激光快速成型技术

1、主讲教师：张璞乐哈尔滨理工大学荣成学院材料系快速成型（RP)技术是一项通过材料堆积法制造实际零件的高新技术。它根据零件的三维模型和数据， 无需借助其他工具和设备，就能迅速精确地制造出该零件，集中地体现了计算机辅助设计、数控、激光加工、新材料等科学和技术的综合应用。传统的零件（包括模具）制造，需要车、钳、铣、刨、磨或铸造等多种加工手段，成本高又费时，一个复杂的零件或模具的制造往往需要数月的时间，很难适应低成本和高效率的要求。 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。它是利用激光技术、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。目前，激光

2、快速成型技术主要应用在航空航天、汽车、玩具制造等行。 从国际市场来看，R P 市场正逐渐向RM（快速制）市场发展，R P 市场本身已进入成熟的商业化阶段。我国已初步形成了RP设备和材料的制造体系。近年来，我国已经建立一批向企业提供RP 技术的服务机构，并开始起到了积极的作用, 推动了该技术在我国的广泛应用。 激光成型技术原理为激光成型技术原理为离散、堆积离散、堆积理论。通过离散获理论。通过离散获得堆积的路径、限制和方式，通过堆积材料叠加起得堆积的路径、限制和方式，通过堆积材料叠加起来形成三维实体。来形成三维实体。由于快速成型技术由于快速成型技术( (包括激光快速成型技术包括激光快速成型技术)

3、)仅在需要仅在需要增加材料的地方加上材料，所以从设计到制造自动增加材料的地方加上材料，所以从设计到制造自动化，从知识获取到计算机处理，从计划到接口、通化，从知识获取到计算机处理，从计划到接口、通讯等方面来看，非常适合于讯等方面来看，非常适合于CIMCIM、CADCAD及及CAMCAM，同，同传统的制造方法相比较，显示出诸多优点。传统的制造方法相比较，显示出诸多优点。 快速性快速性： 生产制品的周期较传统加工工艺短。生产制品的周期较传统加工工艺短。RPRP对设对设计的敏感性很低，制造时几乎不用考虑制品的外计的敏感性很低，制造时几乎不用考虑制品的外形问题，由此可节约大量时间。形问题，由此可节约大量

4、时间。适合成型复杂零件适合成型复杂零件： 不论零件多复杂，都由计算机分解为二维数不论零件多复杂，都由计算机分解为二维数据据进行成型制作，无简单复杂之分，因此他特别适合进行成型制作，无简单复杂之分，因此他特别适合成型形状复杂，传统方法难以制造甚至无法制造的成型形状复杂，传统方法难以制造甚至无法制造的零件。零件。高度柔性高度柔性： 零件在一台设备上即可快速成型出具有零件在一台设备上即可快速成型出具有一定精度一定精度满足一定功能的原理及零件（若满足一定功能的原理及零件（若要修改零件只要修改要修改零件只要修改CADCAD模型即可）模型即可）高度集成化高度集成化： 激光快速成型技术将激光快速成型技术将C

5、ADCAD数据转换成数据转换成STLSTL格式后，即可开始快速制作（该过程是格式后，即可开始快速制作（该过程是二维操作在二维操作在CADCAD只完成的）。只完成的）。1 激光分层制造技术（SFF)：原理：从几何上讲，可将任意复杂的三维实体用平行的截面去截取-分层，从而获得若干个层面，将这些层面叠加起来就形成了原三维实体。包括：立体光刻（SL)或光固法、选择性激光烧结（SLS）法、激光层压成型（LOM）法和激光快速熔融沉积（FDM)法等。立体光刻(SL）制模技术：原理：计算机控制激光束对光敏树脂为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，被扫描区域原料的表面进行逐点扫描，被扫描区域

6、的树脂薄层的树脂薄层( (约十分之几毫米约十分之几毫米) )产生光聚产生光聚 合反应而固化，形成零件的一个薄层。合反应而固化，形成零件的一个薄层。提高激光立体光刻制模面型精度的措施：1 减小薄层厚度L，增加分层数目2减小模型表面与堆积方向的角度3采用月牙光滑工艺4变厚层的分区激光扫描固化工艺5采用整体涂刮工艺1 1、系统工作稳定。、系统工作稳定。2 2、尺寸精度较高，可确保工件的尺寸精度在、尺寸精度较高，可确保工件的尺寸精度在 0.1mm0.1mm以内。以内。3 3、 表面质量较好，工件的最上层表面很光滑，表面质量较好，工件的最上层表面很光滑， 侧面可能有台阶不平及不同层面间的曲侧面可能有台阶

7、不平及不同层面间的曲面不平面不平；比较；比较适合做小件及较精细件。可直接适合做小件及较精细件。可直接制造制造塑料件塑料件，产品为透明体。，产品为透明体。4 4、 系统分辨率较高，因此能构建复杂结构的系统分辨率较高，因此能构建复杂结构的工件。工件。 5 5、 成形速度较快。成形速度较快。1 1、需要专门实验室环境，维护费用高昂。、需要专门实验室环境，维护费用高昂。2 2、成型件需后处理，二次固化，防潮处理等工序。、成型件需后处理，二次固化，防潮处理等工序。3 3、光敏树脂固化后较脆，易断裂，可加工性不、光敏树脂固化后较脆，易断裂，可加工性不 好；工作温度不能超过好；工作温度不能超过100100，

8、成形件易吸湿膨，成形件易吸湿膨 胀，抗腐蚀能力不强。胀，抗腐蚀能力不强。4 4、氦、氦- -镉激光管的寿命仅镉激光管的寿命仅30003000小时，价格较昂贵，小时，价格较昂贵， 运行费用高同时需对整个截面进行扫描固化，运行费用高同时需对整个截面进行扫描固化， 成型时间较长，因此制作成本相对较高。成型时间较长，因此制作成本相对较高。 5 5、可选择的材料种类有限，必须是光敏树脂。、可选择的材料种类有限，必须是光敏树脂。6 6、需要设计工件的支撑结构，支撑结构需在未完、需要设计工件的支撑结构，支撑结构需在未完 全固化时手工去除，容易破坏成型件全固化时手工去除，容易破坏成型件。原理：SLS技术与SL

9、A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 。选择性激光烧结技术基本原理示意图1 1、与其他工艺相比，能生产很硬的模具。有直接、与其他工艺相比，能生产很硬的模具。有直接金属型的金属型的 概念。概念。2 2、可以采用多种原料，例如绝大多数工程用塑料、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。蜡、金属、陶瓷等。3 3、 零件的构建时间短，可达到零件的构建时间短，可达到1in/h1in/h高度。高度。 4 4、 无需对零件进行后矫正。无需对零件进行后矫正。 5 5、 无需设计和构造支撑无需设计和构造支撑。1 1、需要专门实验室环境，

10、维护费用高昂。、需要专门实验室环境，维护费用高昂。2 2、预热和冷却时间长，总的成形周期长。、预热和冷却时间长，总的成形周期长。3 3、成形件强度和表面质量较差，精度低。表面粗、成形件强度和表面质量较差，精度低。表面粗糙度的高糙度的高 低受粉末颗粒大小及激光光斑的限制。低受粉末颗粒大小及激光光斑的限制。 4 4、 零件的表面一般是多孔性的，为了使表面光滑零件的表面一般是多孔性的，为了使表面光滑必须进行渗蜡等较复杂的后处理。在后处理中难必须进行渗蜡等较复杂的后处理。在后处理中难于保证制件尺寸于保证制件尺寸 精度，后处理工艺复杂，样件变精度，后处理工艺复杂，样件变型大，无法装配。型大，无法装配。5

11、 5、 需要对加工室不断充氮气以确保烧结过程的安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。全性，加工的成本高。 6 6、 该工艺产生有毒气体，污染环境。该工艺产生有毒气体，污染环境。选择性激光烧结技术的应用选择性激光烧结技术的应用 美国美国DTMDTM公司研制出公司研制出SLS2000SLS2000系列第三代产品，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，可注材料。用该系统制造的钢铜合金注塑模具，可注塑塑5 5万件工件。近年来基于万件工件。近年来基于RPMRPM技术模具制造技术技术

12、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。成为国内外应用研究开发的重点。三激光熔覆成形技术LCF 原理 ：LCF技术的工作原理与其他快 速成形技术基本相同，也是通过对工作 台数控，实现激光束对粉末的扫描、熔 覆，最终成形出所需形状的零件。 激光熔覆成型技术原理示意图激光熔覆成型技术原理图如图7-24所示，目前用此法制造出复杂截面变换器的零件外形的误差在0.5mm以内（图7-25）。 激光熔覆的复杂截面变换器1 1、激光束的能量密度高，作用时间短，使基材热、激光束的能量密度高，作用时间短，使基材热影响区及影响区

13、及 热变形均可降低到最小程度。热变形均可降低到最小程度。2 2、可对基材表面进行改性。、可对基材表面进行改性。3 3、熔覆层组织致密，微观缺陷少，结合强度高，、熔覆层组织致密，微观缺陷少，结合强度高，性能更优。性能更优。4 4、熔覆层的尺寸大小和位置可以精确控制。、熔覆层的尺寸大小和位置可以精确控制。5 5、无污染无辐射低噪声劳动条件得到较大程度的、无污染无辐射低噪声劳动条件得到较大程度的改善。改善。精度和强度的影响因数：精度和强度的影响因数：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

14、和强度有影响。 与其他快速成形技术的区别：与其他快速成形技术的区别：激光熔覆成形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。 激光近形制造技术(Laser Engineering Net Shaping，简称LENS)技术，将快速成型技术中的选择性激光烧结技术和激光熔覆成型技术结合了起来。该系统主要由4部分组成：计算机、高功率激光器、多坐标数控工作台和送粉装置。 图7-26 激光近形制造技术的基本原理示意图送粉装置是激光近形成型制造系统中非常重要并具有特点的一个部分。送粉装置性能的好坏决定了零件的制作质量。对送粉装置的基本要求是能够提供均匀

15、稳定的粉末流。送粉装置有两种形式：侧向送粉装置和同轴送粉装置。 采用多坐标数控工作台的运动实现扫描：在工作台上的零件除能够沿着X,Y轴方向运动外，还可以绕X,Y轴转动。 （4）送粉装置 （1） 计算机 用于建立待制作零件的CAD模型，将零件的CAD模型转换成STL文件，对零件的CAD模型进行切片处理，生成一系列具有一定厚度的薄层，并形成每一层薄层的扫描轨迹，以便控制多坐标数控工作台运动。 （2）高功率激光器 使用的是高达几千瓦到十几千瓦功率的CO2激光器，而不像选择性激光烧结技术中所用的CO2激光器只有50瓦。 （3）多坐标数控工作台 优点： 除了有SLS的优点外,还有成型金属零件非常致密，力

16、学性能优良等优点。选用的金属粉末形式： 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。 五五 薄片叠成制造技术（薄片叠成制造技术（LOMLOM） 优点：节约材料，生产周期短。 原理：是利用在一定条件下（如加热等） 可以黏结的带状材料（通常使用纸或陶瓷 基或金属材料），运用激光切割出按照 RP软件离散出的各层形状，随后再使各 层黏合为一个几何整体。薄片叠层制造技术是一种常用来制作模具的新型快速成型技术。其工作原理就是，首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(模具)的立体几何形状。 1 用于制造复杂形状的零件2 快速制造原

17、型 3 用于制造多种材料或非均匀材料的零件 4 用于制造活性金属的零件 5 用于小批量生产塑料制件 6 用于制造各种模具或模型 1用于制造复杂形状的零件： 特别适用于在航天航空工业中制作大型加强筋的整体薄壁结构。在制造内部型腔时，不需要做芯子和模子，故特别适合制造很小的零件，很薄的壁及雕刻表面。2快速制造原型： 可以在极短的时间内制造出原件，进行外观功能和合运动上的考核，发现错误和及时纠正，避免由于设计错误而带来的工装和模具的浪费。3用于制造多种材料或非均匀材料的零件： 再制造多种材料的种类，因此可以生产出各种不同材料、颜色、机械性能、热性能组合的器件。4用于制造活性金属的零件： 由于激光快速成型制造能够提供良好的工作环境，材料浪费少，所以可以用于加工活性金属（钛钨镍）及其他特殊金属。另外，它还可以用于大型金属龄零件的修复5用于小批量生产塑料制件: 从投入与产出角度看，一个塑料制件模具需要生产数千个零件才划的来，几十件到几百件可以用于快速成型法来经济的生产;特别是在不同的零件生产时，快速成型法优点更加明显。6用于制造各种模具或模型: 选择性激光烧结技术在航空工业中最有发展前途的运用，就是制造精密铸造中的陶瓷模壳和型芯。采用该技术的主要优点是，可以制造