激光快速成型技术的研究与应用Word下载.docx
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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：
激光快速成型基本原理、特点、应用研究现状发展趋势
正文
80年代后期发展起来的快速成型技术（RapidPrototyping,RP）是基于分层技术、堆积成型,直接根据CAD模型快速生产样件或零件的先进制造成组技术总称。
RP技术不同于传统的去除成型、拼合成型及受迫成型等加工方法,它是利用材料累加法直接制造塑料、陶瓷、金属及各种复合材料零件。
以激光作为加工能源的激光快速成型（RapidPrototypingManufacturing,RPM）是快速成型技术的重要组成部分,它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料科学等现代科技成果。
快速成形制造是一种全新的生产方法,其原理突破了传统的材料变形成形和去除成形的工艺方法,可在没有工装夹具或模具的条件下,迅速制造出任意复杂形状的三维实体零件,因此被认为是20世纪末制造技术领域的一次重大突破,并有可能成为21世纪的主流制造技术。
1、激光快速成型的基本原理
激光快速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。
传统的工业成形技术中大部分遵循材料去除法这一方法的，如车削、铣削、钻削、磨削、刨削；
另外一些是采用模具进行成形，如铸造、冲压。
而激光快速成形却是采用一种全新的成形原理——分层加工、迭加成形。
而激光快速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、激光快速成型的特点
由于快速成型技术（包含激光快速成型技术）仅仅在需要增加材料的地方增加材料，所以从设计到自动化，从知识获取到计算机处理，从计划到接口、通讯等方面来看，非常适合于CIM、CAD及CAM，因此，同传统的制造方法相比较，激光快速成型显示出诸多的优点：
（1）制造速度快、成本低、节省时间和节约成本，为传统制造方法注入新的活力，而且可实现自由制造（FreeFormFabrication），产品制造过程以及产品造价几乎与产品的批量和复杂性无关。
（2）采用非接触加工的方式，没有传统加工的残余应力的问题，没有工具更换和磨损之类的问题，无切割、噪音和振动等，有利于环保。
（3）可实现快速铸造、快速模具制造，特别适合于新产品开发和单间零件生产。
3.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.激光快速成型的应用
不断提高激光快速成型技术的应用水平是推动激光快速成型技术技术发展的重要方面。
目前，激光快速成型技术已在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用。
并且随着这一技术本身的发展，其应用领域将不断拓展。
激光快速成型技术的实际应用主要集中在以下几个方面：
（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。
运用激光快速成型技术能够快速、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快速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。
将激光快速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快速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）在医学领域的应用近几年来，人们对激光快速成型技术在医学领域的应用研究较多。
以医学影像数据为基础，利用激光快速成型技术制作人体器官模型，对外科手术有极大的应用价值。
（5）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。
（6）在航空航天技术领域的应用在航空航天领域中，空气动力学地面模拟实验（即风洞实验）是设计性能先进的天地往返系统（即航天飞机）所必不可少的重要环节。
该实验中所用的模型形状复杂、精度要求高、又具有流线型特性，采用激光快速成型技术，根据CAD模型，由激光快速成型设备自动完成实体模型，能够很好的保证模型质量。
（7）在家电行业的应用目前，激光快速成形系统在国内的家电行业上得到了很大程度的普及与应用，使许多家电企业走在了国内前列。
如：
广东的美的、华宝、科龙；
江苏的春兰、小天鹅；
青岛的海尔等，都先后采用快速成形系统来开发新产品，收到了很好的效果。
快速成形技术的应用很广泛，可以相信，随着快速成形制造技术的不断成熟和完善，它将会在越来越多的领域得到推广和应用。
（8）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。
（9）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.快速成形技术的发展现状
美国3DSyetems公司1988年生产出世界上第一台SLA250型光固化快速造型机，开创了激光快速成型技术迅速发展和推广的新纪元。
美国在设备研制、生产销售方面占全球主导地位，其发展水平及趋势基本代表了世界的发展水平及趋势。
欧洲和日本也不甘落后，纷纷进行相关技术研究和设备研发。
香港和台湾比内地起步早，台湾大汛拥有LOM设备，台湾各单位及军方安装多台进口SL系列设备。
香港生产力促进局和香港科技大学、香港理工大学、香港城市大学等都拥有RP设备，其重点是有关键技术的应用与推广。
国内自20世纪90年代初开始进行研究，现有西安交通大学、华中科技大学、清华大学、北京隆源公司多所研究单位自主开发了成型设备并实现产业化。
其中，西安交通大学生产的紫外光CPS系列光固化成型系统快速成型机等新技术，引起了国内外的高度重视;
华中科技大学研究LOM、SLS工艺,推出了系列成型机和成型材料;
清华大学主要研究RP方面的现代成型学理论,并开展了基于SL工艺的金属模具的研究;
北京隆源公司主要研究SLS系列成型设备和配套材料并承接相关制造工程项目。
6.未来发展趋势
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,其未来发展方向包括:
（1）研究新的成型工艺方法,在现有的基础上,拓宽激光快速成型技术的应用,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。
激光快速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。
作为一项新型的制造技术,激光快速成形以其分层制造的思想和一体化的设计在其出现之始就引起了各界的广泛关注,迅速成为制造界的研究热点。
经过十几年的发展,激光快速成形技术已突破了其最初意义上的“原型”概念,向着快速零件、快速工具的方向发展。
占主导地位的SLA,LOM,FDM,SLS等较成熟且已商品化的快速成形技术逐渐被学术界和工业界认识采用,并在实践中逐渐确定了自己的应用范围。
但激光快速成形技术的产生与发展只有十几年时间,还有较大的发展空间:
（1）没有粘结剂金属材料的快速制造,特别是高熔点、高强度金属零件的制造;
（2）各种快速成形方法中材料成形机理、成形性的研究,最终形成快速成形材料的商品化;
（3）成形工艺和设备的开发与改进,以提高原型件的表面质量、尺寸精度、机械性能;
（4）探索RP技术与传统加工、特种加工技术相结合的多种加工手段综合工艺,为快速模具、工具制造提供新的技术手段。
随着激光快速成形技术的发展,新工艺、新材料的不断出现,势必会对未来的实际零件制造产生较大影响,对制造业产生巨大的推动作用。
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