嘴被同軸地噴入熔池形成熔覆層，送粉嘴根據(jù)CAD給定的各層截面的軌跡信息，在NC的控制下將材料逐層掃描堆積，最終制造出金屬實體零件。由于激光熔覆的快速凝固特征，所制造出的金屬零件具有優(yōu)良的質(zhì)量和強度。
與其他傳統(tǒng)的制造方法相比，激光熔覆直接制造技術的突出優(yōu)點如下：(1)具有高度的柔性，在計算機的控制下可以方便迅速地制作出傳統(tǒng)加工方法難以實現(xiàn)的復雜形狀的金屬零件;(2)生產(chǎn)周期短，效率高;(3)提高了設計的靈活性;(4)應用范圍廣，既可以用來制作普通合金零件，又可以用來加工鈦等易氧化金屬零件，提高材料的利用率，改變了人們對材料的選擇原則;(5)激光與材料相互作用時快速熔化和凝固過程使材料具有許多常規(guī)材料在常規(guī)條件下無法得到的組織。
國外對該工藝技術的研究主要有美國Sandia國家實驗室、德國漢諾威激光中心、加拿大國家科學院集成制造技術研究所以及美國Los Alamos 國家實驗室等。其中美國Los Alamos 國家實驗室利用該技術制造出了帶有半球、直壁、通孔、尖角的零件，加工材料包括AISI316和400不銹鋼等。經(jīng)評估，利用該技術制作模具可使加工時間縮短40%，工序由原來的62步減少為7步。國內(nèi)研究該技術的單位有清華大學、西北工業(yè)大學、北京工業(yè)大學和中國科學研究院等，其中清華大學機械系激光加工制造中心已經(jīng)研制出適合于直接制造金屬零件的各自規(guī)格的同軸送粉噴嘴和自動送粉器，發(fā)展了激光快速柔性制造即LRFM系統(tǒng)，已申請相關的發(fā)明專利多項。中科院已經(jīng)開發(fā)出集成化激光智能加工系統(tǒng)。
主要應用
目前，激光快速成型技術已在工業(yè)造型、機械制造、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫(yī)學、考古、文化藝術、 雕刻、首飾等領域都得到了廣泛應用。并且隨著這一技術本身的發(fā)展，其應用領域?qū)⒉粩嗤卣埂?/div>
激光快速成型技術的實際應用主要集中在以下幾個方面： (1)在新產(chǎn)品造型設計過程中的應用激光快速成形技術為工業(yè)產(chǎn)品的設計開發(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能夠快速、直接、精確地將設計思想轉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)在機械制造領域的應用由于激光快速成型技術自身的特點，使得其在機械制造領域內(nèi)，獲得廣泛的應用，多用于制造單件、小批量金屬零件的制造。有些特殊復雜制件，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與傳統(tǒng)的模具制造技術相結合，可以大大縮短模具制造的開發(fā)周期，提高生產(chǎn)率，是解決模具設計與制造薄弱環(huán)節(jié)的有效途徑。激光快速成形技術在模具制造方面的應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，再由零件復制得到所需要的模具。(4)在醫(yī)學領域的應用近幾年來，人們對激光快速成型技術在醫(yī)學領域的應用研究較多。以醫(yī)學影像數(shù)據(jù)為基礎，利用激光快速成型技術制作人體器官模型，對外科手術有極大的應用價值。(5)在文化藝術領域的應用在文化藝術領域，激光快速成形制造技術多用于藝術創(chuàng)作、文物復制、數(shù)字雕塑等。 (6)在航空航天技術領域的應用在航空航天領域中，空氣動力學地面模擬實驗(即風洞實驗)是設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雜、精度要求高、又具有流線型特性，采用激光快速成型技術，根據(jù)CAD模型，由激光快速成型設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。快速成形技術的應用很廣泛，可以相信，隨著快速成形制造技術的不斷成熟和完善，它將會在越來越多的領域得到推廣和應用。(8)概念模型制造和功能測試將設計構想轉換成實體模型，具有更好的直觀性和啟示性，可充當交流溝通中介物和更有利于產(chǎn)品設計評估。產(chǎn)品零件原型具有足夠的強度，可用于產(chǎn)品受載應力應變實驗分析。(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鍵之一是利用快速成型技術生成模型，結合精鑄、電極研磨等技術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技術存在一些目前尚未很好解決的關鍵問題，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)應用。
結論及展望
作為一項新型的制造技術，激光快速成形以其分層制造的思想和一體化的設計在其出現(xiàn)之始就引起了各界的廣泛關注，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。占主導地位的SLA ，LOM ，F(xiàn)DM ，SLS 等較成熟且已商品化的快速成形技術逐漸被學術界和工業(yè)界認識采用，并在實踐中逐漸確定了自己的應用范圍。
但激光快速成形技術的產(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 技術與傳統(tǒng)加工、特種加工技術相結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手段。隨 著激光快速成形技術的發(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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