激光快速成形技术的新进展

激光技术的发展及应用激光快速成形技术的新进展
颜永年,张人佶,林峰
(清华大学教育部先进成形制造重点实验室,北京100084)
摘 要:本文介绍了激光快速成形技术的最新进展,主要包括:金属零件直接成形技术、微纳激光三维成形技术、激光直写三维堆积技术、复合材料光固化成形技术等。

作者认为,应当特别关注这些高新技术的应用,以应用来带动其研究,加速发展这些重要的先进成形制造技术。

关键词:快速成形;激光;三维
中图分类号:TN249 文献标识码:A
快速成形(RP-Rapid Prototyping)技术以离散-堆积为原理,利用材料的受控成形制造零件。

自1980年代末产生以来,国内外已开发了的多种快速制造成形工艺,其中许多是基于激光技术的。

近年来,RP技术向快速制造(RM-Rapid M anufactur-ing)发展,因此利用激光等高能量密度的加工手段的金属零件直接成形制造已成为快速成形技术的研究热点,其共同的特点是通过将金属材料熔化或半熔化后沉积下来实现材料堆积成形。

此外,激光快速成形在特种加工与制造方面亦发挥了重要作用,涉及方面十分广泛,本文介绍其中应用前景最大的技术,来说明激光快速成形技术在先进制造中的重要地位。

这些技术包括:微纳激光三维成形技术、激光直写三维堆积技术、复合材料光固化成形技术。

1 金属零件直接激光成形制造
基于激光的金属零件直接成形制造技术非常多,例如激光选区烧结(SLS-Selective Laser Sinte-r ing)、激光选区熔化(SLM-Selective Laser M elt-ing)、激光近净成形(LENS-Laser Eng ineer ing Net Shaping)、激光增材制造(LAM-Laser Additiv e Manufacturing)等。

1 1 激光选区烧结(SLS-Selective Laser Sintering)
目前,直接获得金属件最成功的RP技术是激光选区烧结(SLS)。

最有代表性的是美国3D Sy s-tems公司采用的将金属粉末和有机黏结剂相混合后的粉末烧结技术[1]和EOS公司采用的将多种熔点不同的金属粉末组成的混合粉末烧结技术[2]。

国内北京隆源公司、北方恒利公司以及华中科技大学等开展了类似的研究。

3D System s公司将烧结件经浸渗及热等静压、液相烧结、高温烧结等后处理工艺,得到性能符合要求的金属零件。

他们2003年推出的金属粉末Laser For m A6不仅具有较高的强度、成型和表面精度,而且还具有较高的成形效率及优良的加工性能[图1a]。

EOS公司采用金属混合粉末进行成形,低熔点的组元首先成形,且润湿高熔点粉末,由液相烧结机制将这些高熔点的金属粉末黏结在一起。

EOS公司主要的金属粉末材料D-i rectSteel20-V1的最小层厚已经降低到小于20 m,致密度达98%,因此可以制造出精度很高的金属零件[图1b]。

图1 激光选区烧结快速制造功能零件
1 2 激光选区熔化(SLM-Selective Laser M elting)
德国Fraunhofer研究所、德国MCP公司、德国TRUMPF公司、比利时Leuven大学以及英国利物浦大学开展了SLM工艺的研究[3-4]。

其工作原理与激光选区烧结技术类似,不同的是采用低功率激光器对金属粉末进行熔化成形,以达到比较致密的金属零件。

该技术中由于熔化部分不存在固相成分,表面张力很容易导致熔化金属 聚球 ,这对材料成分、工艺参数及扫描策略都提出了特殊的要求,必须通过对材料参数、工艺参数和扫描方式的严格控制,才可以使 聚球 现象得到消除。

国内华南理工大学、南京航空航天大学、四川大学等单位也在从事该项技术研究。

日本大阪大学国立先进工业科学与技术研究所采用SLM工艺制造出Ti人工骨[5]。

图2a是SLM 设备示意图。

他们使用的Ti粉末的成分为(m ass%):O,0.097;H,0.005;N,0.009;C,0.01; Fe,0.036;T i,余量。

采用CO2激光器,平均功率50 W,峰值功率220W,脉冲宽度1 5m s,重复频率
7
《新技术新工艺》 激光技术的发展及应用 2006年 第9期
25 5H z,扫描速度2 16mm/s,扫描线宽0 75mm 。

图2b 为利用这个方法制造的人工骨,也具有良好的多孔结构,
十分有利于细胞等的长入。

图2 制造T i 人工骨的S LM 设备及制造的Ti 人工骨
1 3 激光近净成形(LENS -Laser Engineering Net
Shaping ) LENS 技术是无需后处理的金属直接成形方法,可适应多种金属材料的成形,成形得到的零件组织致密,具有明显的快速熔凝特征,力学性能很高,并可实现非均质和梯度材料零件的制造。

它由美国Sandia 国家实验室的David Keicher 发明,并由Op -to mec Design 公司于1997年开始商业化运行。

该工艺将Nd:YAG 激光束聚焦于由金属粉末注射形成的熔池表面,而整个装置处于惰性气体保护之下。

通过激光束的扫描运动,使金属粉末材料逐层堆积,最终形成复杂形状的零件或模具,已经制造出铝合金、钛合金、钨合金等半精化的毛坯,其精度已超过传统闭式模锻的水平,而质量也达到甚至超过整体图3 LEN S 技术制造的含内
冷却流道的金属件
锻压所达到的金属内部质量,据说可以取代锻件,在航天、航空、造船、国防等领域具有极大的应用前景[6]。

但是,该工艺成形过程中热应力大,成形件容易开裂,成形件的精度较低,零件形状较简单,且不易制造带悬
臂的零件,粉末材料利用率偏低,对于价格昂贵的钛合金粉末和高温合金粉末,制造成本是一个必须考虑的因素。

图3为利用LENS 制造的内含冷却流道的金属件。

1 4 激光增材制造(LAM -Laser Additive M anuf -acturing)
美国的AreoMet 的MTS Systems Corp 开发的LAM 系统,亦是是一种近净成形设备,对于单件和小批量金属件来说,由于无需铸造和锻造而大大节省了工装、工具费用,大大提高了效率而能达到要求的强度和抗疲劳性能。

他们计划开发实时混入特殊粉末工艺来制造梯度合金。

该设备制造的金属件如图4所示,这些金属零件的尺寸最大可达3m 3m 1 2m [7]。

图4 采用L A M 技术制造的钛合金零件
2 微纳激光三维成形技术
随着脉冲激光,特别是超短脉冲激光(如飞秒激光)的出现,激发光与物质相互作用所表现出来的非线性现象也越来越明显,如双光子吸收(T PA)。

单光子吸收(SPA )的吸收截面通常为10-10cm 2/pho -ton 量级,而现有材料的双光子吸收截面约为10-
50
图5 m 级的 牛 [8]cm 2/photon 量级,因此可以实现高精度的三维成形。

双光子加工过程中只要精确地控制激光束焦点的扫描动作就可快速地加工出预先设计的微纳
零件。

这同时也保证了双光子微细加工具
有很强的柔性:不需要对加工系统的结构做任何调整就可以通过改变CAD 的设计模型实现新器件的加工。

日本和中国科学家使用激光技术,用合成树脂制成了长10 m,高7 m 的牛[8]
(图5)。

另外,快速制造对异质材料的控制能力也可以制造复合材料或功能梯度材料的微机械零件。

3 激光直写三维堆积技术
激光引导直写方法由密歇根理工大学的Renn 等人首先提出[9]。

这是基于光压原理的新技术。

与光镊技术不同,直写技术改用低NA (数值孔径)数值的透镜来聚焦,一方面光强梯度把粒子捕获在光束轴心,另一方面光压把粒子在光轴上向前推进,从而实现材料的堆积不同介质环境中的多种材料的粒子均可被用于这种方法,如液体中悬浮直写的有SiO 2、聚苯乙烯、Ge 、Si 、Au 、A l/AlO 2,气体中的有NaCl 、KI 、SiO 2、CdS 、A u 等材料,所使用的基底材料包括玻璃、塑料和半导体等等。

也可以将细胞作为操作的对象,由此实现细胞的三维组装。

Odde 与Renn 合作,利用激光引导方法对细胞进行了直写实
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验[10]
,实验使用的激光为800nm/450m W,模式TEM 00,透镜N A =0 1/f =25mm 或N A =0 05/f =50m m 。

沉积基底是玻璃,光导纤维的尺寸是100 m i.d./150 m o.d.或30 m i.d./150 m o.d.;长度7mm 。

细胞使用小鸡胚胎脊髓神经细胞,d=9 m 。

图6为使用空心光纤激光直写细胞的实验结果。

其传输距离达到7mm,光的推进力为5pN;在100 m i.d.的光纤管中速度为53 m /s,30 m i.d.的管中速度为18 m /s,可见速度、作用力
与传输距离都大大增加。

图6 使用空心光纤激光直写细胞
4 复合材料光固化成形技术
光固化工艺是最早的RP 工艺,光固化设备是最早实现设备产品化的快速成形机,已经有许多研究者在光敏树脂中掺入陶瓷粉末或金属粉末,从而出现了复合材料的光固化成形技术。

由于陶瓷粉末和光敏树脂混合而成的陶瓷悬浮液黏度很大,因而需对光固化工艺进行改进。

此外陶瓷悬浮液的固相含量是一个重要问题,固相含量过高则成形性能太低无法成形,固相含量过低则成形的陶瓷坯体烧结后容易松散也导致无法成形,需要对不同陶瓷材料及不同固相含量的悬浮液进行了光固化曝光实验,测定了其曝光曲线,在光固化成形性能和固相含量间找到一个平衡点。

法国的O.Dufaud 和S.Corbel 对压电陶瓷的光固化成形工艺进行了研究[11-12],他们选用PZT 压电陶瓷粉末,光敏树脂选择了丙烯酸基的Diacryl 101和环氧树脂Somos 6100,此外还加入了一定含量的分散剂。

他们对陶瓷悬浮液的流变性能和光固化曝光性能进行了测试,成功地制造出具有精细结构的三维成形件,PZT 陶瓷含量达80wt%(图7)。

5 结语
根据快速成形技术的特点可知,该技术非常适合制造形状结构复杂、材料组成复杂的机械零件。

目前,快速成形技术发展到快速制造的新阶段,不仅能直接制造金属零件,成形精度可以达到要求,
而且
图7 采用光固化法制作的PZT 陶瓷试样
在尺寸非常大的成形件、微纳尺寸的成形件制造上
也能发挥很大的作用,目前,激光快速成形可在很多领域发挥着传统加工难以替代的作用,并得到了越来越广泛的应用,应当受到更大的重视。

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博士生导师。

主要从事快速成形制造技术和生物制造工程的研究工作。

收稿日期:2006年8月6日
责任编辑 刘滨
9 《新技术新工艺》 激光技术的发展及应用 2006年 第9期
N ew Technology&N ew Process ISSN1003-5311 Septem ber2006 No.9 Serial No.225
Contents&Abstracts
New Development of Laser Rapid Prototyping Tech-nique
YA N Yo ng nian,ZH A NG Renji,L IN Feng(K ey Labor ator y for Advanced M anufacturing by M ater ials P rocessing T ech-nolog y,M inistr y of Education,T sing hua U niver sity,Be-i jing,100084,China)
A bstra ct:T he paper introduces the newest development of laser rapid pro to typing technolog y,including direct prototyping of metal spares,micronano laser tridimensional prototy ping,laser vertical tridimensional stacking technology,complex material light solidification prototyping etc.T he applications of these high and new technolog y shall be paid more attentions to pro-mote researches and speed up the development.
Key words:rapid pr oto typing,laser,tr idimensio nal
Numerical Simulation Research on Laser Tailor-we-l ded Blanks with Different Thickness in Square C up Stamping
GU O Weig ang,CH EN Wei,ZH AN G Jiahua,H OU Bo(In-stitute o f mo uld&die,Jiang su U niversity,Zhenjiang,Jian-g su,212013,China)
A bstra ct:Tailor-welded blanks technique is using in automotiv e industry w idely.T he ex istance of weld beads is a key factor on reducing forming pro per ty of tailor-welded blanks.It is very im-po rtant fo r control of weld bead moving.By ex tension stress a-nalysis of squar e cup stamping,moving regularity of weld beads is obtained.Weld bead model is established ex actly based on nonlinear implicit computation,selection of anisotropic yield cr-i terion and usage of stepped blank holders.Numerical simulation is made for square cup drawing.T he results show that stress a-nalysis and simulation are co rrect throug h analysis of stress,uint thickness analysis,comparing simulation and experimental coin-cidence degree of analog result.
Key words:tailor-w elded blanks square cup,w eld bead,f-i nite element
Planning Design and Application of Laser Tailor-welded Production Line
FAN G Lingshen,ZH AO M ingyang,XU Zhig ang(1 Shenyang Institute of Automation,Chinese A cademy of Sciences,Liaon-ing,Shenyang,110016,China;2 Graduate U niversity of Chinese Academy of Sciences,Beijing,100039,China)
A bstra ct:T he paper analyses laser tailo r-welded products and its characters,discusses the main problems of production line design including process flow,production planning,pro duction line lay-out and quality control and related solutions as well as applica-tions of practical pro duction line design.
Key words:laser tailor-welded,product ion line,layout, quality co nt rol
The Effect of Laser Hardened Basal Body on Spread Path of Main C racks in C hromium Layer
ZH A N G Guox iang,ZH AN G K un,L U O G eng x ing,L I Hua-ix ue(1 Institut e o f M echanics,Chinese Academy of Sc-i ences,Beijing,100080,China;2 Shandong U niversity o f T echno lo gy,Zibo,Shandong,255000,China;3 Gr aduate U niv ersity of Chinese A cademy of Sciences,Beijing, 100080,China)
Abstract:T he paper bring s out the com plex techno lo gy w hich is after laser discrete har dened pretr eatment on basal body,chr omate treatment can impr ov e t he serv ice life o f chro mium plated gun barr el.Dissection o f g un bar rel in r ang e test sho ws t hat laser hardened basal bo dy can co ntr ol the spr ead o f ma in cr acks in chro mium lay er and dev iatio n to boundar y layer.T he co nt rol mechanics is that there is a g ra-dient laser treatment lay er between or iginal basal bo dy and chro mium lay er w hich is discending on or ig inal path direc-tio n.Cracks dr iving fo rce is enhanced and cracks can spead on o rig inal path.
Key words:spead path,cracks dr iving for ce,chr omium lay-er,laser har dened,gun bar rel
The O ptimal De sign of Automatic S pr ay Mem brane Ma-chine for Battery Based on Fu zzy C ompre he nsive Evalua-tion
ZH A N G L ing1,H U Xiaoy an2,W A NG Q ing3(1.H ebei U n-i ver sity o f Eng ineering,H andan056038,China; 2.H ebei P rov ince Labor ing V est ibule Schoo l,H eng shui053000,Ch-i na;3.Beijing Ray leig h Analytical Instr ument Cor p.,Beijing 100016,China)
Abstract:In this paper the2-stage fuzzy comprehensiv e ev a-l uat ion method is used to find the optimal desig n pr oject o f A lkaline-M nO2battery machine desig ns.T he r esult s show that this method is efficient to do this w o rk and the optimal design project is found.
Key words:fuzzy co mpr ehensive evaluat ion,alkaline-M nO2
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《新技术新工艺》 英文摘要 2006年 第9期。