第九章 激光快速成形技術

1、第九章第九章 激光快速成形技激光快速成形技術術【學習目的與要求】 通過本章的學習，加深學生對材料的成形方式，尤其是添加成形方式以及激光快速成形技術的基本思想和成形特點的理解；掌握激光立體光固化成形(SLA)技術、激光薄片疊層制造(LOM)技術、選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術、激光熔覆成形(LCF)技術和激光誘發(fā)熱應力(LF)技術等；對激光快速成形技術的應用場合有一個全貌的了解和認識；為將來從事科學研究或生產(chǎn)企業(yè)的技術研發(fā)建立一定的技術基礎。第第9 9章章 激光快速成形技術激光快速成形技術 激光快速成形(laser rapid prototyping，LRP)技術是利用激光為工具，通過逐點、逐面進

2、行材料的“三維堆砌”成形，再經(jīng)過必要的處理，使其在外觀、強度和性能等方面達到設計要求，能夠快速、準確地制造原型或?qū)嶋H零件、部件，而無需傳統(tǒng)的機械加工機床和模具的技術。 激光快速成形技術的基本原理基本原理：首先在計算機中生成零件的三維CAD模型，然后將模型按一定的厚度切片分層，即將零件的三維幾何信息轉(zhuǎn)換成一系列二維輪廓信息，隨后在計算機的控制下，用同步送粉(或送絲)激光熔覆的方法將粉末材料按照二維輪廓信息逐層堆積，最終形成三維實體零件。 原型是能基本代表零部件性質(zhì)和功能的試驗件，從表面質(zhì)量、色彩等方面可具有零部件的特征，但不具備或不完全具備零部件的功能。l 零部件最終產(chǎn)品，具有最佳特性、功能和成

3、本。l 原 型一般數(shù)量較少，主要是用于實體觀察、分析、試驗、校核、展示、直接使用或間接制造模具。 在設計部門內(nèi)部、其他部門以及市場上的用戶之間、原型是交流設計概念的最好工具。 原型可以由兩種方法產(chǎn)生：一種方法是利用已有的知識和技術，按目的要求進行設計、加工或由設計者利用CADCAM系統(tǒng)，通過構想在計算機上建立原型的三維數(shù)字模型并加工成實物；另一種方法則是通過反求技術實現(xiàn)，即由用戶提供一個實物樣品，原封不動或經(jīng)過局部修改后得對這個樣品的復制品或仿制品。原型制造是設計、建造原型的過程。根據(jù)現(xiàn)代成形學的觀點，可把成形方式分為以下幾類。 (1)去除成形(dislodge forming) (2)添加成

4、形(additive forming) (3)受迫成形(forced forming) (4)生長成形(growth forming)項目項目去除成形去除成形受迫成形受迫成形添加成形添加成形材料利用率材料利用率產(chǎn)生切屑，材料利產(chǎn)生切屑，材料利用率低用率低產(chǎn)生工藝廢料，如產(chǎn)生工藝廢料，如澆冒口、飛邊等澆冒口、飛邊等材料利用率高，大材料利用率高，大多數(shù)工藝可達多數(shù)工藝可達100產(chǎn)品精度與性能產(chǎn)品精度與性能通常為最終成形，通常為最終成形，精度高精度高多用于毛坯制造，多用于毛坯制造，屬靜成形或近成形屬靜成形或近成形范疇范疇屬靜成形范疇，精屬靜成形范疇，精度較好度較好制造零件的復雜程制造零件的復雜程度度

5、受刀具或模具等形受刀具或模具等形狀限制，無法制造狀限制，無法制造太復雜的曲面和異太復雜的曲面和異形深空等形深空等受模具等工具的形受模具等工具的形狀限制，無法制造狀限制，無法制造太復雜的曲面太復雜的曲面可制造任意復雜形可制造任意復雜形狀的零件狀的零件 籠統(tǒng)地講，快速成形屬于添加成形添加成形。嚴格地講，快速成形應該屬于離散堆積成形離散堆積成形，即依據(jù)計算機上構成的零件三維設計模型，利用快速成形機對其進行分層切片，得到各層截面的二維輪廓圖，并按照這些輪廓圖逐步順序疊加成三維零件。 這種新技術的思路源于三維實體被切割成一系列微小單元的逆過程，通過不斷地把材料按指定路徑添加到未完成的制件上，采用聚合、黏

6、結(jié)、熔結(jié)、燒結(jié)等化學的和(或)物理的手段，有選擇性地固化液體或黏結(jié)固體材料，從而制作出所要求形狀的原型或零部件。通常，原型或零件是逐層累積起來的，并最終達到設計的式樣和性能要求。(a)工件(a)工件(b)切片(b)切片 (c)分層自由成型(c)分層自由成型 (d)疊加零件(d)疊加零件圖9-1激光快速制造的原理體離散體離散面離散面離散線離散線離散線疊加線疊加面疊加面疊加后處理后處理有序面有序面有序線有序線有序點有序點點點疊疊加加圖9-2激光快速制造的離散/堆積過程 (a) 傳統(tǒng)加工 (b)快速成型 圖9-3激光快速制造過程(1)前處理 產(chǎn)品三維模型的構建。三維模型的近似處理。三維模型的切片處理

7、。根據(jù)被加工模型的特征選擇合適的加工方向加工方向，在成形高度方向上用一系列一定間隔一定間隔的平面切割近似后的模型，以便提取截面的輪廓信息。間隔越小，成形精度越高，但成形時間也越長，效率就越低；反之則精度低，但效率高。(2)分層疊加自由(3)后處理 (1)制造過程快速 (2)制造過程高度柔性(3)技術高度集成(4)可用材料豐富(5)經(jīng)濟效益顯著(6)應用領域廣泛 快速成形制造技術徹底擺脫了傳統(tǒng)的“去除”加工法去除大于工件的毛坯上的材料來得到工件，而采用全新的“增長”加工法用一層層的小毛坯逐步疊加成大工件，將復雜的三維加工分解成簡單的二維加工的組合。因此它不必采用傳統(tǒng)的加工機床和加工模具，只需傳統(tǒng)

8、加工方法1030的工時和2035%的成本，就能直接制造出產(chǎn)品樣品或模具。 目前，激光器種類繁多，性能各異，用途也多種多樣。要根據(jù)使用要求，合理選用激光器的種類，重點是考慮其輸出激光的波長、功率和模式。還要考慮在加工現(xiàn)場的環(huán)境下運行的可靠性，調(diào)整和維修的方便性，以及投資和運行費用等。(1)He-Cd激光器激光器 SLA工藝中使用He-Cd激光器(2)Ar+激光器激光器 Ar+激光器也是用于SLA工藝中(3)CO2激光器激光器 SLS和LOM兩種工藝中都使用C02激光器CO2激光器的基本原理。封離型CO2激光器。 激光快速成形技術包括很多種工藝方法，其中相對比較成熟的有立體光固化成形(SLA)技術

9、、激光薄片疊層制造(LOM)技術、選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術、激光熔覆成形(LCF)技術和激光誘發(fā)熱應力(LF)技術等。 立體光固化成形(SLA)技術是美國3D-Systems公司推出的最早的LRP技術實用化產(chǎn)品。它由液槽、可升降工作臺、激光器、掃描系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)等組成。 它以光敏樹脂為原料，在計算機的控制下，紫外線按零件各分層截面數(shù)據(jù)對液態(tài)光敏樹脂表面逐點掃描，使被掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生聚合反應而固化，形成零件的一個薄層；一層固化完畢后，工作臺下降，在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂，以便進行下一層掃描固化；新固化的一層牢固地黏合在前一層上；如此重復直到整個零件原型制作完畢

10、。 圖9-9 激光立體印刷成形原理圖激光立體印刷成形具有以下優(yōu)點：p 精度高。p 成形速率較快。p 掃描質(zhì)量好。p 關鍵技術得到解決。但這種成形方法也有自身的局限性，比如需要支撐、樹脂收縮導致精度下降、光固化樹脂有一定的毒性等。 激光薄片疊層制造(LOM)技術是由美國Helisys公司于1986年研制成功的。它由計算機、原材料存貯及送進機構、熱壓裝置、激光切割系統(tǒng)、可升降工作臺和數(shù)控系統(tǒng)、模型取出裝置和機架等組成。 首先采用激光或刀具對薄片材料進行切割，切割部分包括二維截面形狀，以及將不屬于原型材料的部分切割成網(wǎng)格狀。通過熱壓輥的熱壓以及工作臺的升降，可以切割出一層新的層片，并將其和前一個層片

11、黏結(jié)在一起，層層疊加后得到一個塊狀物，將不屬于原型的材料剝離，就獲得所需的三維實體。圖9-10分層實體制造成形原理圖圖9-11 無輪廓區(qū)切割成小方網(wǎng)格 分層實體制造工藝與立體印刷成形工藝的主要區(qū)別在于將立體印刷成形中的光致樹脂固化的掃描運動變?yōu)榧す鈱⒘Ⅲw印刷成形中的光致樹脂固化的掃描運動變?yōu)榧す馇懈畋∧み\動。切割薄膜運動。這種工藝使用低能CO2激光器，成形的制件無內(nèi)應力、無變形，因而精度較高，可達0.1mm/100mm。 激光束只需按照分層信息提供的截面輪廓線逐層切割而無需對整個截面進行掃描，且不需考慮支撐。所以這種方法與其他快速原型制造技術相比，還具有制作效率高、速度快、成本低等優(yōu)點，具有較

12、廣的應用前景。 這一技術常用的材料材料是紙、金屬箔、塑料膜、陶瓷膜等，除了制造模具、模型外，還可以直接制造結(jié)構件或功能件。但由于材料薄膜厚度有限，未經(jīng)處理的側(cè)表面不夠光潔，需要進行再處理，如打磨、拋光、噴油等。另外，當采用的金屬片的厚度太薄時，所形成的零件的力學性能也會受到很大的影響。 選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術是由美國Texas大學Austin分校的Deckard于1989年研制成功的。 其工藝過程：用紅外線板將粉末材料加熱至恰好低于燒結(jié)點的某一溫度，然后用計算機控制激光束，按原型或零件的截面形狀掃描平臺上的粉末材料，使其受熱熔化或燒結(jié)。繼而平臺下降一個層厚，用熱輥將粉末材料均勻地分布在前

13、一個燒結(jié)層上，再用激光燒結(jié)。如此反復，逐層燒結(jié)成形。這種工藝與立體印刷成形(SLA)基本相同，只是將SLA中的液態(tài)樹脂換成在激光照射下可以燒結(jié)的粉末材料，并由一個溫度控制單元優(yōu)化的輥子鋪平材料以保證粉末的流動性，同時控制工作腔熱量使粉末牢固黏結(jié)。圖9-12 選擇性激光燒結(jié)成形原理圖選擇性激光燒結(jié)成形特點如下:l 可采用多種材料。l 制造工藝比較簡單。l 高精度。l 成本較低，可制備復雜形狀零件，但成形速率較慢，由于粉體鋪層密度低導致精度較低和強度較低。 激光選擇性燒結(jié)技術常用原料是塑料、蠟、陶瓷、金塑料、蠟、陶瓷、金屬以及它們的復合物的粉體。屬以及它們的復合物的粉體。用蠟可作精密鑄造蠟模，用熱

14、塑性塑料可作消失模，用陶瓷可作鑄造型殼、型芯和陶瓷件，用金屬可作金屬件。目前大多數(shù)激光選擇性燒結(jié)技術研究集中在生產(chǎn)金屬零件上。 激光熔覆快速成形制造技術也稱近形技術、直接光制造技術、直接金屬沉積技術和激光共凝固技術，是近年來在激光熔覆技術和快速原型技術的基礎上發(fā)展起來的一種新技術。 LCF技術的工作原理與SLS技術基本相同，通過對工作臺數(shù)控，實現(xiàn)激光束對粉末的掃描、熔覆，最終成形出所需形狀的零件。 零件切片方式、激光熔覆層厚度、激光器輸出功率、光斑大小、光強分布、掃描速率、掃描間隔、掃描方式、送粉裝置、送粉量及粉末顆粒的大小等因素均對成形零件的精度和強度有影響。激光熔覆成形能制成非常致密的金屬

15、零件，因而具有良好的應用前景。 圖9-13 激光熔覆快速成形原理圖激光熔覆快速成形的突出優(yōu)點如下:具有高度的柔性；生產(chǎn)周期短，效率高；提高了設計的靈活性；應用范圍廣闊；可加工材料廣泛；組織性能好； 熱脹冷縮是金屬材料固有的物理性質(zhì)，當其受到不均勻加熱時，材料內(nèi)部便會產(chǎn)生熱應力，致使構件產(chǎn)生扭曲。如果熱應力超過材料的屈服極限，材料便會產(chǎn)生永久的塑性變形，甚至出現(xiàn)裂紋而失效。因此，實際生產(chǎn)中往往盡量避免不均勻加熱的產(chǎn)生。但是如果由不均勻加熱而產(chǎn)生的熱應力的大小及方向控制得當，使由此產(chǎn)生的塑性變形朝著預定的方向發(fā)展時，這種熱應力成形方法便成為一種有效的塑性加工手段。 激光誘發(fā)熱應力成形技術就是一種利

16、用高能激光束掃描金屬板或金屬管表面時形成的不均勻溫度場所導致的熱應力來實現(xiàn)金屬成形的方法。圖9-14 激光熱應力成形原理圖激光誘發(fā)熱應力成形技術具有下列特點： 屬無模具成形。 為無外力成形。 為非接觸式成形。 為熱態(tài)累積成形。u (1)LRP技術與CAD技術之間的關系;u (2)LRP技術與激光技術間的關系;u (3)LRP技術與數(shù)控技術間的關系;u (4)LRP技術與材料科學間的關系;u (5)LRP技術與檢測技術間的關系;u (6)LRP技術與其他相關學科問的關系。 材料的物理狀態(tài) 液體材料、薄片材料、粉末材料等。 材料的化學性能 樹脂類材料、石蠟材料、金屬材料、陶瓷材料及其復合材料等 材

17、料的成形方法 SLA材料、LOM材料、SLS材料等。表表9-2 常用的激光快速成型材料分類常用的激光快速成型材料分類材料形態(tài)材料形態(tài)液態(tài)液態(tài)固態(tài)粉末固態(tài)粉末固態(tài)片材固態(tài)片材非金屬非金屬金屬金屬材料名稱材料名稱光固化樹脂光固化樹脂蠟粉蠟粉尼龍粉尼龍粉塑料粉塑料粉陶瓷粉陶瓷粉覆膜砂粉覆膜砂粉等等金屬粉金屬粉覆膜金屬粉覆膜金屬粉紙紙塑料塑料+粘結(jié)劑粘結(jié)劑陶瓷箔陶瓷箔+粘結(jié)劑粘結(jié)劑金屬箔金屬箔+粘結(jié)劑粘結(jié)劑等等成型方法成型方法SLASLSLOM 有利于快速精確地加工原型零件； 當原型直接用作制件、模具時，原型的力學性能和物理化學性能(強度、剛度、熱穩(wěn)定性、導熱性和導電性、加工性等)要滿足使用要求； 當

18、原型間接使用時，其性能要有利于后續(xù)處理工藝。1、SLA材料材料(1)SLA材料的種類與系列 SLA技術主要用到的材料為光敏環(huán)氧樹脂、光敏乙烯醚、光敏環(huán)氧丙烯酸酯、光敏丙烯樹脂。(2)SLA對材料性能的基本要求 SLA原型材料一般都是液態(tài)光敏樹脂，它要求在一定頻率的單色光的照射下迅速固化并具有較小的臨界曝光和較大的固化穿透深度，固化時樹脂的收縮率要小(如果樹脂的收縮率較小，SLA制件的變形就小，精度也會較高)，SLA原型要具有足夠的強度和良好的表面粗糙度，且成形時毒性較小。 應用于SLA技術的光敏樹脂，通常由兩部分組成，即光引發(fā)劑和樹脂，其中樹脂由預聚物、稀釋劑及少量助劑組成。光敏樹脂是激光固化

19、快速成形制作的基材，其性能特征對成形零件的質(zhì)量具有決定性影響。用于SLA法光固化樹脂一般應具有以下性能：黏度低，低黏度樹脂有利于成形中樹脂較快流平；固化速率快，樹脂的固化速率直接影響成形的效率，從而影響到經(jīng)濟效益；固化收縮小，光敏樹脂在固化過程中，經(jīng)過一個從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的變化過程，這種變化常會引起樹脂的線型和體積收縮，固化收縮導致零件產(chǎn)生變形、翹曲、開裂等，從而影響到成形零件的精度，降低樹脂的收縮量是光敏樹脂研制過程中的主要目標，低收縮性樹脂有利于成形出高精度零件；一次固化程度高，這樣可以減少后固化收縮，從而減少后固化變形；濕態(tài)強度高，較高的濕態(tài)強度可以保證后固化過程不產(chǎn)生變形、膨脹及層間剝

20、離；溶脹小，濕態(tài)成形件在液態(tài)樹脂中的溶脹會造成零件尺寸偏大；毒性小，這有利于操作者的健康和不造成環(huán)境污染。(3)SLA成形件的主要應用直接制作各種樹脂樣品件或功能件，用作結(jié)構驗證和功能測試；制作精細零件；制造有透明效果的制件；制作出的原型件可快速翻制各種模具；代替熔模精密鑄造中的消失模用來生產(chǎn)金屬零件。(4)SLA材料的應用現(xiàn)狀2、LOM材料(1)LOM材料種類 薄材疊層快速成形(LOM)是在基體薄片材料單面涂覆熱熔性黏結(jié)劑，LOM原型一般由薄片材料和黏結(jié)劑兩部分組成，薄片材料根據(jù)對原型性能要求的不同可分為：紙片材、金屬片材、陶瓷片材、塑料薄膜和復合材料片材。用于LOM紙基的熱熔性黏結(jié)劑按基體

21、樹脂類型分，主要有乙烯-醋酸乙烯酯共聚物型熱熔膠、聚酯類熱熔膠、尼龍類熱熔膠或其混合物。 目前LOM基體薄片材料主要是紙材紙材。這種紙由紙質(zhì)基底和涂覆的黏結(jié)劑、改性添加劑組成，它的成本較低，基底在切割成形過程中始終為固態(tài)，沒有狀態(tài)變化，因此翹曲變形小，最適合于中、大型零件的成形。表表9-3 KINERGY公司生產(chǎn)的紙基卷材公司生產(chǎn)的紙基卷材性性 能能型號型號 K01K02K03寬度寬度/mm300900300900300900厚度厚度/mm0.120.110.09粘結(jié)溫度粘結(jié)溫度/210250250成型后的顏色成型后的顏色淺灰淺灰淺黃淺黃黑黑成型過程翹曲變形成型過程翹曲變形很小很小稍大稍大小小

22、成型件表面硬度成型件表面硬度高高較高較高很高很高成型件耐溫性成型件耐溫性好好好好很好（很好（200）成型件表面拋光性成型件表面拋光性好好好好很好很好成型件表面光亮度成型件表面光亮度好好很好（類似塑料很好（類似塑料)好好成型件彈性成型件彈性一般一般好（類似塑料好（類似塑料)一般一般廢料分離性廢料分離性好好好好好好價格價格較低較低較低較低較高較高(2)LOM對黏結(jié)劑性能的基本要求 在LOM成形過程中，通過熱壓裝置的作用使得材料逐層粘接在一起，形成所需的制件。材料品質(zhì)的優(yōu)劣主要表現(xiàn)為成形件的粘接性能、強度、硬度、可剝離性、防潮性能等。 對于基體薄片材料要求厚薄均勻、力學性能良好并與黏結(jié)劑有較好的涂掛

23、性和粘接能力。 用于LOM的黏結(jié)劑通常為加有某些特殊添加組分的熱熔膠，它的性能要求是：p 良好的熱熔冷固性能(室溫下固化)；p 在反復“熔融一固化”條件下其物理化學性能穩(wěn)定；p 熔融狀態(tài)下與薄片材料有較好的涂掛性和涂勻性；p 足夠的粘接強度；p 良好的廢料分離性能。(3)LOM成形件的主要應用 LOM原型的用途不同，對薄片材料及其黏結(jié)劑的要求也不同，LOM成形件主要用于以下方面：直接制作紙質(zhì)功能制件，用作新產(chǎn)品開發(fā)中工業(yè)造型的外觀評價、結(jié)構設計驗證。利用材料的粘接性能，既可制作尺寸較大的制件，也可制作復雜薄壁件。通過真空注塑機制造硅橡膠模具，試制少量新產(chǎn)品?？焖僦颇＃篴采用薄材疊層制件與轉(zhuǎn)移涂料技術制作鑄件和鑄造用金屬模具；b采用薄材疊層方法制作鑄造用消失模；c制造石蠟件的蠟模、熔模精密鑄造中的消失模。 (4)LOM材料的應用現(xiàn)狀 LOM技術常用原材料是紙、金屬箔、塑料薄膜、陶瓷膜等，除了可以制造模具、模型外，還可以直接制造結(jié)構件或功能件。 LOM技術成形速率快，制造成本低，成形時無需特意設計支撐，材料價格也較低。但薄壁件、細柱狀件的廢料剝離比較困難，而且由于材料薄膜厚度有限制，未經(jīng)處理的表面不光潔，需要進行再處理，后處理時需要熟練的操作人員。 3、SLS材料 選擇性激光燒結(jié)成形(SLS)中使用的是微米級粉末