激光快速成形技术
激光增材制造过程数值仿真技术综述
激光增材制造过程数值仿真技术综述激光增材制造（LAM）是一种先进的快速成型技术，它利用激光熔化金属粉末来逐层构建复杂的零件和结构。
这种技术在航空航天、汽车制造、医疗器械等领域有着广泛的应用。
在激光增材制造过程中，数值仿真技术扮演着重要的角色，可以帮助优化工艺参数、预测材料性能和预测构件的变形等问题。
本文将就激光增材制造过程中的数值仿真技术进行综述，包括其基本原理、建模方法、影响因素等方面的内容。
一、激光增材制造的基本原理激光增材制造是一种以激光熔化金属粉末为基础的快速成型技术。
其基本原理是利用激光束瞬间加热金属粉末，使其熔化并与基底材料结合，从而形成复杂的三维结构。
激光增材制造的工艺包括激光熔化、材料沉积和热循环等环节，其中的激光熔化过程是整个工艺中最关键的环节。
在这一过程中，激光功率、扫描速度、层间距离等工艺参数会对成形结构的质量产生重要影响。
二、激光增材制造的数值仿真建模数值仿真是激光增材制造过程中不可或缺的一部分，它可以帮助工程师优化工艺参数、预测材料性能和预测构件的变形等问题。
在激光增材制造中，数值仿真建模主要包括以下几个方面：1.热流体模拟激光增材制造中的热流体模拟是一个复杂的多物理过程，涉及到激光传热、熔化金属粉末和热应力等问题。
采用有限元方法，可以模拟激光熔化过程中的温度场分布、熔池形态等关键参数，从而辅助工程师优化激光功率、扫描速度等工艺参数。
2.相变模拟激光增材制造中的相变过程是影响构件质量的重要因素，通过数值仿真可以模拟金属粉末的熔化和凝固过程，预测构件的组织结构和性能。
3.热应力模拟激光增材制造过程中由于快速加热和冷却会产生较大的热应力，通过数值仿真可以模拟构件的变形和裂纹分布，从而优化工艺参数和提高构件的质量。
三、激光增材制造数值仿真技术的应用激光增材制造数值仿真技术在航空航天、汽车制造、医疗器械等领域有着广泛的应用。
其中，激光增材制造在航空航天领域的应用最为突出，它可以制造复杂的轻质结构零部件，提高整体结构的强度和耐久性。
四种典型的快速成型技术的成型原理
四种典型的快速成型技术的成型原理一、激光烧结成型原理激光烧结成型（Selective Laser Sintering，简称SLS）是一种快速成型技术，其成型原理是利用激光束对粉末材料进行烧结，逐层堆积形成所需的三维实体。
激光烧结成型的过程主要包括以下几个步骤：首先，利用计算机辅助设计（CAD）软件将待制造的物体进行三维建模，并将模型数据转化为机器能够识别的格式。
然后，将烧结材料粉末均匀地铺在工作台上，使其表面平整。
接下来，利用激光束控制系统，将激光束按照预定的路径和参数扫描在粉末层表面，使其局部熔融烧结。
激光束的能量使粉末颗粒之间发生熔融和烧结，形成一层固体物质。
再次铺上一层新的粉末材料，重复上述步骤，逐层堆积，直至形成整个三维实体。
最后，将成品从未熔融的粉末中清理出来，并进行后续处理，如热处理或表面处理。
激光烧结成型技术具有成型速度快、制作精度高、制造复杂度高等优点。
由于其成型过程中无需使用支撑材料，可以制造出具有复杂内部结构的零件，因此被广泛应用于航空航天、汽车、医疗器械等领域。
二、光固化成型原理光固化成型（Stereolithography，简称SLA）是一种常见的快速成型技术，其成型原理是利用紫外线激光束对光固化树脂进行逐层固化，最终形成所需的三维实体。
光固化成型的过程主要包括以下几个步骤：首先，利用计算机辅助设计（CAD）软件将待制造的物体进行三维建模，并将模型数据转化为机器能够识别的格式。
然后，将液态光固化树脂均匀地铺在工作台上。
接下来，利用紫外线激光束扫描器，将激光束按照预定的路径和参数照射在树脂表面，使其局部固化。
激光束的能量使树脂中的光敏物质发生聚合反应，从而使树脂由液态变为固态。
再次涂覆一层新的液态光固化树脂，重复上述步骤，逐层固化，最终形成整个三维实体。
最后，将成品从未固化的树脂中清洗出来，并进行后续处理，如烘干或光刻。
光固化成型技术具有成型速度快、制造精度高、制造复杂度高等优点。
DLF与SLM激光快速成型方法的比较
DLF和SLM激光快速成型方法的比较激光直接制造(Direct Laser Fabrication，DLF)技术和选择性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术是目前较为成熟和先进的激光快速成型技术，涉及机械、材料、激光、计算机和自动控制等多学科领域，充分体现了现代科学发展多学科交叉的特点，具有广泛的研究和发展前景。
DLF技术是基于激光快速成型的“离散一堆积”、“添加式制造”的基本概念和激光熔覆技术而发展起来的金属零件全密度全功能快速直接制造技术。
其实质是利用送粉式激光熔覆逐点、逐层沉积，实现三维任意形状高性能金属零件的近净成型。
SLM技术是以选择性激光烧结(Selective I．aserSinter，SLS)技术为基础，基于快速成型的最基本思想，即逐层熔覆的“增量”制造方式，根据三维CAD模型直接成型具有特定几何形状的零件，成型过程中金属粉末完全熔化，产生冶金结合。
它是快速成型技术的最新发展。
本文采用DLF和SLM两种激光快速成型技术进行一系列实验，根据实验结果，比较分析两种快速成型方法在成型精度和效率、成型件力学性能和组织结构等方面的异同，为激光快速成型方法的选择提供一定的技术依据。
1 DLF和SLM激光快速成型技术的原理1．1 DLF激光快速成型技术的原理DLF技术是将快速成型(Rapid Prototyping，RP)技术和激光熔覆技术相结合，以激光作为加工能源，以金属粉末为加工原料，在金属基板上逐层熔覆堆积，从而形成金属零件的制造技术。
DLF快速成型技术的基本原理哺1如图1所示，先利用三维CAD软件(如UG，Pro／E，Solidworks)生成所需制造零件的三维CAD模型，并转换成STL格式；再利用切片技术将吼格式的CAD模型按照一定的层厚进行分层切片，提取每一层切片所产生的轮廓；然后根据切片轮廓设计合理的扫描路径，并转换成相应的计算机数字控制(Computer Nomencal Control，CNC)工作台指令；激光束在CNC指令控制下进行扫描加工，将加工原料进行熔覆，生成和这一层形状、尺寸一致的熔覆层。
激光快速成型技术
在可持续发展理念的推动下，激光快速成型技术 将更加注重环保和资源循环利用，降低能耗和减 少废弃物排放。
创新与发展
未来，激光快速成型技术将继续创新和发展，与 其他先进制造技术相结合，推动制造业的转型升 级和高质量发展。
05
激光快速成型技术的实 际应用案例
产品原型制作
快速原型制作
01
通过激光快速成型技术，可以在短时间内制作出产品原型，缩
快速性
与传统加工方法相比，激光快速 成型技术能够大大缩短制造周期， 提高生产效率。
灵活性
激光快速成型技术能够制造出各 种形状和结构的零件，适用于复 杂零件的制造。
定义
激光快速成型技术是一种基于数 字模型文件和激光束的高效、高 精度制造技术，能够快速制造出 复杂的三维实体。
材料广泛性
激光快速成型技术可以应用于各 种材料，包括塑料、金属、陶瓷 等。
短了产品开发周期，降低了开发成本。
优化设计流程
02
通过制作原型，设计师可以在早期阶段发现设计中的问题并进
行改进，提高了设计效率。
降低生产风险
03
在产品正式生产前制作原型，可以减少因设计错误导致的生产
风险和成本损失。
定制化产品生产
01
02
03
个性化定制
激光快速成型技术可以根 据客户需求定制个性化产 品，满足消费者对个性化 的需求。
小批量生产
对于一些小批量、高附加 值的产品，激光快速成型 技术可以快速实现生产， 降低生产成本。
定制化服务
在服务行业，激光快速成 型技术可以用于定制化服 务，例如为客户定制饰品、 模型等。
生物医学领域应用
生物材料研究
激光快速成型技术可用于生物材料的 研究，例如用于制作生物组织的模型， 以便更好地了解其结构和功能。
SLA激光快速成型原理
SLA激光快速成型原理SLA原理SLA工艺也称光造型或立体光刻，是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。
这种液态材料在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。
液槽中盛满液态光固化树脂，激光束在偏转镜作用下，能在液态表面上扫描，扫描的轨迹及光线的有无均有计算机控制，光点打到的地方，液体就固化。
成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。
当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。
然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。
SLA方法是目前快速成型技术领域中研究得最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。
SLA工艺成型的零件精度较高，加工精度一般可达到0.1mm，原材料利用率近100%。
成型技术特点快速成型技术具有一下几个重要特征:1)可以制造任意复杂的三维几何实体。
由于采用离散/堆积成型的原理，它将一个十分复杂的三维制造过程简化为二维过程的叠加，可实现对任意复杂形状零件的加工。
越是复杂的零件越能显示出RP技术的优越性。
此外，RP技术特别适合复杂型腔、复杂型面等传统方法难以制造甚至无法制造的零件。
2)快速性。
通过对一个CAD模型的修改或重组就可获得一个新零件的设计和加工信息。
从几个小时到几十个小时就可制造出零件，具有快速制造的突出特点。
3)高度柔性。
无需任何专用夹具或工)快速成型技术实现了机械具即可完成复杂的制造过程，快速制造工模型、原型或零件。
4工程学科多年来追求的两大先进目标，即材料的提取(气、液、固相)过程与制造过程一体化和设计(CAD)与制造(CAM)一体化。
5)与逆向工程(Reverse Engineering)、CAD技术、网络技术、虚拟现实等相结合，成为产品快速开发的有力工具。
RP技术简介
RP-Rapid Prototyping(快速成型)技术简介RP技术是80年代后期发展起来的快速成型(Rapid Prototyping简称RP)技术，被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破，其对制造业的影响可与数控技术的出现相媲美。
RP系统综合了机械工程、CAD、数控技术，激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评价、修改及功能试验，有效地缩短了产品的研发周期。
而以RP 系统为基础发展起来并已成熟的快速模具工装制造( Quick Tooling)技术，快速精铸技术(Quick Casting)，快速金属粉末烧结技术(Quick Powder Sintering)，则可实现零件的快速成品。
RP技术，迴异于传统的去除成型(如车、削、刨、磨)，拼合成型(如焊接)，或受迫成型(如铸、锻，粉末冶金)等加工方法，而是采用材料累加法制造零件原型，其原理是先将CAD生成的三维实体模型通过分层软件分成许多细小薄层，每个薄层断面的二维数据用于驱动控制激光光束，扫射液态光敏树脂，使其固化，以逐层固化的薄层累积成所设计的实体原型，激光快速成型技术较之传统的诸多加工方法展示了以下的优越性:1．可以制成几何形状任意复杂的零件，而不受传统机械加工方法中刀具无法达到某些型面的限制。
2．曲面制造过程中，CAD数据的转化(分层)可百分之百地全自动完成，而不靠数控切削加工中需要高级工程人员数天复杂的人工辅助劳动才能转化为完全的工艺数控代码。
3. 不需要传统的刀具或工装等生产准备工作。
任意复杂零件的加工只需在一台设备上完成，因而大大地缩短了新产品的开发成本和周期，其加工效率亦远胜于数控加工。
4．设备购置投资低于数控机床。
目前激光快速成型技术在制造业中已成熟地应用于以下领域:产品设计评估与校审RP技术将CAD的设计构想快速、精确、而又经济地生成可触摸的物理实体。
激光快速成型技术的原理及主要优点
激光快速成型技术的原理及主要优点KG-DFB激光光源采用国外高性能DFB激光器芯片，独特设计的ATC和APC电路以及隔离控制，保证了极高的功率及波长稳定性。
快速成型技术的基本工作原理是离散，堆积。
首先，将零件的物理模型通过CAD造型或三维数字化仪转化为计算机电子模型，然后将CAD模型转化为STD（stereolithography）文件格式，用分层软件将计算机三维实体模型在z向离散，形成一系列具有一定厚度的薄片，用计算机控制下的激光束（或其他能量流）有选择地固化或黏结某一区域，从而形成构成零件实体的一个层面。
这样逐渐堆积形成一个原型（三维实体）。
必要时再通过一些后处理（如深度固化，修磨）工序，使其达到功能件的要求。
近期发展的快速成型技术主要有：立体光造型、选择性激光烧结、薄片叠层制造、熔化沉积模型。
由于快速成型（包括激光快速成型技术）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化，从知识获取到计算机处理，从计划到接口，等方面来看。
非常适合于CIM、CAD及CAM，同时传统的制造方法相比较，显示住诸多优点。
1.快速性快速性指有了产品的三维表面或体模型的设计就可以制造原型。
从CAD设计到完成原型制造原型。
只需数小时到十几小时的时间。
相比与其他方法快多了。
2.适合成型复杂零件采用激光快速成型技术制造零件时，不论零件多复杂，都由计算机分解为二位数据进行成型，无简单与复杂之分，因此它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零件。
3.高度柔性无须传统加工的工夹量具及多种设备，零件在一台设备上即可成型出具有一定功能的原型及零件。
若要修改零件，只需修改CAD模型即可，特别适合于单件，小批量生产。
4.高度集成化激光快速成型技术将CAD数据转化为STL（快速成型技术标准接口）格式后，即可开始快速成型制造过程。
CAD到STL文件的转换是在CAD软件中自动完成的。
快速成型过程是二维操作，可以实现高度自动化和程序化，即用简单重复的二维操作成型复杂的三维零件，无需特殊的工具及人工干预。
快速成型：SLA、LOM、SLS、3DP、FDM
快速成型：SLA、LOM、SLS、3DP、FDM快速成型技术根据成型方法可分为两类：基于激光及其他光源的成型技术Laser Technology，例如：光固化成型SLA、分层实体制造LOM、选域激光粉末烧结SLS、形状沉积成型SDM 等；基于喷射的成型技术Jetting Technoloy，例如：熔融沉积成型FDM、三维印刷3DP、多相喷射沉积MJD光造型工艺SLASLA，Stereolithogrphy Apparatus工艺，也称光造型或立体光刻，由Charles Hul 于 1984 年获美国专利。
SLA 技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。
这种液态材料在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。
SLA工作原理SLA工作原理：液槽中盛满液态光固化树脂激光束在偏转镜作用下，能在液态表而上扫描，扫描的轨迹及光线的有无均由计算机控制，光点打到的地方，液体就固化。
成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度．聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。
当一层扫描完成后．未被照射的地方仍是液态树脂。
然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新周化的一层牢周地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。
SLA 方法是目前快速成型技术领域中研究得最多的方法．也是技术上最为成熟的方法。
S LA 工艺成型的零件精度较高，加工精度一般可达到 0.1 mm ，原材料利用率近 100 ％。
但这种方法也有白身的局限性，比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂有一定的毒性等。
叠层实体制造工艺LOMLOM，Laminated Object Manufacturing，LOM工艺称叠层实体制造或分层实体制造，由美国Helisys公司的Michael Feygin于1986 年研制成功。
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2021/3/2
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激光快速成型技术
2．选择性激光烧结技术(SLS)
原理：选择性激光烧结技术（SLS技术）与立体光造型技术（SLA技术） 很相似，也是用激光束来扫描各原材料，但用粉末物质代替了液态光聚 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 技术的基本原理如图所示。
新 旧 流 程 图 如 右 图
图7-22 立体光造型技术的原理示意图
主要优点
• 快速性：生产制品的周期较传统加工工艺短。RP对设计的敏感性很低， 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。
• 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据进行 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零件。
体离散
面离散
线离散
后处理
有序面 面叠加
有序线
点
有序点
叠
加
线叠加
3、激光快速成型与传统工艺比较
由于快速成型技术(包括激光快速成型技术)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CIM、CAD及CAM，同传统的制造 方法相比较，显示出诸多优点。
选 择 性 激 光 烧 结 技 术 基 本 原 理
优点：
1、与其他工艺相比，能生产很硬的模具。有直接金属型的 概念。 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。
缺点：
1、需要专门实验室环境，维护费用高昂。 2、预热和冷却时间长，总的成形周期长。 3、成形件强度和表面质量较差，精度低。表面粗糙度的高低受粉末颗粒
激光近形制造技术的基本原理示意图
4．激光近型制造技术
（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。
大小及激光光斑的限制。 4、 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。在后处理中难于保证制件尺寸 精度，后处理工艺复杂，样件变型大，无法装配。
激光快速成型技术
3．激光熔覆பைடு நூலகம்型技术 (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 技术原理图如图所示，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。
合做小件及较精细件。可直接制造塑料 件，产品为透明体。 4、 系统分辨率较高，因此能构建复杂结构的工件。 5、 成形速度较快。
缺点
1、需要专门实验室环境，维护费用高昂。 2、成型件需后处理，二次固化，防潮处理等工序。 3、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100℃，成形件易吸湿膨胀，抗
激光快速成形技术
1、激光快速成形技术的基本概念
成型及原理制造 成型方式的分类 成型制造技术的特点
2、激光快速成形技术方法
（五种方法）
3、激光快速成形用材料 4、该技术的应用前景与展望
激光快速成形技术的现状
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。
（3）多坐标数控工作台
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
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。
激光快速成形技术
1 、激光快速成形技术集成了激光技术、CAD/CAM技术和材料技术的最新成 果，根据零件的CAD模型，用激光束将光敏聚合材料逐层固化，精确堆积 成样件，不需要模具和刀具即可快速精确地制造形状复杂的零件，该技术 已在航空航天、电子、汽车等工业领域得到广泛应用。
2、 快速成型技术的基本工作原理是离散、堆积。离散/堆积过程如下
激光熔覆成型技术原理示意图
激光熔覆的复杂截面变换器
激光快速成型技术
4．激光近型制造技术
原理： 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。 激光近形制造技术(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。激光近形制造技术的基本原理如图所示。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。
激光快速成型技术介绍
激光快速成型技术
1．立体光造型技术（SLA）
原理：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。立体光造型技术的原理如图所示，是典型的逐层制 造法。
• 优点
1、系统工作稳定。 2、尺寸精度较高，可确保工件的尺寸精度在 0.1mm以内。 3、 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面不平；比较适
• 高度柔性：零件在一台设备上即可快速成型出具有一定精度﹑满足一定 功能的原理及零件（若要修改零件只要修改CAD模型即可）
• 高度集成化：激光快速成型技术将CAD数据转换成STL格式后，即可开始 快速制作（该过程是二维操作在CAD只完成的）。
1﹑立体光造型技术 2﹑选择性激光烧结技术 3﹑激光熔覆成形技术 4﹑激光近型制造技术 5﹑薄片叠成制造技术