200W光纤激光器应用.doc

SPI 200W光纤激光器的应用一、激光焊接-一般应用500w到20kw的激光器1、激光焊原理 激光焊采用激光作为焊接热源，机器人作为运动系统。激光热源的特殊优势在于，它有着超乎寻常的加热能力，能把大量的能量集中在很小的作用点上，所以具有能量密度高、加热集中、焊接速度快及焊接变形小等特点，可实现薄板的快速连接。 当激光光斑上的功率密度足够大( 106 W/ cm2 )时，金属在激光的照射下迅速加热，其表面温度在极短的时间内升高至沸点，金属发生气化。金属蒸气以一定的速度离开金属熔池的表面，产生一个附加应力反作用于熔化的金属，使其向下凹陷，在激光斑下产生一个小凹坑。随着加热过程的进行，激光可以直接射入坑底，形成一个细长的“小孔”。当金属蒸气的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再继续深入。光斑密度很大时，所产生的小孔将贯穿于整个板厚，形成深穿透焊缝。小孔随着光束相对于工件而沿着焊接方向前进。金属在小孔前方熔化，绕过小孔流向后方，重新凝固形成的焊缝如图1 所示。2、激光焊接设备 激光焊接设备主要由激光器、光导系统、焊接机和控制系统组成如图2 所示。 1. 激光器 用于激光焊接的激光器主要有CO2 气体激光器和YAG 固体激光器两种。激光器最重要的性能是输出功率和光束质量。从这两方向考虑，CO2 激光器比YAG 激光器具有很大优势，是目前深熔焊接主要采用的激光器，生产上应用大多数还处在6 15kW 范围。YAG 激光器一般功率小于1kW，用于薄小零件的微连接。近年来，国外在研制和生产大功率YAG 激光器方面取得了突破性的进展，最大功率已达5kW，并已投人市场。由于其波长短，仅为CO2 激光的1/ 10 ，有利于金属表面吸收，可以用光纤传输，简化光导系统。因此，大功率YAG 激光焊接技术在今后一段时间内将获得迅速发展，成为CO2 激光焊接强有力的竞争对手。 2. 光导和聚焦系统 光导聚焦系统由圆偏振镜、扩束镜、反射镜或光纤以及聚焦镜等组成，实现改变光束偏振状态及方向，传输光束和聚焦的功能。这些光学零件的状况对激光焊接质量有极其重要的影响。在大功率激光作用下，光学部件尤其是透镜性能会劣化使透过率下降，产生热透镜效应，表面污染也会增加传输损耗。所以光学部件的质量、维护和工作状态监测对保证焊接质量至关重要。 3. 焊接机器人 由于激光- MIG 复合焊接技术对焊接接头的装配精度要求较低，所以可以不必采用激光钎焊机器人的设计方式，既区别于常规的绞臂式焊接机器人，也无需设计焊缝自动跟踪矫正系统以及激光在线检测系统，这样可以大大降低工装设备的成本投资，降低工装设计的复杂程度。3、激光焊接方法的特点 激光焊接方法具有如下特点： ( 1) 能量密度高、适合于高速焊接。 ( 2) 焊接时间短、材料本身的热变形及热影响区小，尤其适合高熔点、高硬度加工。 ( 3) 无电极、工具等的磨损消耗。 ( 4) 对环境无污染。 ( 5) 可通过光纤实现远距离、普通方法难以达到的部位、多路同时或分时焊接。 ( 6) 很容易改变激光输出焦距及焊点位置。 ( 7) 很容易搭载到机器人装置上。 激光复合焊接技术具有显著的优点。对于激光复合焊接，优点主要体现在： 无烧穿时焊缝背面下垂的现象，适用范围更广；对于激光- MIG 焊接，优点主要体现在：较高的焊接速度、熔焊深度大、产生的焊接热少、焊缝的强度高、焊缝宽度小及焊缝凸出小，从而使得整个系统的生产过程稳定性好，设备可用性好及焊缝准备工作量和焊接后焊缝处理工作量小，焊接生产工时短、费用低、生产效率高。4、光纤激光的在焊接中应用IPG光子公司在金属加工领域出售的绝大部分的大功率光纤激光器的功率在10千瓦以内，其工厂和总部设在牛津，另外在欧洲还有另外两个制造工厂。其核心技术：独有的活性光纤和获得专利的泵浦技术使多组态半导体激光器比线性阵列半导体激光器有着更广阔的应用领域。因为其使得半导体激光器达到很长的工作寿命。其设备可能由掺镱多包层光纤绕圈构成，其工作波长为1.07至1.08微米。还可能是掺铥，波长为1.8至2.0微米或掺铒，波长为1.54至1.56微米。半导体激光器泵浦能量通过被叠成多包层线卷的多组态光纤传导到活性介质中。在活性光纤里直接生成了激光谐振腔。激光通过被动单模光纤特有的直径为6微米的纤芯进行传导。最终激光束的衍射基本上被限制住，并且当配备有内置校准器时，产生的光束极其平行。例如，100瓦的单模光纤激光当聚焦直径为5毫米时在半角具有的全角发散角为0.13毫弧度。 工业用单模IPG光纤激光器的最大功率通常为200瓦。更高功率的激光器的生产需用光纤激光组束技术。将各个光纤激光的输出通过组合器组合为一束，成为单一的高质量的激光束。例如，一个1000瓦的激光器会由10个单独光纤激光组合而成。尽管此时的激光束已不再是单模的，但其光模质量因子M2为710，比大功率的固态激光器要好。300微米光纤可传输7千瓦的光纤激光。多种不同形状包括产生近似矩形截面光束的光纤都能被生产出来。 掺镱光纤激光器的效率是1620%。掺铒和掺铥光纤激光器的效率稍低，但仍比典型的YAG激光器高得多。获得最好的波长选择是其必然的应用。由于工业生产的需要，具有Nd:YAG激光器的性能并且对眼的安全比CO2 好的激光器将被生产出来。公司的单模CW系统能在脉冲周期短至10毫秒时，被调制到5000Hz。脉冲周期短至1纳秒或在100纳秒脉冲内脉冲能量不超过1毫焦耳的三种叠加脉冲激光器和功率从300瓦到10千瓦的多模CW激光器已面市。光纤激光技术为工业用户提供了诸多益处。不需冷却器的光模质量因子为0.5M2的4千瓦光纤激光器比之传统的11M2的气体放电灯泵浦的Nd:YAG固体激光器自有着天渊之别。因为不需更换闪灯或半导体，它们在整个使用寿命里不需维护及维修。极高的用电效率大大的减少了使用成本。更好的激光束质量让用户可以享用比传统激光器的大影响区和/或长的工作距离优越很多的直径极小的光斑（1千瓦激光能被4英寸透镜聚焦成50微米）。 光纤激光技术的成本呢？低于1000瓦输出功率的光纤激光器比灯泵浦的YAG激光器低或与之差不多。但这时大于1000瓦的光纤激光器的购入成本较高。然而，当将所有的因素考虑进去-占地面积，冷却器，维护费用等等，光纤激光器比等功率的棒式Nd:YAG激光器要廉价得多。在最近半年内，多台几千瓦级的光纤激光器正处于在欧洲工厂的第二测试版本的运行环境中。这些激光器在多班倒的工作强度下至今没出任何问题，就其可靠性，达到相同的效果以往只能是用功率大得多的激光器。2千瓦的Beta测试版光纤激光器已经在实验室里焊接1.2mm的汽车镀锌板达到5m/min的焊接速度。而其质量和性能堪比使用4千瓦的灯泵浦Nd:YAG激光器。末端光纤直径为300微米的2千瓦光纤激光器能以10m/min的速度切割4mm厚的带镀层板，且无毛刺。最大的切割速度可达16m/min。 再来看看7000瓦的光纤激光器与弧焊工艺相结合的情况，在Fronius（福尼斯）-Wels总部研发部的LaserHybrid激光复合焊实验室里已能焊接8mm厚的低合金和高合金钢板。小功率激光焊接的产品：和牌YAG激光焊接机是利用高能脉冲激光实施工件间的焊接，脉冲氙灯作为泵浦；首先由脉冲激光电源点亮氙灯，并输出恒定小电流使氙灯处于预燃状态，再由控制系统来控制脉冲激光电源使氙灯放电，并产生一定脉宽和频率的光波，光波在激光聚光腔内照射ND：YAG激光晶体，使晶体受激辐射，再经过激光谐振腔谐振后，产生波长为1064nm的激光，激光经过扩束、反射、聚焦后即可对工作进行精密焊接。激光焊接是采用激光光束聚焦装置产生极高能量密度的光束，将激光的焦点定位在需要焊接的工件上，工件就会在极短时间熔化在一起，从而达到焊接的效果，是目前世界焊接领域最为先进的工艺技术。YAG激光焊接机特点1 可用于精密器件的超精密焊接；2 非接触焊接，可实现点焊、缝焊、密封焊；3 速度快、深度大，深宽比可达5：1，变形小；4 焊缝平整、无气孔，无污染，热影响区小；5 焊缝强度高、韧性好；6 激光束易实现按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工；焊接机应用领域激光焊接应用于钢、铜、铝、锡、镍、铬、金、银、钛、铌等多种金属或合金，也能用于多种异种材料间的焊接，如黄铜-铜、钛-钼、镍-钛等。主要应用于汽车制造、计算机外部设备、航空航天设备、光通讯设备、机电产品、电子、电池、五金工具业、机械、模具等金属器件的焊接，可进行点焊、缝焊及气密性焊接，并可适应多种焊接轨迹。产品技术参数激光工作介质 Nd：YAG最大输出功率 300W激光波长 1064nm最小光斑直径 0.2mm焊接最小熔池 0.1mm脉冲频率 1-100HZ可调脉冲宽度 0.2-20ms焊接深度 0.05-2mm整机耗电功率 12KW激光功率稳定度 6 0.65 Mono Si ground 200 3 0.85 Mono Si ground 200 3 1.2 Mono Si ground 200 1 1.4 Mono Si ground 200 0.7 0.25 Poly Si ribbon 50 2.5 0.84 Patterned wafer 100 5 医疗器械中激光切割薄壁管：spi提供相关详细资料 由于医疗器械加工中的不断需求，激光切割薄壁管得到了很大的发展，现在外径为2mm厚度为0.2mm的壁管上切割极其复杂的形状已成为可能。这一应用对传统激光器有更加严格的要求，而光纤激光器完全可以满足复杂的cnc运动系统的要求，从而极大地改善了切割质量和产出率。SPI 70W CW光纤激光器切割的镍钛合金（Nitinol）冠脉支架，40背放大切割0.5mm厚薄钢板：spi提供相关详细资料用100w激光以1m/min的速度切割厚度为0.5mm的不锈钢，完全切透的0.5mm厚304不锈钢切口断面氧化铝（AI2O3）划刻 ：spi提供相关详细资料氧化铝是一种很好的电绝缘体，被广泛应用做电子工业电路薄膜。其他应用包括传感器，汽车工业用功率管，电信和军事用放大器等。其主要用作划刻材料，60%被切割后断裂。200W光纤激光器划刻效果精细焊接：焊接0.5mm厚薄钢板：spi提供相关详细资料由于具有许多显著的优点，光纤激光器正迅速渗透到激光精密加工等众多领域。在精密激光焊接方面尤其如此。许多精焊件不但要求非常高的焊接质量，而且熔深相对较浅，典型的厚度约小于0.5mm。焊接0.5mm厚钢板（多用于小型医疗器械）所需的激光器功率一般都小于100w，好有些小型医疗器件的典型焊接厚度约小于0.1mm，小于50W的激光器即可。以下图是为厚0.5mm的304不锈钢。焊接速度1.5m/min焊接速度1.0m/min焊接速度500mm/min 复杂医疗器械的精细焊接：调到20W焊接调到30w焊接调到30w焊接调到50W焊接工作在200W下焊接塑料加工中激光焊接: spi提供相关详细资料焊接手机屏幕工艺 最常用的激光焊接形式被称为激光透射焊接。该技术的过程为：首先将两个待焊接塑料零部件夹在一起，然后将一束短波红外区的激光定向到待粘结的部位。激光束通过上层透明材料，然后被下层材料吸收。激光能量被吸收使得下层材料温度升高，熔化上层以及和下层的塑料。上层材料可以是透明的或者是有颜色的，但是必须能够保证有足够的激光通过。激光透射焊接的工作示意图在过去由于两个透明的塑料层都不能吸收足够的激光能量，利用透射技术将它们焊接在一起是不可能；同样由于光束不具备足够的穿透能力，达到加热焊接接触面的作用，利过透射技术将两个黑色层的材料焊接在一起也是不可能的。但是最近的技术进步，已经可以将这两种类型的材料焊接在一起。 设备 激光透射焊接技术主要使用两类激光设备：一个是掺钕钇铝石榴石合成晶体(Nd3+:YAG)，另一个是半导体二极管。Nd3+:YAG激光的波长为1064纳米(nm)，容易被含有特殊填料或颜料的塑料吸收。可以通过光导纤维将激光很方便的传送到激光头，尤其是在使用自动化装置的焊接技术。 二极管激光器产生的波长范围在800-1000nm之间，这对焊接来说是效率最高的能量区域。它结构紧凑，可以很方便的安装在自动化设备上。二极管激光的吸收特征和Nd3+:YAG的吸收特征类似。 塑料焊接有时也使用二氧化碳激光器。它能产生10600nm的光波，这同Nd3+:YAG和二极管激光器产生激光相比，更容易被塑料吸收。但是二氧化碳激光的穿透性能没有其它两种激光器产生的激光。因此二氧化碳激光器主要用于薄膜材料焊接。市场上常用的塑料激光加工技术对比使用Nd:YAG或二极管激光的透射焊接技术，可以以超过20米/分的线速度将1mm以上厚度的塑料件焊接在一起。二氧化碳激光器焊接薄膜的速度可以高达750米/分。 材料 几乎所有的热塑性塑料和热塑性弹性体都可以使用激光焊接技术。常用的焊接材料有PP、PS、PC、ABS、聚酰胺、PMMA、聚甲醛、PET以及PBT等。而其它的一些工程塑料如聚苯硫醚PPS和液晶聚合物等，由于其具有较低的激光透过率而不太适合使用激光焊接技术。因此常常在底层材料上加入炭黑，以便使其能吸收足够能量，从而满足激光透射焊接的要求。 可用于激光焊接的聚合物在汽车工业，激光焊接塑料技术可用于制造很多汽车零部件，如燃油喷嘴、变档机架、发动机传感器、驾驶室机架、液压油箱、过滤架、前灯和尾灯等。其它汽车方面的应用还包括进气管光歧管的制造以及辅助水泵的制造。 激光焊接技术加工的汽车前灯 使用了可以聚焦激光同时还起到夹持工具作用的玻璃球面 在医学领域，激光焊接技术可用于制造液体储槽、液体过滤器材、软管连接头、造口术袋子、助听器、移植体、分析用的微流体器件等。激光焊接技术制造的微流体器件，利用了该技术的高精度的特点激光焊接是一项无振动技术，因此它特别适合用于加工精密的电子元器件。通过激光技术制造的器材有鼠标、移动电话、连接器件等。激光技术制造的汽车电子产品有自动门锁、无钥匙进出设备以及传感器等。 激光还可以将塑料薄膜焊接在一起，它沿着薄膜的边缘移动，通过粘接作用形成一个包装用的封体结构。操作过程可以完成的非常快。根据TWI公司的资料，它使用100W的二氧化碳激光可以以100米分的速度焊接100微米的聚乙烯薄膜。 最新发展 在激光技术发展的早期阶段，该技术将两个透明的塑料焊接在一起是不可能的。现在在两层塑料之间的接触处红外吸收涂料的作用下，可以实现两种透明材料之间的粘结。涂料在激光的照射下发热并熔化相邻层的材料，进而达到粘结的目的。 塑料表面接触处的激光吸收涂料发热并连接通常不可焊接的透明材料层很多种类不同的材料能够用激光焊接在一起，激光焊接使用近红外线激光(NIR)，波长在810到1064纳米。首先，两种制品在低压力下被夹紧在一起，近红外线激光穿过一个制品(近红外线激光透射)然后被另外一个制品吸收(近红外线激光吸收)。吸收近红外线激光的制品将光转化为热，然后在制品的接触面处熔化，同时热也传导到透射近红外线激光的制品的表面，形成一个焊接区。焊接缝的强度能够超过原始材料的强度。举例说，激光焊接将能透过近红外线激光的聚碳酸酯(PC)和30%玻纤增强的黑色聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)连接在一起。其它的焊接方法不能将两种在结构、软化点和增强材料等方面如此不相同的聚合物连接起来。激光焊接最擅长于焊接具有复杂外形(甚至是三维的)的制品，能够焊接其它焊接方法不易达到的区域。 塑料激光焊接技术在各个领域，例如在国防和医学领域的成熟应用有助于使它应用于塑料连接方面。自90年代中期以来，二极管型和钇铝石榴石型激光器已经向着有利于塑料连接的方向发展。这些激光器的功率显著增大，而它们的成本在过去五年内下降了大约90%。已经发现大多数塑料能有效透射二极管激光器(810到940纳米)和钇铝石榴石激光器(1064纳米)所发射的激光或者接近它们波长带的激光。(二氧化碳激光器发射的激光容易被塑料吸收，这将导致塑料燃烧的危险)。 激光焊接没有残渣的优点也使它比较适合应用于以下制品食品及药物管理局(FDA)管制的医药制品，汽车制品和其他的电子传感器。 已经证明，二极管激光器和钇铝石榴石激光器用于塑料焊接时，它们有良好的适应性。例如，可以将二极管激光排列起来以生成复杂的线状焊缝。还可以将二极管激光发射器组合堆积起来，以获得特殊应用所需要的高焊接功率。 激光焊接方式对一些材料而言也存在著部分局限一是高性能聚合物，如PPS、聚(PEEK)和LCP，由于这些材料对近红外光的透射率很低，因而不适合激光焊接方式；另一个不足之处是当两种材料中都填充炭黑时，由于两种材料都是黑色，它们是不能被焊接在一起的。这对于汽车外壳下的设备和其他黑色的装置采用激光焊接来说是一个障碍。 同样，两种对近红外线激光都透射的材料(通常是透明的或者白色的)由于对近红外光的吸收很少，所以也不能用激光焊接起来。这对于医药，包装和消费产品来说是一个很大的缺点，因为这些产品都要求透明。 最后，由于许多矿物填充的化合物能够吸收近红外线激光，所以通常不适合用激光焊接。高填充的玻纤增强物能够改变近红外线激光的透射率，降低焊接效率，不过原料供应商的配方中的玻纤含量通常不会超过这个限度。 三、激光打标：一、概述 在光纤激光器出现前，激光打标系统的激光源一般是用连续或脉冲二氧化碳激光器、Nd-YAG激光器作为光源。光纤激光器在九十年代末出现后，很快就被应用于激光打标系统上。与传统打标机激光光源相比，光纤激光器是完全风冷式的，不需要冷却水及与此相关的制冷机，冷却水管道和温控仪等配套设备，体积及能耗大为缩小，能够期望在短期内使整机成本及用户的使用成本低于使用传统激光光源的打标系统，具有很大的市场潜力。 二、光纤激光打标系统的结构及工作原理 光纤激光标刻系统的基本结构如图1所示。方框a内是光纤激光器，是激光标刻系统的核心，它采用多个小功率风冷激光二极管作为泵浦源，通过多分枝耦合进单根激光光纤，以掺稀土元素（Nd，Yb或者Er）光纤作为激光介质，以反射镜，光纤光栅作为谐振腔，可脉冲和连续运转。新型光纤激光器具有单模输出，散热特性好，效率高，结构紧凑等特点，特别适合高精度的激光标刻工业。典型的10-100KHz高重复率工作，10W-20W平均功率输出的光纤激光器成品的体积仅有222510cm,而且没有水冷系统，体积大为缩小。因为激光二极管是低电压工作，光纤激光器的电光效率高达70，驱动电源的大小与灯泵Nd-YAG激光器相比是微不足道的. 光纤激光器应用于激光标刻的优势： 1光束质量好，接近衍射极限。TEM00基横模输出，M2接近1，光束发散角为0.24mrad； 2脉冲重复频率高，输出功率稳定，单脉冲能量波动小于1，从而可实现高速激光标刻，还可精确控制光斑的大小，深度，形状； 3高效率，插头效率高达20，电光转换效率可达70； 4环境适应能力强，可在高震动，高湿度的环境下连续正常工作。 5无水冷装置，体积小，效率高，可靠性高，长时间免维修，节约使用成本。 b是激光二级光驱动电源。c光纤激光器控制器，用于控制光纤激光器的工作状态，同时，打标机的控制微机通过它控制激光输出。d为振镜系统,是光纤激光打标系统的重要部件，激光通过振镜的运动，在需打标的部件上走出特定的轨迹。e是f-q镜，激光束通过它聚焦到工件表面。 振镜系统内部共有两块分别由高精度伺服电机驱动的反射镜。伺服电机在微机的控制下分别转动两块反射镜的角度，激光束通过这两块反射镜的反射，由f-q镜聚焦到工件的不同位置上。在微机上通过专用的打标控制软件输入需要标刻的文字及图样，设定文字及图样的大小，总的标刻面积，激光束的行走速度和需要重复的次数，振镜就能在微机的控制下运动，操控激光束在工件上标刻出设定的文字和图样。 计算机专用打标软件能够识别采集通过数码相机或扫描仪输入，因特网上下载和电脑中制作的任何复杂的平面图像图形文字以及二维码和条形码，制作多种标记，将其变换成数字信号，经编程计算转换成电流控制信号再输入驱动器，形成相应的控制信号并通过D/A卡控制高精度伺服电机运转，从而分别控制对x方向及y方向上反射振镜偏转角度，使激光束聚焦光斑按照设定的图案，文字轨迹运动，在工件表面刻蚀形成永久刻痕。刻划线宽可以达到20微米量级，且软件具有自动图象失真矫正功能，能够实现精密图像的标刻。三、光纤激光打标系统的应用 1、在金属材料上的标刻，光纤激光打标机可以在很多金属样品上刻画出清晰的痕迹，特别是在一些经过表面处理的金属样品上，比如染黑，染色，表面电镀等，特别适合在这些样品上做精密标刻。图3是一些金属部件的标刻样品。a电 镀金属零件，b表面染色的铝制品，c抛光的不锈钢片，d表面有色涂层的铝片。 2、有机聚合物,皮革及塑料制品上的标刻，主要应用于一些电子元件，如图4a集成电路芯片，b塑封的晶体管，c皮革制品，d塑料日用品等。 3、金属及有机聚合物薄片上的精密加工，光纤激光打标机可以在这些材料上加工出一些 尺寸微小的复杂图案，这是普通加工机床无法达到的。图5a是在0.1毫米厚钽箔上制作的特殊软边光栏，其边缘刻制的花样可以任意设置，最小孔径达到4毫米以下。b是在聚烯亚胺薄膜刻的0.2毫米直径的小孔列阵，小孔的分布也可以任意设置四、金属粉末快速成型（激光烧结） 从上世纪90年代初开始，随着高功率激光的引入，探索金属零件的直接快速成型技术已成为RP技术的研究热点。直接成型金属零件意味着成型的零件致密度几乎100%，并且不需要熔炉烧结和渗透金属等后处理工艺。美国Sandla，Los Aamos国家实验室、AreoMetCorp以及包括Stanford U.和MIT等在内的众多著名大学和研究机构纷纷加入到该研究领域。据报道Aeromet已成功地直接成型出钛合金的金属零件，并应用到飞机上，其采用的激光器为14千瓦大功率激光器，成型材料为钛合金粉末。我国这方面的研究工作也很多。例如采用类似于SLS工艺的方法制造直接金属型；采用类似于SLS的工艺制造出可实际使用的金属EDM电极；基于6轴机器人系统，采用高能束YAG激光器，通过激光熔覆制造出三维金属件；利用自主开发的SLS设备STPI进行了烧结获得金属型的工艺实验；在激光同轴和偏轴粉末熔覆直接金属堆积成形方面，也做了许多高水平的工作。 激光烧结是如何工作的?自从二十世纪九十年代早期，激光烧结就成为产品开发的一项成功的工具。作为快速原型设计理念的技术解决方案，基于三维CAD数据它能够在几天内就得到功能完全的原型，模具或模型，有助于大大减低投入市场的时间。该技术的改进和相关知识的增加从许多方面扩大了它的使用范围。目前，激光烧结是电子化制造的关键技术，它直接从CAD文件进行快速、灵活和划算的生产。激光烧结是一项分层加工制造技术,这项技术的前提是物件的三维数据可用。而后三维的描述被转化为一整套切片，每个切片描述了确定高度的零件横截面。激光烧结机器通过把这些切片一层一层的累积起来，从而得到所要求的物件。在每一层，激光能量被用于将粉末熔化。借助于扫描装置，激光能量被“打印”到粉末层上，这样就产生了一个固化的层，该层随后成为完工物件的一部分。下一层又在第一层上面继续被加工，一直到整个加工过程完成。塑料零件的加工助听器行业强烈的要求其产品能够进行定制。因为成功的助听产品严重的依赖于它对耳道解剖学特性的适应，该工业不能提供任何大规模制造的产品。利用激光烧结来生产助听设备的过程如下：1.用蜡铸件制作一个耳道解剖体的复制件。2.用扫描仪扫描这个蜡铸件来得到三维数据。3.在三维数据中加入一个标识码，在激光烧结过程后可以用来帮助辨识得到的助听器外壳。4.激光烧结外壳。5.将激光烧结的外壳和电子元件结合起来。在助听设备工业，激光烧结已经成为制造过程的选择。制造过程以同样的效率工作，而不管是一批相同的产品还是不同的（一次写入性）产品。激光烧结系统的造型包络中可以放置几百个助听器外壳，这样一个晚上就能生产几百个产品。电子化制造充分体现了它的潜力：在没有两个一样的零件的情况下，可以直接利用三维CAD数据进行制造过程是十分关键的功能。在产品生产的后期，该数据可以被重复使用来制造与原件几何结构一样的备件，每个部件在外壳内都有一个序列号，作为病人使用的辨别码。在激光烧结技术的现有水准上，每台塑料激光烧结机器每年可以产出100,000个助听器外壳。1.金属粉末成型金属零件的工艺类型RP技术的发展趋势是金属零件的直接快速制造，目的是直接制造出全密度、高强度功能性金属零件。根据金属粉末的输送方式，目前金属粉末成型金属零件可分为两类:粉床铺粉和自动送粉或同轴送粉。根据金属粉末连接所用能源的种类又可分为激光烧结、电子束烧结、超声波固结。(1)激光高温烧结。直接选择性激光高温烧结，采用激光逐点照射粉末材料，使粉末材料熔融实现材料的联接。将材料粉末洒在已成形零件的上表面，并刮平；用高强度的激光器在刚铺的新层粉末上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件截面，并与下面已成形的部分粘接；当一层烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。原理示意如图1。 图1直接SLS工艺原理成型用金属粉末有两种：1. 利用单一成分金属粉末的直接烧结，这种方法目前主要用于低熔点金属粉末的烧结，对熔点高的金属粉末，需在保护气氛下彩大功率激光器。烧结好的零件经等压加热处理，可使最后零配件的相对密度达到99.9%， 2. 成型的金属材料为两种金属粉末的混合体，其中一种粉末具有较低的熔点，另一种粉末熔点较高，烧结中低熔点的金属粉末熔化并将高熔点的粉末粘结在一起，这种方法同样需要较大功率激光器，并需气体保护。烧结好的零件经液相烧结后续处理，可使最后零件的相对密度达到82%。由于采用铺粉的方式，激光烧结后得到的金属零件的密度都较低。采用该方法成型的金属零件实际上只是一种强度很低的多孔金属零件，必须采用浸渗树脂、低熔点金属或热等压等后处理方法来提高多孔金属零件的强度。Texas大学进行了没有聚合物粘结剂的金属粉末（Cu-Sn、Ni-Sn或青铜-镍粉复合粉末）的SLS成形研究，并成功制造了金属模具。近年来，他们又成功地制造了用于F-14战斗机和AIM-9导弹的INCONEL625超合金和Ti-6A1-4V合金的金属零件。美国用SLS2000系统成功地制作出了钢铜合金的注塑模具。在2003年欧洲模具展览会上，欧洲最大的RP生产商新推出了EOSINTM270选择性激光烧结设备，所用激光器固体Yb光纤激光器，功率为200w，最小光斑为100，最终成型零件的密度几乎可达到理论密度的100%，这是以前SLS方法难以达到的。在国内，特种加工研究室首先开展了选择性激光烧结技术的基础研究，目前已完成了单层烧结试验，在粉末配比及激光烧结参数的选择方面均获得了比较好的结果。在此基础上，进行了多层烧结的初步尝试，已烧结出形状简单的三维实体零件。(2)激光熔覆快速成型。激光熔覆技术是一种材料表面改性的方法，可根据要求在表面性能差、成本低的基材上制成耐磨、耐腐蚀、耐热等各种高性能表面，代替昂贵的整体高级合金。自送粉激光熔覆技术是其中一种，即在激光照射的同时，用气体将材料粉末以一定角度吹人熔池内熔化，使熔覆材料与基材呈冶金结合，可熔覆金属或陶瓷粉末形成相应熔覆层。激光工程化净成形技术即LENS系统，由美国Sandia国家实验室首先提出的一种方法。该技术综合了自送粉激光熔覆和SIS的特点。激光工程化净成形基本过程:由CAD产生零件模型，并用分层切片软件对其进行处理。获得各截面形状的信息参数，作为工作台进行移动的轨迹参数。工作台在计算机的控制下，根据几何形体各层截面的坐标数据进行移动的同时，用激光涂覆的方法将材料进行层层堆积，最终形成具有一定外形的三维实体零件。其熔覆层的最大特点是致密性好，强度和性能达到甚至超过常规方法得到的金属层。图2是原理示意图。 图2激光熔覆快速成型原理该方法的材料应用广泛，并采用已成功制造了316、304不锈钢，625、690、718镍基高温合金，H13工具钢，Ti-6A1.4V钛合金以及镍铝金属间化合物及钨等难熔金属零件，零件致密度达到近乎l00%，机械性能也很好。例如制造的H13制造的模具硬度达到59.3HRC旧。德国对钴基(Stellite)和镍基合金(Incone1625)进行了这方面的研究，并发现不论使用什么材料，对熔覆部分的结构检查均可发现其组织细小，其中有部分树枝晶结构。对材料的测试表明，熔覆零部件的密度近l00%，抗拉强度和断裂强度与常规的金属材类似。与SLS相比，LENS技术的优点是不需要浸渗等后处理工序，就可获得致密度较高的零件组织和强度。该技术的缺点是需使用大功率激光器，设备造价昂贵；成型时热应力较大，成型精度不高。激光工程化净成形技术(LENS)目前最主要的商业应用是制造成型金属注射模。此外，LENS系统也可用于模具修复。目前，以金属细丝代替金属粉末成型的送丝激光工程技术正在研究之中。其它几种激光熔覆快速成型方法。如美国称作DLF的金属零件快速成型技术，进行了铝基、铁基、镍基材料，铼、铱、钽、钨等难熔金属，不锈钢、工具钢银一铜合金，钛合金，NiA1，Mo5Si3等材料的零件直接成型研究；发展了钛合金(Ti-5AL-2.5 SnTi-6A1-4V)的柔性制造技术，其工作空间为(3x3x1.2)m，产品达到近终形；开发了一种称为LAM系统，目前主要用于大型钛金属件制造；正在研制的直接金属成型技术，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。(3)超声波固结。高温选择性激光烧结和激光熔覆技术都能直接成型出钢和钛的功能零件，但在直接成型铝功能零件方面还没有成功。因为铝具有高的热传导性和高的反射率，所以直接选择性激光高温烧结和激光熔覆技术以激光作为能源是直接成型功能铝件的最大障碍。但US Slidica从不同的角度研发应用超声波粘结铝层，即超声波固结技术，成型出性能好的铝件。超声波固结技术是从建立的CAD模型获得信息来实现零件的层层粘接，与其它快速成型方法是类似的不同点是超声波固结不是烧结融熔金属粉末，而是利用超声波产生摩擦实现真正的冶金粘结粉末层。不用粘结剂，也没有烧结和渗透后处理工序。超声波固结技术显示了直接成型金属工艺方面最高水平。超声波固结同融化金属粉末的技术相比有许多优势:超声波能量制造是固相间的连接，所以避免了液固相的转变，这就避免了残余应力，尺寸变化，和冶金的不相容。也避免了因冶金不匹配与金属有关的设计限制。超声波固结工艺还可以实现多种类型的金属层连接，可成型出每层性能不同的零件。Slidica的超声波固结设备可以通过一个工序就几乎完成注射模内腔。而传统的快速制模要三步，所有内腔需要机械抛光。这个系统据说已加工出铝的塑料注射模、熔模铸造模和砂型铸造模。传统加工(254x305X76)mm的原型注射浇铸模需要许多工序，大约24周时间完成，成本是$20000。而Slidica系统可能只要十天，成本大约$5000。现在超声波固结技术只在铝合金方面应用，但专家指出该技术具有更广泛的应用潜能，材料包括不锈钢、镁、铜、镍合金和钛。应用超声波固结技术的成型设备，成型的零件尺寸范围是(588x914x254)mm，成型速度为5080mm/min。商业化的SolidicaS设备，名为Formmion，精度达到了O.05mm。2.影响金属粉末直接成型零件的因素(1)金属粉末的直接快速成型技术中，金属粉末熔化所需的能量多数是由激光器提供。所以激光器的发展在金属粉末的直接快速成型技术中起着举足轻重作用。上世纪90年代，主要使用CO2激光器和Nb:YAG固体激光器。CO2激光和Nb:YAG固体激光的波长分别为1.06和10.6。在红外区，金属对激光的吸收率是随着波长的增加而减小。所以，金属材料对Nb:YAG吸收率大大高于CO2激光。现在一种高能量的二极管激光器被使用。HPDL激光波长是0.8080.940，更有利于金属材料的吸收。同CO2激光和Nb:YAG激光相比，金属材料对HPDL激光的吸收率更高。有实验数据证明，固态钢粉末对HPDL激光吸收率大于45%，对Nb:YAG激光吸收率大约是35%，对CO2激光吸收率小于15%。激光功率和金属粉末对激光的吸收率有影响，并影响成型的速度。现在所使用激光器的功率是在几百瓦到几千瓦四。(2)粉末材料对零件的综合机械性能和表面质量也有较大的影响。粉末颗粒越细，材料对激光的吸收率越高，烧结所需的能量就越小，只要对输入的激光能量进行精确控制，就能够烧结出细微的金属件。EOS对材料的性能方面进行了大量研究，生产了铜基和钢基合金。烧结时的粉末层由传统的50提高到20，l可解