激光快速成型（laser rapid prototyping：LRP）是將CAD、CAM、CNC、激光、精密伺服驅(qū)動和新材料等先進(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，它具有原型的復(fù)制性、互換性高；制造工藝與制造原型的幾何形狀無關(guān)；加工周期短、成本低等優(yōu)勢，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)計制造一體化。
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)；熔絲堆積成形（FDM）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。
立體光造形(SLA)技術(shù)
SLA技術(shù)又稱光固化快速成形技術(shù)，其原理是計算機(jī)控制激光束對光敏樹脂為原料的表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，被掃描區(qū)域的樹脂薄層（約十分之幾毫米）產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的一個薄層。工作臺下移一個層厚的距離，以便固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂，進(jìn)行下一層的掃描加工，如此反復(fù)，直到整個原型制造完畢。由于光聚合反應(yīng)是基于光的作用而不是基于熱的作用，故在工作時只需功率較低的激光源。此外，因為沒有熱擴(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。對于尺寸較大的零件，則可采用先分塊成型，然后粘接的方法進(jìn)行制作。
美國、日本、德國、比利時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)品問世。我國西安交通大學(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。
● 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，從而完成對車身最終評價，以決定其設(shè)計是否合理。美國克萊斯勒公司已用SLA技術(shù)制成了車身模型，將其放在高速風(fēng)洞中進(jìn)行空氣動力學(xué)試驗分析，取得了令人滿意的效果，大大節(jié)約了試驗費(fèi)用。
● 用于汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管試驗。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，它對提高進(jìn)氣效率、燃燒過程有十分重要的影響。設(shè)計過程中，需要對不同的進(jìn)氣管方案做氣道試驗，傳統(tǒng)的方法是用手工方法加工出由幾十個截面來描述的氣管木模或石膏模，再用砂模鑄造進(jìn)氣管，加工中，木模工對圖紙的理解和本身的技術(shù)水平常導(dǎo)致零件與設(shè)計意圖的偏離，有時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)計意圖，但其準(zhǔn)備時間長，特別是幾何形狀復(fù)雜時更是如此。英國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。
以隨爾SLA業(yè)務(wù)：專利產(chǎn)品《指紋考勤儀》的研發(fā)過程為例：
經(jīng)過計算，采用快速成型產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)，《指紋考勤儀》產(chǎn)品開發(fā)時間減少65%、開發(fā)成本降低30%。
選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)
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)。
● 在汽車模具制造中應(yīng)用。美國德克薩斯州立大學(xué)研究的SLS技術(shù)，已由美國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5萬件工件。近年來基于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，成為國內(nèi)外應(yīng)用研究開發(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。
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)5萬件以上。但此法在燒結(jié)過程中材料發(fā)生較大收縮，精度難以控制。
間接制模法可分為：
（1）、軟質(zhì)簡易模具的制作。采用硅橡膠、金屬粉環(huán)氧樹脂粉和低熔點(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)較低的合金來制作模具。這些簡易模具的壽命為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)。
（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)在未來的汽車模具制造業(yè)中的應(yīng)用前景十分廣闊。
● 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CAD和CAM提供了有利的參考。同時，也可以通過快速成型技術(shù)，用熔模鑄造的方法快速、高精度地制造出燈具模具。
圖1為某摩托車廠制作的250型雙缸摩托車汽缸頭。這是一款新設(shè)計的發(fā)動機(jī)，用戶需要10件樣品進(jìn)行發(fā)動機(jī)的模擬實(shí)驗。該零件具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)機(jī)加工無法加工，只能采用鑄造成型。整個過程需經(jīng)過開模、制芯、組模、澆鑄、噴砂和機(jī)加等工序，與實(shí)際生產(chǎn)過程相同。其中僅開模一項就需三個月時間。這對于小批量的樣品制作無論在時間上還是成本上都是難以接受的。采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，以精鑄熔模材料為成型材料，在AFS成型機(jī)上僅用5天即加工出該零件的10件鑄造熔模，再經(jīng)熔模鑄造工藝，10天后得到了鑄造毛坯。經(jīng)過必要的機(jī)加工，30天即完成了此款發(fā)動機(jī)的試制。
熔絲堆積成型（FDM）技術(shù)
FDM的材料一般是熱塑性材料，如蠟、ABS、尼龍等，以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料粘結(jié)。
1、FDM工藝不用激光，因此使用、維護(hù)簡單，成本較低。
2、用蠟成形的零件原型，可以直接用于失蠟鑄造。
3、用ABS制造的原型因具有較高強(qiáng)度而在產(chǎn)品設(shè)計、測試與評估等方面得到廣泛應(yīng)用。
4、 由于以FDM工藝為代表的熔融材料堆積成型具有一些顯著優(yōu)點(diǎn)，該工藝發(fā)展極為迅速。
激光熔覆成型（lcf）技術(shù)
lcf技術(shù)的工作原理與其他快速成型技術(shù)基本相同，也是通過對工作臺數(shù)控，實(shí)現(xiàn)激光束對粉末的掃描、熔覆，最終成型出所需形狀的零件。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成形零件的精度和強(qiáng)度有影響。
與其他快速成型技術(shù)的區(qū)別在于，激光熔覆成型能制成非常致密的金屬零件，其強(qiáng)度達(dá)到甚至超過常規(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。
激光近形（LENS）技術(shù)
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：
（1）單一金屬；
（2）金屬加低熔點(diǎn)金屬粘結(jié)劑；
（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，如浸滲樹脂、低熔點(diǎn)金屬，或進(jìn)行熱等靜壓處理。但這些后處理會改變金屬零件的精度。
激光薄片疊層制造（LOM）技術(shù)
LOM技術(shù)是一種常用來制作模具的新型快速成型技術(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。
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。用來制作復(fù)合模、薄料模、級進(jìn)模等，經(jīng)濟(jì)效益也甚為顯著。該技術(shù)在國外已經(jīng)得到了廣泛的使用。
激光誘發(fā)熱應(yīng)力成型（LF）技術(shù)
LF技術(shù)的原理是基于金屬熱脹冷縮的特性，即對材料進(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)：
（1）無模具成型：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)；
（2）無外力成型：材料變形的根源在于其內(nèi)部的熱應(yīng)力；
（3）非接觸式成型：成型精度高、無工模具磨損，可用于精密件的制造；
（4）熱態(tài)累積成型：能夠成型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。
德國學(xué)者m.geiger及f.vollertsen等在激光成型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型等。
作者：隨爾激光快速成型有限公司
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