激光快速成形技术主要工艺方法

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欢迎访问e展厅 展厅 5 三维打印机展厅 三维打印机, 快速成型机, 3D打印材料/光固化材料, 快速成型制造软件, ... 激光快速成形（Laser Rapid Prototyping：LRP）是将CAD、CAM、CNC、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集成的一种全新制造技术。与传统制造方法相比具有：原型的复制性、互换性高；制造工艺与制造原型的几何形状无关；加工周期短、成本低，一般制造费用降低50%，加工周期缩短70%以上；高度技术集成，实现设计制造一体化。快速原型制造技术按成型材料及技术不同，主要发展了光固化法（SLA），粉末烧结法（SLS），熔堆法（FDM），层迭法（LOM），三维打印法（3DP），逐层固化法（SGC）等。 立体光造形Stereolithography (SLA) 技术 SLA技术又称光固化快速成形技术，其原理是计算机控制激光束对光敏树脂为原料的表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层（约十分之几毫米）产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。工作台下移一个层厚的距离，以便固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，进行下一层的扫描加工，如此反复，直到整个原型制造完毕。由于光聚合反应是基于光的作用而不是基于热的作用，故在工作时只需功率较低的激光源。此外，因为没有热扩散，加上链式反应能够很好地控制，能保证聚合反应不发生在激光点之外，因而加工精度高 ），表面质量好，原材料的利用率接近100%，能制造形状复杂、精细的零件，效率高。对于尺寸较大的零件，则可采用先分块成形然后粘接的方法进行制作。如果实体上有悬空的结构，处理软件可以预先判断并生成必要的支撑工艺结构。为了防止成型后的实体沾黏在工作台上，处理软件还必须先在实体底部生成一个网格状的框架，以减少实体与工作台的接触面积。 选择性激光烧结Selective Laser Sintering (SLS) SLS技术与SLA技术很相似，只是用粉末原料取代了液态光聚合物，并以一定的扫描速度和能量作用于粉末材料。该技术具有原材料选择广泛、多余材料易于清理、应用范围广等优点，适用于原型及功能零件的制造。在成形过程中，激光工作参数以及粉末的特性和烧结气氛是影响烧结成形质量的重要参数。 热可塑造型法以DTM公司开发的选择性激光烧结即SLS(Selective Laser Sintering)应用较多。该方法是用CO2激光熔融烧结树脂粉末的方式制作样件。工作时，由CO2激光器发出的光束在计算机控制下，根据几何形体各层横截面的几何信息对材料粉末进行扫描，激光扫描处粉末熔化并凝固在一起。然后，铺上一层新粉末，再用激光扫描烧结，如此反复，直至制成所需样件。 目前，可用于SLS技术的材料包括：尼龙粉、覆裹尼龙的玻璃粉、聚碳酸脂粉、聚酰胺粉、蜡粉、金属粉（成型后常须进行再烧结及渗铜处理）、覆裹热凝树脂的细沙、覆蜡陶瓷粉和复蜡金属粉等。粉末材料薄薄地铺一层在工作台上，按截面轮廓的信息，CO2激光束扫过之处，粉末烧结成一定厚度的实体片层，逐层扫描烧结最终形成快速原型。用此法可以直接制作精铸蜡模、实型铸造用消失模、用陶瓷制作铸造型壳和型芯、用覆膜砂制作铸型[1]、以及铸造用母模等。在造型过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂部分起着支撑作用，不必象SLA工艺那样另行生成支撑工艺结构。 SLS技术造型速度快（一般制品，仅需1天～2天即可完成）、造型精度高（每层粉末最小厚度约0.07mm,激光动态精度可达±0.09mm,并具有自动激光补偿功能）、原型强度高（聚碳酸脂其弯曲强度可达34.5MPa,尼龙可达55MPa），因此，可用原型进行功能试验和装配模拟，以获取最佳曲面和观察配合状况。 激光薄片叠层制造Laminated Object Manufacturing (LOM)技术 LOM技术是一种常用来制作模具的新型快速成形技术。其原理是先用大功率激光束切割金属薄片，然后将多层薄片叠加，并使其形状逐渐发生变化，最终获得所需原型的立体几何形状。计算机控制的CO2激光束按三维实体模型每个截面轮廓线对薄形材料(如底面涂胶的卷状纸、或正在研制的金属薄形材料等)进行切割，逐步得到各个轮廓，并将其粘结形成快速原型。用此法可以制作铸造母模或用于“失纸精密铸造”。LOM快速原型技术最早是由美国Helisys公司开发的。该项技术将特殊的箔材一层一层地堆叠起来，激光束只须扫描和切割每一层的边沿，而不必象SLA技术那样，要对整个表面层进行扫描。该装置采用专用滚筒纸，由加热辊筒使纸张加热联接，然后用激光将纸切断，待加热辊筒自动离开后，再由激光将纸张裁切成层面要求形状，目前最常用的箔材是一种在一个面上涂布了热熔树脂胶的纸。在LOM成型机器里，箔材由一个供料卷筒被拉出，胶面朝下平整地经过造型平台，由位于另一方的收料卷筒收卷起来。每敷覆一层纸，就由一个热压辊压过纸的背面，将其粘合在平台上或前一层纸上。这时激光束开始沿着当前层的轮廓进行切割。激光束经准确聚焦，使之刚好能切穿一层纸的厚度。在模型四周和内腔的纸被激光束切割成细小的碎片以便后期处理时可以除去这些材料。同时，在成型过程中，这些碎片可以对模型的空腔和悬臂结构起支撑的作用。 为了加快造型进程，可以每次切割二层，甚至三层箔材。当然，这要求造型机器具备功率更大的激光器，同时制作出来的模型外表会有更明显的台阶状。 LOM工艺的后处理加工包括去除模型四周和空腔内的碎纸片，必要的时候还可以通过加工去除模型表面的台阶状。LOM模型相当坚固，它可以进行机加工、打磨、抛光、绘制、加涂层等各种形式的加工。 目前用于LOM技术的箔材主要有涂覆纸、覆膜塑料、覆蜡陶瓷箔、覆膜金属箔等。 LOM可制作一些光造型法难以制作的大型零件和厚壁样件，且制作成本低廉（约为光造型法的1/2）、速度高（约为木模制作时间的1/5以下），并可简便地分析设计构思和功能。 LOM技术制作冲模，其成本约比传统方法节约1/2，生产周期大大缩短。用来制作复合模、薄料模、级进模等，经济效益也甚为显著。 熔融沉积成型 Fused Deposition Modeling (FDM) 熔融造型法以美国Stratasys公司开发的产品FDM(Fused Deposition Modelling)应用最为广泛。将丝状的热熔性材料加热熔化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。喷头可沿着X轴方向移动，而工作台则沿Y轴方向移动。如果热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型的部分温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一个层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体造型。FDM技术的最大特点是速度快（一般模型仅需几小时即可成型）、无污染，在原型开发和精铸蜡模等方面得到广泛应用。 用于FDM工艺的热熔性材料一般为ABS、蜡、聚乙烯、聚丙烯等。对于有空腔和悬臂结构的工件，必须使用两种材料，一种是上述的成型材料，另一种是专门用于沉积空腔部分的支持材料，这些支持材料在造型完成后再行除去。支持材料一般采用遇水可软化或溶解的材质，去除时只须用水泡浸清洗即可。 国内则是清华大学最早开发此项技术。近年来，美国3D Systems公司在FDM技术的基础上发展了“多喷头制造”技术 Multi-Jet Manufacture (MJM)，该项技术使用了多个喷头同时造型，从而加快了工艺过程。 激光熔覆成形（LCF）技术 LCF技术的工作原理与其他快速成形技术基本相同，也是通过对工作台数控，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。研究结果表明：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、扫描速度、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。 与其他快速成形技术的区别在于，激光熔覆成形能制成非常致密的金属零件，其强度达到甚至超过常规铸造或锻造方法生产的零件，因而具有良好的应用前景。 激光近形（LENS）技术 LENS技术是将SLS技术和LCF技术相结合，并保持了这两种技术的优点。选用的金属粉末有三种形式： （1）单一金属； （2）金属加低熔点金属粘结剂； （3）金属加有机粘结剂。由于采用的是铺粉方式，所以不管使用哪种形式的粉末，激光烧结后的金属的密度较低、多孔隙、强度较低。要提高烧结零件强度，必须进行后处理，如浸渗树脂、低熔点金属，或进行热等静压处理。但这些后处理会改变金属零件的精度。 激光诱发热应力成形（LF）技术 LF技术的原理是基于金属热胀冷缩的特性，即对材料进行不均匀加热，产生预定的塑性变形。该技术具有下列特点： （1）无模具成形：生产周期短、柔性大,特别适合单件小批量或大型工件的生产； （2）无外力成形：材料变形的根源在于其内部的热应力； （3）非接触式成形：成形精度高、无工模具磨损，可用于精密件的制造； （4）热态累积成形：能够成形常温下的难变形材料或高硬化指数金属,而且能够产生自冷硬化效果,使变形区材料的组织与性能得以改善。

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