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浅析激光3D打印在非传统工业领域应用

日期:2016-05-08 来源:新特光电 点击数:

自1960年第一台激光器问世以来,激光技术的研究及其在各个领域的应用得到了迅速的发展。与传统加工方法相比,激光加工技术具有高相干性、高方向性和高亮度已经广泛应用于工业、军事、科学研究及日常生活中,尤其是近20年来,激光制造技术已经渗入到诸多高新技术领域和产业,其中最突出的是,最近十多年来发达国家推出的集精密机械、计算机、数控、激光、新材料于一体的全新制造技术——快速成形技术(又称3D打印技术),应用这种技术开发的设备——快速制造系统,近年以40%以上的高增速发展。

1.0 激光快速成型技术概述

激光快速制造技术(LRMT)又称激光快速成形技术或激光3D打印技术,是一种借助计算机辅助设计,或用实体反求方法采集得到有关原型或零件的几何形状、结构和材料的组合信息,从而获得目标原型的概念并以此建立数字化描述模型,之后将这些信息又输到计算机控制的光、机、电集成的激光快速成形制造系统,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,达到快速、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。

从广义的范畴来说,快速成形属于添加成形;而从狭义的角度来讲,快速成形应该属于离散/堆积成形,即依照计算机上构成零件三维设计模型,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所要成形的实体。

激光快速制造的全过程可以归纳为以下三个步骤: 前处理它包括零件三维模型的构建、三维模型的近似处理、模型成形方向的选择和三维模型的切片处理、抛光和表面强化处理等。 分层叠加自由成形

根据切片处理的截面轮廓,在计算机控制下,相应的成形头(激光头或喷头)按各自截面轮廓信息做扫描运动,在工作台上一层一层的堆积材料,然后将各层相黏结,最终得到原型产品。

1.1 后处理

从成形系统里取出成形件,进行剥离、后固化、修补、打磨、抛光、涂挂,或放在高温炉中进行最后的烧结,进一步提高其强度。目前激光快速制造技术的研究,根据对象和功能的不同,可分成两大类,即快速原型制造和金属零件快速直接制造技术。

激光快速制造技术是近年来增长最快的工业领域之一。相对于传统的制造加工过程,按照零件的复杂程度和采用的方法不同,往往需要几周甚至几个月的加工时间。基于计算机对物体几何形状、结构与连接状态的描述,激光快速制造技术的制造时间从几个小时到几十个小时便可完成。可以预见,激光快速制造技术将对当今材料的生产、加工过程和制造工程产生重要的影响。

1.2 激光快速成型技术的研究

近几年基于激光技术的快速制造技术(LRPT)处在飞速发展之中,呈现三个特 点:一是新的激光快速制造工艺不断涌现;二是配套硬件和软件不断完善;三是应用领 域日益拓宽。近期发展的LPRT技术主要有立体光 造型(SLA)技术、选择性激光烧结(SLS)技术、激光薄片叠层制造(LOM)技术、激光熔覆成形(LCF)技术、激光近成形 (LENS)技术、直接光学制造(DLF)技术、金属激光烧结工艺(DMLS)及形状沉 积制造(SDM)技术。下面简要介绍几种主要激光快速成形 技术的概况。

2.1激光立体印刷成型技术

激光立体印刷成形(Stereo Lithography Apparatus,SLA)又称光敏液 相固化、立体光刻、立体造型等,是一种最早出现的快速成形方法,也是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的的一种快速成形方法。该技术以光敏树脂(如丙烯基树脂)为原料,采用计算机控制下的紫外激光以预定

原型各分层截面的轮廓信息为轨迹逐点扫描,使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应 后固化,从而形成一个薄层截面。当一层固化后,向下(或向上)移动工作台,在刚刚固化的树脂表面布放一层新的液态树脂,再 进行新一层扫描、固化。新固化的一层牢固的黏合在前一层上,如此重复至整个原型制造完毕。制造过程依赖于激光束有选择性地固化连续薄层的光敏聚合物,通过分层固化,最终构造出三维物体。

其成型设备又称“立体平版印刷设备”,是最早出现的一种商品化的快速成形机,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。其中,液槽中盛满液态光敏 聚合物(通常20~200L)。带有许多小孔洞 的可升降工作台在步进电机的驱动下能沿高度Z方向作往复运动。激光器为紫外(UV)激光器,如氦镉(He-Cd)激光器、氩离子(Ar)激光器和固态激光器,其功率一般为10至200mW,波长为320至370um(处在中紫外至近紫外波段)。扫描系统为一组定位镜,它能根据控制系统的指令,按照每一截面轮廓的要求作高速往复摆动,从而使激光器发出的激光束反射并聚焦于液槽中液态光敏聚合物的上表面,并沿此面作X-Y方向的扫描运动(如图2所示)。在这一层受到紫外激光束照射的部位,液态光敏聚合物快速固化,形成相应的一层固态截面轮廓。

SLA成形时,激光束按数控指令扫描,可升降工作台的上表面处于液面下一个截面层厚的高度(通常为0.125至0.75mm),该层液态光敏聚合物被激光束扫描发生聚合反应而固化,并形成所需第一层固态截面轮廓后,工作台下降一层高度,液槽中的液态光敏聚合物流过已固化的截面轮廓层,刮刀按照设定的层高作往复运动,刮去多余的聚合物,再对新铺上的这一层液态聚合物进行扫描固化,形成第二层所需固态截面轮廓,新固化的一层能牢固的黏结在前一层上,如此重复直到整个制作成形完毕,得到一个三维实体原型。

1988年,美国3DSystem公司率先生产了世界上第一台SLA250型液态光敏树脂选择性激光固化快速造型机,其最近推出的办公室用桌面3D打印机CubePro及Cube

Pro,更是将3D打印技术进一步推向民用。此外,目前世界上从事该技术研究的还有EOS公司、MEC公司及日本三菱公司下属的CMET公司等。近年来,3D System公司又采用了一种称之为Zephyer Recoating System的新技术,该技术是在每一成形层上,用一种真空吸附式刮板在该层上涂一层0.05~0.1mm的待固化树脂,使成形时间平均缩短20%。

我国研究SLA成形技术的有西安交通大学,其从1993年开始,选择成形质量好、速度快的光固化树脂成形机的关键技术及其材料为突破口。在国家大力支持下,与陕西恒通只能机器设备有限公司合作,先后研制出并向市场退出了国内首台LPS、SPS和CPS光固化成形机及其配套树脂材料。

陕西恒通在软、硬件技术上的优势主要表现如下:树脂材料为国外一半;自主开发的软件功能更加强大;真空吸附式树脂涂覆系统,提高了制作速度及质量;采用抽壳制件。目前,立体印刷成形技术主要存在以下几个方面的问题:(1)成形机理尚不清楚,需要从实验研究及理论分析上解决这些问题;(2)SLA产品成本较高;(3)成形材料单一,尚需多样化;(4)成形精度低;

(5)成形制件强度较低。

2.2分层实体快速成型技术

分层实体制造技术(Laminated

ObjectManufacturing,LOM),又称薄形材料选择性切割,是几种最成熟的快速成形技术之一。这种工艺按照CAD分层模型所获得的数据,用激光束将单面涂有热熔胶的薄膜材料或其他材料的箔带切割成欲制原型在该层平面的内外轮廓,在通过加热辊加热,是刚刚切好的一层与下面已切割层粘结在一起。通过逐层切割、黏合,最后将不需要的材料剥离,得到欲求的原型。

具体的成形原理如下:

成形零件的CAD模型输入成形系统,再用系统中的切片软件对模型进行切片处理,从而得到产品在高度上的一系列横面轮廓线,其成形过程如图3所示,由系统控制微机指令,步进电动机带动主动辊芯转动,使纸卷转动,并在切割台面上自右向左移动预定的距离,同时,工作台升高至切割位置,之后热压装置中的热压辊自左向右滚动,对工作台上方的纸及涂覆与纸的下表面的热熔胶加热、施压,使纸粘于基底上,激光切割头依据分层截面轮廓线切割纸,并在余料上切出长方形边框,工作台连同被切出的轮廓层下降至一定高度后,步进电动机驱动主动辊再次沿逆时针方向运动,直至完成最后一层轮廓黏合和切割。从工作台上取下被边框所包围的长方体,用小锤敲打是大部分由小网格构成的小立方体废料与制品分离,再用小刀从制品上提出残余的小立方块,得到三维原型制品。

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,且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,不需要考虑支撑,故其具有制作效率高、速度快、成本低等优点。分层实体制造的常用材料是纸、金属箔、塑料膜等。该制造工艺和设备自1991年问世以来,得到迅速发展。 

目前世界上已经有100多台设备投入使用,主要有Helisys Inc的纸张叠层造型LOM系列、日本KIRA公司采用一种超硬质刀切割和选择性黏结方法的PLT-A4机型。中国在该技术领域发展的比较快的有,清华大学推出的SSM系列成形机及成形材料。华中科技大学推出的HRP-IIA系列成形机和成形材料,具有较高的性价比。目前,分层实体制造工艺仍然存在以下几个问题:(1)成本价格问题;(2)分层材料的堆积成形精度问题;(3)金属板材的连接问题;(4)材料浪费问题;(5)LOM设备系统比较复杂,工作稳定性较差;(6)成形件的抗拉强度和弹性不够好。

2.3选择性激光烧结技术

选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering,SLS)又称为选区激光烧结技术,其使用激光束熔化或烧结粉末材料,利用分层思想,把计算机中的CAD模型直接成形为三维实体零件。它的创新之处在于将激光、光学、温度控制和材料相联系,并借助精确引导的激光束使材料粉末烧结或熔融后凝固形成三维原型或制件。选择性激光烧结技术工艺原理如图5所示。其工艺过程是,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。全部烧结后去掉多余的粉末,再进行打磨、烘 干等处理便获得原型或零件。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。SLS技术不受零件几何形状的限制,不需要任何的工装模具,可以缩短产品的研发周期,降低生产成本,提高产品的市场竞争力。其造型速度快,一般制品仅需1~2天即可完成。
选择性激光烧结具有如下特点:(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。选择性激光烧结工艺的最初思想是由

Texas大学Austin分校的Deckard于1986 年提出,进而DTM、德国的EOS公司先后将这一思想转化成现实。其中德国的EOS公司通过与芬兰的Rapid Product Innovation公司合作,研制出可用于SLS成形的不收缩铜粉和不锈钢粉末,使得SLS技术拓展到金属材料成形领域。中国从事该技术研究的单位有北京隆源公司、南京航天航空大学和华中科技大学等。其中南京航空航天大学研制的RAP-I型激光烧结快速成型系统、北京隆源自动成型有限公司开发的AFS-300激光快速成型的商品化设备。

2.4激光熔覆快速制造技术

激光涂覆快速制造技术也称近形技术(Laser Engineering Net Shaping ,LENS)、直接光制造技术(Directed Laser Fabrication,DLF)、直接金属沉积技术(Directed metal Deposition,DMD)和激光共凝固技术(Laser Consolidation,LC),是今年来再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。首先由CAD产生零件实体模型,然后用分层软件对实体模型进行处理,获取各截面的几何信息,并将其转化成NC工作台的运动的轨迹信息。成形时,有一束高功率激光会照射到基材表面形成熔池,与此同时金属粉末通过同轴送粉嘴被同轴地喷入熔池形成熔覆层,送粉嘴根据CAD给定的各层截面的轨迹信息,在NC的控制下将材料逐层扫描堆积,最终制造出金属实体零件。由于激光熔覆的快速凝固特征,所制造出的金属零件具有优良的质量和强度。

与其他传统的制造方法相比,激光熔覆直接制造技术的突出优点如下:(1)具有高度的柔性,在计算机的控制下可以方便迅速地制作出传统加工方法难以实现的复杂形状的金属零件;(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,既可以用来制作普通合金零件,又可以用来加工钛等易氧化金属零件,提高材料的利用率,改变了人们对材料的选择原则;(5)激光与材料相互作用时快速熔化和凝固过程使材料具有许多常规材料在常规条件下无法得到的组织。

国外对该工艺技术的研究主要有美国Sandia国家实验室、德国汉诺威激光中心、加拿大国家科学院集成制造技术研究所以及美国Los Alamos

国家实验室等。其中美国Los Alamos

国家实验室利用该技术制造出了带有半球、直壁、通孔、尖角的零件,加工材料包括AISI316和400不锈钢等。经评估,利用该技术制作模具可使加工时间缩短40%,工序由原来的62步减少为7步。国内研究该技术的单位有清华大学、西北工业大学、北京工业大学和中国科学研究院等,其中清华大学机械系激光加工制造中心已经研制出适合于直接制造金属零件的各自规格的同轴送粉喷嘴和自动送粉器,发展了激光快速柔性制造即LRFM系统,已申请相关的发明专利多项。中科院已经开发出集成化激光智能加工系统。

主要应用

目前,激光快速成型技术已在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、

雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用。并且随着这一技术本身的发展,其应用领域将不断拓展。

激光快速成型技术的实际应用主要集中在以下几个方面:(1)在新产品造型设计过程中的应用激光快速成形技术为工业产品的设计开发人员建立了一种崭新的产品开发模式。运用激光快速成型技术能够快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的实物模型(样件),这不仅缩短了开发周期,而且降低了开发费用,也使企业在激烈的市场竞争中占有先机。(2)在机械制造领域的应用由于激光快速成型技术自身的特点,使得其在机械制造领域内,获得广泛的应用,多用于制造单件、小批量金属零件的制造。有些特殊复杂制件,由于只需单件生产,或少于50件的小批量,一般均可用RP技术直接进行成型,成本低,周期短。(3)快速模具制造传统的模具生产时间长,成本高。将激光快速成型技术与传统的模具制造技术相结合,可以大大缩短模具制造的开发周期,提高生产率,是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。激光快速成形技术在模具制造方面的应用可分为直接制模和间接制模两种,直接制模是指采用激光快速成型技术直接堆积制造出模具,间接制模是先制出快速成型零件,再由零件复制得到所需要的模具。(4)在医学领域的应用近几年来,人们对激光快速成型技术在医学领域的应用研究较多。以医学影像数据为基础,利用激光快速成型技术制作人体器官模型,对外科手术有极大的应用价值。(5)在文化艺术领域的应用在文化艺术领域,激光快速成形制造技术多用于艺术创作、文物复制、数字雕塑等。

(6)在航空航天技术领域的应用在航空航天领域中,空气动力学地面模拟实验(即风洞实验)是设计性能先进的天地往返系统(即航天飞机)所必不可少的重要环节。该实验中所用的模型形状复杂、精度要求高、又具有流线型特性,采用激光快速成型技术,根据CAD模型,由激光快速成型设备自动完成实体模型,能够很好的保证模型质量。(7)在家电行业的应用目前,激光快速成形系统在国内的家电行业上得到了很大程度的普及与应用,使许多家电企业走在了国内前列。如:广东的美的、华宝、科龙;江苏的春兰、小天鹅;青岛的海尔等,都先后采用快速成形系统来开发新产品,收到了很好的效果。快速成形技术的应用很广泛,可以相信,随着快速成形制造技术的不断成熟和完善,它将会在越来越多的领域得到推广和应用。(8)概念模型制造和功能测试将设计构想转换成实体模型,具有更好的直观性和启示性,可充当交流沟通中介物和更有利于产品设计评估。产品零件原型具有足够的强度,可用于产品受载应力应变实验分析。(9)快速模具制造和快速工具制造现代模具制造中缩短周期的关键之一是利用快速成型技术生成模型,结合精铸、电极研磨等技术快速制造出所需的功能模具,其制造周期较之传统的数控切削方法可缩短而成本下降。但是LRP技术存在一些目前尚未很好解决的关键问题,主要是成型机理尚未完全清楚,成型能量消耗非常高,成型精度有待进一步提高等,从而制约了其进一步产业应用。

结论及展望

作为一项新型的制造技术,激光快速成形以其分层制造的思想和一体化的设计在其出现之始就引起了各界的广泛关注,迅速

成为制造界的研究热点。经过十几年的发展,激光快速成形技术已突破了其最初意义上 的“原型”概念,向着快速零件、快速工具的方 向发展。占主导地位的SLA ,LOM,FDM ,SLS 等较成熟且已商品化的快速成形技术逐渐被学术界和工业界认识采用,并在实践中逐渐确定了自己的应用范围。

但激光快速成形技术的产生与发展只有十几年时间,还有较大的发展空间:(1)没有粘结剂金属材料的快速制造,特别是高熔点、高强度金属零件的制造;(2)各种快速成形方法中材料成形机理、成形性的研究,最终形成快速成形材料的商品化;(3)成形工艺和设备的开发与改进,以提高原型件的表面质量、尺寸精度、机械性能;(4)

探索RP 技术与传统加工、特种加工技术相结合的多种加工手段综合工艺,为快速模具、工具制造提供新的技术手段。随着激光快速成形技术的发展,新工艺、新材料的不断出现,势必会对未来的实际零件制 造产生较大影响,对制造业产生巨大的推动作用。

(来源:中国测控网、激光制造网)