激光加工研究生课程讲义

1、RP/M技术概述技术概述21 21世纪是知识经济和信息社会为特征的时代世纪是知识经济和信息社会为特征的时代, ,制造业面临信息社会中瞬息制造业面临信息社会中瞬息万变的市场对小批量多品种产品要求的严峻挑战。在制造业日趋国际化的万变的市场对小批量多品种产品要求的严峻挑战。在制造业日趋国际化的状况下状况下, ,缩短产品开发周期和减少开发新产品投资风险缩短产品开发周期和减少开发新产品投资风险, ,成为企业赖以生存成为企业赖以生存的关键。的关键。我国政府在我国政府在“九九 五五”的第一年就将该技术列入的第一年就将该技术列入“九九 五五”攻关攻关项目，同时，项目，同时，“九九 五五”国家科技攻关中，把先进

2、制造技术列为重点资助国家科技攻关中，把先进制造技术列为重点资助的领域之一，而先进制造技术中的几项重要内容，如的领域之一，而先进制造技术中的几项重要内容，如: :精密成型、精密成型、CADCAD推推广应用、并行设计和并行工程、敏捷制造、虚拟制造等技术方面都与广应用、并行设计和并行工程、敏捷制造、虚拟制造等技术方面都与RP/RMRP/RM有关，甚至主要以有关，甚至主要以RP/RMRP/RM技术为技术为支撑。支撑。从从3D3D公司与克莱斯勒公司公司与克莱斯勒公司的第一次合作开始的第一次合作开始,RP,RP技术已经在许多领域里得到了应用技术已经在许多领域里得到了应用, , 其应用范围主其应用范围主要在

3、设计检验、市场预测、工程测试要在设计检验、市场预测、工程测试( (应力分析应力分析, ,风道等风道等) )、装配测试、模具、装配测试、模具制造、医学、美学等领域。近年来制造、医学、美学等领域。近年来, ,该技术迅速在工业造型、制造、建筑、该技术迅速在工业造型、制造、建筑、艺术、医学、航空、航天、考古和影视等领域得到良好应用，并且还在向艺术、医学、航空、航天、考古和影视等领域得到良好应用，并且还在向新的领域发展。新的领域发展。RP/RMRP/RM技术经过十几年的发展技术经过十几年的发展, ,设备与材料两方面都有了设备与材料两方面都有了长足的进步。这种直接从概念设计迅速转为产品的设计长足的进步。这

4、种直接从概念设计迅速转为产品的设计- -生产模式生产模式, ,必然是必然是21 21世纪中制造技术的主流。随着技术的进步世纪中制造技术的主流。随着技术的进步, RP/RM, RP/RM技术还会大踏步地向技术还会大踏步地向前发展前发展, ,并将成为许多设计公司、制造公司、研究机构和教育机构等的基并将成为许多设计公司、制造公司、研究机构和教育机构等的基本技术和装备。本技术和装备。 前言前言快速成形原理快速成形原理快速成形技术快速成形技术(Rapid PrototypingRP) (Rapid PrototypingRP) 通过通过CADCAD或者三维数字化仪将或者三维数字化仪将实体零件转化为数值模

5、型；再将数值模型转化为实体零件转化为数值模型；再将数值模型转化为STLSTL文件格式，用文件格式，用分层软件将数值模型在高度方向上分成一系列具有一定厚度的二维分层软件将数值模型在高度方向上分成一系列具有一定厚度的二维薄层；最后在计算机的控制下，根据二维薄层的几何信息控制激光薄层；最后在计算机的控制下，根据二维薄层的几何信息控制激光束和工作台的运动，选择性地固化或粘结某一区域，成形出实体零束和工作台的运动，选择性地固化或粘结某一区域，成形出实体零件水平方向上的二维层面，后续材料与已固化层粘结，逐渐堆积而件水平方向上的二维层面，后续材料与已固化层粘结，逐渐堆积而成一个三维实体零件。成一个三维实体零

6、件。 到目前为止，已经有几十种商品化的到目前为止，已经有几十种商品化的RPRP技术出现技术出现。其中典型的商品其中典型的商品化快速成形技术如表所示。化快速成形技术如表所示。 技术名称工作方式每层厚度（mm）堆积层数/小时表面平整度液体光敏树脂固化逐点激光固化0.100.50可调节5m熔融沉积成形挤压蜡或热塑性树脂0.020.12可调节0.1%零件尺寸实体叠层制造成型片材粘合0.050.50可调节0.127mm分层固化掩膜曝光固化0.100.15601000.1%零件尺寸选择激光烧结粉末层激光烧结0.12804000.1250.25mm3D喷射印刷粉末上喷射粘结剂0.0760.2540.10.5

7、mmRP/RMRP/RM技术应用发展很快。国外技术应用发展很快。国外RP/MRP/M服务的数量以每年服务的数量以每年59%59%的速度递增，从的速度递增，从19921992年的年的4242个发展到个发展到19961996年年284284个，个，19971997年的年的331331个。服务机构购置的设备占设备拥有量的个。服务机构购置的设备占设备拥有量的29%29%，19951995年服务机构的总收入达到年服务机构的总收入达到1.921.92亿美元。亿美元。归纳来说，归纳来说，RPRP技术有以下应用特点技术有以下应用特点: :国外国外RP/RM技术的研究和应用主要集中在美国、欧洲和日本。中国发展了

8、技术的研究和应用主要集中在美国、欧洲和日本。中国发展了SLA、LOM、FDM、SLS四种四种RP/RM工艺和设备，其中进行工艺和设备，其中进行SLA工艺研工艺研究的有西安交通大学，清华大学，究的有西安交通大学，清华大学，LOM工艺研究的有清华大学、华中科技工艺研究的有清华大学、华中科技大学，大学，FDM工艺研究的有清华大学，工艺研究的有清华大学，SLS工艺研究的在北京隆源公司、南工艺研究的在北京隆源公司、南京航空航天大学等。国内在材料方面进行的研究较少，现在研究的材料主京航空航天大学等。国内在材料方面进行的研究较少，现在研究的材料主要是要是SL用料用料光固化树腊（西安交大、清华大学、浙江大学）

9、，光固化树腊（西安交大、清华大学、浙江大学），FDM用用料料腊、腊、ABS及尼龙（清华大学），及尼龙（清华大学），LOM用料用料涂敷纸（华中科技大学、涂敷纸（华中科技大学、清华大学），清华大学），SLS用料用料树脂蜡、工程塑料（北京隆源公司）等。树脂蜡、工程塑料（北京隆源公司）等。国内各单位都在研究并自行开发从国内各单位都在研究并自行开发从CAD数据文件到数据文件到RP/RM的转换和处理程的转换和处理程序。反求工程是序。反求工程是RP/RM前端数据转换和处理的重要内容。当前国内进行前端数据转换和处理的重要内容。当前国内进行RP/RM领域反求工程研究的有：清华大学激光快速成型中心的照片反求领域反

10、求工程研究的有：清华大学激光快速成型中心的照片反求CT反求：西安交通大学研创的激光扫措法、层除法实验设备。有关单位开反求：西安交通大学研创的激光扫措法、层除法实验设备。有关单位开展了展了RP/RM后端应用技术的研究。后端应用技术的研究。RP/RM 后端应用技术主要是指从后端应用技术主要是指从RP/RM 到到RT转换的工艺和设备。清华大学正在研究大型陶瓷型技术，尺转换的工艺和设备。清华大学正在研究大型陶瓷型技术，尺寸凝固模拟技术等。西安交通大学研究了从原型到石墨电极的制备方法并寸凝固模拟技术等。西安交通大学研究了从原型到石墨电极的制备方法并开发了相应设备开发了相应设备GET500A。 最近最近,

11、 RP/RM的应用出现如下新动向的应用出现如下新动向:(1)金属板材成形，该技术利用金属板材成形，该技术利用RP模模型制作成形模具型制作成形模具,通过液压机成形小批量的金属零件。通过液压机成形小批量的金属零件。(2) 复杂的功能测试，复杂的功能测试，主要用于流体和气体的流动测试主要用于流体和气体的流动测试, 包括利用高温材料的包括利用高温材料的RP原型进行发动机原型进行发动机和泵的功能测试。和泵的功能测试。(3)在生物学和医学上的应用，美国一个研究小组利用在生物学和医学上的应用，美国一个研究小组利用RP技术制造人工肺和人工心脏；而另一个研究小组则在小光斑激光技术制造人工肺和人工心脏；而另一个研

12、究小组则在小光斑激光SLA系系统上，用一种类生物材料建造生物组织（如：肌肉）。还有利用统上，用一种类生物材料建造生物组织（如：肌肉）。还有利用RP技术帮技术帮助发展新的医疗装置等。助发展新的医疗装置等。(4)在艺术上的应用，利用在艺术上的应用，利用RP技术建立佛像模型技术建立佛像模型和数字雕刻。和数字雕刻。(5)金属和陶瓷零件成形，已开始有应用。金属和陶瓷零件成形，已开始有应用。(6)制造彩色制件，制造彩色制件，目前已能制作具有目前已能制作具有2种色彩的制件种色彩的制件(如牙模如牙模)。从以上所述可以看到：（从以上所述可以看到：（1）RP/RM技术正在向着多种材料复合成型方向技术正在向着多种材

13、料复合成型方向发展，无需装配一次制造多种材料、复杂形状的零件和器件。这种将材料发展，无需装配一次制造多种材料、复杂形状的零件和器件。这种将材料制备与结构成型一体化的快速成型方法，将为开发复合结构成型提供新途制备与结构成型一体化的快速成型方法，将为开发复合结构成型提供新途径，在微机械、电子元器件、电子封装、传感器等领域有广泛的应用前景。径，在微机械、电子元器件、电子封装、传感器等领域有广泛的应用前景。（2）RP/RM技术将向降低成本、提高效率、简化工艺的方向发展，其目技术将向降低成本、提高效率、简化工艺的方向发展，其目的是普及的是普及RP/RM技术和提高技术和提高RP/RM技术的应用范围。（技术

14、的应用范围。（3）提高成型件的）提高成型件的精度、表面质量、力学和物理性能，为进一步进行模具加工和功能实验提精度、表面质量、力学和物理性能，为进一步进行模具加工和功能实验提供基础。供基础。1.液体光敏树脂固化液体光敏树脂固化 (Stereolithography Apparatus)：SLA技术于技术于1987年获美国专年获美国专利，美国利，美国3D System公司在公司在1988年推出第一台商用机器年推出第一台商用机器SLA-I。SLA的成形原理是利的成形原理是利用光敏树脂受用光敏树脂受(UV)激光辐照后，由液体变为固体激光辐照后，由液体变为固体的性质。UV激光束在计算机的控制下，沿零件数

15、字模型各分层的轮廓线和内部网格线，在光敏树脂表面进行扫描，受到紫外激光束扫描的一层液体树脂就会变成固体塑料，层层扫描固化而变为一个三维实体。SLA技术在制造薄壁零件方面具有独特的优越性。从目前的状态来看，SLA的制造精度最高。缺点是液体材料价格昂贵，并且对人体有一定的毒害作用。2. 选择激光烧结选择激光烧结(Selective laser sintering-SLS)：是卡尔是卡尔 戴克得戴克得 (Carl Deckard)于于1986年为美国年为美国DTM公司研发的一种快速成形技术。公司研发的一种快速成形技术。SLS技术适用于：尼龙、玻璃技术适用于：尼龙、玻璃钢、人造橡胶、石蜡、聚碳酸酯、陶

16、瓷、铁、锡等材料。在成形过程中，粉末被预钢、人造橡胶、石蜡、聚碳酸酯、陶瓷、铁、锡等材料。在成形过程中，粉末被预热到稍低于其熔点，然后激光扫描零件各分层几何路径来加热粉末使其达到热到稍低于其熔点，然后激光扫描零件各分层几何路径来加热粉末使其达到“烧结烧结温度温度”。从而把它与基体材料连接到一起。未被激光扫描的粉末仍留在原处。烧结。从而把它与基体材料连接到一起。未被激光扫描的粉末仍留在原处。烧结好一层后将工作台下降一层的高度再烧结第二层，一直到制造出整个零件。好一层后将工作台下降一层的高度再烧结第二层，一直到制造出整个零件。SLS成成形出的零件还要经过后续工序形出的零件还要经过后续工序(CIP、

17、WIP、HIP)处理才能得到致密件。处理才能得到致密件。在SLS技术的基础上，开发了直接激光烧结（Direct selective laser sintering）技术，该技术的成形原理SLS技术相似，不同的是，DLS技术用高功率的激光器直接将金属粉末熔化，可直接获得致密度80%的金属零件，并且几乎不用后处理工序。直接激光烧结的新型商用机器是美国DTM公司的Sinterstation 2500。在汽车和航空制造业中有更大的用途。3. 三维喷射印刷成形三维喷射印刷成形 (Three Dimensional Printing)：TDP技术是美国技术是美国MIT机械工机械工程系和材料工程系等联合研制

18、开发出来的。目前已转让给程系和材料工程系等联合研制开发出来的。目前已转让给Soligen公司并已很好地公司并已很好地商品化。它的工作原理是根据零件的商品化。它的工作原理是根据零件的 CAD模型的分层几何信息，将树脂经过精细的喷头，有选择地喷射到铺覆好的金属或陶瓷粉末上，将其凝结成一个层面，没有被喷射到树脂的粉末仍然为离散状态且镶嵌在已成形的部分之间成为其支撑，逐层加工，直到成形出整个零件。最后经后处理工序，对其进行烧结、去除树脂并提高强度，从而获得最终的产品（陶瓷型产品）。对由金属粉烧结后获得的原型，可以通过浸渗低熔点的金属，最终获得一个金属基的复合材料模型。图1.4 TDP 技术成形原理TD

19、P技术的最新发展是不用粘结剂，而是将要成形的陶瓷粉末制成一种可挥发的“陶瓷墨水”，在计算机的控制下在基板上一层一层地扫描出零件来。这种方法可用于制备精密的陶瓷零件，特别在功能陶瓷方面，如多层陶瓷线路，复杂结构的多功能陶瓷复合材料等。4. 直接制壳铸造直接制壳铸造(Direct Shell Production Casting)：是是1989年由年由MIT的的Emanual Sachs发明，由发明，由Soligen公司进行市场化。公司进行市场化。DSPC把把CAD模型转模型转换成原型样品和压铸模，然后以类似熔膜铸造出金属零件。换成原型样品和压铸模，然后以类似熔膜铸造出金属零件。DSPC技术技术与

20、与SLS不同之处在于：在不同之处在于：在SLS中是采用激光作为烧结工具，而在中是采用激光作为烧结工具，而在DSPC中采用粘接剂代替激光而无需烧结过程。从喷头向粉表面喷射粘接剂，中采用粘接剂代替激光而无需烧结过程。从喷头向粉表面喷射粘接剂，粘结剂一接触粉末，就便粉末固化而没有被粘接的粉末则可同时起着粘结剂一接触粉末，就便粉末固化而没有被粘接的粉末则可同时起着支撑的作用。这样的工作按模型的切片，一层一层的构筑出原型。支撑的作用。这样的工作按模型的切片，一层一层的构筑出原型。DSPC系统能检测出自己的印刷缺陷，还可不受几何形状与模具制造的系统能检测出自己的印刷缺陷，还可不受几何形状与模具制造的限制而

21、加工出任何设计。限制而加工出任何设计。图1.6 DSPC技术成形原理5. 熔融沉积成形技术（熔融沉积成形技术（Fused Deposition Modeling）：）：FDM技术由美国技术由美国Stratasys 公司于公司于1988年发明，并已经实现商品化。年发明，并已经实现商品化。其其工艺特点是不采用激工艺特点是不采用激光作为加热源，因而价格便宜。所采用的成形材料和设备费用也较低廉。光作为加热源，因而价格便宜。所采用的成形材料和设备费用也较低廉。FDM使用蜡丝或树脂细丝（直径一般为使用蜡丝或树脂细丝（直径一般为1.8mm）作为原料，层厚控制在）作为原料，层厚控制在0.254mm。FDM采用

22、一种加热的精细喷头将石蜡或树脂丝熔化，并利用丝采用一种加热的精细喷头将石蜡或树脂丝熔化，并利用丝材的送进力将熔体挤出，在计算机的控制下进行二维扫描，喷出的石蜡犹材的送进力将熔体挤出，在计算机的控制下进行二维扫描，喷出的石蜡犹如极细的丝状物而编织成一个层面，层层叠加最终形成如极细的丝状物而编织成一个层面，层层叠加最终形成一个三维实体。用石蜡制作的零件可以直接用作精密铸造的蜡模，当生产批量不大或形状很复杂时，可以有效减少制作蜡模的模具费用，大大加快产品开发速度。这种技术最大的优点是无污染、可用于办公室环境。图1.7 FDM成形原理图1.8成形的原型零件6. 实体叠层制造技术实体叠层制造技术(Lam

23、inated Object Manufacturing)：LOM技术是芝加哥技术是芝加哥Helisys公司于公司于1987年发明。年发明。1988年获得美国专利，该公司的年获得美国专利，该公司的LOM系统有两种：片系统有两种：片材材LOM系统和粉末系统和粉末LOM系统。日本的系统。日本的Kira公司和瑞典的公司和瑞典的SparxAB公司也分别推出公司也分别推出了基于了基于LOM工艺的工艺的SAHP系列机器和系列机器和Hot Plot Rapid Prototyping系统。片材系统。片材LOM系统使用塑料薄膜、纸片等材料，薄层材料一面涂有热敏感材料（如热熔胶）。当系统使用塑料薄膜、纸片等材料，

24、薄层材料一面涂有热敏感材料（如热熔胶）。当材料达到一定的温度时，施加外力使其很快粘结在一起，在每层加热加压粘结后，材料达到一定的温度时，施加外力使其很快粘结在一起，在每层加热加压粘结后，利用激光束在平面内进行轨迹切割，余下不要的部分可切割成网状，在零件加工完利用激光束在平面内进行轨迹切割，余下不要的部分可切割成网状，在零件加工完毕后除去，就可以得到所需的原型。毕后除去，就可以得到所需的原型。主要特点为：主要特点为：1)成形速率在成形速率在BP技术中最高。由技术中最高。由于该工艺不需要扫描整个模型截面，只要切割于该工艺不需要扫描整个模型截面，只要切割出内外轮廓，因而制模的时间主要取决于零件出内外

25、轮廓，因而制模的时间主要取决于零件的尺寸和制件的复杂程度；的尺寸和制件的复杂程度；2)设备价格低廉；设备价格低廉；3)造型材料成本低，制件价格远比造型材料成本低，制件价格远比SM制件便宜；制件便宜；4)造型材料一般选用单面涂有热熔胶的纸，成造型材料一般选用单面涂有热熔胶的纸，成形过程中，不存在收缩和翘曲变形，制件强度形过程中，不存在收缩和翘曲变形，制件强度和刚度高，几何尺寸稳定性好，可采用通常木和刚度高，几何尺寸稳定性好，可采用通常木材加工的方法对表面进行抛光；材加工的方法对表面进行抛光；5)不必进行文不必进行文撑设计，前期软件的工作量小。撑设计，前期软件的工作量小。7. 实体分层固化技术（实

26、体分层固化技术（Solid Ground Curing）：以色列）：以色列Cubital公司推出一公司推出一种快速成形制造实体模型系统，称为种快速成形制造实体模型系统，称为Solider 5600，其每分钟的加工速度为，其每分钟的加工速度为25.6cm3。Cubital公司的机器使聚合物的每一层通过一个掩膜在公司的机器使聚合物的每一层通过一个掩膜在2kw水银水银灯产生的紫外光下曝光而固化，擦掉未固化的液体材料，然后用蜡来代替灯产生的紫外光下曝光而固化，擦掉未固化的液体材料，然后用蜡来代替被擦掉的光聚合物，在将表面弄平整后，再在其上加另外一层光聚合物，被擦掉的光聚合物，在将表面弄平整后，再在其上

27、加另外一层光聚合物，并产生用于对它进行固化的另一掩膜。并产生用于对它进行固化的另一掩膜。每个横界面的景点图像由每个横界面的景点图像由CAD数据产生，然后用静电着色剂数据产生，然后用静电着色剂形成掩膜。掩膜和光聚合物在形成掩膜。掩膜和光聚合物在紫外灯下曝光后，就将掩膜去紫外灯下曝光后，就将掩膜去掉，准备进行下一次曝光。每掉，准备进行下一次曝光。每一层的标称厚度是一层的标称厚度是150m，但厚，但厚度可以在度可以在50500m之间控制。之间控制。SGC技术的突出优点是成形出技术的突出优点是成形出的零件尺寸精度高、制作时间的零件尺寸精度高、制作时间短。短。SLA技术成型的复杂零件TDP技术成型的零件

28、FDM技术成型的原型零件零件模型快速制造技术快速制造技术经过十几来的发展，快速成形技术早己突破了其最初意义上的经过十几来的发展，快速成形技术早己突破了其最初意义上的“原型原型”概概念，向着快速零件、快速工具等方向发展。就模具的快速制造而言，目前念，向着快速零件、快速工具等方向发展。就模具的快速制造而言，目前较为成熟的有间接制模与直接制模两种工艺，间接制模通常使用原型件进较为成熟的有间接制模与直接制模两种工艺，间接制模通常使用原型件进行模具模腔的翻制，如硅像胶模、环氧树脂膜、金属冷喷涂膜等；直接制行模具模腔的翻制，如硅像胶模、环氧树脂膜、金属冷喷涂膜等；直接制模工艺则通过快速成形系统直接成形模具

29、模腔模工艺则通过快速成形系统直接成形模具模腔“绿件绿件”，而后通过适当的，而后通过适当的后处理得到金属的模具模腔，例如美国后处理得到金属的模具模腔，例如美国mM公司公司 采用5路工艺烧结包强树脂的钢粉末制成模腔原型，经过渗铜和其它后处理得到钢铜合金的注塑模腔和模芯镶块。最近，间接法制模工艺正逐步转向直接制模工艺。以前着眼于小批量试制的简易模具，近来转向中等批量、甚至是大批量生产的准耐久模具的制造。这是因为与试制品制作领域相比，模具制造领域的市场规模更大，成长率更高。快速精铸技术(Quick-Casting)也是快速成形技术较为成熟的应用之一。目前来讲，快速精铸的实现主要有三种途径：烧失型铸造熔

30、模的快速制造、铸造型壳的快速制造与铸造压型的快速制造。在烧失型铸造熔模的快速制造方面，美国3D system公司通过SLA形成了较为成熟的工艺；在铸造型壳的快速制造方面，Soligen公司用3D-P原理制成陶瓷铸壳，DTM则采用SLS工艺烧结包覆树脂的陶瓷粉末材料制成陶瓷型壳。快速成形技术在修复医学上的应用是其近几年来发展的一个热点。快速制造技术快速制造技术目前，其应用主要集中在人工假体、人工活性骨等方面。在人工假体方面，目前主要是应用快速成形制作出假体的原型，然后翻制出金属假体，植入人体，取代受伤的器官而达到康复的目的；在人工活性骨方面，由于快速成形系统能够制作出多孔性结构，这一点尤其适于制

31、作多孔结构的人工骨。医疗过程中，快速成形系统首先使用可降解材料制成内部多孔疏松的代用骨，疏松孔中填冲活性因子，置人人体，即可代替人体骨，经过一段时间可降解材料被人体降解、吸收、钙化形成新骨。 RP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。响可与数控技术的出现相媲美。RP最初目的是能够快速、准确地制最初目的是能够快速、准确地制造出铸造用的模型和原型零件，在造出铸造用的模型和原型零件，在RP&M的发展过程中，主要注意力的发展过程中，主要注意力被投入在能否快速、准确制造出形状复杂的零件。而在零件

32、的强度、被投入在能否快速、准确制造出形状复杂的零件。而在零件的强度、塑性等力学性能方面则没有重点研究。用上述的几种快速成形技术来塑性等力学性能方面则没有重点研究。用上述的几种快速成形技术来制造能够实际使用的金属零件时，存在有一定的困难。制造能够实际使用的金属零件时，存在有一定的困难。采用目前发展起来的快速成形技术来制造金属零件时，多采用目前发展起来的快速成形技术来制造金属零件时，多采用树脂包覆的金属粉末或金属粉末与树脂粉末的混合物采用树脂包覆的金属粉末或金属粉末与树脂粉末的混合物为原料，通过激光扫描将金属粉末固结在一起，也可以采为原料，通过激光扫描将金属粉末固结在一起，也可以采用喷射粘结剂方法

33、将松散的金属粉末粘结成形。在成形后用喷射粘结剂方法将松散的金属粉末粘结成形。在成形后要经过脱粘、浸渗塑料、低熔点金属或铜来加强，可以制要经过脱粘、浸渗塑料、低熔点金属或铜来加强，可以制成镶块用在塑料注射模和压铸模中。如果在脱粘过程中，成镶块用在塑料注射模和压铸模中。如果在脱粘过程中，零件的尺寸发生收缩，之后再进行热等静压处理也可制成零件的尺寸发生收缩，之后再进行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。致密金属零件，但难以保证零件的尺寸精度。在在RP技术技术的基础上，产生了快速制造（的基础上，产生了快速制造（RMRapid Manufacturing，目前主要采用金属零件激光

34、快速成形技术）。以目前主要采用金属零件激光快速成形技术）。以RP/RM技技术为平台又延伸出，快速工具术为平台又延伸出，快速工具(RTRapid Tooling，国内，国内称快速模具称快速模具) 技术和再制造技术技术和再制造技术RT Refabrication Technology）。）。间接法直接法快速成形技术RP快速制造技术RM激光熔覆技术模型、金属零件(非致密非均质）金属零件(致密均质）表面强化、硬化处理再制造技术RT快速工(模)具RT再制造修复再制造修复复合材料功能梯度材料机敏零件计算机辅助设计数控工作台零件分层的二维几何信息计算机控制基板金属粉末流同轴送粉光束变换激光束直接激光烧结技术

35、是目前快速制造致密金属零件的主要技术。通常所称的直接激光烧结技术是目前快速制造致密金属零件的主要技术。通常所称的快速制造（快速制造（RMRM Rapid ManufacturingRapid Manufacturing）技术，主要是指该技术，又称激光快速）技术，主要是指该技术，又称激光快速成形技术。成形技术。RMRM技术的一般意义是包括技术的一般意义是包括RPRP技术的一种快速制造技术的广义描技术的一种快速制造技术的广义描述，也称作述，也称作SFFSFF Solid Freeform FabricationSolid Freeform Fabrication技术。技术。快速制造技术原理快速制造

36、技术原理快速制造技术介绍快速制造技术介绍 近十几年来，美国、德国、日本、英国等国家的研究结构和大学在政府资助下对激光快速成形技术进行了广泛研究。已经开发出了多种制造系统，如：激光近终形制造LENS（Laser Engineering Net Shaping），激光直接制造DLF(Directed Light Fabrication)。利用这些系统，开展了多种金属材料和各种金属零件成形工艺，破损模具和工具（包括零件）的修复，以及生物医用材料制造等方面的研究。从国内外的研究和应用情况看，该技术还是处于研究和不断完善阶段，但是在钛合金航空零件的快速制造，模具（工具）修复，破损零件修复等方面，已经达到

37、应用水平。有关专家预测未来金属零件激光快速成形技术将获得越来越广泛的应用。美国AeroMet Corp 所开发，该技术专门用来制造钛合金零件，产品达到近终形，成分和力学性能均达到ASTM标准。Lasform 工作现场LasformLasform系统：系统：18kWCO18kWCO2 2激光器激光器5 5轴数控机床轴数控机床成形控制系统成形控制系统空间：空间：3 33 31.2m1.2m3 3ArAr气保护气保护铣切沉积层CMB正在成形零件Controlled Metal Buildup Controlled Metal Buildup （CMBCMB）过程过程美国The University

38、of Michigan研究 DMD设备组成正在成形零件LENSLENS制造的零件，其尺寸精度，制造的零件，其尺寸精度，在在X X，Y Y方向为方向为0.05mm0.05mm，在，在Z Z方向方向为为0.38mm0.38mm。最近几年的进展：最近几年的进展：1. 1.制造成份梯制造成份梯度过渡的多材料结构；度过渡的多材料结构；2. 2.制造带制造带有均布内冷却水道的注射模；有均布内冷却水道的注射模；3. 3.开发了铝合金零件的制造和修开发了铝合金零件的制造和修复工艺；复工艺；4. 4.开发了工模具修复工开发了工模具修复工艺。艺。 材料沉积层方向与拉伸方向（粉末目数）抗拉强度/MPa屈服强度/MP

39、a延伸率%316不锈钢垂直（-325）垂直（100/325）平行（-325）退火棒（常规方法）79379380758644844859324166513350625镍基合金平行（100/325）垂直（100/325）退火棒（常规方法）931931834634517400383740Directed Light Fabrication (DLF) ：是美国Los Alamos National laboratory从1991年开始研究的金属零件近终形制造技术。其原理和LENS技术完全相似，采用的激光器为Nd：YAG，功率为1kw，沉积速率为12cm3/h。DLF的数控机床采用5轴运动，即工作台可

40、沿X、Y方向水平运动，同时可以在X-Y平面内围绕Z轴转动以及相对于Z轴进行倾斜，此外还配合有激光头在Z方向的垂直运动。使得DLF可以制造具有悬挂臂的金属零件。 图1.21 DLF成形过程图1.22 DLF制造的零件（a）注射模嵌入件（b）悬臂零件 （b）光反射器快速制造技术制造的零件快速制造技术制造的零件 DMD修复的零件 Lasform制造的Ti合金零件 SDM制造的Alcoa注射模 SDM制造的GM注塑模 快速模具快速模具目前我国汽车工业迅猛发展，正在开发自己的轿车车型，大型覆盖件金属模具的快速、低成本制造是决定轿车更新换代、参与竞争的最关键因素之一，而我国的模具制造业很难满足汽车工业发展

41、的需要，尤其是轿车大型覆盖件金属模具几乎全部依靠进口，价值数亿元。目前比较先进的汽车大型覆盖件金属模具制造技术是建立在轻型数控铣、大型精密数控铣和消失模铸造技术基础之上的，初期投资巨大，生产周期长，费用高。基于快速成形RP/RM技术的大型汽车覆盖件金属模具制造技术，是打破上述局面的很好出路。许多制造商发现RP/RM技术是缩短模具制造周期的关键。因此，RP/RM行业已将更多的精力投入到快速模具的研究上。以RP生成的实体模型作模心或模套，结合精铸、粉末烧结或电极研磨等技术可以快速制造出功能模具或工装设备，其制造周期较之传统的数控切削方法可缩短30%40%以上，而成本却下降35%70%。模具的几何复

42、杂程度愈高，这种效益愈显著。随着国民经济总量和工业产品技术的不断发展，各行各业对模具的需求量越来越大，技术要求也越来越高。业内专家认为，虽然模具种类繁多，但在十一五期间发展重点应该是既能满足大量需要，又有较高技术含量，特别是目前国内尚不能自给、需大量进口的模具和能代表发展方向的大型、精密、复杂、长寿命模具。这使得基于快速成型技术的快速模具制造具有很好的发展前景。用信息技术带动和提升模具工业的制造技术水平，是推动模具工业技术进步的关键环节。CADCAECAM技术在模具工业中的应用，快速原型制造技术的应用，使模具的设计制造技术发生了重大变革。金属模具的快速制造是技术的努力目标,将技术应用到模具制造

43、工艺中,可大大减少模具制造成本和周期。世界先进工业化国家的技术在经历了模型与零件试制、快速软模制造(,)的阶段后,目前正向快速硬模(金属模具)制造(,)方向发展,已成为国际上技术应用研究开发的重点。 快速模具制造技术有间接制模法和直接制模法，也称为软模、桥模和硬模。(1)软模(softtooling)通常指的是硅橡胶模具。用SLA、FDM、LOM或SLS等技术制作的原型,再翻成硅橡胶模具后,向模中灌注双组份的聚氨酯,固化后即得到模具零件。(2)桥模(bridgetooling)通常是指可直接进行注塑生产的环氧树脂模具。采用环氧树脂模具与传统注塑模具相比,成本只有传统方法的几分之一,生产周期也大

44、大减少。环氧树脂模具寿命不及钢模,但比硅胶模高,可达10005000件,可满足中小批量生产的需要。瑞士的Ciba精细化工公司开发了树脂模具系列材料CibaTool。(3)硬模(hardtooling)通常是指用RP技术间接制造金属模具和用RM技术直接制造金属模具。下图为几种主要快速制模方法的基本工艺路线。 间接制模法生产的模具表面质量和尺寸精度都较直接法高。在制作大型模具时间接制模法生产的模具表面质量和尺寸精度都较直接法高。在制作大型模具时, ,间接法较直接法具有更大的优势。目前用间接法较直接法具有更大的优势。目前用SLASLA、SLSSLS、FDMFDM或或LOMLOM方法加方法加工熔模铸造

45、中的蜡或树脂模型工熔模铸造中的蜡或树脂模型, ,是生产金属模具最主要的途径之一；也有是生产金属模具最主要的途径之一；也有利用利用LOMLOM模型及其它方法加工的制件作为母模来制作硅橡胶模模型及其它方法加工的制件作为母模来制作硅橡胶模, ,通过硅橡通过硅橡胶模来生产金属零件；还有利用胶模来生产金属零件；还有利用SLSSLS方法方法, ,选择合适的造型材料选择合适的造型材料, ,加工出可加工出可供浇注用的铸造型腔；以及利用原型件作为母模结合精密铸造等制作注塑供浇注用的铸造型腔；以及利用原型件作为母模结合精密铸造等制作注塑模或其他金属模具的工艺模或其他金属模具的工艺. . 直接制壳铸造直接制壳铸造(

46、Direct Shell Production Casting)(Direct Shell Production Casting)，DSPCDSPC是把是把CADCAD模型转模型转换成原型样品和压铸模，然后以类似熔膜铸造出金属零件。换成原型样品和压铸模，然后以类似熔膜铸造出金属零件。 DSPC技术成型原理 SLA制造的真空铸模（A）和注塑模（B） 基于SLA的Keltool Process 基于SLA的Nickel Plating Transfer Process直接制模法：直接制模法：多年来直接快速制造模具,主要是采用SLS方法直接制造金属模具。目前主要有两种工艺:一是公司的采用聚合物包覆金

47、属粉末的工艺;一是公司的在基体金属中混入低熔点金属的工艺。工艺采用激光烧结包覆有粘结剂的钢粉,加热融化后的粘结剂将金属粉末粘结在一起(非冶金结合),生成约有45%孔隙率的零件,干燥脱湿后,放入高温炉膛内进行烧结、渗铜,生成表面密实的零件,此时零件中的材料成分为65%的钢和35%的铜。经过打磨等后处理工序,得到最终的模具。此外也有尝试制造为碳化物、钴混合的模具。3工艺是喷墨打印机的一种扩展,铺粉装置将一层粉末铺在基底或前一层粉末上面,通过喷头在粉末上喷射固化结合剂,层层堆积形成三维实体,经过烧结、浸渗,得到最终的模具。和3同属粉末成形法,材料中孔隙的存在会降低模具的力学性能和表面光洁度。 研究S

48、LS的有DTM公司 最近开发的DTMPolycarbonate铜-尼龙混合粉末,主要用于制造小批量的注塑模。EOS公司发展了一种新的尼龙粉末材料PA3200GF,类似于DTM的DuraFormGF，用这种材料制造的零件精度和表面光洁度都较好，以及新的金属烧结材料DirectSteel50-VI。SLS方法制造的烧结件往往是低密度的多孔状结构,可将低熔点金属渗入后直接形成金属模具。下图 SLS制造注塑模镶块。 另一个新的直接制模法是SDM。该技术用叠层制造和辅助材料相结合的方法，能够生产像浮雕或均布冷却通道这类的复杂形状，并且能够生产多材料结构，例如：表面是不锈钢内部沉积铜的模具，内部的铜提高模

49、具的热传导性；而且使用多材料结构，将传感元件埋覆在模具中，开发“机敏模具”。用SDM技术已经成形了GM注射模和Alcoa注射模嵌块。和DLF工艺通过激光产生一个连续移动的熔池加热熔化喷入的粉末,密度接近理论值,是目前制件密度最高的直接制模技术,制得的零件具有较高的力学性能，根据要求能够在不同部位采用不同材料。和DLF工艺通过喷入不同粉末制作不同材质的零件,与和3工艺通过改变所铺粉末制造梯度材料零件相比具有更大的灵活性。下图（a）LENS塑料注射模（b）DLF注射模嵌入件鉴于快速制模技术在制造加工工业中所处的关键地位,国内外都投入很大力量进行开发研究, 快速制模技术发展的关键问题和其发展趋势有以

50、下特点: 快速制模法适合我国国情,具有广阔的应用前景。与高速铣削加工相比在表面带精细复杂形状和放电加工难以省去的模具制造方面占有优势。要进一步提高快速制模技术的竞争力必须开发加工数据生成较数控加工数据生成更容易,并能同时获得所需的形状和表面精度、材料选择自由度大的新的快速制模方法。模具技术是现代加工工业的关键技术,将快速成形技术运用到模具制造中,能有效缩短模具的开发周期,将新产品迅速投入市场。在我国每年花费大量外汇进口模具的情况下,大力开展快速制模技术的研究与推广应用,将极大增强我国企业的市场竞争能力并以此推动我国制造工业的发展。再制造技术再制造技术再制造技术（再制造技术（Refabricat

51、ingRefabricating Technology Technology）与一般修复技术不同，）与一般修复技术不同，是利用是利用RMRM技术作为平台，加上现代先进制造、快速原形等技术作为平台，加上现代先进制造、快速原形等技术理念，提出的一种全新概念的先进修复技术。再制造技技术理念，提出的一种全新概念的先进修复技术。再制造技术采用高功率激光选择性熔化同步供给的金属粉末或金属丝，术采用高功率激光选择性熔化同步供给的金属粉末或金属丝，在需要添加或修补的部位上逐层沉积金属，在需要添加或修补的部位上逐层沉积金属，不仅能使损坏的不仅能使损坏的零件恢复原有或近形尺寸，而且性能达到或超过原基材水平，零件恢

52、复原有或近形尺寸，而且性能达到或超过原基材水平，特别是在金属零件的初加工毛坯上添加精细结构充分体现了特别是在金属零件的初加工毛坯上添加精细结构充分体现了再制造技术的特色。再制造技术的特色。由于激光束几乎可以熔化任何材料，而由于激光束几乎可以熔化任何材料，而快速成形可以制造精细几何形状的零件，所以再制造技术可快速成形可以制造精细几何形状的零件，所以再制造技术可以修复各种难熔金属和其他传统方法很难修复的破损零件，以修复各种难熔金属和其他传统方法很难修复的破损零件，可以做到同质修复。可以做到同质修复。而且，由于激光快速成形是采用逐点逐而且，由于激光快速成形是采用逐点逐层沉积的成形方式，所以还能够获得

53、物理和力学性能与零件层沉积的成形方式，所以还能够获得物理和力学性能与零件内部不同的表面修复层。内部不同的表面修复层。 中国致力于将中国致力于将“再制造再制造”建成制造业的一个支柱产业，并建立起建成制造业的一个支柱产业，并建立起相关辅助产业体系，拉动国民经济，实现再就业和可持续发展。相关辅助产业体系，拉动国民经济，实现再就业和可持续发展。再制造与自修复已作为制造领域的优先发展主题和关键技术进入再制造与自修复已作为制造领域的优先发展主题和关键技术进入正在拟定中的正在拟定中的国家中长期发展纲要国家中长期发展纲要。当今世界制造业的当今世界制造业的“全全寿命寿命”理念值得重视，即一件产品，从设计、制造，

54、到使用、维理念值得重视，即一件产品，从设计、制造，到使用、维修、报废，是一个完整的生命周期。如果把产品制造过程比作修、报废，是一个完整的生命周期。如果把产品制造过程比作“前半生前半生”的话，那么，售后使用直至报废，就是它的的话，那么，售后使用直至报废，就是它的“后半后半生生”。有关调查显示，制造业。有关调查显示，制造业“后半生后半生”商机无限。产品商机无限。产品“后半后半生生”的技术研发，经历了的技术研发，经历了“计划维修计划维修”、“诊断维修诊断维修”、“预知预知维修维修”，目前已发展到，目前已发展到“再制造再制造”阶段，这是推进高科技维修手阶段，这是推进高科技维修手段的产业化的重大突破。段

55、的产业化的重大突破。美国通用、福特等大型跨国公司都有美国通用、福特等大型跨国公司都有“再制造再制造”车间。凭借高科技的维修方式，可使老化、生病的产车间。凭借高科技的维修方式，可使老化、生病的产品重新焕发生机，而质量却能超过维修前的水平，成本仅是生产品重新焕发生机，而质量却能超过维修前的水平，成本仅是生产新品的左右。新品的左右。资料显示，美国每年资料显示，美国每年“再制造再制造”产值超过产值超过亿美元，吸纳劳动力超过万多人。美国计划在亿美元，吸纳劳动力超过万多人。美国计划在年把制造与再制造产业有机的结合起来，取得更大经济效益。年把制造与再制造产业有机的结合起来，取得更大经济效益。 对石化系统高压

56、阀门的密封对石化系统高压阀门的密封面进行激光再制造强化，得面进行激光再制造强化，得到了到了1 mm1 mm3.5 mm3.5 mm厚厚, ,表面光表面光滑平整的合金层。强化层的滑平整的合金层。强化层的组织性能、与基体的结合、组织性能、与基体的结合、对基体的热影响、强化层质对基体的热影响、强化层质量与成品率均优于等离子喷量与成品率均优于等离子喷焊等传统强化工艺焊等传统强化工艺 。激光熔层激光熔层 等离子熔层等离子熔层 甲胺泵进排液阀零件密封面进行甲胺泵进排液阀零件密封面进行强化，强化，得到表面光整，厚度为得到表面光整，厚度为2mm2mm，基体无变形。激光，基体无变形。激光强化强化层层没有没有气孔、裂纹、夹杂物等缺陷，气孔、裂纹、夹杂物等缺陷，其组织致密，晶粒度细小，硬度其组织致密，晶粒度细小，硬度和强韧性更高。熔层与基体实现和强韧性更高。熔层与基体实现了冶金结合。了冶金结合。 事实上，在生产中还有大量的复杂贵重装备需要三维激光再制造事实上，在生产中还有大量的复杂贵重装备需要三维激光再制造技术，特别是不能移动的大型设备中的零件，需要解决现场修复技术，特别是不能移动的大型设备中的零件，需要解决现场修复问题，例如：问题，例如：汽轮机轴、火车机车曲轴汽轮