激光快速成形制造技术的应用研究进展
激光加工技术的研究进展与应用前景
激光加工技术的研究进展与应用前景激光加工技术是一种高新技术，具有高精度、高速度、高效率等优点，在制造、材料加工、医疗等领域有着广泛的应用前景。
本文将从激光加工技术的研究进展及其应用前景方面进行探讨。
一、激光加工技术的研究进展自从激光加工技术出现以来，其快速发展已有50多年的历史。
激光加工技术的研究重点包括激光加工光学系统、激光加工控制系统、激光加工数控技术等内容。
激光加工光学系统包括激光器、光纤、反射镜、平台等组件。
随着激光技术的不断发展，激光器的功率越来越高，光纤的传输损失也越来越小，反射镜和平台的准确度也得到了极大地提高，从而使得激光加工的高精度和高效率得到保证。
激光加工控制系统是激光加工技术中的关键环节，它涉及到激光加工过程中的位置控制、速度控制、功率控制等方面。
在这个领域，计算机的应用以及软硬件的提高，为激光加工技术的精度和效率提供了坚实的支撑。
激光加工数控技术是指数字化控制技术在激光加工领域的应用。
数控技术使得激光加工技术变得更加智能化，为精密加工提供了良好的手段。
目前，数控技术已广泛应用于激光加工领域，成为激光加工的主要手段之一。
二、激光加工技术的应用前景1. 制造领域在制造领域，激光加工技术可以用于各种各样的精密加工，如微细孔加工、激光切割、激光打标、激光焊接等处理过程。
激光加工技术可以实现高精度、高效率的加工，使得制造业实现了从传统的手工制造向智能化、数字化等方向的转型，从而在产品品质、生产效率等方面实现了质的飞跃。
2. 材料加工领域在材料加工领域，激光加工技术可以进行复杂的材料加工，如激光精密切割、激光打孔等。
激光加工技术对材料的切割、打孔等操作可以达到无损伤效果，避免了机械切割方式中可能产生的热变形、剪切毛刺等问题，同时也可以使材料加工速度快速的提高，从而为材料加工领域的进一步发展提供了重要的技术支撑。
3. 医疗领域在医疗领域，激光加工技术也得到了广泛的应用。
如激光治疗、激光切割等。
激光快速成形技术制备Al／SiC复合材料工艺参数研究
尢 ｌ 法直接得到所需的成品而必须进行 多次后 工等缺点 Ⅱ 与传统 的复合材料制 备方法相 比． 激光 陕速成形技 术提
供
，
关键词 ： 激光快速成形 ； 复合材料 ； 参数
中图分类号 ： Ｕ ９ Ｔ ５９ 文献标识码 ： Ａ 文章 编号 ：２ ４６ ５ （０ ２０ ．０ ２０ Ｉ５ ．０ １２ ０ ）３０ ３ ．４ ｝
Ｒｅｅ ｒ ｈ ｏ ｒ ｃ ｓ ｉ ｇ Ｐａ ａ ｔｒ ｏ ｅ ａ ｉ ｇ ＡＩ ｓＣ ｓ ａ ｅ ｎ Ｐ ｏ ｅ ｓｎ ｒ ｍｅｅ ｓｆ ｒＰｒ ｐ ｒｎ ／ ｉ
Ｃｏ ｐ ｓｔ ｙ Ｌａ ｅ ｒ ｃ ｐ ｉｉ ｎ ｍ ｏ ｉｅｂ ｓ ｒＤｉｅ ｔＤｅ ｏ ｔｏ ｓ
ＣＨＥＮＧ ｉｇ Ｚ Ｊｎ ， ＨＡＮＧ ｎ —ｈ ｎ ． ＨＡＮＧ ｎ －ｈ ， ＨＩＬ ａ， ｎ －ｈ Ｙｏ ｇｚ ｏ ｇ Ｚ Ｐｉ ｚ ｉＳ ｉ ｉＸＩＭｉ ｚ ｅ ｇ ｋ ｇ
Ｓ ｉ Ｃ熔覆层 ，ｉ ＳＣ颗粒分 布较 均匀 奉文 就不同 的工艺参数 对 ｔ ／ Ｃ复合材料成 形过 程及 质量 的影响进行研究与讨论 。 Ａ． Ｉ Ｓ
ｌ 试 验 方 法及 材 料
试验 在激 光快速成形系统上进行 ， 采用 ２Ｗ 横流 ０ 激 ｋ ｑ
光器， 斑 直 径 ￣ ｒ ｎ 光 ３ｒ 。复 合 金 属粉 末 成 分 为 Ａ２ ２ ／ ｉ ￣ ｔ ０４ ＳＣ
ＳＣ颗粒增强铝基 复合材料具有 比强度 高 ， ｉ 比刚度高 ， 膨 胀系数低 ， 耐磨性优 异等 突出 的优点… ， 在航 空 、 天 、 车 、 航 汽
微电子等领域 中具有广 阔的应用 前最 ’ 目前 国内外有 许 。 多制备 ＡＩ ｉ ／ Ｃ复合材料 的方法 ， Ｓ 如液态法 、 粉末 冶金 法 、 喷雾 沉积法 等 ， 但是这些方法 均存在 设备 昂贵 、 工艺复 杂 ， 或者
激光快速成形技术介绍
金属粉末激光快速成形技术罗建兵2011031214金属粉末激光快速成形技术介绍金属粉末的激光快速成型技术是集计算机辅助设计、激光熔覆、快速成型于一体的先进制造技术, 是传统加工成形方法的重要补充。
本篇文章主要介绍了金属粉末激光快速成形的原理、装置组成及最新研究进展, 并对其发展前景进行了展望。
快速成型技术(RP, Rapid Prototyping ) 是从1987 年开始发展起来的一种先进制造技术。
该技术最初用来制造铸造用模型, 后来发展到制造原型零件,主要用于模型或零件的直观检验, 其关键是要求形状准确, 而对其力学性能没有太高的要求, 所采用的成型材料主要有液体光敏树脂、蜡、纸等替代材料。
目前, 美国、日本、德国已相继开发出多种快速成型技术, 如液体光敏树脂固化、熔融沉积成型、实体叠层制造、分层固化、选择性激光烧结、3D 喷射印刷等技术。
该技术在无需任何硬质工模具的情况下, 可直接从计算机三维设计制造出实体零件, 在机械制造等众多领域已得到广泛应用。
近年来, 快速成型技术有了新的发展, 已开始在金属材料、陶瓷材料的制备上得到应用, 其主要目标是快速制造出满足使用性能的致密的金属零件。
传统的快速成型方法成型金属零件时, 多采用树脂包覆的金属粉末作为原材料, 通过激光扫描使树脂熔化将金属粉末固结在一起; 也可采用喷射粘结剂的方法将松散的金属粉末粘结成型。
在成型后要经过脱粘、浸渗塑料、低熔点金属或铜来加强, 可制成镶块用在塑料注射模和压铸模中。
如脱粘后经热等静压处理也可制成致密金属零件, 但难以保证零件的尺寸精度。
目前, 金属零件的快速成型方法主要有间接激光烧结、直接激光烧结和液滴喷射沉积, 其中直接激光烧结技术是目前快速制备致密金属零件的主要技术。
1 基本原理金属粉末快速成形技术的基本原理，是先由CAD软件产生零件实体模型，然后由分层软件对CAD 实体模型按照一定的厚度进行分层切片处理，获取各截面的几何信息，然后根据切片轮廓设计出扫描轨迹，并将其转化成NC 工作台的运动指令。
选择性激光烧结成型技术的工艺与应用
选择性激光烧结成型技术的研究与应用摘要：介绍了选择性激光烧结成型技术的基本原理、工艺过程和特点，阐述了激光烧结技术的材料和设备的选择，列举了激光烧结技术在各个领域特别是模具制造领域的应用，并且分析了现有技术中存在的问题以及前景的展望。
关键词：快速成型；选择型激光烧结（SLS）；模具制造1.引言快速原型技术（Rapid Prototyping，PR）是一种涉及多学科的新型综合制造技术。
它是借助计算机、激光、精密传动和数控技术等现代手段，根据在计算机上构造的三位模型，能在很短时间内直接制造产品模型或样品。
快速原型技术改善了设计过程中的人机交流，缩短了产品开发的周期，加快了产品的更新换代速度，降低了企业投资新产品的成本和风险。
选择性激光烧结机技术（Selective Laser Sintering，SLS）作为快速原型技术的常用工艺，是利用粉末材料在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成型。
与其他快速成型工艺相比，其最大的独特性是能够直接制作金属制品，而且其工艺比较简单、精度高、无需支撑结构、材料利用率高。
本文主要介绍选择型激光烧结成型技术的基本原理、工艺特点、材料设备选择以及应用等内容。
2.选择性激光烧结技术（SLS）2.1选择性激光烧机技术（SLS）的基本原理和工艺过程选择性激光烧机技术（SLS）工艺是一种基于离散-堆积思想的加工过程，其成形过程可分为在计算机上的离散过程和在成形机上的堆积过程，简单描述如下：（1）离散过程。
首先用CAD软件，根据产品的要求设计出零件的三维模型，然后对三维模型进行表面网格处理，常用一系列相连三角形平面来逼近自由曲面，形成经过近似处理的三维CAD模型文件。
然后根据工艺要求，按一定的规则和精度要求，将CAD模型离散为一系列的单元，通常是由Z向离散为一系列层面，称之为切片。
然后将切片的轮廓线转化成激光的扫描轨迹。
（2）堆积过程。
首先，铺粉滚筒移至最左边，在加工区域内用滚筒均匀地铺上一层热塑性粉状材料，然后根据扫描轨迹，用激光在粉末材料表面绘出所加工的截面形状，热量使粉末材料熔化并在接合处与旧层粘接。
激光增材制造技术的研究现状及发展趋势
激光增材制造技术的研究现状及发展趋势一、本文概述激光增材制造技术，也称为激光3D打印或激光粉末床熔化（LPBF），是一种先进的增材制造技术，它利用高能激光束熔化粉末材料，逐层堆积形成三维实体。
由于其在材料利用率、制造精度和复杂结构制造能力等方面的独特优势，激光增材制造技术正受到全球科研界和工业界的广泛关注。
本文旨在深入探讨激光增材制造技术的当前研究现状，包括其基本原理、主要应用领域、关键技术和挑战等，并展望其未来的发展趋势。
通过对国内外相关文献的综述和案例分析，本文期望为激光增材制造技术的发展提供有价值的参考和启示。
二、激光增材制造技术研究现状激光增材制造（LAM，Laser Additive Manufacturing）技术，作为增材制造（AM，Additive Manufacturing）领域的一种重要技术手段，近年来在全球范围内受到了广泛的关注和研究。
该技术利用高能激光束作为热源，将粉末或丝状材料逐层熔化并堆积，从而构建出具有特定形状和性能的三维实体。
材料体系日益丰富：随着材料科学的进步，可用于激光增材制造的材料已经从最初的金属粉末扩展到了陶瓷、高分子材料以及复合材料等多元化体系。
这为激光增材制造技术在不同行业的应用提供了更多的可能性。
设备工艺持续优化：激光增材制造设备的精度和稳定性直接关系到最终产品的质量和性能。
目前，研究者们正致力于优化激光束的控制系统、粉末输送装置以及环境控制系统等关键部件，以提高设备的整体性能。
过程监控与质量控制：随着制造过程复杂性的增加，对制造过程中的监控和质量控制提出了更高的要求。
目前，研究者们正尝试将人工智能、机器学习等先进技术引入激光增材制造过程中，以实现对制造过程的实时监控和智能调控。
应用领域不断拓展：激光增材制造技术以其独特的优势，在航空航天、医疗器械、汽车制造等领域得到了广泛的应用。
随着技术的不断进步，其应用领域还将进一步扩大。
绿色环保与可持续发展：随着全球对环境保护意识的提高，激光增材制造技术作为一种近净成形技术，具有减少材料浪费、降低能源消耗等绿色环保特点。
选区激光熔化快速成型系统及工艺研究
选区激光熔化快速成型系统及工艺研究广州华南理工大学机械工程学院(510640) 杨永强 吴伟辉【摘要】选区激光熔化技术是近几年出现的能直接制造终端、近终端金属产品的快速成型技术。
描述了选区激光熔化快速成型设备系统组成,选区激光熔化对激光子系统、扫描子系统及软件子系统的功能要求。
经工艺实验,分析了扫描速度、激光功率、扫描间距对成型质量的影响,并通过成型1个三维金属实体,验证了系统的可行性。
关键词 选区激光熔化 快速成型 工艺试验R esearch on Selective Laser Melting System and T echnologic Experiment Abstract Selective Laser Melting(SL M)is a novel method of Rapid Prototyping(RP),which is to melt metal powders layer after layer by laser beam to form a metallurgical compact entity.A SL M system and the f unctions of laser subsystem,scanning subsystem,and software subsystem are described in detail in this pa2 per.The influence of scanning speed,laser power and scanning interval for processing quality is analyzed in techniques test.The system feasibility is confirmed by finishing a3D metal entity.K eyw ords selective laser melting,rapid prototyping,technologic experiment中图分类号:TN249 文献标识码:A 选区激光熔化技术是20世纪90年代中期发展起来的,是一种能利用纯金属或合金粉末直接制造出具有冶金结合、致密性接近100%、具有较高尺寸精度和较好表面粗糙度的金属零件快速成型技术。
选择性激光烧结技术的发展现状
选择性激光烧结技术的发展现状3潘琰峰 沈以赴 顾冬冬 胥橙庭南京航空航天大学摘 要:介绍了选择性激光烧结技术的原理、特点及其研究发展状况,简述了选择性激光烧结金属粉末的两种典型成型工艺,并简要分析讨论了选择性激光烧结技术成型金属零件所存在的一些问题。
最后,总结了选择性激光烧结技术的应用和发展前景。
关键词:快速成形, 选择性激光烧结, 烧结粉末Present Status of Development for Selective Laser Sintering(SLS)Pan Y anfeng Shen Y ifu G u D ongdong et alAbstract:The principle and characteristics of S LS are introduced.The latest researches on S LS,including tw o typical S LS of metallic powder,are discribed briefly.The relevant problems during S LS processing are analyzed.Finally,the application of S LS nowadays is reviewed and its prospect in the future is als o presented.K eyw ords:rapid prototyping, selective laser sintering, powder for sintering 1 引言快速成型[1-5]RP(Rapid Prototyping)技术第一次出现于20世纪80年代后期。
它集C AD技术、数控技术、激光加工技术和材料科学技术于一体,其原理突破了传统的材料变形成型和去除成型的工艺方法,可在没有工装夹具或模具的条件下,迅速制造出任意复杂形状的三维实体零件,且可有效地降低产品开发周期。
激光快速成形技术与模具制造
机 械 性 能 和 表 面 质 量 都 较 好 的 金 属 零 件 ， 接 直 用 于 模具 制 造 。
模 型快 速 生 产 零 部 件 的新 型 制 造 技 术 口 。 它 是 ］ 基 于“ 离散 一 积 ” 理 ， 层制 造 的方 法 ， 计 算 堆 原 分 集 机 辅 助 设 计 （ ＡＤ）技 术 、 算 机 辅 助 制 造 Ｃ 计
（ ． 山晔 联 管业 有 限公 司 ，河 北 １唐 唐山 ０３０ ； ６ ７ ０
２ 中 国兵 器 工 业第 二 。八 研 究 所 ， 京 １ ０ ０ ） ． 北 ０ １ ２ 摘 要 ：通 过 介 绍 激光 快 速 成 形 技 术 的 原 理 和 特 点 、 用 材 料 及 工 艺 ， 析 了激 光 快 常 分
材 料 自下 而 上 逐 层 增 加 、 接 （ 结 ／ 凝 ） 直 连 烧 熔 ， 接 成 形 金 属零 件 。
１ １ Ｓ Ｌ文 件 的输 出 ． Ｔ
激 光 快 速 成 形 所 需 要 的 文 件 格 式 一 般 为
模 具 技 术 ２ １ ． ． ０ ０ Ｎｏ ５
６ １ １ ２ 三 维 模 型 的离 散 处 理 ］ ．
的） 接 转 化 成 Ｓ 文 件 用 于 加 工 ， 需 去 分 直 ＴＩ 无 析 工 艺 的可 行 性 ， 需 工 装 模 具 、 无 需 编 写 加 无 也 工 程 序 和 人 为 控 制 ， 可 以 加 工 出 与 图 形 完 全 就
收 稿 日期 ： ０ ００ —８ ２ １ ４０ 作 者简介 ： 战川 （９ ２ ， ， 黄 １ ７ 一） 男 助理 工程 师 。
速 成 形 技 术 适 合模 具 的 小 批 量 或 单 件 生 产 ， 可 以 解 决传 统 模 具 制 造 业 中制 造 周 期 且 长 、 艺复 杂 的 问题 ， 工 阐述 了激 光 快 速 成 形技 术 在 模 具 制 造 业 中的优 势 。
激光直接快速成形金属零件的实验研究
型 分 层 切 片 的 厚 度 与 每 一 烧 结 层 厚 度 一 致 。 采 用
单 烧 结道 的宽 度 十分 有 限 ，为 了满 足 单层 面积 较 大 的金 属零 件 的制 造 ， 必 须进 行 多道 搭 接 。 搭 接率 是 指相 邻 将 直 接影 响 到成 形表 面 的宏 观平 整 程度 。 若 搭接 率 太小 ，
结 道 的 宽度 为 ， 形 成 冶金 结 合 的长 度 为 ｔ ， 对于ｔ ＜ Ｉ Ｖ的
情况 ， 必须使搭接后形成连续 、 完整 的冶金烧结层 ， 才 能 完 成零 件 实体 的制造 。通 过 金相 法测 得 采用 １ ． ４ ｋ Ｗ， ３ ． ５ ｍ ｍ ／ ｓ ， ７ ０ ｒ ／ ｍ ｉ ｎ 工艺参数单道烧结出的 ｔ 为２ ． ２ ２ ｍ ｍ， 由 此计算只要搭接率大于 １ ． ３ ％， 即可使搭接后的烧结层形 成完全 的冶金 结合层 。现分别 取搭接率 为 １ ５ ％、 ２ ０ ％、 ３ ０ ％、 ４ ０ ％ 进行搭接烧结 ， 烧结结果如 图 ６ ， 其中图 ６ （ ａ ） 出
１ ． ４ ｋ Ｗ， ３ ． ５ ｍ ｍ ／ ｓ ， ７ ０ ｒ ／ ｍ ｉ ｎ 工 艺参 数烧 结 １ ０层 ，长度 为
５ ０ ｍ ｍ，发 现 ：理 论 宽 度 为 ４ ． ４ ｍ ｍ，实 际 宽 度 为 ４ ． ３ ～ 的 原 因为 液 态 金 属 在 重 力 作 用 下 会 沿 弧 形 表 面 两 侧 向
下流。 取一个实验 中效果较好 的试样横向切开并经过一
些 必要 的处 理 进 行硬 度 测 量 ， 加 载 负荷 为 １ ０ ０ ０ ｇ ， 加 载 时
间为 １ ５ ｓ ， 硬度测量值如 图 ８ 。通过测试发现 ， 在烧 结层
度 分 布也 比较 均 匀 。
快速成型技术的发展与应用
快速成型技术的发展与应用作者：邢云香来源：《中国机械》2013年第02期摘要：快速成型技术是一项多学科交叉多技术集成的先进制造技术，本文简要介绍该技术的原理、特点，并重点研究阐述该技术在国内外应用和发展状况，并结合实际指出了该技术开发方向。
关键词：快速成型；原理；应用；开发中图分类号：TH39 文献标志码：B一引言最近英国经济学人指出：快速成型技术（简称RP技术）市场潜力巨大，必将引领未来制造业，它将使工厂彻底告别车床、钻床等传统工具，改由更加灵巧的电脑软件主宰，这便是第三次工业革命到来的标志。
虽然究竟谁能够引领第三次工业革命？目前我们要下这个结论，显得时机过早。
但重视这被西方媒体誉为将带来“第三次工业革命” 的“RP技术”是非常必要的。
本文就这一技术的原理及发展应用情况予以介绍。
二快速成型技术原理及特点RP技术是20世纪90年代发展起来的一项高新技术。
笼统地讲，RP技术属于堆积成形；严格地讲，它是基于离散和堆积原理，将零件的CAD模型按一定方式离散，成为可加工的离散面、离散线、离散点，而后采用物理或化学手段，将这些离散的面、线段和点堆积而形成零件的整体形状。
RP技术工艺流程如图1所示。
其主要工艺方法有：SLA、SLS、FDM、TDP，具体见下表：用粉末材料为原料，按照分层信息铺好一层粉末材料计算机控制喷头有选择性地喷射粘接剂，使部分粉末粘接形成截面层。
一层完成后，工作台下降一个层厚，如此循环形成三维产品。
三快速成型技术的发展现状3.1国外的快速成型技术的发展现状这种为现代社会带来强大冲击和震撼的新技术起源于1988年，美国3D System 公司推出的SLA-250液态光敏树脂选择性固化成形机，标志着RP技术的诞生。
目前，RP技术被广泛应用于各个领域，如航天航空、医疗、军工、艺术设计等领域，应用最为广泛的是航空零部件的快速制造，包括快速精铸技术、金属直接制造零部件、风洞模型的制造。
国外主要的航空企业都在应用RP技术研制新型航空器。
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激光快速成形制造技术的应用研究进展3RecentAdvancesofApplicationResearchinLaserRapidPrototypingManufacturing南京航空航天大学 张剑峰 张建华 赵剑峰 沈以赴 花国然 黄因慧 [摘要] 简要介绍了几种典型激光快速成形技术的基本原理,分析了激光快速制造技术的研究和应用现状,并给出相应的应用实例;讨论了激光快速制造技术的研究方向,指出这种新技术广阔的应用前景。关键词:快速成形制造 工程应用 实体零件[ABSTRACT] Thefundamentalprinciplesofsev2eraltypicallaserrapidprototypingmanufacturing(RPM)techniqueareintroduced.Thelateststudyand
applicationsoflaserrapidprototypingmanufacturingareanalyzed,andthecorrespodingexamplesaregiven,thedevelopmentdirectionoflaserrapidprototypingmanu2facturingarediscussed.Thesenewtechnologieswillhaveagoodprospectforapplication.Keywords:Rapidprototypingmanufacturing
Engineeringapplication Part
激光快速成形制造(RapidPrototypingManufac2turing,RPM)是80年代后期发展起来的新技术。它是将计算机产生的CAD实体模型,经分层切片软件处理成一系列薄截面层,并根据各截面层形状的二维数据,
由快速成形机将材料逐层添加堆积,最终生成三维实体零件。这种快速成形制造是一种全新的生产方法,
其原理突破了传统的材料变形成形和去除成形的工艺方法,可在没有工装夹具或模具的条件下,迅速制造出任意复杂形状的三维实体零件,因此被认为是20世纪末制造技术领域的一次重大突破,并有可能成为21世纪的主流制造技术。目前RPM技术的快速成形方法有10多种,各种RP方法均具有自身的特点和适应范围。比较成熟的工艺有:立体印刷(StereoLightgraphyApparatus,
SLA),选择性激光烧结(SelectiveLaserSintering,SLS),叠层制造(LaminatedObjectManufacturing,LOM),熔融沉积制造(FusedDepositionModelling,FDM)和三维打印(Three-DimensionalPrinting,3DP)等。
3 国防预研基金资助项目。
1 常用快速成形方法的基本原理1.1 立体印刷立体印刷(SLA)是美国3D-Systems公司推出的最早的RP技术实用化产品,如图1(a)所示。其工艺过程是:首先由CAD系统对要制造的零件进行三维实体造型,通过专门的计算机切片软件对CAD模型进行分割,形成若干薄层平面,再由CAM软件根据各薄层平面的数据生成加工指令,控制机床进行扫描,生成一片与激光扫描形状相同的固化光敏树脂薄片。一层固化完成后,工作台下降一个切片高度,重新覆盖一薄层树脂材料,光扫描固化新层,如此反复形成实体零件。1.2 选择性激光烧结选择性激光烧结(SLS)其生产过程与立体印刷相似,见图1(b)。首先采用铺粉装置均匀铺粉,其厚度等于切片高度,然后激光根据层面的几何形状有选择地对材料进行扫描,使粉末熔化,并粘结在下层材料上,而未被激光扫描烧结的粉末则作为零件的支撑体。在完成一层烧结后,工作台下降一个切片厚度,重新铺粉、烧结,重复这样的过程,直到烧结出整个零件。1.3 叠层制造叠层制造(LOM)是根据CAD模型各层切片的平面几何信息对箔材进行分层实体切割,如图1(c)所示。首先利用激光控制装置进行X2Y切割运动,将铺在工作台上的一层箔材切成最下一层切片的平面轮廓,随后工作台下降一个切片高度,箔材送进机构又将新的一层箔材铺上并用热压辊碾压使其牢固地粘结在已成形的箔材上,激光再次进行切割运动并切出第二层平面轮廓,如此重复直至整个零件制作完成。1.4 熔融沉积制造熔融沉积制造(FDM)过程如图1(d)所示,快速成
形系统将熔丝送入X2Y方向数控喷头,在喷头内将熔丝加热到熔点以上喷出,自然凝固成形:一层扫描完成后,工作台下降一个切片高度扫描下一层,直到零件制作完成。1.5 三维打印三维打印(3DP)的工作原理类似于喷墨打印,即利用喷嘴将液态粘接剂喷在预先铺好的粉层特定区43
科技成果・学术论文2002年第7期图1 快速原型制造工艺示意图Fig.1 SchemeoftheRPMprocess
域,再铺粉并选区喷粘结剂,这样逐层进行得到所需的三维几何形状后,再采用高温烧结的方法,使之固化,从而得到所需的零件,如图1(e)所示。2 激光快速成形制造技术的应用研究现状2.1 快速原型制造快速原型制造技术是目前先进制造技术中发展最为迅速的一种,在短短10年左右的时间已经由最初的原理研究发展到大规模实际生产应用。目前已有10多种比较成熟的工艺方法用于原型零件的制造。RPM技术可以在数天或数小时内依据设计图纸或CAD模型制造出零件原型,设计者可以根据RP三维实体原型对设计方案进行评定,对产品功能进行验证,通过模拟试验进行生产可行性评估,根据用户对设计方案的反馈信息用CAD软件对设计方案进行修改和再验证。这样可以得到性能和经济性都优良的设计方案,节省了设计费用,缩短了产品研制周期。这种设计方法在新产品开发中得到较为广泛的应用,如某集团技术中心在进行新型摩托车设计中,有两个零件(头灯罩和扶手)需要进行试装配试验,这两个零件结构非常复杂,图2为该零件的实物原型照片。采用传统的制造方法费用较高,周期较长,而采用RPM技术则在一周时间内,便制造出上述零件的原型件,使得试验工作如期进行。
图2 摩托车头灯罩、扶手的原型照片Fig.2 Prototypephotooflampshadeandhandrailofmotor
2.2 快速模具制造目前RPM的快速制模主要有用RP原型间接制模和RP系统上直接制模两种方式。用RP原型间接制模是通过快速制造系统设计、制造出各种复杂的原型件,将原型件作为样件用于传统的模具制造工艺。这种间接制模工艺已基本成熟,
一般可使模具制造成本和周期减少1/2,明显提高了
53
科技成果・学术论文航空制造技术生产率。常用的制模工艺有铸造熔模、硅橡胶模和环氧树脂模等。采用RPM技术直接制模是将模具CAD的结果由RP系统直接制造成形。这种方法不需要RP系统制造样件,也不依赖传统的模具制造工艺,它是将CAD系统得到的三维实体STL模型进行分层切片,得到零件层面的边界,根据此边界就可以求得正型烧结线。在零件边界外人为地加上一个方框,方框大小由最大层面边界和模具的最小厚度来确定,模具的层面实际上是零件层面的“逆”层面。通过对方框内的烧结线进行一次求反,即“实”变“虚”,“虚”变“实”,将CAD设计的实型变成空腔,其外围变实的烧结线即为零件反型的烧结线。基于上述基本原理,我们选择覆膜陶瓷作为基体材料,覆膜陶瓷的覆膜材料主要为树脂类热固性塑料,为了提高烧结强度,需加入适当比例的粘结剂,材料为250目环氧树脂粉末。根据SLS系统中分层切片软件得到零件CAD模型的各层面信息,通过“虚”“实”变换求得零件反型的烧结线。在计算机的控制下有选择地烧结粉末材料,经过层层叠加得到铸造用的陶瓷型壳、型芯,并结合传统的砂型铸造工艺,直接用于铸造金属零件,成功地烧结出精密铸造用的叶轮型壳,进行了金属零件的精密铸造,图3为叶轮铸件。图3 叶轮铸件Fig.3 ImpellercastingRPM技术直接制模虽然取了一些进展,并在某些领域中得到了一定范围的应用,但由于RP成形工艺和成形材料等原因限制,直接制模的方法和相关技术还在继续研究之中。2.3 快速工具制造基于RPM技术的工具制造的实现主要有2种途径:直接成形法和间接制造法。直接成形法是利用大功率激光器在保护气氛下直接烧结金属粉末生成金属件或工具。由于RPM技术直接烧结金属粉末制造零件工艺还不成熟,直接成形工具还有一定困难,这种方法仍在研究之中。间接制造方法目前是比较成熟的工艺,它将金属粉末和某种粘结剂按一定比例混合均匀,用激光束对混合粉末进行选择性扫描,激光的作用使混合粉末中的粘结剂熔化并将金属粉末粘结在一起,形成金属零件的坯体。金属零件坯体需经后续处理,才能得到满足要求的功能性零件。这种工艺方法在实际中已得到应用。采用这种工艺路线,选用铁粉作为基体材料,同时加入一定量的粘结剂,采用小功率激光器(功率为40
W)进行烧结成形,得到一个非标准齿轮原型件。然后进行后续处理,其工艺流程如图4所示。烧失粘结剂温度400℃,保温时间30min,无气氛保护。高温焙烧温度1080℃,保护气氛为氢气,保温时间40min。熔渗材料为紫铜,并用NH3气氛保护。
烧失粘结剂高温焙烧金属熔渗导电原型件图4 后续处理流程图Fig.4 Flowchartofpost2processing
经过后续处理得到一个非标准齿轮EDM电极的雏形,需加上夹紧机构等得到一个完整的EDM电极,
然后结合特种加工中的EDM技术,用此电极在电火花机床上加工出三维模具型腔,如图5所示。
图5 非标准齿轮EDM电极及模具模腔Fig.5 NonstandardgearelectrodeforEDMandmould
2.4 RPM技术在其他领域的应用以数字成像技术为基础的CT、MRI等临床诊断手段可以获得人体扫描数据,扫描数据经计算机三维重建后可生成三维实体模型,采用RPM技术制作出人体局部器官,并能显示这些部位病变情况的实体结构,以用于临床辅助诊断和复杂手术方案的确定。国内外都有成功地将RPM技术用于临床的报道。如北京大学口腔医院将RPM技术用于人体颌面外科手术获得成功,并取得了良好的疗效。RPM技术在医疗方面的应用将是研究热点之一。此外,RPM技术还可用于复制文物、制作工艺品63
科技成果・学术论文2002年第7期