第九章-激光快速成形技术

第九章激光快速成形技术【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9章激光快速成形技术9.1激光快速成形技术的基本概念激光快速成形(laserrapidprototyping，LRP)技术是利用激光为工具，通过逐点、逐面进行材料的“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：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。9.1.1原型及原型制造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。零部件——最终产品，具有最佳特性、功能和成本。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CAD／CAM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。9.1.2成形方式的分类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(dislodgeforming)(2)添加成形(additiveforming)(3)受迫成形(forcedforming)(4)生长成形(growthforming)表9-1各种成形方法的比较项目去除成形受迫成形添加成形材料利用率产生切屑，材料利用率低产生工艺废料，如浇冒口、飞边等材料利用率高，大多数工艺可达100％产品精度与性能通常为最终成形，精度高多用于毛坯制造，属静成形或近成形范畴属静成形范畴，精度较好制造零件的复杂程度受刀具或模具等形状限制，无法制造太复杂的曲面和异形深空等受模具等工具的形状限制，无法制造太复杂的曲面可制造任意复杂形状的零件9.1.3激光快速制造技术原理笼统地讲，快速成形属于添加成形。严格地讲，快速成形应该属于离散／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(b)切片(c)分层自由成型(d)叠加零件图9-1激光快速制造的原理体离散面离散线离散线叠加面叠加后处理有序面有序线有序点点叠加图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①产品三维模型的构建。②三维模型的近似处理。③三维模型的切片处理。根据被加工模型的特征选择合适的加工方向，在成形高度方向上用一系列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9.1.4激光快速制造技术的特点(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，只需传统加工方法10％～30％的工时和20％～35%的成本，就能直接制造出产品样品或模具。9.1.5激光快速成形系统中的激光器目前，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SLA工艺中使用He-Cd激光器(2)Ar+激光器Ar+激光器也是用于SLA工艺中(3)CO2激光器SLS和LOM两种工艺中都使用C02激光器①CO2激光器的基本原理。②封离型CO2激光器。9.2激光快速成形技术方法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、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。9.2.1立体光固化成形(SLA)技术立体光固化成形(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。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：①精度高。②成形速率较快。③扫描质量好。④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。9.2.2激光薄片叠层制造(LOM)技术激光薄片叠层制造(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，具有较广的应用前景。这一技术常用的材料是纸、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。9.2.3选择性激光烧结(SLS)技术选择性激光烧结(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:①可采用多种材料。②制造工艺比较简单。③高精度。④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、金属以及它们的复合物的粉体。用蜡可作精密铸造蜡模，用热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。9.2.4激光熔覆成形(LCF)技术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:①具有高度的柔性；②生产周期短，效率高；③提高了设计的灵活性；④应用范围广阔；⑤可加工材料广泛；⑥组织性能好；9.2.5激光诱发热应力(LF)技术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：①属无模具成形。②为无外力成形。③为非接触式成形。④为热态累积成形。9.3LRP技术与相关学科间的关系(1)LRP技术与CAD技术之间的关系;(2)LRP技术与激光技术间的关系;(3)LRP技术与数控技术间的关系;(4)LRP技术与材料科学间的关系;(5)LRP技术与检测技术间的关系;(6)LRP技术与其他相关学科问的关系。9.4激光快速成形用材料9.4.1激光快速成形材料的分类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材料的成形方法——SLA材料、LOM材料、SLS材料等。表9-2常用的激光快速成型材料分类材料形态液态固态粉末固态片材非金属金属材料名称光固化树脂蜡粉尼龙粉塑料粉陶瓷粉覆膜砂粉等金属粉覆膜金属粉纸塑料+粘结剂陶瓷箔+粘结剂金属箔+粘结剂等成型方法SLASLSLOM9.4.2激光快速成形工艺对材料性能的要求①有利于快速精确地加工原型零件；②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；③当原型间接使用时，其性能要有利于后续处理工艺。1、SLA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