激光快速成型技术

激光快速成型技术利用激光束扫描金属板材诱发的内部非均匀分布的热应力，使板材发生局部塑性屈服，从而使板材产生一定角度的弯曲变形。简介激光快速成型技术是上个世纪80年代发展起来的一门高新技术，他是利用激光技术，CAX技术，自动控制技术，新材料技术，直接造型，快速制造产品模型的一们多学科综合技术.激光快速成型技术一改传统加工去除成型加工工艺，而采用堆积成型加工工艺，在加工领域具有划时代的意义.目前，激光快速成型技术主要应用在航空航天，汽车，玩具制造等行业.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。激光快速成型又分为以下几类:SLA技术SLA技术又称光固化快速成形技术，其原理是计算机控制激光束对光敏树脂为原料的表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层（约十分之几毫米）产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。工作台下移一个层厚的距离，以便固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，进行下一层的扫描加工，如此反复，直到整个原型制造完毕。由于光聚合反应是基于光的作用而不是基于热的作用，故在工作时只需功率较低的激光源。此外，因为没有热扩散，加上链式反应能够很好地控制，能保证聚合反应不发生在激光点之外，因而加工精度高，表面质量好，原材料的利用率接近100%，能制造形状复杂、精细的零件，效率高。对于尺寸较大的零件，则可采用先分块成型，然后粘接的方法进行制作。SLS技术SLS技术与SLA技术很相似，只是用粉末原料取代了液态光聚合物，并以一定的扫描速度和能量作用于粉末材料。该技术具有原材料选择广泛、多余材料易于清理、应用范围广等优点，适用于原型及功能零件的制造。在成形过程中，激光工作参数以及粉末的特性和烧结气氛是影响烧结成形质量的重要参数。在汽车模具制造中应用。美国德克萨斯州立大学研究的SLS技术，已由美国dtm公司商品化。目前该公司已研制出SLS2000系列第三代产品。该系统能烧结蜡、聚碳酸酯、尼龙、金属等各种材料。用该系统制造的钢铜合金注塑模具，可注塑5万件工件。近年来基于RPM技术模具制造技术已从最初的原型制造，发展到快速工模具制造，成为国内外应用研究开发的重点。基于RPM的模具制造方法可分为直接制模法和间接制模法。直接制模法是直接采用RPM技术制作模具，在RPM技术诸方法中能够直接制作金属模具的是SLS法。用这种方法制造的钢制铜合金注射模，寿命可达5万件以上。但此法在烧结过程中材料发生较大收缩，精度难以控制。FDM技术FDM的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、尼龙等，以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。1、FDM工艺不用激光，因此使用、维护简单，成本较低。2、用蜡成形的零件原型，可以直接用于失蜡铸造。3、用ABS制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。4、由于以FDM工艺为代表的熔融材料堆积成型具有一些显著优点，该工艺发展极为迅速。lcf技术lcf技术的工作原理与其他快速成型技术基本相同，也是通过对工作台数控，实现激光束对粉末的扫描、熔覆，最终成型出所需形状的零件。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。与其他快速成型技术的区别在于，激光熔覆成型能制成非常致密的金属零件，其强度达到甚至超过常规铸造或锻造方法生产的零件，因而具有良好的应用前景。LENS技术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：1、单一金属；2、金属加低熔点金属粘结剂；3、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。LOM技术LOM技术是一种常用来制作模具的新型快速成型技术。其原理是先用大功率激光束切割金属薄片，然后将多层薄片叠加，并使其形状逐渐发生变化，最终获得所需原型的立体几何形状。LOM技术制作冲模，其成本约比传统方法节约1/2，生产周期大大缩短。用来制作复合模、薄料模、级进模等，经济效益也甚为显著。该技术在国外已经得到了广泛的使用。LF技术LF技术的原理是基于金属热胀冷缩的特性，即对材料进行不均匀加热，产生预定的塑性变形。该技术具有下列特点：1、无模具成型：生产周期短、柔性大，特别适合单件小批量或大型工件的生产；2、无外力成型：材料变形的根源在于其内部的热应力；3、非接触式成型：成型精度高、无工模具磨损，可用于精密件的制造；4、热态累积成型：能够成型常温下的难变形材料或高硬化指数金属，而且能够产生自冷硬化效果，使变形区材料的组织与性能得以改善。[1]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:⑴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，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。⑵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。⑶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。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:⑴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。⑵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。⑶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。同时激光快速成型在手板行业发挥了重要作用，在CNC加工的过程中经常会有产品结构因为有倒扣，CNC是无法加工的出来的，但是激光快速成型非常好的解决了这个问题。目前在珠三角用激光快速成型做手板的非常多，俗称SLA手板。⑷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。⑸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。⑹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。⑺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。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等等。激光快速成型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:⑴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。⑵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。