激光技术在军事领域的应用与未来

1激光快速成型技术学院：机电工程学院专业：机械设计制造及其自动化班级学号：080311339姓名:郭四维指导老师：石广丰2摘要：激光快速成型技术是一门新兴的加工技术，本文详细介绍了激光快速成型技术的原理，特点以及应用。关键词：激光技术激光金属成形激光涂覆1.引言：“激光”一词是英文Laser的音译，激光影响着世界科技发展的方向，同时激光也改变了世界工业发展的格局与发展方向。激光快速成型技术作为一项新颖的加工技术也正在发挥这它的优势和作用。本文选取应用比较广泛的几种激光快速成型技术进行了简单的介绍与分析。2.正文：2.1激光快速成型的原理及分类激光快速成型（LaserRapidPrototyping：LRP）是将CAD、CAM、CNC、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集成的一种全新制造技术。与传统制造方法相比具有：原型的复制性、互换性高；制造工艺与制造原型的几何形状无关；加工周期短、成本低，一般制造费用降低50%，加工周期缩短70%以上；高度技术集成，实现设计制造一体化。现今应用较多的激光成型技术有：立体光造型(SLA)技术；选择性激光烧结(SLS)技术；激光熔覆成形（LCF）技术；激光近形（LENS）技术；激光薄片叠层制造(LOM)技术；激光诱发热应力成形（LF）技术。上图为激光成型的基本原理：激光金属成形使用金属粉末作为填充物，金属粉末通过一个粉末喷嘴被送到由激光束创建的熔池中。2.1.1立体光造型技术（SLA）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3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，则可采用先分块成形然后粘接的方法进行制作。对比其他的快速成型方式，此项技术在成型尺寸，材料性能等方面具有更广泛的优势。利用此项技术制作的快速铸件型样具有尺寸精确，产品尺寸一致性好，表面光洁度高，成功率高等优点。美国航空航天领域以此项技术为标准的快速铸造技术。综上所述，可以得出SLA技术的优缺点：优点：1、表面质量较好。2、系统分辨率较高。3、成型精度较高，精度在0.1mm缺点：1、快速成型制作成本相对较高：氦-镉激光管的寿命仅三千小时，价格较昂贵，由于需对整个截面进行扫描固化，成型时间较长。2、需要专用的实验室环境，成型件需要后处理，比如：二次固化，防潮处理等工序。3、可选择的材料种类有限，必须是光敏树脂。由这类树脂制成的工件在大多数情况下都不能进行耐久性和热性能试验，且光敏树脂对环境有污染，使皮肤过敏。4、尺寸稳定性差，随着时间推移，树脂会吸收空气中的水分，导致软薄部分的翘曲变形，进而极大地影响成型件的整体尺寸精度。5、快速成型需要设计工件的支撑结构，以便确保在成型过程中制作的每一个结构部位都能可靠定位，支撑结构需在未完全固化时手工去除，容易破坏成型件。2.1.2选择性激光烧结技术（SLS）选择性激光烧结技术又称选区激光烧结技术。SLS选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成，工作时粉末缸活塞(送粉活塞)上升，由铺粉辊将粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉.控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。最后，将4未烧结的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。对于金属粉末激光烧结，在烧结之前，整个工作台被加热至一定温度，可减少成型中的热变形，并利于层与层之间的结合。现今国内的大多数激光快速成型技术应用的基本都是SLS技术。同时，SLS技术拥有很多的优点，同时也不可避免的拥有缺点：优点：1、与其他工艺相比，能生产最硬的模具。2、可以采用多种原料，例如绝大多数工程用塑料、蜡、金属、陶瓷等。3、零件的构建时间短，可达到1in/h高度。4、无需对零件进行后矫正。5、无需设计和构造支撑。缺点：1、在加工前，要花近2小时的时间将粉末加热到熔点以下，当零件构建之后，还要花5-10小时冷却，然后才能将零件从粉末缸中取出。2、表面的粗糙度收粉末颗粒大小及激光点的限制。3、零件的表面一般是多孔性的，为了使表面光滑必须进行后处理。4、需要对加工室不断充氮气以确保烧结过程的安全性，加工的成本高。5、该工艺产生有毒气体，污染环境。2.1.3激光熔覆成型技术（LCF）激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术。是在激光束作用下将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化，光束移开后自激冷却形成稀释率极低，与基体材料呈冶金结合的表面涂层,从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的一种表面强化方法。如对60#钢进行碳钨激光熔覆后，硬度最高达2200HV以上，耐磨损性能为基体60#钢的20倍左右。在Q235钢表面激光熔覆CoCrSiB合金后，将其耐磨性与火焰喷涂的耐蚀性进行了对比，发现前者的耐蚀性明显高于后者。激光熔覆技术涉及光、机、电、计算机控制器（数控系统）、材料、物理、化学等多门学科的跨学科高新技术。近年来，结合CAD技术兴起的快速原型加工技术，又为激光熔覆技术增添了新的活力。目前，激光熔覆技术已成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一，如对汽轮机轮子轴、大型发电机轴、大型风机轴的磨损修复。已广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业。激光熔覆成型技术的优缺点：优点：1、激光熔覆技术所形成涂层硬度高，可靠性强。2、激光熔覆技术所形成的零件非常致密。5缺点：1、激光熔覆的成本较高。2、激光熔覆技术对生产环境要求较高，容易受外界影响而对零件精度硬度产生不利影响。2.1.4激光薄片叠层制造技术（LOM）LOM技术是一种常用来制作模具的新型快速成形技术。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。计算机控制的CO2激光束按三维实体模型每个截面轮廓线对薄形材料(如底面涂胶的卷状纸、或正在研制的金属薄形材料等)进行切割，逐步得到各个轮廓，并将其粘结形成快速原型。用此法可以制作铸造母模或用于“失纸精密铸造”。该项技术将特殊的箔材一层一层地堆叠起来。激光束只须扫描和切割每一层的边沿，而不必象SLA技术那样，要对整个表面层进行扫描。该装置采用专用滚筒纸，由加热辊筒使纸张加热联接，然后用激光将纸切断，待加热辊筒自动离开后，再由激光将纸张裁切成层面要求形状。目前最常用的箔材是一种在一个面上涂布了热熔树脂胶的纸。在LOM成型机器里，箔材由一个供料卷筒被拉出，胶面朝下平整地经过造型平台，由位于另一方的收料卷筒收卷起来。每敷覆一层纸，就由一个热压辊压过纸的背面，将其粘合在平台上或前一层纸上。这时激光束开始沿着当前层的轮廓进行切割。激光束经准确聚焦，使之刚好能切穿一层纸的厚度。在模型四周和内腔的纸被激光束切割成细小的碎片以便后期处理时可以除去这些材料。同时，在成型过程中，这些碎片可以对模型的空腔和悬臂结构起支撑的作用。为了加快造型进程，可以每次切割二层，甚至三层箔材。当然，这要求造型机器具备功率更大的激光器，同时制作出来的模型外表会有更明显的台阶。LOM工艺的后处理加工包括去除模型四周和空腔内的碎纸片，必要的时候还可以通过加工去除模型表面的台阶状。LOM模型相当坚固，它可以进行机加工、打磨、抛光、绘制、加涂层等各种形式的加工。目前用于LOM技术的箔材主要有涂覆纸、覆膜塑料、覆蜡陶瓷箔、覆膜金属箔等。激光薄片叠层制造技术优缺点：优点：1、由于只需要使激光束沿着物体的轮廓进行切割，无需扫描整个断面，所以这是一个高速的快速原型工艺。零件体积越大，效率越高。2、加工后零件可以直接使用，无需进行后矫正。3、无需设计和构建支撑结构。4、易于使用，无环境污染。缺点：1、可实际应用的原材料种类较少，尽管可选用若干原材料，例如纸、塑料、陶土以及合成材料，但目前常用的只是纸，其他箔材商在研制开发中。2、纸制零件很容易吸潮，必须立即进行后处理、上漆。3、难以构建精细形状的零件，即仅限于结构简单的零件。64、由于难以（虽然并非不可能）去除里面的废料，该工艺不宜构建内部结构复杂的零件。当加工室的温度过高时常有火灾发生。3结论通过对以上几种激光快速成型技术的了解。我们可以得知，激光快速成型技术拥有多样化，先进以及效率高产品品质优异的优点，但也同时由于技术原因有着缺点，但是，其优点明显大于缺点。不久以后，相信激光快速成型技术将有可能取代传统加工技术。4参考文献《常见快速成型优缺点比较》孟永刚《激光成型技术最新发展及应用》中国激光网《材料制备新技术》许春香《激光加工技术的发展》宋威廉《激光熔覆技术研究》孙拂晓《五轴联动激光金属成型技术及应用》OFWEEK激光网