(一)激光快速成型
激光快速成型技術(shù)是激光技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的一項(xiàng)高新制造技術(shù),主要功能是將三維數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)化成實(shí)體,具有很大效益。其基本原理是先在計(jì)算機(jī)中生成產(chǎn)品的CAD三維實(shí)體模型,再將它“切成”規(guī)定厚度的片層數(shù)據(jù)(變換成一系列二維圖形數(shù)據(jù)),用激光切割或燒結(jié)辦法將材料進(jìn)行選區(qū)逐層疊加,最終形成實(shí)體模型。成型原理如圖2所示。
逐層疊加有以下幾種方法:
1.液相樹脂固化法(SL)。材質(zhì)是光敏樹脂,紫外波段激光作平面選區(qū)掃描照射,使樹脂按指定區(qū)域固化(懸空部分需設(shè)支撐)。機(jī)床作下沉運(yùn)動(dòng),使已成型部分浸沒于液面之下。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是零件表面光滑,變形小;缺點(diǎn)是強(qiáng)度低,樹脂價(jià)高且保存期短。
2.選區(qū)燒結(jié)法(SLS)。材質(zhì)有石蠟、塑料、尼龍、陶瓷、包覆金屬和裸金屬等,均為粉末狀態(tài)。用50~100W的CO 2 激光器作燒結(jié)工具,激光束作二維選區(qū)掃描,使粉末“燒結(jié)”成型。機(jī)床須具備送粉、鋪粉、刮平及預(yù)熱等功能。這種方法價(jià)格便宜,精度較高(±0.1mm),可直接代替木模制砂型。金屬零件的快速制造,金屬粉末燒結(jié)的關(guān)鍵是防氧化和熱傳導(dǎo),一種方法是在金屬粉末外涂覆粘合劑,用激光選區(qū)照射,粘合劑熱溶粘接成型后,將零件由粉末中取出,再往縫隙中灌注金屬最后制成零件。另一種新研究的方法是用無涂覆的金屬粉末直接燒結(jié)制造零件,如用銅、鎳或鋁粉,顆粒度在22.5~90μ m間用600W的YAG激光燒結(jié)。采用這種方法加工的零件材質(zhì)會(huì)出現(xiàn)空隙,為改善空隙,也有采用選區(qū)激光直接噴涂疊加成型,原材料為粉狀I(lǐng)nconel625,用3kW射頻激勵(lì)的CO 2 激光作光源。
3.疊層粘接法(LOM)。材質(zhì)是紙,經(jīng)背面涂粘接劑等處理。選用25~50W的 CO 2 激光平面切割機(jī)構(gòu),機(jī)床完成紙帶的送進(jìn)鋪平及滾壓(粘接)等功能。成型零件尺寸較大,強(qiáng)度較高,但精度較低,腔形零件腔內(nèi)排廢紙難,零件抗潮性差。為此,采用后置表面涂覆環(huán)氧加鋁粉處理,可大大提高紙質(zhì)的耐溫、耐潮濕變形和強(qiáng)度等性能。
快速成型零件還有幾種不用激光作工具的方法,如三維打印(FDM)法,固基光敏液相掩模造模造型(SGC)法以及電弧或噴涂添加法等。
上述諸多快速成型法為零件由設(shè)計(jì)到生產(chǎn)提供了經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確、快速的工藝路線。
(二)激光成形與校形
激光成型和校形是通過激光對(duì)材料局部加熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力,使板材零件發(fā)生形變的加工方法。根據(jù)對(duì)局部的均勻和不均勻的加熱和冷卻方式,可加工不同形狀的零件(如圖3所示)。
該加工方法十分經(jīng)濟(jì),通過選擇不同的激光參數(shù),如波長、作用時(shí)間、功率等可加工所有材料,適合于許多領(lǐng)域,特別是微電子工業(yè)。
(三)微細(xì)加工
在電子、儀表、航空航天工業(yè)中,激光加工可以高效率高質(zhì)量地完成微細(xì)小孔、劃片微調(diào)、切割、焊接以及標(biāo)記等加工,其中尤以準(zhǔn)分子激光的應(yīng)用最為廣泛。由于材料對(duì)紫外波吸收率高,準(zhǔn)分子激光脈寬窄,因而有極高的功率密度。準(zhǔn)分子激光除作常規(guī)的鉆、切、劃加工外,還可用掩模法直接在工件上生成圖案。激光輻照的地方,材料被光化學(xué)的消融作用而除去,無論鉆孔、切割或刻劃,都是直壁尖角,沒有熱影響區(qū)。加工尺寸小,可達(dá)亞微米量級(jí),精度取決于掩模,效率取決于激光的功率。 掩模法又有工件表面直接掩模和掩模投影兩種,如圖4所示。近期在微細(xì)加工領(lǐng)域開發(fā)激光清洗和激光作為夾持工具(鑷子)的研究。激光清洗是指去除超凈超光滑表面污染微粒,其原理是激光能量被微?;虮砻婊蛉藶榈那逑唇橘|(zhì)(如水)吸收后產(chǎn)生爆炸性汽化時(shí),把微粒從表面上除去。該法可有效地用于半導(dǎo)體器件、激光陀螺的研制中。激光鑷子主要用于有機(jī)材料的 微粒搬運(yùn)和固定,其原理是微米量級(jí)的有機(jī)微粒在激光的束腰處,要受一對(duì)極子力(當(dāng)微粒1μ m時(shí))或折射力(當(dāng)微粒>1μ m時(shí))的作用,這些力都是把微粒拉向激光的束腰(光最強(qiáng)處)中心處,因此,可借移動(dòng)或固定激光束來夾持微粒。
(四)納米材料的制備
納米材料被稱為21世紀(jì)新材料的基礎(chǔ),所謂納米材料是指材料的顆粒直徑在1~100nm之間的材料。當(dāng)材料顆粒達(dá)到這個(gè)量值時(shí),由于表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和量子效應(yīng),導(dǎo)致材料特性發(fā)生變化,如反射率和熔點(diǎn)下降,硬度增高等。應(yīng)用激光技術(shù)可制備納米材料。準(zhǔn)分子激光對(duì)材料有很強(qiáng)的消融作用,如鋁材在強(qiáng)激光照射下,表面出現(xiàn)等離子體云,注入氧氣或氮?dú)?,便可生成Al 203或AlN的微粒,直徑在3~7nm范圍,每小時(shí)可產(chǎn)生十余毫克。
(五)激光復(fù)合加工
不同的激光復(fù)合或激光和其它能源共同對(duì)材料的復(fù)合加工,目前大多用于材料表面改性處理。日本新制鐵公司用CO[_2]激光束和離子束,利用物理氣相沉積技術(shù)(LPVD)制備超硬薄膜。圖5是該裝置的示意圖。用LPVD先制得非晶態(tài)氮化硼,再用0.5~2.0kV輻照氮離子,則可生成超硬的立方氮化硼薄膜。兩種激光復(fù)合加工也可取得特殊效果,如CO+KrF激光切割??商岣吖ば?0%以上,用CO 2 激光切割木制商標(biāo)?;虻窨棠举|(zhì)、塑料等非金屬裝飾品,切口變黑。據(jù)日本刊物報(bào)道稱,用準(zhǔn)分子激光后續(xù)處理,還會(huì)恢復(fù)材料本色。同樣,如用準(zhǔn)分子激光或其他調(diào)整Q激光作精修工具,可大大提高激光加工的價(jià)值,因此激光復(fù)合加工是很有發(fā)展前途的加工方法。
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