激光快速成型技术研究现状与发展

激光快速成型技术研究现状与发展

摘要:快速成型技术是近年来制造技术领域的一次重大突破和革命性的发展,激光快速成型技术是其重要组成部分。本文介绍了激光快速成型技术的基本原理和特点,分析了有关工艺方法,讨论了LRP 技术的研究现状和应用,并展望其未来发展趋势。

关键词:激光快速成型;研究现状;发展趋势

1 激光快速成型技术原理和特点

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[1 ] 。以激光作为加工能源的激光快速成型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。激光快速成型(Laser Rapid Prototyping ,LRP) 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,逐层累积形成实体模型。快速制造出的模型或样件可直接用于新产品设计验证、功能验证、工程分析、市场订货及企业决策等,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(Quick Tooling) 技术,快速精铸技术(Quick Casting) ,快速金属粉末结技术(Quick Powder Sintering) 等,可实现零件的快速成品。

激光快速成型技术主要特点:

(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(Free Form Fabrication) ,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 ]

(2) 采用非接触加工的方式,没有传统加工的残余应力问题,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,特别适合于新品开发和单件零件生产。

2 LRP 工艺方法

LRP 技术包括很多种工艺方法,其中相对成熟的有立体光固化(SLA) 、选择性激光烧结(SLS) 、分层实体制造(LOM) 、激光熔覆成形(LCF) 、激光近形制造(LENS) 。

(1) 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。

(2) 分层实体制造(LOM—Laminated ObjectManufacturing)

LOM工艺是根据零件分层得到的轮廓信息用激光切割薄材,将所获得的层片通过热压装置和下面已切割层粘合,然后新的一层纸再叠加在上面,依次粘结成三维实体。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。

(3) 选择性激光烧结(SLS —Se1ected LaserSintering)

SLS 的原理是根据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,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。

(4) 激光熔覆成形(LCF - Laser CladdingForming) [3 ]

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(Direct Metal Deposition ,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 - Laser EngineeringNet Shaping) [3 ]

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。

3 研究现状

美国3DSystems 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LRP 技术迅速发展和推广应用的新纪元。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,台湾大学拥有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,西安交大生产的紫外光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。

4 LRP 的应用

激光快速造型技术已在汽车、家电、通讯、航空、工业造型、医疗、考古等行业得到日益广泛的应用,前景广阔。主要的应用领域: [4 ]

(1) 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。

(2) 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 未来发展趋势

LRP 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,