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激光快速成形（Laser Rapid Prototyping：LRP）是將CAD、CAM、CNC、激光、精密伺服驅(qū)動(dòng)和新材料等先進(jìn)技術(shù)集成的一種全新制造技術(shù)。與傳統(tǒng)制造方法相比具有：原型的復(fù)制性、互換性高；制造工藝與制造原型的幾何形狀無(wú)關(guān)；加工周期短、成本低，一般制造費(fèi)用降低50%，加工周期縮短70%以上；高度技術(shù)集成，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化。 : i s% c* w/ ]( x; Q5 U1 w" J! U
近期發(fā)展的LPR主要有：立體光造型(SLA) 技術(shù)；選擇性激光燒結(jié)(SLS) 技術(shù)；激光熔覆成形（LCF）技術(shù)；激光近形（LENS）技術(shù)；激光薄片疊層制造(LOM) 技術(shù)；激光誘發(fā)熱應(yīng)力成形（LF）技術(shù)及三維印刷技術(shù)等。
6 V! E# L# c" E 立體光造形(SLA)技術(shù)
4 K8 Y# x# ~" h' l# @0 g4 y SLA技術(shù)又稱光固化快速成形技術(shù)，其原理是計(jì)算機(jī)控制激光束對(duì)光敏樹(shù)脂為原料的表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，被掃描區(qū)域的樹(shù)脂薄層（約十分之幾毫米）產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的一個(gè)薄層。工作臺(tái)下移一個(gè)層厚的距離，以便固化好的樹(shù)脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹(shù)脂，進(jìn)行下一層的掃描加工，如此反復(fù)，直到整個(gè)原型制造完畢。由于光聚合反應(yīng)是基于光的作用而不是基于熱的作用，故在工作時(shí)只需功率較低的激光源。此外，因?yàn)闆](méi)有熱擴(kuò)散，加上鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能夠很好地控制，能保證聚合反應(yīng)不發(fā)生在激光點(diǎn)之外，因而加工精度高 ），表面質(zhì)量好，原材料的利用率接近100%，能制造形狀復(fù)雜、精細(xì)的零件，效率高。對(duì)于尺寸較大的零件，則可采用先分塊成形然后粘接的方法進(jìn)行制作。 0 [3 S* T' l. s, r7 `9 \
美國(guó)、日本、德國(guó)、比利時(shí)等都投入了大量的人力、物力研究該技術(shù)，并不斷有新產(chǎn)品問(wèn)世。我國(guó)西安交通大學(xué)也研制成功了立體光造型機(jī)LPS600A。目前，全世界有10多家工廠生產(chǎn)該產(chǎn)品。 3 p, x* l- h& D- U% B4 u% \: u7 z! w
●在汽車車身制造中的應(yīng)用 SLA技術(shù)可制造出所需比例的精密鑄造模具，從而澆鑄出一定比例的車身金屬模型，利用此金屬模型可進(jìn)行風(fēng)洞和碰撞等試驗(yàn)，從而完成對(duì)車身最終評(píng)價(jià)，以決定其設(shè)計(jì)是否合理。美國(guó)克萊斯勒公司已用SLA技術(shù)制成了車身模型，將其放在高速風(fēng)洞中進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)分析，取得了令人滿意的效果，大大節(jié)約了試驗(yàn)費(fèi)用。 0 q- `/ @' | T. l
●用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管試驗(yàn) 進(jìn)氣管內(nèi)腔形狀是由十分復(fù)雜的自由曲面構(gòu)成的，它對(duì)提高進(jìn)氣效率、燃燒過(guò)程有十分重要的影響。設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)不同的進(jìn)氣管方案做氣道試驗(yàn)，傳統(tǒng)的方法是用手工方法加工出由幾十個(gè)截面來(lái)描述的氣管木模或石膏模，再用砂模鑄造進(jìn)氣管，加工中，木模工對(duì)圖紙的理解和本身的技術(shù)水平常導(dǎo)致零件與設(shè)計(jì)意圖的偏離，有時(shí)這種誤差的影響是顯著的。使用數(shù)控加工雖然能較好地反映出設(shè)計(jì)意圖，但其準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，特別是幾何形狀復(fù)雜時(shí)更是如此。英國(guó)Rover公司使用快速成型技術(shù)生產(chǎn)進(jìn)氣管的外模及內(nèi)腔模，取得了令人滿意的效果。 ! ]: j, |! j3 p8 F, w$ M1 }* f
選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù) 1 W" S5 ]: F8 Z4 ]
SLS技術(shù)與SLA技術(shù)很相似，只是用粉末原料取代了液態(tài)光聚合物，并以一定的掃描速度和能量作用于粉末材料。該技術(shù)具有原材料選擇廣泛、多余材料易于清理、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，適用于原型及功能零件的制造。在成形過(guò)程中，激光工作參數(shù)以及粉末的特性和燒結(jié)氣氛是影響燒結(jié)成形質(zhì)量的重要參數(shù)。
1 f6 O) n7 c1 }' v4 V ●在汽車模具制造中應(yīng)用 美國(guó)德克薩斯州立大學(xué)研究的SLS技術(shù)，已由美國(guó)DTM公司商品化。目前該公司已研制出SLS2000系列第三代產(chǎn)品。該系統(tǒng)能燒結(jié)蠟、聚碳酸酯、尼龍、金屬等各種材料。用該系統(tǒng)制造的鋼銅合金注塑模具，可注塑5萬(wàn)件工件。近年來(lái)基于RPM技術(shù)模具制造技術(shù)已從最初的原型制造，發(fā)展到快速工模具制造,成為國(guó)內(nèi)外應(yīng)用研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)�；赗PM的模具制造方法可分為直接制模法和間接制模法。 / _* }5 @* Q8 K0 d* _
直接制模法是直接采用RPM技術(shù)制作模具，在RPM技術(shù)諸方法中能夠直接制作金屬模具的是SLS法。用這種方法制造的鋼制銅合金注射模，壽命可達(dá)5萬(wàn)件以上。但此法在燒結(jié)過(guò)程中材料發(fā)生較大收縮，精度難以控制。
+ K* i4 H, g8 d3 M6 ^ 間接制模法可分為：
( g3 P) F" j& i7 r4 V �。�1）軟質(zhì)簡(jiǎn)易模具的制作 采用硅橡膠、金屬粉環(huán)氧樹(shù)脂粉和低熔點(diǎn)合金等將原型準(zhǔn)確復(fù)制成模具，或?qū)υ瓦M(jìn)行表面處理，用金屬噴涂法或物理蒸發(fā)沉積法鍍上一層熔點(diǎn)較低的合金來(lái)制作模具。這些簡(jiǎn)易模具的壽命為50～5000件，由于其制造成本低、周期短，特別適合于產(chǎn)品試制階段的小批量生產(chǎn)。
6 Z4 U$ T4 L& b' E% i �。�2）鋼質(zhì)模具的制作 將RPM技術(shù)與精密鑄造技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)金屬模的快速制造�；蛘咧苯又圃斐鰪�(fù)形精度較高的EDM電極，用于注塑模、鍛模、壓鑄等鋼制模具型腔的加工。一個(gè)中等大小、較為復(fù)雜的電極一般4～8h即可完成，復(fù)形精度完全滿足工程要求。福特汽車公司用此技術(shù)制造汽車模具取得了滿意的效果。上海交通大學(xué)也已通過(guò)RP與精密鑄造結(jié)合的方法為汽車及汽車輪胎等行業(yè)生產(chǎn)進(jìn)口替代模具計(jì)80余副。與傳統(tǒng)機(jī)加工法相比，快速模具制造的制作成本及周期大大降低。我國(guó)每年需進(jìn)口模具達(dá)8億多美元，主要是復(fù)雜模具和精密模具，因此，SLS技術(shù)在未來(lái)的汽車模具制造業(yè)中的應(yīng)用前景十分廣闊。
' v/ F8 }% C) {3 @, j; [ ●在汽車燈具制造上的應(yīng)用 汽車燈具大多數(shù)的形狀是不規(guī)則的,曲面復(fù)雜,模具制造難度很大。通過(guò)快速成型技術(shù),可以很快得到精確的產(chǎn)品試樣,為模具設(shè)計(jì)CAD和CAM提供了有利的參考。同時(shí),也可以通過(guò)快速成型技術(shù),用熔模鑄造的方法快速、高精度地制造出燈具模具。 , i1 ~ r4 v2 Q; c* C" a3 K8 f
激光熔覆成形（LCF）技術(shù) 4 R* @; v" ?) {- U5 x* C4 T& l
LCF技術(shù)的工作原理與其他快速成形技術(shù)基本相同，也是通過(guò)對(duì)工作臺(tái)數(shù)控，實(shí)現(xiàn)激光束對(duì)粉末的掃描、熔覆，最終成形出所需形狀的零件。研究結(jié)果表明：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(qiáng)分布、掃描速度、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(duì)成形零件的精度和強(qiáng)度有影響。 * ]0 \9 N& Q$ A# S+ p2 S
與其他快速成形技術(shù)的區(qū)別在于，激光熔覆成形能制成非常致密的金屬零件，其強(qiáng)度達(dá)到甚至超過(guò)常規(guī)鑄造或鍛造方法生產(chǎn)的零件，因而具有良好的應(yīng)用前景。 & o. k0 D1 l/ U0 b: i+ l2 F
激光近形（LENS）技術(shù) 0 c4 j. Y5 T1 U% n
LENS技術(shù)是將SLS技術(shù)和LCF技術(shù)相結(jié)合，并保持了這兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。選用的金屬粉末有三種形式：
0 g Y1 C0 `5 R$ J& S- ^& R（1）單一金屬；
. H+ S- q% a6 H0 V% E（2）金屬加低熔點(diǎn)金屬粘結(jié)劑； % l3 I, a* k' ]3 z3 A7 U
（3）金屬加有機(jī)粘結(jié)劑。由于采用的是鋪粉方式，所以不管使用哪種形式的粉末，激光燒結(jié)后的金屬的密度較低、多孔隙、強(qiáng)度較低。要提高燒結(jié)零件強(qiáng)度，必須進(jìn)行后處理，如浸滲樹(shù)脂、低熔點(diǎn)金屬，或進(jìn)行熱等靜壓處理。但這些后處理會(huì)改變金屬零件的精度。
- r# D1 X f) s1 t& ?! @; U 激光薄片疊層制造（LOM）技術(shù) , @) D: i& @8 j
LOM技術(shù)是一種常用來(lái)制作模具的新型快速成形技術(shù)。其原理是先用大功率激光束切割金屬薄片，然后將多層薄片疊加，并使其形狀逐漸發(fā)生變化，最終獲得所需原型的立體幾何形狀。 * i" L; O& k" {! j3 g* G
LOM技術(shù)制作沖模，其成本約比傳統(tǒng)方法節(jié)約1/2，生產(chǎn)周期大大縮短。用來(lái)制作復(fù)合模、薄料模、級(jí)進(jìn)模等，經(jīng)濟(jì)效益也甚為顯著。該技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)得到了廣泛的使用。 : P& p" I# ?% ^3 F$ c
激光誘發(fā)熱應(yīng)力成形（LF）技術(shù) # j0 }* C8 L1 D" h7 ~; c4 b% Q
LF技術(shù)的原理是基于金屬熱脹冷縮的特性，即對(duì)材料進(jìn)行不均勻加熱，產(chǎn)生預(yù)定的塑性變形。該技術(shù)具有下列特點(diǎn)：
8 y( d. `- z7 x) V/ ~4 s（1）無(wú)模具成形：生產(chǎn)周期短、柔性大,特別適合單件小批量或大型工件的生產(chǎn)； : K$ U$ T; ?6 R0 S" o, S$ G8 |
（2）無(wú)外力成形：材料變形的根源在于其內(nèi)部的熱應(yīng)力； D8 Y" ^" r6 d, p6 [
（3）非接觸式成形：成形精度高、無(wú)工模具磨損，可用于精密件的制造； 7 J' h$ k3 @: h6 W0 s/ v9 T; h- F
（4）熱態(tài)累積成形：能夠成形常溫下的難變形材料或高硬化指數(shù)金屬,而且能夠產(chǎn)生自冷硬化效果,使變形區(qū)材料的組織與性能得以改善。 ) \% _) B, I6 S ^# k. d p' B7 W( o# O
德國(guó)學(xué)者M(jìn).Geiger及F.Vollertsen等在激光成形與其他加工方法的復(fù)合化加工等方面進(jìn)行了大量研究，目前該技術(shù)己被運(yùn)用于汽車覆蓋件的柔性校平和其他異形件的成形等。 |
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發(fā)表于 2007-9-28 22:31:31
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