激光增材制造技術(shù)及其應(yīng)用

李宏棋

摘 要 隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展和變革，傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)本身固有的局限性已經(jīng)嚴(yán)重限制工業(yè)的發(fā)展，激光快速成型技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它能夠快速轉(zhuǎn)化設(shè)計思想，是材料加工技術(shù)領(lǐng)域的革命性發(fā)展，而激光快速成型技術(shù)更是其中的重要組成部分。材料激光加工技術(shù)隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展以及社會的需求，對于工業(yè)上的要求在不斷的改變中，而特種加工技術(shù)的發(fā)展給工業(yè)上的要求提供了極大的幫助。特種加工應(yīng)用范圍廣，能夠?yàn)橐恍┘庸ぬ峁┖艽蟮膸椭す馐哂袉紊院?、能量密度高、空間控制性和時間控制性良好等一系列優(yōu)點(diǎn)，目前它已廣泛應(yīng)用于材料加工等領(lǐng)域。在要求質(zhì)量的同時，時間也是在生產(chǎn)時會引起大家注意的問題，效率越高，投入的人力和物力才能越少。

關(guān)鍵詞 增材制造 材料加工 快速制造

中圖分類號：TG111 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.12.022

Manufacturing Technology of Laser Adding Materials and Its Application

LI Hongqi

（Institute of Intelligent Manufacturing， Hankou University， Wuhan， Hubei 430212）

Abstract With the continuous development and change of industrial technology， the inherent limitations of traditional industrial production technology have seriously restricted the development of industry. Laser material-adding manufacturing technology emerged as the times require. It can rapidly transform design ideas and is a revolutionary development in the field of material processing technology. Laser beam has a series of advantages， such as good monochrome， high energy density， good space and time control. At present， it has been widely used in material processing and other fields. In this paper， the manufacturing technology of laser augmented materials is discussed， and the laser processing technology and application of materials are deeply studied and analyzed.

Keywordslaser technology; supplementary manufacturing; material processing

目前，市場環(huán)境發(fā)生了巨大變化。在市場上流通的產(chǎn)品特點(diǎn)是生產(chǎn)周期短，更新速度快，因此，在傳統(tǒng)制造基礎(chǔ)上，快速成型技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前國際上對此技術(shù)的稱謂有數(shù)種，如快速成型制造、薄層制造、立體印制技術(shù)、三維曝光以及直接CAD制造技術(shù)等。和傳統(tǒng)加工技術(shù)相比，它強(qiáng)調(diào)了“累加性”，從原料利用上來說不是傳統(tǒng)的受迫成型、拼合成型、去除成型能夠相比的。激光增材制造技術(shù)能夠快速轉(zhuǎn)化設(shè)計思想，是制造技術(shù)領(lǐng)域的革命性發(fā)展。

1 激光增材制造技術(shù)的工藝原理

激光增材制造技術(shù)的核心是分層，有四個步驟：第一步是生成三維實(shí)體模型，生成工具是CAD軟件;第二步是分層，分層工具是專用的分層軟件;第三步是借助第二步中斷層面的數(shù)據(jù)，對激光光束有驅(qū)動和控制的作用，完成對薄片材料、粉末或液體的掃射;第四步是逐層積累，從而得到最終的實(shí)體模型。傳統(tǒng)工業(yè)成型時大多采用銑削、車削、鉆削等材料去除的方法;另外一些是采用模具進(jìn)行成型，如鑄造、沖壓。激光增材制造打破了傳統(tǒng)工業(yè)的局限性，采用分層加工和迭加成型的方法。利用激光增材制造技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，比如加快產(chǎn)品開發(fā)，降低成本，生成的模型可代替新產(chǎn)品完成設(shè)計和功能驗(yàn)證等，明顯增強(qiáng)了企業(yè)的競爭力。

1.1 光固化立體造型（SLA-Stereolithography apparatus）

光固化立體造型工作原理主要包括掃描和固化兩個步驟。第一步是掃描，掃描的對象是液態(tài)光敏樹脂，掃描介質(zhì)是紫外激光（受計算機(jī)的控制），掃描軌跡是零件的預(yù)先確定的各個分層截面;第二步是固化，固化反應(yīng)是光聚合反應(yīng)，參與反應(yīng)的是第一步操作后的樹脂薄層，工作臺下移，從而逐層固化，形成最終的零件模型。其中，紫外激光的功率不需要太高，原因是固化發(fā)生的光聚合反應(yīng)是在光的作用下進(jìn)行的。光聚合反應(yīng)不產(chǎn)生大量的熱量，與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)配合，保證光聚合反應(yīng)的正常進(jìn)行。當(dāng)零件的尺寸較大時，可將零件分成小塊進(jìn)行光聚合，聚合完成后進(jìn)行粘接，不僅可保證較高的質(zhì)量，而且簡單、復(fù)雜、粗糙、精細(xì)的零件均可制造，但該法存在局限性，制造過程中設(shè)計的裝備和原材料成本很高，制造過程中需要設(shè)計支撐（圖1）。

目前，世界上關(guān)于光固化立體造型法研究最多，技術(shù)成熟，在很多方面均有應(yīng)用。研究機(jī)構(gòu)包括D System公司、F&S公司、D-MEC公司、Mitsui Zosen公司、CMET公司、Teijin Seiki公司、EOS公司、西安交通大學(xué)等。針對SLA技術(shù)，市場份額最大的是美國的3D System公司，1988年的研究成果是SLA-250機(jī)型，1997年的研究成果是SLA-250HR、SLA-5000、SLA-3500，在技術(shù)上有了長足進(jìn)步。1997年的產(chǎn)品中，固體激光器采用半導(dǎo)體的是SLA-5000（掃描速度是2.51m/s）和SLA-3500（掃描速度是5m/s），成型層厚最不可達(dá)0.05mm。這兩種產(chǎn)品中加入了一種新興技術(shù)，即Zephyer recoating system，該技術(shù)的作用對象是一個成型層，作用原理是在該層表面添加待固化樹脂，厚度為0.05-0.1mm，添加方式是真空吸附，使成型時間平均縮短了20%。美國3D System公司于1999年研究出SLA-7000，雖然體積沒有變化，但掃描速度明顯加快，達(dá)到9.52m/s，成型速度的平均值達(dá)到SLA-5000的5倍，成型層的厚度最低是0.025mm，精度提高了1倍。國內(nèi)外普遍關(guān)注SLR技術(shù)，重點(diǎn)研究通過該技術(shù)控制零件形狀的變化、成型的原理以及精度控制等方面。SLA技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，可以制作精細(xì)的復(fù)雜零件。

1.2 分層實(shí)體制造（LOM—Laminated Object Manufacturing）

分層實(shí)體制造工藝是快速成型技術(shù)的重要分支之一，其工作原理包括兩個步驟：第一步是切割，切割采用的是激光，切割的對象是薄材，切割的依據(jù)是將零件進(jìn)行分層處理后取得的輪廓數(shù)據(jù);第二步是粘合，粘合采用的是熱壓裝置，粘合的對象是剛經(jīng)過切割處理的薄層片和已經(jīng)完成切割的層片，最后逐層向上疊加，形成最終三維實(shí)體。采用分層實(shí)體制造工藝不僅降低成本，而且制件質(zhì)量好，精度高。LOM技術(shù)最成熟的公司是Helisys公司，研發(fā)了多種專用的成型材料，不僅適用于金屬材料，而且在陶瓷復(fù)合材料方面成果顯著。采用LOM法成型的優(yōu)點(diǎn)很多，比如成本低、成型后不需要進(jìn)行固化處理或安裝支撐結(jié)構(gòu)（圖2）。

1.3 選擇性激光燒結(jié)（SLS—Se1ected Laser Sintering）

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的工作原理由兩部分組成，第一部分是分層燒結(jié)，采用激光，并且燒結(jié)具有選擇性;第二部分是疊加，最終形成三維實(shí)體。從建立CAD模型、處理相關(guān)數(shù)據(jù)、鋪原材料、燒結(jié)、疊加到后續(xù)處理的過程中，原材料的要求較低，只需滿足加熱后原子之間可粘結(jié)即可，比如石蠟、高分子、陶瓷粉末等。SLS的優(yōu)點(diǎn)較多，比如原材料廣泛、原材料需求少、成本較低、成型后的零件功能較多，而且成型后不需要進(jìn)行固化處理或安裝支撐結(jié)構(gòu)，所以其應(yīng)用越來越廣泛。但SLS技術(shù)存在局限性，原因是相互結(jié)合的兩種材料熔點(diǎn)不同，在加工過程中，有機(jī)粘接材料等低熔點(diǎn)材料首先融化，但高熔點(diǎn)材料并未融化，二者不能完全結(jié)合，形成的成型件內(nèi)部存在孔隙，力學(xué)性能不好，常常需要后續(xù)處理，如滲金屬填補(bǔ)、高溫再次熔化等，造成不必要的成本。

不過SLS法在加工時需要預(yù)熱和冷卻，后處理工序較繁瑣（高溫?zé)Y(jié)、熱等靜壓、融浸等工序），考慮到粉末顆粒的尺寸和激光的因素，導(dǎo)致成型件孔隙較多，表面質(zhì)量較差，密度達(dá)不到100%。在傳統(tǒng)砂型的基礎(chǔ)上，SLS鑄型（芯）克服了很多局限性，如SLS鑄型無需拔模斜度，如果鑄型比較復(fù)雜時，工藝孔較明顯，需要進(jìn)行散砂處理。二者的共同之處在于都需要有澆冒系統(tǒng)，刷涂料，預(yù)留凝固的收縮空間（圖3）。

圖3 SLS的工藝原理圖

1.4 激光熔覆成型（LCF - Laser Cladding Forming）

激光熔覆成型技術(shù)，簡稱LCF，是在合金表面添加一層熔覆材料，添加時可預(yù)先放置，也可同步結(jié)合。在激光的作用下將二者融合，從而降低基底合金材料的稀釋度，提高材料的耐磨性、耐熱性和耐腐蝕性。LCF是以激光為熱源在基材的表面熔覆一層材料，形成與基體具有完全不同成分和性能的合金層的表面改性方法。LCF具有許多優(yōu)良特性：對工作環(huán)境的要求低;可通過計算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)智能化和自動化處理;激光熔覆成型后的材料表面平整，鑄型尺寸基本不發(fā)生變化，而且無須進(jìn)行后續(xù)處理;適合關(guān)鍵局部區(qū)域的處理;基底合金和熔覆材料在激光的照射下加熱融化，加熱速度較快，沒有熱擴(kuò)散，因此材料基本不發(fā)生熱變形;對激光的輸入進(jìn)行控制，可以有效降低基體材料的溶釋度，保證二者充分結(jié)合，保持原選定熔覆材料的優(yōu)異性能;激光熔覆成型技術(shù)的原材料范圍很廣，幾乎適用于所有的陶瓷或金屬材料，普遍應(yīng)用于機(jī)械、化工、航空航天等領(lǐng)域，越來越受到人們的關(guān)注，越來越多的機(jī)構(gòu)開始對LCF技術(shù)進(jìn)行研究，但LCF技術(shù)最大的局限性在于表面會出現(xiàn)裂紋，該缺陷尚未找到解決方法，還需各國科學(xué)家的積極探索和實(shí)驗(yàn)（圖4）。

2 結(jié)論

我國非常重視激光增材制造技術(shù)的發(fā)展，各研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者紛紛研究該技術(shù)，并取得了突破性進(jìn)展，達(dá)到世界領(lǐng)先水平，并形成了自己的特點(diǎn)。激光增材制造技術(shù)未來的發(fā)展方向是與快速模具制造等方面的結(jié)合，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、航空航天、汽車制造、機(jī)電設(shè)備等領(lǐng)域。

項(xiàng)目：湖北省高等學(xué)校戰(zhàn)略性新興（支柱）產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)計劃本科項(xiàng)目（新一代信息技術(shù)）[鄂教高（2013）11號]

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