第九激光快速成形技术

1、第九章第九章 激光快速成形技激光快速成形技术术【学习目的与要求】 通过本章的学习，加深学生对材料的成形方式，尤其是添加成形方式以及激光快速成形技术的基本思想和成形特点的理解；掌握激光立体光固化成形(SLA)技术、激光薄片叠层制造(LOM)技术、选择性激光烧结(SLS)技术、激光熔覆成形(LCF)技术和激光诱发热应力(LF)技术等；对激光快速成形技术的应用场合有一个全貌的了解和认识；为将来从事科学研究或生产企业的技术研发建立一定的技术基础。第第9 9章章 激光快速成形技术激光快速成形技术 激光快速成形(laser rapid prototyping，LRP)技术是利用激光为工具，通过逐点、逐面进

2、行材料的“三维堆砌”成形，再经过必要的处理，使其在外观、强度和性能等方面达到设计要求，能够快速、准确地制造原型或实际零件、部件，而无需传统的机械加工机床和模具的技术。 激光快速成形技术的基本原理基本原理：首先在计算机中生成零件的三维CAD模型，然后将模型按一定的厚度切片分层，即将零件的三维几何信息转换成一系列二维轮廓信息，随后在计算机的控制下，用同步送粉(或送丝)激光熔覆的方法将粉末材料按照二维轮廓信息逐层堆积，最终形成三维实体零件。 原型是能基本代表零部件性质和功能的试验件，从表面质量、色彩等方面可具有零部件的特征，但不具备或不完全具备零部件的功能。l 零部件最终产品，具有最佳特性、功能和成

3、本。l 原 型一般数量较少，主要是用于实体观察、分析、试验、校核、展示、直接使用或间接制造模具。 在设计部门内部、其他部门以及市场上的用户之间、原型是交流设计概念的最好工具。 原型可以由两种方法产生：一种方法是利用已有的知识和技术，按目的要求进行设计、加工或由设计者利用CADCAM系统，通过构想在计算机上建立原型的三维数字模型并加工成实物；另一种方法则是通过反求技术实现，即由用户提供一个实物样品，原封不动或经过局部修改后得对这个样品的复制品或仿制品。原型制造是设计、建造原型的过程。根据现代成形学的观点，可把成形方式分为以下几类。 (1)去除成形(dislodge forming) (2)添加成

4、形(additive forming) (3)受迫成形(forced forming) (4)生长成形(growth forming)项目项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产生切屑，材料利产生切屑，材料利用率低用率低产生工艺废料，如产生工艺废料，如浇冒口、飞边等浇冒口、飞边等材料利用率高，大材料利用率高，大多数工艺可达多数工艺可达100产品精度与性能产品精度与性能通常为最终成形，通常为最终成形，精度高精度高多用于毛坯制造，多用于毛坯制造，属静成形或近成形属静成形或近成形范畴范畴属静成形范畴，精属静成形范畴，精度较好度较好制造零件的复杂程制造零件的复杂程度度

5、受刀具或模具等形受刀具或模具等形状限制，无法制造状限制，无法制造太复杂的曲面和异太复杂的曲面和异形深空等形深空等受模具等工具的形受模具等工具的形状限制，无法制造状限制，无法制造太复杂的曲面太复杂的曲面可制造任意复杂形可制造任意复杂形状的零件状的零件 笼统地讲，快速成形属于添加成形添加成形。严格地讲，快速成形应该属于离散堆积成形离散堆积成形，即依据计算机上构成的零件三维设计模型，利用快速成形机对其进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓图，并按照这些轮廓图逐步顺序叠加成三维零件。 这种新技术的思路源于三维实体被切割成一系列微小单元的逆过程，通过不断地把材料按指定路径添加到未完成的制件上，采用聚合、黏

6、结、熔结、烧结等化学的和(或)物理的手段，有选择性地固化液体或黏结固体材料，从而制作出所要求形状的原型或零部件。通常，原型或零件是逐层累积起来的，并最终达到设计的式样和性能要求。(a)工件(a)工件(b)切片(b)切片 (c)分层自由成型(c)分层自由成型 (d)叠加零件(d)叠加零件图9-1激光快速制造的原理体离散体离散面离散面离散线离散线离散线叠加线叠加面叠加面叠加后处理后处理有序面有序面有序线有序线有序点有序点点点叠叠加加图9-2激光快速制造的离散/堆积过程 (a) 传统加工 (b)快速成型 图9-3激光快速制造过程(1)前处理 产品三维模型的构建。三维模型的近似处理。三维模型的切片处理

7、。根据被加工模型的特征选择合适的加工方向加工方向，在成形高度方向上用一系列一定间隔一定间隔的平面切割近似后的模型，以便提取截面的轮廓信息。间隔越小，成形精度越高，但成形时间也越长，效率就越低；反之则精度低，但效率高。(2)分层叠加自由(3)后处理 (1)制造过程快速 (2)制造过程高度柔性(3)技术高度集成(4)可用材料丰富(5)经济效益显著(6)应用领域广泛 快速成形制造技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法去除大于工件的毛坯上的材料来得到工件，而采用全新的“增长”加工法用一层层的小毛坯逐步叠加成大工件，将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合。因此它不必采用传统的加工机床和加工模具，只需传统

8、加工方法1030的工时和2035%的成本，就能直接制造出产品样品或模具。 目前，激光器种类繁多，性能各异，用途也多种多样。要根据使用要求，合理选用激光器的种类，重点是考虑其输出激光的波长、功率和模式。还要考虑在加工现场的环境下运行的可靠性，调整和维修的方便性，以及投资和运行费用等。(1)He-Cd激光器激光器 SLA工艺中使用He-Cd激光器(2)Ar+激光器激光器 Ar+激光器也是用于SLA工艺中(3)CO2激光器激光器 SLS和LOM两种工艺中都使用C02激光器CO2激光器的基本原理。封离型CO2激光器。 激光快速成形技术包括很多种工艺方法，其中相对比较成熟的有立体光固化成形(SLA)技术

9、、激光薄片叠层制造(LOM)技术、选择性激光烧结(SLS)技术、激光熔覆成形(LCF)技术和激光诱发热应力(LF)技术等。 立体光固化成形(SLA)技术是美国3D-Systems公司推出的最早的LRP技术实用化产品。它由液槽、可升降工作台、激光器、扫描系统和计算机控制系统等组成。 它以光敏树脂为原料，在计算机的控制下，紫外线按零件各分层截面数据对液态光敏树脂表面逐点扫描，使被扫描区域的树脂薄层产生聚合反应而固化，形成零件的一个薄层；一层固化完毕后，工作台下降，在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，以便进行下一层扫描固化；新固化的一层牢固地黏合在前一层上；如此重复直到整个零件原型制作完毕

10、。 图9-9 激光立体印刷成形原理图激光立体印刷成形具有以下优点：p 精度高。p 成形速率较快。p 扫描质量好。p 关键技术得到解决。但这种成形方法也有自身的局限性，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。 激光薄片叠层制造(LOM)技术是由美国Helisys公司于1986年研制成功的。它由计算机、原材料存贮及送进机构、热压装置、激光切割系统、可升降工作台和数控系统、模型取出装置和机架等组成。 首先采用激光或刀具对薄片材料进行切割，切割部分包括二维截面形状，以及将不属于原型材料的部分切割成网格状。通过热压辊的热压以及工作台的升降，可以切割出一层新的层片，并将其和前一个层片

11、黏结在一起，层层叠加后得到一个块状物，将不属于原型的材料剥离，就获得所需的三维实体。图9-10分层实体制造成形原理图图9-11 无轮廓区切割成小方网格 分层实体制造工艺与立体印刷成形工艺的主要区别在于将立体印刷成形中的光致树脂固化的扫描运动变为激光将立体印刷成形中的光致树脂固化的扫描运动变为激光切割薄膜运动。切割薄膜运动。这种工艺使用低能CO2激光器，成形的制件无内应力、无变形，因而精度较高，可达0.1mm/100mm。 激光束只需按照分层信息提供的截面轮廓线逐层切割而无需对整个截面进行扫描，且不需考虑支撑。所以这种方法与其他快速原型制造技术相比，还具有制作效率高、速度快、成本低等优点，具有较

12、广的应用前景。 这一技术常用的材料材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等，除了制造模具、模型外，还可以直接制造结构件或功能件。但由于材料薄膜厚度有限，未经处理的侧表面不够光洁，需要进行再处理，如打磨、抛光、喷油等。另外，当采用的金属片的厚度太薄时，所形成的零件的力学性能也会受到很大的影响。 选择性激光烧结(SLS)技术是由美国Texas大学Austin分校的Deckard于1989年研制成功的。 其工艺过程：用红外线板将粉末材料加热至恰好低于烧结点的某一温度，然后用计算机控制激光束，按原型或零件的截面形状扫描平台上的粉末材料，使其受热熔化或烧结。继而平台下降一个层厚，用热辊将粉末材料均匀地分布在前

13、一个烧结层上，再用激光烧结。如此反复，逐层烧结成形。这种工艺与立体印刷成形(SLA)基本相同，只是将SLA中的液态树脂换成在激光照射下可以烧结的粉末材料，并由一个温度控制单元优化的辊子铺平材料以保证粉末的流动性，同时控制工作腔热量使粉末牢固黏结。图9-12 选择性激光烧结成形原理图选择性激光烧结成形特点如下:l 可采用多种材料。l 制造工艺比较简单。l 高精度。l 成本较低，可制备复杂形状零件，但成形速率较慢，由于粉体铺层密度低导致精度较低和强度较低。 激光选择性烧结技术常用原料是塑料、蜡、陶瓷、金塑料、蜡、陶瓷、金属以及它们的复合物的粉体。属以及它们的复合物的粉体。用蜡可作精密铸造蜡模，用热

14、塑性塑料可作消失模，用陶瓷可作铸造型壳、型芯和陶瓷件，用金属可作金属件。目前大多数激光选择性烧结技术研究集中在生产金属零件上。 激光熔覆快速成形制造技术也称近形技术、直接光制造技术、直接金属沉积技术和激光共凝固技术，是近年来在激光熔覆技术和快速原型技术的基础上发展起来的一种新技术。 LCF技术的工作原理与SLS技术基本相同，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。 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、扫描速率、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和强度有影响。激光熔覆成形能制成非常致密的金属

15、零件，因而具有良好的应用前景。 图9-13 激光熔覆快速成形原理图激光熔覆快速成形的突出优点如下:具有高度的柔性；生产周期短，效率高；提高了设计的灵活性；应用范围广阔；可加工材料广泛；组织性能好； 热胀冷缩是金属材料固有的物理性质，当其受到不均匀加热时，材料内部便会产生热应力，致使构件产生扭曲。如果热应力超过材料的屈服极限，材料便会产生永久的塑性变形，甚至出现裂纹而失效。因此，实际生产中往往尽量避免不均匀加热的产生。但是如果由不均匀加热而产生的热应力的大小及方向控制得当，使由此产生的塑性变形朝着预定的方向发展时，这种热应力成形方法便成为一种有效的塑性加工手段。 激光诱发热应力成形技术就是一种利

16、用高能激光束扫描金属板或金属管表面时形成的不均匀温度场所导致的热应力来实现金属成形的方法。图9-14 激光热应力成形原理图激光诱发热应力成形技术具有下列特点： 属无模具成形。 为无外力成形。 为非接触式成形。 为热态累积成形。u (1)LRP技术与CAD技术之间的关系;u (2)LRP技术与激光技术间的关系;u (3)LRP技术与数控技术间的关系;u (4)LRP技术与材料科学间的关系;u (5)LRP技术与检测技术间的关系;u (6)LRP技术与其他相关学科问的关系。 材料的物理状态 液体材料、薄片材料、粉末材料等。 材料的化学性能 树脂类材料、石蜡材料、金属材料、陶瓷材料及其复合材料等 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类常用的激光快速成型材料分类材料形态材料形态液态液态固态粉末固态粉末固态片材固态片材非金属非金属金属金属材料名称材料名称光固化树脂光固化树脂蜡粉蜡粉尼龙粉尼龙粉塑料粉塑料粉陶瓷粉陶瓷粉覆膜砂粉覆膜砂粉等等金属粉金属粉覆膜金属粉覆膜金属粉纸纸塑料塑料+粘结剂粘结剂陶瓷箔陶瓷箔+粘结剂粘结剂金属箔金属箔+粘结剂粘结剂等等成型方法成型方法SLASLSLOM 有利于快速精确地加工原型零件； 当原型直接用作制件、模具时，原型的力学性能和物理化学性能(强度、刚度、热稳定性、导热性和导电性、加工性等)要满足使用要求； 当

18、原型间接使用时，其性能要有利于后续处理工艺。1、SLA材料材料(1)SLA材料的种类与系列 SLA技术主要用到的材料为光敏环氧树脂、光敏乙烯醚、光敏环氧丙烯酸酯、光敏丙烯树脂。(2)SLA对材料性能的基本要求 SLA原型材料一般都是液态光敏树脂，它要求在一定频率的单色光的照射下迅速固化并具有较小的临界曝光和较大的固化穿透深度，固化时树脂的收缩率要小(如果树脂的收缩率较小，SLA制件的变形就小，精度也会较高)，SLA原型要具有足够的强度和良好的表面粗糙度，且成形时毒性较小。 应用于SLA技术的光敏树脂，通常由两部分组成，即光引发剂和树脂，其中树脂由预聚物、稀释剂及少量助剂组成。光敏树脂是激光固化

19、快速成形制作的基材，其性能特征对成形零件的质量具有决定性影响。用于SLA法光固化树脂一般应具有以下性能：黏度低，低黏度树脂有利于成形中树脂较快流平；固化速率快，树脂的固化速率直接影响成形的效率，从而影响到经济效益；固化收缩小，光敏树脂在固化过程中，经过一个从液态向固态转变的变化过程，这种变化常会引起树脂的线型和体积收缩，固化收缩导致零件产生变形、翘曲、开裂等，从而影响到成形零件的精度，降低树脂的收缩量是光敏树脂研制过程中的主要目标，低收缩性树脂有利于成形出高精度零件；一次固化程度高，这样可以减少后固化收缩，从而减少后固化变形；湿态强度高，较高的湿态强度可以保证后固化过程不产生变形、膨胀及层间剥

20、离；溶胀小，湿态成形件在液态树脂中的溶胀会造成零件尺寸偏大；毒性小，这有利于操作者的健康和不造成环境污染。(3)SLA成形件的主要应用直接制作各种树脂样品件或功能件，用作结构验证和功能测试；制作精细零件；制造有透明效果的制件；制作出的原型件可快速翻制各种模具；代替熔模精密铸造中的消失模用来生产金属零件。(4)SLA材料的应用现状2、LOM材料(1)LOM材料种类 薄材叠层快速成形(LOM)是在基体薄片材料单面涂覆热熔性黏结剂，LOM原型一般由薄片材料和黏结剂两部分组成，薄片材料根据对原型性能要求的不同可分为：纸片材、金属片材、陶瓷片材、塑料薄膜和复合材料片材。用于LOM纸基的热熔性黏结剂按基体

21、树脂类型分，主要有乙烯-醋酸乙烯酯共聚物型热熔胶、聚酯类热熔胶、尼龙类热熔胶或其混合物。 目前LOM基体薄片材料主要是纸材纸材。这种纸由纸质基底和涂覆的黏结剂、改性添加剂组成，它的成本较低，基底在切割成形过程中始终为固态，没有状态变化，因此翘曲变形小，最适合于中、大型零件的成形。表表9-3 KINERGY公司生产的纸基卷材公司生产的纸基卷材性性 能能型号型号 K01K02K03宽度宽度/mm300900300900300900厚度厚度/mm0.120.110.09粘结温度粘结温度/210250250成型后的颜色成型后的颜色浅灰浅灰浅黄浅黄黑黑成型过程翘曲变形成型过程翘曲变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较高较高很高很高成型件耐温性成型件耐温性好好好好很好（很好（200）成型件表面抛光性成型件表面抛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（类似塑料很好（类似塑料)好好成型件弹性成型件弹性一般一般好（类似塑料好（类似塑料)一般一般废料分离性废料分离性好好好好好好价格价格较低较低较低较低较高较高(2)LOM对黏结剂性能的基本要求 在LOM成形过程中，通过热压装置的作用使得材料逐层粘接在一起，形成所需的制件。材料品质的优劣主要表现为成形件的粘接性能、强度、硬度、可剥离性、防潮性能等。 对于基体薄片材料要求厚薄均匀、力学性能良好并与黏结剂有较好的涂挂

23、性和粘接能力。 用于LOM的黏结剂通常为加有某些特殊添加组分的热熔胶，它的性能要求是：p 良好的热熔冷固性能(室温下固化)；p 在反复“熔融一固化”条件下其物理化学性能稳定；p 熔融状态下与薄片材料有较好的涂挂性和涂匀性；p 足够的粘接强度；p 良好的废料分离性能。(3)LOM成形件的主要应用 LOM原型的用途不同，对薄片材料及其黏结剂的要求也不同，LOM成形件主要用于以下方面：直接制作纸质功能制件，用作新产品开发中工业造型的外观评价、结构设计验证。利用材料的粘接性能，既可制作尺寸较大的制件，也可制作复杂薄壁件。通过真空注塑机制造硅橡胶模具，试制少量新产品。快速制模：a采用薄材叠层制件与转移涂料技术制作铸件和铸造用金属模具；b采用薄材叠层方法制作铸造用消失模；c制造石蜡件的蜡模、熔模精密铸造中的消失模。 (4)LOM材料的应用现状 LOM技术常用原材料是纸、金属箔、塑料薄膜、陶瓷膜等，除了可以制造模具、模型外，还可以直接制造结构件或功能件。 LOM技术成形速率快，制造成本低，成形时无需特意设计支撑，材料价格也较低。但薄壁件、细柱状件的废料剥离比较困难，而且由于材料薄膜厚度有限制，未经处理的表面不光洁，需要进行再处理，后处理时需要熟练的操作人员。 3、SLS材料 选择性激光烧结成形(SLS)中使用的是微米级粉末