激光快速成型技术综述
1、激光快速成型的基本原理
激光快速成型技术的原理是用CAD生成的三维实体模型，通过分层软
件分层、每个薄层断面的二维数据用于驱动控制激光光束，扫射液体、粉
末或薄片材料，加工出要求形状的薄层，逐层积累形成实体模型。
传统的工业成形技术中大部分遵循材料去除法这一方法的，如车削、铣削、钻削、磨削、刨削；另外一些是采用模具进行成形，如铸造、冲压。而激光快
速成形却是采用一种全新的成形原理——分层加工、迭加成形。而激光快速成型技术快速制造出的模型或样件可以直接用于新产品设计验证、功能验证、工程分析、市场订货一级企业的决策等，缩短新产品开发周期，降低研发
成本，提高企业竞争力。
激光快速成型又分为以下几类：
(1) 光固化立体造型(SL—Stereolithography,orSLA)
将计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态光敏树脂逐点扫描,被扫描的树脂薄层产生光聚合反应固化形成零件的一个截面, 再敷上一层新的液态树脂进行扫描加工,如此重复直到整个原型制造完毕[3]。这种方法的特点是精度高、表面质量好,能制造形状复杂、特别精细的零件,不足是设备和材料昂贵,制造过程中需要设计支撑。
(2) 分层实体制造(LOM—Laminated Object Manufacturing)
LOM工艺是根据零件分层得到的轮廓信息用激光切割薄材,将所获得的层片通过热压装置和下面已切割层粘合,然后新的一层纸再叠加在上面,依次粘结成三维实体。LOM主要特点是设备和材料价格较低,制件强度较好、精度较高。Helisys公司研制出多种LOM工艺用的成型材料,可制造用金属薄板制作的成型件,该公司还开发基于陶瓷复合材料的LOM工艺。
(3) 选择性激光烧结(SLS —Se1ected Laser Sintering)
SLS是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。SLS 最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。从理论上说，任何加热后能形成原子间粘结的粉末材料均可作为其成型材料[4]。目前，可成功进行SLS 成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。由于SLS 成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛、适合多种用途以及SLS 无需设计和制造复杂的支撑系统，所以其应用越来越广泛。但是SLS 采用的是一种金属材料与另一种低熔点材料(可以是低熔点金属或有机粘接材料)的混合物，在加工过程中，低熔点材料熔化或部分熔化，但熔点较高的金属材料并不熔化，而是被熔化或部分熔化的低熔点材料包覆粘结在一起，形成的三维实体为类似粉末冶金烧结的坯件，实体存在一定比例孔隙，不能达到100%密度，力学性能也较差，常常还需要经过高温重熔或渗金属填补孔隙等后处理才能使用。
(4) 激光熔覆成形(LCF - Laser Cladding Forming) [5]
LCF是指以不同的方式在基底合金表面上预置或同步送给所选择的熔覆材料，然后经激光照射使之与基底表层同时熔化，并快速凝固成稀释度低、与基底材料呈冶金结合的表面层，从而显著改变基底材料表层的耐磨、耐蚀、耐热及电气等特性的工艺方法。LCF是以激光为热源在基材的表面熔覆一层材料，形成与基体
具有完全不同成分和性能的合金层的表面改性方法。LCF具有许多优良特性：对工作环境的要求低；可通过计算机控制实现智能化和自动化处理；熔覆层的外观平整，工件变形小，加工后工件可不进行处理而直接使用；适合关键局部区域的处理；由于激光具有近似绝热的快速加热过程，激光熔覆对基体的热影响较小，引起的变形也小；控制激光的输入能量，可以将基体材料对熔覆材料的稀释控制在很低的程度，从而在保证熔覆层与基体形成冶金结合的前提下，保持原选定熔覆材料的优异性能；适用范围广，理论上几乎所有的金属或陶瓷材料都能激光熔覆到任何合金上，因而激光熔覆在航空、汽车、化工、机械等各领域拥有广泛的应用前景，正被越来越多的研究机构和企业所重视,对其研究也越来越广泛深入。但裂纹是目前大面积激光熔覆技术中最棘手的问题，国内外的科学家正在努力寻求这一问题的解决方案。
2、激光快速成型的特点
由于快速成型技术（包含激光快速成型技术）仅仅在需要增加材料的地方增加材料，所以从设计到自动化，从知识获取到计算机处理，从计划到接口、通讯等方面来看，非常适合于CIM、CAD及CAM，因此，同传统的制造方法相比较，激光快速成型显示出诸多的优）点：
（1）制造速度快、成本低、节省时间和节约成本，为传统制造方法注入新的活力，而且可实现自由制造，产品制造过程以及产品造价几乎与产品的批量和复杂性无关。
（2）采用非接触加工的方式，没有传统加工的残余应力的问题，没有工具更换和磨损之类的问题，无切割、噪音和振动等，有利于环保。
（3）可实现快速铸造、快速模具制造，特别适合于新产品开发和单间零件生产。
3、激光快速成型的应用
不断提高激光快速成型技术的应用水平是推动激光快速成型技术技术发展的重要方面。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。
4、激光快速成型的发展现状
美国3DSyetems公司1988年生产出世界上第一台SLA250型光固化快
速造型机，开创了激光快速成型技术迅速发展和推广的新纪元。美国在设备研制、生产销售方面占全球主导地位，其发展水平及趋势基本代表了世界的发展水平及趋势。欧洲和日本也不甘落后，纷纷进行相关技术研究和设备研发。香港和台湾比内地起步早，台湾大汛拥有LOM设备，台湾各单位及军方安装多台进口
SL系列设备。香港生产力促进局和香港科技大学、香港理工大学、香港城市大
学等都拥有RP设备，其重点是有关键技术的应用与推广。
国内自20世纪90年代初开始进行研究，现有西安交通大学、华中科技大学、清华大学、北京隆源公司多所研究单位自主开发了成型设备并实现产业化。其中，西安交通大学生产的紫外光CPS系列光固化成型系统快速成型机等新技术，引起了国内外的高度重视等等。
激光快速成型技术正在发生巨大的变化 ,主要体现在新技术、新工艺及信息网络化等方面 ,其未来发展方向包括:
(1) 研究新的成型工艺方法 ,在现有的基础上 ,拓宽激光快速成型技术的
应用 ,开展新的成型工艺的探索。
(2) 开发新设备和开发新材料。 LRP 设备研制向两个方向发展:自动化的桌面小型系统 ,主要用于原型制造;工业化大型系统 ,用于制造高精度、高性能零件。成型材料的研发及应用是目前LRP技术的研究重点之一。发展全新材料 ,特别是复合材料 ,如纳米材料、非均质材料、功能材料是当前的研究热点。激光快速成型技术是多学科交叉融合一体化的技术系统 ,正在不断研究开发和推
广应用中 ,与生物科学交叉的生物制造、与信息科学交叉的远程制造、与纳米科学交叉的微机电系统等为它集成制造提供了广阔的发展空间。随着科学技术和现代工业的发展 ,它对制造业的作用日益重要并趋向更高的综合。
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SLA工艺也称光造型或立体光刻，是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。液槽中盛满液态光固化树脂，激光束在偏转镜作用下，能在液态表面上扫描，扫描的轨迹及光线的有无均有计算机控制，光点打到的地方，液体就固化。成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。SLA方法是目前快速成型技术领域中研究得最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。SLA工艺成型的零件精度较高，加工精度一般可达到0.1mm，原材料利用率近100%。 成型技术特点 快速成型技术具有一下几个重要特征：1）可以制造任意复杂的三维几何实体。由于采用离散/堆积成型的原理，它将一个十分复杂的三维制造过程简化为二维过程的叠加，可实现对任意复杂形状零件的加工。越是复杂的零件越能显示出RP技术的优越性。此外，RP技术特别适合复杂型腔、复杂型面等传统方法难以制造甚至无法制造的零件。2）快速性。通过对一个CAD模型的修改或重组就可获得一个新零件的设计和加工信息。从几个小时到几十个小时就可制造出零件，具有快速制造的突出特点。3）高度柔性。无需任何专用夹具或工具即可完成复杂的制造过程，快速制造工模型、原型或零件。4）快速成型技术实现了机械工程学科多年来追求的两大先进目标，即材料的提取（气、液、固相）过程与制造过程一体化和设计（CAD）与制造(CAM)一体化。5）与反求工程（Reverse Engineering）、CAD技术、网络技术、虚拟现实等相结合，成为产品快速开发的有力工具。 流程示意 快速成型的工艺过程具体如下： 1）产品的三维模型的构建。由于RP系统是由三维CAD模型直接驱动，因此首先要构建所加工工件的三维CAD模型。该三维CAD模型可以利用计算机辅助设计软件（如Pro/E，I-DEAS, Solid Works，UG等）直接构建，也可以将已有产品的二维图样进行转换而形成三维模型，或对产品实体进行激光扫描、CT断层扫描，得到点云数据，然后利用反求工程的方法来构造三维模型。 2）SLA激光快速成型 SLA工艺也称光造型或立体光刻，是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。液槽中盛满液态光固化树脂，激光束在偏转镜作用下，能在液态表面上扫描，扫描的轨迹及光线的有无均有计算机控制，光点打到的地方，液体就固化。成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。 3）成型零件的后处理。 从成型系统里取出成型件，进行打磨、抛光、涂挂，或放在高温炉中进行后烧结，进一部提高其强度。 材料性能
金属零件激光选区熔化3D打印装备与技术随着科学技术日新月异的进步，机械加工行业不断发展。而快速成型技术，尤其是激光3D打印技术在机械加工行业中起到了越来越大的作用，并渐渐在制造业得到了广泛应用，成为了如今机械制造业中不可或缺的一部分。3D打印技术正在快速改变我们传统的生产方式和生活方式，不少专家认为，以数字化、网络化、个性化、定制化为特点的3D打印制造技术将推动第三次工业革命。 金属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中最前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。按照金属粉末的添置方式将金属3D打印技术分为三类：（1）使用激光照射预先铺展好的金属粉末，即金属零件成型完毕后将完全被粉末覆盖。这种方法目前被设备厂家及各科研院所广泛采用，包括直接金 属激光烧结成型（Direct Metal Laser Sintering,DMLS）、激光选区熔化（Selective laser melting,SLM）和LC（Laser Cusing）等；（2）使用激光照射喷嘴输送的粉末流，激光与输送粉末同时工作（Laser Engineered Net Shaping，LENS）。该方法目前在国内使用比较多；（3）采用电子束熔化预先铺展好的金属粉末（Electron Beam Melting,EBM），此方法与第1类原理相似，只是采用热源不同。 激光选区熔化技术是金属3D打印领域的重要部分，其采用精细聚焦光斑快速熔化300－500目的预置粉末材料，几乎可以直接获得任意形状以及具有完全冶金结合的功能零件。致密度可达到近乎100%，尺寸精度达20－50微米，表面粗糙度达20－30微米，是一种极具发展前景的快速成型技术，而且其应用范围已拓展到航空航天、医疗、汽车、模具等领域。 目前SLM设备的研究和开发也成为了国内外快速成型领域的热点。本文对SLM设备的组成和成型原理进行了一个概述性的介绍，对比了国内外SLM设备的参数，并对SLM设备和技术的发展进行了展望。 SLM成型设备 SLM设备一般由光路单元、机械单元、控制单元、工艺软件和保护气密封单元几个部分组成。 光路单元主要包括光纤激光器、扩束镜、反射镜、扫描振镜和F-?聚焦透镜等。激光器是SLM设备中最核心的组成部分，直接决定了整个设备的成型质量。近年来几乎所有的SLM 设备都采用光纤激光器，因光纤激光器具有转换效率高、性能可靠、寿命长、光束模式接近基模等优点。由于激光光束质量很好，激光束能被聚集成极细微的光束，并且其输出波长短，因而光纤激光器在精密金属零件的激光选区熔化快速成型中有着极为明显的优势。扩束镜是对光束质量调整必不可少的光学部件，光路中采用扩束镜是为了扩大光束直径，减小光束发散角，减小能量损耗。扫描振镜由电机驱动，通过计算机进行控制，可以使激光光斑精确定位在加工面的任一位置。为了克服扫描振镜单元的畸变，须用专用平场F-?扫描透镜，使得聚焦光斑在扫描范围内得到一致的聚焦特性。
DLF与SLM激光快速成型方法的比较激光直接制造(Direct Laser Fabrication，DLF)技术与选择性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术是目前较为成熟和先进的激光快速成型技术，涉及机械、材料、激光、计算机和自动控制等多学科领域，充分体现了现代科学发展多学科交叉的特点，具有广泛的研究与发展前景。 DLF技术是基于激光快速成型的“离散一堆积”、“添加式制造”的基本概念和激光熔覆技术而发展起来的金属零件全密度全功能快速直接制造技术。其实质是利用送粉式激光熔覆逐点、逐层沉积，实现三维任意形状高性能金属零件的近净成型。 SLM技术是以选择性激光烧结(Selective I．aserSinter，SLS)技术为基础，基于快速成型的最基本思想，即逐层熔覆的“增量”制造方式，根据三维CAD模型直接成型具有特定几何形状的零件，成型过程中金属粉末完全熔化，产生冶金结合。它是快速成型技术的 最新发展。 本文采用DLF与SLM两种激光快速成型技术进行一系列实验，根据实验结果，比较分析两种快速成型方法在成型精度和效率、成型件力学性能和组织结构等方面的异同，为激光快速成型方法的选择提供一定的技术依据。 1 DLF与SLM激光快速成型技术的原理 1．1 DLF激光快速成型技术的原理 DLF技术是将快速成型(Rapid Prototyping，RP)技术和激光熔
覆技术相结合，以激光作为加工能源，以金属粉末为加工原料，在金属基板上逐层熔覆堆积，从而形成金属零件的制造技术。DLF快速成型技术的基本原理哺1如图1所示，先利用三维CAD软件(如UG，Pro ／E，Solidworks)生成所需制造零件的三维CAD模型，并转换成STL 格式；再利用切片技术将吼格式的CAD模型按照一定的层厚进行分层切片， 提取每一层切片所产生的轮廓；然后根据切片轮廓设计合理的扫描路径，并转换成相应的计算机数字控制(Computer Nomencal Control，CNC)工作台指令；激光束在CNC指令控制下进行扫描加工，将加工原料进行熔覆，生成与这一层形状、尺寸一致的熔覆层。完成这一过程后，聚焦镜、同轴送粉喷嘴等整体上移(或工作台下移)一个层厚的高度，并重复上述过程，如此逐层熔覆堆积直到形成CAD模型所设计的形状，加T出所需的金属零件为提高表面质量和避免加工缺陷，加工过程可在气体保护下进行。
试卷 2. 3.快速成型技术的主要优点包括成本低，制造速度快，环保节能，适用于新产品开发和单间零件生产等 4.光固化树脂成型（SLA）的成型效率主要与扫描速度，扫描间隙，激光功率等因素有关 5. 也被称为：3D打印，增材制造； 6.选择性激光烧结成型工艺（SLS）可成型的材料包括塑料，陶瓷，金属等； 7.选择性激光烧结成型工艺（SLS）工艺参数主要包括分层厚度，扫描速度，体积成型率，聚焦光斑直径等； 8.快速成型过程总体上分为三个步骤，包括：数据前处理，分层叠加成型（自由成型），后处理； 9.快速成型技术的特点主要包括原型的复制性、互换性高，加工周期短，成本低，高度技术集成等； 10.快速成型技术的未来发展趋势包括：开发性能好的快速成型材料，改善快速成形系统的可靠性，提高其生产率和制作大件能力，优化设备结构，开发新的成形能源，快速成形方法和工艺的改进和创新，提高网络化服务的研究力度，实现远程控制等； 11.光固化快速成型工艺中，其中前处理施加支撑工艺需要添加支撑结构，支撑结构的主要作用是防止翘曲变形，作为支撑保证形状； 二、术语解释 1.STL数据模型 是由3D SYSTEMS 公司于1988 年制定的一个接口协议，是一种为快速原型制造技术服务的三维图形文件格式。STL 文件由多个三角形面片的定义组成，每个三角形面片的定义包括三角形各个定点的三维坐标及三角形面片的法矢量。stl 文件是在计算机图形应用系统中，用于表示三角形网格的一种文件格式。它的文件格式非常简单，应用很广泛。STL是最多快速原型系统所应用的标准文件类型。STL是用三角网格来表现3D CAD模型。STL只能用来表示封闭的面或者体，stl文件有两种：一种是ASCII明码格式，另一种是二进制格式。 2.快速成型精度包括哪几部分 原型的精度一般包括形状精度，尺寸精度和表面精度，即光固化成型件在形状、尺寸和表面相互位置三个方面与设计要求的符合程度。形状误差主要有：翘曲、扭曲变形、椭圆度误差及局部缺陷等；尺寸误差是指成型件与CAD模型相比，在x、y、z三个方向上尺寸相差值；表面精度主要包括由叠层累加产生的台阶误差及表面粗糙度等。 3.阶梯误差 由于快速成型技术的成型原理是逐层叠加成型，因此不可避免地会产生台阶效应，使得零件的表面只是原CAD模型表面的一个阶梯近似（除水平和垂直表
《快速成型技术Ⅰ》课程论文 针对熔融挤出成型(FDM)技术的表面粗糙度分析讨论 学院机械与汽车工程 专业机械一 学生姓名廖政泰 指导教师杨永强王迪 提交日期年月日
表面粗糙度及影响因素 表面粗糙度影响零件的耐磨性。表面越粗糙，配合表面间的有效接触面积越小，压强越大，磨损就越快。 2）表面粗糙度影响配合性质的稳定性。对间隙配合来说，表面越粗糙，就越易磨损，使工作过程中间隙逐渐增大；对过盈配合来说，由于装配时将微观凸峰挤平，减小了实际有效过盈，降低了联结强度。 表面粗糙度 表面粗糙度 3）表面粗糙度影响零件的疲劳强度。粗糙零件的表面存在较大的波谷，它们像尖角缺口和裂纹一样，对应力集中很敏感，从而影响零件的疲劳强度。 4）表面粗糙度影响零件的抗腐蚀性。粗糙的表面，易使腐蚀性气体或液体通过表面的微观凹谷渗入到金属内层，造成表面腐蚀。 5）表面粗糙度影响零件的密封性。粗糙的表面之间无法严密地贴合，气体或液体通过接触面间的缝隙渗漏。 表面粗糙度 表面粗糙度 6）表面粗糙度影响零件的接触刚度。接触刚度是零件结合面在外力作用下，抵抗接触变形的能力。机器的刚度在很大程度上取决于各零件之间的接触刚度。 7）影响零件的测量精度。零件被测表面和测量工具测量面的表面粗糙度都会直接影响测量的精度，尤其是在精密测量时。 此外，表面粗糙度对零件的镀涂层、导热性和接触电阻、反射能力和辐射性能、液体和气体流动的阻力、导体表面电流的流通等都会有不同程度的影响。 选择性激光熔化技术的基本原理 SLM技术是利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成型的一种技术。为了完全熔化金属粉末，要求激光能量密度超过106W/Cm2。目前用SLM技术的激光器主要有Nd-YAG激光器、Co2激光器、光纤(Fiber)激光器。这些激光器产生的激光波长分别为1064nm、10640nm、1090nm。金属粉末对1064nm等较短波长激光的吸收率比较高，而对10640nm等较长波长激光的吸收率较低。因此在成型金属零件过程中具有较短波长激光器的激光能量利用率高，但是采用较长波长的Co2激光器，其激光能量利用率低。在高激光能量密度作用下，金属粉末完全熔化，经散热冷却后可实现与固体金属冶金焊合成型。SLM 技术正是通过此过程，层层累积成型出三维实体的快速成型技术。根据成型件三维CAD 模型的分层切片信息，扫描系统(振镜)控制激光束作用于待成型区域内的粉末。一层扫描完毕后，活塞缸内的活塞会下降一个层厚的距离;接着送粉系统输送一定量的粉末，铺粉系统的辊子铺展一层厚的粉末沉积于已成型层之上。然后，重复上述2个成型过程，直至所有三维CAD模型的切片层全部扫描完毕。这样，三维CAD模型通过逐层累积方式直接成型金属零件。最后，活塞上推，从成型装备中取出零件。至此，SLM金属粉末直接成型金属零件的全部过程结束. 在制造过程中，铺粉装置按设定的层厚将金属粉末均匀地铺设在基板上，激光在振镜控制下对需要熔化的区域进行扫描熔化；然后，基板下降一个层厚，重复下层的加工，如此往复，金属零件一层层地被加工出来。SLM激光快速成型技术非常适用于复杂零件的快速制造，它可以极大地缩减产品开发周期，降低设计与制造成本，具有广阔的研究与应用前景［1～8］。在这种逐层加工过程中，前一层水平面的表面质量直接影响到下一层的铺粉均匀性，如果前一层的表面粗糙度值很大，甚至存在球化现象，则可能导致下一层的铺粉过程无法完成，从而使得成型加工无法继续；另外，垂直面、倾斜面的表面粗糙度作为成型零件表面粗糙
激光快速成型（SLS）技术在汽车领域的应用 湖南华曙公司采用的选择性粉末激光烧结（SLS）技术是行业领先的柔性智能制造技术，广泛服务于汽车制造、飞机工程、消费电子、精密传感等诸多领域。 快速制造（RM）激光装备欧美等国07年一年新增近2000台，制成产品已经大量出现在飞机、汽车、大型仪器、仪表等领域，由于不需要模具，从CAD文件到产品可在15小时之内出货，对我们这个传统的制造业大国产生了强烈的冲击，庞大的市场需求与国产设备的极缺造成的反差，无论是激光装备国产化市场还是产品市场都给我们留出了宝贵的市场机遇。我们项目正是在国内批量制造RM设备并承接RM产品制造服务，并力争建成全国领先的产业集群，国家工程技术中心。 汽车设计和塑胶件批量制造中应用 汽车外形及内饰件的设计、改型、装配试验，发动机、汽缸头等复杂外型的试制。 作为设计验证和评估的手段，激光快速成型已经用于国内外汽车产业中， ●例如美国克莱斯勒公司已制造车身模型，将其放在高速风洞中进行空气动力学试验分析，取得了令人满意的效果，大大节约了试验费用。 ●汽车发动机进气管内腔形状是由十分复杂的自由曲面构成的，它对提高进气效率、燃烧过程有十分重要的影响。设计过程中，需要对不同的进气管方案做气道试验，传统的方法是用手工方法加工出由几十
个截面来描述的气管木模或石膏模，再用砂模铸造进气管，加工中，木模工对图纸的理解和本身的技术水平常导致零件与设计意图的偏离，有时这种误差的影响是显著的。使用数控加工虽然能较好地反映出设计意图，但其准备时间长，特别是几何形状复杂时更是如此。英国Rover公司使用激光快速成型技术生产进气管的外模及内腔模，取得了令人满意的效果。 ●在汽车模具制造中应用本激光快速成型技术，能烧结蜡、聚碳酸酯、尼龙、金属等各种材料。用该系统制造的钢铜合金注塑模具，可注塑5万件工件。也可以结合其他技术来制作钢质模具，实现金属模的快速制造。或者直接制造出复形精度较高的EDM电极，用于注塑模、锻模、压铸等钢制模具型腔的加工。一个中等大小、较为复杂的电极一般4～8h即可完成，复形精度完全满足工程要求。福特汽车公司用此技术制造汽车模具取得了满意的效果。上海交通大学也已通过RP与精密铸造结合的方法为汽车及汽车轮胎等行业生产进口替代模具计80余副。与传统机加工法相比，快速模具制造的制作成本及周期大大降低。我国每年需进口模具达几十亿美元，主要是复杂模具和精密模具，因此，激光快速成型技术在未来的汽车模具制造业中的应用前景十分广阔。 ●在汽车灯具制造上的应用汽车灯具大多数的形状是不规则的,曲面复杂,模具制造难度很大。通过快速成型技术,可以很快得到精确的产品试样,为模具设计CAD和CAM提供了有利的参考。同时,也可以通过快速成型技术,用熔模铸造的方法快速、高精度地制造出灯具模具。
四种常见快速成型技术 FDM 丝状材料选择性熔覆（Fus ed Dep osi tion Mod eling）快速原型工艺是一种不依*激光作为成型能源、而将各种丝材加热溶化的成型方法，简称FDM。 丝状材料选择性熔覆的原理室，加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动。热塑性丝状材料（如直径为1.78m m的塑料丝）由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热和溶化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.127mm厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。 这种工艺方法同样有多种材料选用，如ABS塑料、浇铸用蜡、人造橡胶等。这种工艺干净，易于操作，不产生垃圾，小型系统可用于办公环境，没有产生毒气和化学污染的危险。但仍需对整个截面进行扫描涂覆，成型时间长。适合于产品设计的概念建模以及产品的形状及功能测试。由于甲基丙烯酸ABS（M AB S）材料具有较好的化学稳定性，可采用加码射线消毒，特别适用于医用。但成型精度相对较低，不适合于制作结构过分复杂的零件。 FD M快速原型技术的优点是： 1、操作环境干净、安全可在办公室环境下进行。 2、工艺干净、简单、易于材作且不产生垃圾。 3、尺寸精度较高，表面质量较好，易于装配。可快速构建瓶状或中空零件。 4、原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。 5、材料利用率高。 6、可选用多种材料，如可染色的A BS和医用A BS、PC、PP SF等。 FDM快速原型技术的缺点是： 1、做小件或精细件时精度不如SLA，最高精度0.127mm。 2、速度较慢。 SL A 敏树脂选择性固化是采用立体雕刻（Stereo litho gra phy）原理的一种工艺，简称SLA，也是最早出现的、技术最成熟和应用最广泛的快速原型技术。 在树脂液槽中盛满液态光敏树脂，它在紫外激光束的照射下会快速固化。成型过程开始时，可升降的工作台处于液面下一个截面层厚的高度，聚焦后的激光束，在计算机的控制下，按照截面轮廓的要求，沿液面进行扫描，使被扫描区域的树脂固化，从而得到该截面轮廓的塑料薄片。然后，工作台下降一层薄片的高度，以固化的塑料薄片就被一层新的液态树脂所覆盖，以便进行第二层激光扫描固化，新固化的一层牢固的粘结在前一层上，如此重复不已，知道整个产品成型完毕。最后升降台升出液体树脂表面，即可取出工件，进行清洗和表面光洁处理。 光敏树脂选择性固化快速原型技术适合于制作中小形工件，能直接得到塑料产品。主要用于概念模型的原型制作，或用来做装配检验和工艺规划。它还能代替腊模制作浇铸模具，以及作为金属喷涂模、环氧树脂模和其他软模的母模，使目前较为成熟的快速原型工艺。 SL A快速原型技术的优点是： 1、成形速度较快。 2、系统工作相对稳定。 3、尺寸精度较高，可确保工件的尺寸精度在0.1m m（但，国内SL A精度在——0.3mm之间，
RP快速成型技术的原理介绍 快速自动成型RP(Rapid Prototyping)技术是近年来发展起来的直接根据CAD模型快速生产样件或零件的成组技术总称，它集成了CAD技术、数控技术。激光技术和材料技术等现代科技成果:是先进制造技术的重要组成部分。与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。 快速自动成型技术问世不到十年，已实现了相当大的市场，发展非常迅速。人们对材料逐层添加法这种新的制造方法已逐步适应。制造行业的工作人员都想方设法利用这种现代化手段，与传统制造技术的接轨工作也进展顺利。人们用其长避共短，效益非凡。与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段一起，快速自动成型已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。 快速成型的过程是首先生成一个产品的三维CAD实体模型或曲面模型文件，将其转换成STL文件格式，再用一软件从STL文件"切"(Slice)出设定厚度的一系列的片层，或者直接从CAD文件切出一系列的片层，这些片层按次序累积起来仍是所设计零件的形状。然后，将上述每一片层的资料传
到快速自动成型机中去，类似于计算机向打印机传递打印信息，用材料添加法依次将每一层做出来并同时连结各层，直到完成整个零件。因此，快速自动成型可定义为一种将计算机中储存的任意三维型体信息通过材料逐层添加法直接制造出来，而不需要特殊的模具、工具或人工干涉的新型制造技术。 快速成型技术与传统方法相比具有独特的优越性和特点: （1）产品制造过程几乎与零件的复杂性无关，可实现自由制造(Free FormFabrication)，这是传统方法无法比拟的。 （2）产品的单价几乎与批量无关，特别适合于新产品的开发和单件小批量零件的生产。 （3）由于采用非接触加工的方式，没有工具更换和磨损之类的问题，可做到无人值守，无需机加工方面的专门知识就可操作。 （4）无切割、噪音和振动等，有利于环保。 （5）整个生产过程数字化，与CAD模型具有直接的关联，零件可大可小，所见即所得，可随时修改，随时制造。 （6）与传统方法结合，可实现快速铸造，快速模具制造，小批量零件生产等功能，为传统制造方法注入新的活力。 光固化立体造型（SL—Stereolithography） 该技术以光敏树脂为原料，将计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。当一层固化完毕，移动工作台，在
５０，０８００２５激光与光电子学进展ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊ ｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ基于选区激光熔化快速成型的自由设计与制造进展 宋长辉１，２ 杨永强１，２ 叶梓恒１ 王 迪 １（１华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州５１０６４０；２广州有色金属研究院，广东广州５１０６４１ ）摘要 随着机械系统复杂性的不断增加，在现代结构理论模型的设计中，设计者需要统筹考虑结构新颖性、性能优 良性和制造可行性，但传统的制造方式对设计约束很大。选区激光熔化（ＳＬＭ）是快速制造中最有发展潜力的技术之一，在理论上可以实现任意复杂的计算机辅助设计（ＣＡＤ）理论模型到金属功能件的直接制造。针对ＳＬＭ自由 制造的特点，结合华南理工大学在该技术方面的研究基础，研究了具有免组装、功能集成和轻量化特点的复杂金属 功能件自由设计与直接制造的工艺，为航空航天、医疗、汽车等领域的产品创新设计与个性化制造提供参考。 关键词 光学制造；选区激光熔化；自由设计与制造；免组装机构；轻量化构件 中图分类号 Ｏ４３６ 文献标识码 Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＬＯＰ５０．０８００２６ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｆｒｅｅｆｏｒｍ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｂａｓｅｄｏｎ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｍｅｌｔｉｎｇ Ｓｏｎｇ Ｃｈａｎｇｈｕｉ １，２ Ｙａｎｇ Ｙｏｎｇｑｉａｎｇ１， ２ Ｙｅ Ｚｉｈｅｎｇ１ Ｗａｎｇ Ｄｉ １１ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｈｚｏｕ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ５ １０６４０，Ｃｈｉｎａ２ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｎｏｎ－Ｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌｓ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ５１０６４１，烄烆烌烎ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ Ａｓ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ｄｅｓｉｇｎｅｒｓ ｎｅｅｄ ｔｏ ｇｉｖｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｎｏｖｅｌｔｙ，ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｍｏｄｅｒｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｍｐｏｓｅ ｇｒｅａｔ ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎｏｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ．Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ｍｅｌｔｉｎｇ（ＳＬＭ）ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｔｈａｔ ｈａｖｅ ｍｏｓｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐ ｏｔｅｎｔｉａｌ，ｗｈｉｃｈｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｄｉｒｅｃｔ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｐａｒｔｓ ｆｒｏｍ ａｎｙ ｃｏｍｐｌｅｘ ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ａｉｄｅｄ ｄｅｓｉｇｎ（ＣＡＤ）ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｓ ｉｎ ｔｈｅｏｒｙ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｅｅｆｏｒｍ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆ ＳＬＭ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅｒｅｌａｔｅｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｅ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｆｒｅｅｆｏｒｍ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｄｉｒｅｃｔ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｍｅｔａｌ ｐｉｅｃｅｓ ｗｉｔｈ ｎｏｎ－ａｓｓｅｍｂｌｙ，ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇ ｈｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｅｒｓｏｎａｌｉｚｅｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄｓ ｏｆａｅｒｏｓｐ ａｃｅ，ｍｅｄｉｃａｌ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ａｎｄ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｏｐｔｉｃａｌ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ；ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ｍｅｌｔｉｎｇ；ｆｒｅｅｆｏｒｍ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ；ｎｏｎ－ａｓｓｅｍｂｌｙｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｌｉｇｈｔｗｅｉｇ ｈｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅＯＣＩＳ ｃｏｄｅｓ １ ４０．３３９０；３５０．３８５０；２３０．４０００ 收稿日期：２０１３－０３－０８；收到修改稿日期：２０１３－０４－０１；网络出版日期：２０１３－０７－ １１基金项目：国家自然科学基金（５１２７５１７９ ）作者简介：宋长辉（１９８６—） ，男，博士研究生，主要从事激光加工与激光快速成型等方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｏｎｇ＿ｃｈａｎｇ ｈｕｉ＠１６３．ｃｏｍ导师简介：杨永强（１９６１—） ，男，博士，教授，博士生导师，主要从事激光材料加工、快速成型制造等方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｍｅｙｑｙａｎｇ ＠ｓｃｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ（通信联系人）１ 引 言 随着机械系统复杂性的不断增加，在现代结构理论模型的设计中，设计者需要统筹考虑结构新颖性、性能优良性和制造可行性。其中制造可行性强调在设计阶段就要充分考虑制造中的问题，其基本思想是从产品设计参数中提取与制造过程相关的信息进行分析，以改善设计。传统制造对于产品的形状与结构设计约 ０８００２６－ １
激光快速成型技术研究现状与发展 摘要:快速成型技术是近年来制造技术领域的一次重大突破和革命性的发展,激光快速成型技术是其重要组成部分。本文介绍了激光快速成型技术的基本原理和特点,分析了有关工艺方法,讨论了LRP 技术的研究现状和应用,并展望其未来发展趋势。 关键词:激光快速成型;研究现状;发展趋势 1 激光快速成型技术原理和特点 80 年代后期发展起来的快速成型技术(RapidPrototyping ,RP) 是基于分层技术、堆积成型, 直接根据CAD 模型快速生产样件或零件的先进制造成组技术总称。RP 技术不同于传统的去除成型、拼合成型及受迫成型等加工方法,它是利用材料累加法直接制造塑料、陶瓷、金属及各种复合材料零件[1 ] 。以激光作为加工能源的激光快速成型是快速成型技术的重要组成部分,它集成了CAD 技术、数控技术、激光技术和材料科学等现代科技成果。激光快速成型(Laser Rapid Prototyping ,LRP) 原理是用CAD 生成的三维实体模型,通过分层软件分层,每个薄层断面的二维数据用于驱动控制激光光束,扫射液体,粉末或薄片材料,加工出要求形状的薄层,逐层累积形成实体模型。快速制造出的模型或样件可直接用于新产品设计验证、功能验证、工程分析、市场订货及企业决策等,缩短新产品开发周期,降低研发成本,提高企业竞争力。以此为基础进一步发展的快速模具工装制造(Quick Tooling) 技术,快速精铸技术(Quick Casting) ,快速金属粉末结技术(Quick Powder Sintering) 等,可实现零件的快速成品。 激光快速成型技术主要特点: (1) 制造速度快、成本低, 节省时间和节约成本,为传统制造方法注入新的活力,而且可实现自由制造(Free Form Fabrication) ,产品制造过程以及产品造价几乎与产品的批量和复杂性无关。[2 ] (2) 采用非接触加工的方式,没有传统加工的残余应力问题,没有工具更换和磨损之类的问题,无切割、噪音和振动等,有利于环保。 (3) 可实现快速铸造、快速模具制造,特别适合于新品开发和单件零件生产。 2 LRP 工艺方法 LRP 技术包括很多种工艺方法,其中相对成熟的有立体光固化(SLA) 、选择性激光烧结(SLS) 、分层实体制造(LOM) 、激光熔覆成形(LCF) 、激光近形制造(LENS) 。 (1) 光固化立体造型(SL —Stereolithography ,orSLA) 将计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态光敏树脂逐点扫描,被扫描的树脂薄层产生光聚合反应固化形成零件的一个截面, 再敷上一层新的液态树脂进行扫描加工,如此重复直到整个原型制造完毕。这种方法的特点是精度高、表面质量好,能制造形状复杂、特别精细的零件,不足是设备和材料昂贵,制造过程中需要设计支撑。 (2) 分层实体制造(LOM—Laminated ObjectManufacturing) LOM工艺是根据零件分层得到的轮廓信息用激光切割薄材,将所获得的层片通过热压装置和下面已切割层粘合,然后新的一层纸再叠加在上面,依次粘结成三维实体。LOM主要特点是设备和材料价格较低,制件强度较好、精度较高。Helisys 公司研制出多种LOM工艺用的成型材料,可制造用金属薄板制作的成型件,该公司还开发基于陶瓷复合材料的LOM工艺。 (3) 选择性激光烧结(SLS —Se1ected LaserSintering) SLS 的原理是根据CAD 生成的三维实体模型,通过分层软件分层获得二维数据驱动控制激光束,有选择性地对铺好的各种粉末材料进行烧结,加工出要求形状的薄层,逐层累积形成实体模型,最后去掉未烧结的松散的粉未,获得原型制件。SLS的特点是可以采用多种材料适应不同的应用要求,而具有更广阔的发展前景。但能量消耗非常高,成型精度有待进一步提高。DTM
钛合金激光熔化堆积快速成型技术 一、引言 钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性以及优异的高温力学性能等突出特点，在航空航天、船舶、医疗等高技术和尖端科学领域发挥着重要作用，已成为材料科学的重要研究领域之一。 在航空领域，钛合金材料做成的各种机身加强框、梁、接头等大型关键主承力结构件，因为强度大、重量相对较轻，目前被大多数先进飞机所采用。如波音公司和空客公司研制的新一代民用客机(B一787、A一380)中钛合金用量已由第三代(B一747、A一300)的不到4％上升到9％以上，第三代歼击机中钛合金结构件用量由F一1 6的约3％增加到了F／A1 8-ElF、苏一27的15％以上，而第四代歼击机F一22中钛合金结构件用量已占机身结构总重量的41％。事实上，大型整体钛合金结构件用量的高低已成为衡量飞机等国防装备技术先进性的重要标志之一。 基于钛合金复杂的工艺性能，传统的钛合金锻造对工艺参数非常敏感，锻造温度、变形量、及冷却速度的改变都会引起钛合金组织性能的变化。由于钛合金的化学活性高，易于空气中的N、O发生剧烈化学反应，且易于锻造中常用的耐火材料发生化学反应。由于受钛合金本性的影响，采用“锻造+机械加工”等传统技术制造大型复杂钛合金关键结构件，不仅需要大型钛合金铸锭熔铸与制坯、万吨级以上重型液压锻造工业装备，而且制造工序繁多、工艺复杂，需要大型钛合金铸锭真空熔铸、大规格锻坯制备、大型锻造模具加工等，零件机械加工余量很大、材料利用率低(一般小于5～10％)、数控加工时间长、制造成本高、生产周期长，严重制约了大型钛合金结构件在先进工业及国防装备中的广泛应用，大型钛合金主承力结构件低成本、短周期成形制造技术，也是制约我国航空装备研制与生产的技术“瓶颈”之一! 然而，随着科技的发展和技术革新，中国掌握的钛合金制造技术也实现了跨越式的进步。一种“激光熔化堆积快速成型技术”应用于钛合金制造中，利用金属粉末（或丝材），通过一束高性能激光，对金属原材料进行逐层熔化堆积，直接由零件CAD模型一步完成全致密、高性能、大型复杂金属零件的“近终成形”制造，是一种具有“变革性”意义的数字化、短周期、低成本先进的制造新技术，在航空、航天等国防装备研制与生产中具有广阔的前景，与传统钛合金制造技术(锻压+机械加工、锻造+焊接等)相比，具有以下突出优点： (1)高性能材料制备与复杂零件“近终成形”制造一体化，无需零件毛坯制备和锻压模具加工、无需大型或超大型锻铸工业装备及其相关配套设施； (2)零件具有晶粒细小、成分均匀、组织致密的独特快速凝固组织，综合力学性能优异； (3)零件的材料利用率高(可比锻件提高5倍以上)、数控机械加工时间短； (4)制造成本低、生产制造周期短； (5)工艺与设备简单、工序少而短、具有高度柔性与“超常”快速反应能力： (6)可以方便地实现包括W、Mo、Nb、Ta等各种难熔及Ti、Zr等各种高活性高性能金属材料零件的材料制备和零件直接“近终成形”； (7)可根据零件的工作条件和性能要求，通过灵活改变局部激光熔化沉积材料的化学成分，实现多材料梯度复合高性能金属的直接近终成形制造； (8)具有对构件设计与批量变化的高度柔性与快速反应能力。激光快速成形技术的独特优
手板模型按加工方式，主要可分为CNC数控加工，另外就是激光快速成型加工，本文主要介绍关于快速成型技术的制作原理与要点。 快速成型技术的特点： 与传统材料加工技术相比,快速成型具有鲜明的特点： 1．数字化制造。 2．高度柔性和适应性。可以制造任意复杂形状的零件。 3．直接CAD模型驱动。如同使用打印机一样方便快捷。 4．快速。从CAD设计到原型(或零件)加工完毕，只需几十分钟至几十小时。 5．材料类型丰富多样，包括树脂、纸、工程蜡、工程塑料（ABS等）、陶瓷粉、金属粉、砂等，可以在航空，机械，家电，建筑，医疗等各个领域应用。 快速成型的主要工艺： RP技术结合了众多当代高新技术：计算机辅助设计、数控技术、激光技术、材料技术等，并将随着技术的更新而不断发展。自1986年出现至今，短短十几年，世界上已有大约二十多种不同的成形方法和工艺，而且新方法和工艺不断地出现。目前已出现的RP技术的主要工艺有： 1.PCM工艺:无木模铸造。 2.SL工艺:光固化/立体光刻 。 3.FDM工艺:熔融沉积成形。 4.SLS工艺:选择性激光烧结。 5.LOM工艺:分层实体制造。 6.3DP工艺:三维印刷。 模型放置与添加零件支撑： 为了防止成型过程中零件的翘曲变形，需要给零件添加支撑。AFS（快速成型系统）提供了两种支撑方法，一种是网格支撑，一种是基于切片和零件形状的支撑。因为支撑只是在零件烧结成型的过程中防止零件翘曲变形，零件成型以后，支撑是需要去除的，因此支撑再烧结温度要小于零件的烧结温度。也就是激光束在扫描经过支撑的时候，激光器的功率要降低，扫描密度要降低，扫描线宽要增大。这样，支撑的烧结强度就低，成型以后很容易去除。如图2所示，成型零件是一个吸尘器的封盖，当封盖模型经过缩放处理后就可以添加支撑了，涂颜色的部分即是添加的支撑。添加支撑的原则是对那些悬掉点、下棱线、倾斜角度过大的表面三种结构需要加支撑。因此在放置模型时就应该考虑到支撑的放置问题。一般对表面质量要求较高的面最好放置为顶面，特别是对于细小凸起，更要放置在顶面；同时，如果凸起的尺寸太小，需要对凸起高度进行一定比例的放大。对于细长的悬臂类结构件最好横放，竖放难以保证悬臂的直线度。为了提高扫描的效率，一般应考虑将尺寸较大的边横放，减少扫描的层数，缩短加工时间。 激光快速成型的特点与工艺广州盛域 https://www.doczj.com/doc/9b2474036.html, 2012年5月 快 速 成 型 与 自 动 化 技 术 Rapid prototyping ＆ automation technology 快速成型技术是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。以常用的激光快速成型来进行简单总结其工艺过程中的一些要点。第 1 页
第3章激光快速成型机软件的操作 3.1概述 快速成型制作流程如图3-1所示，在利用快速成型机制做原型以前，必须先将用户所需的零件设计出CAD 模型，再将CAD 模型转换成快速成型机能够使用的数据格式，最终通过控制软件控制设备的加工运行。设计可以利用现在广泛应用在设计领域的三维CAD 设计软件，如Pro/E 、UG 、CATIA 、SolidWorks 、SolidEdge 、Inventor 、CAXA 、AutoCAD 等生成，在此不再叙述。如果已有设计好的油泥模型或有零件需要仿制，可以通过反求工程扫描完成CAD 模型（见反求章节）。 图3-1快速成型的制作流程图 快速成型机可直接根据用户提供的STL 文件进行制造。用户可使用能输出STL 文件的CAD 设计系统（如Pro/E 、UG 、CATIA 、SolidWorks 、Ideas 等）进行CAD 三维实体造型，其输出的STL 面片文件可作为快速成型机软件的输入文件。从上面流程图可见，数据处理软件接受STL 文件后，进行零件制作大小、方向的确定，对STL 文件分层、支撑设计、生成SPS 系列激光快速成型机的加工数据文件，激光快速成型机控制软件根据此文件进行加工制作。本章主要讲从以有三维CAD 开始介绍如何将其转换为快速成型机能够使用的数据格式并详细的说明激光快速成型机的控制软件的造作。介绍RPdata10.0数据处理软件、由数据处理软件实现用户设计目标 CAD 三维实体造 导出STL 格式数据 加载STL 格式数据 确定造型方向或制作布局 自动生成支撑 自动分层处理 SLC/HDI 格式数据输出 选择成型机型号 对应成型机数据加载、制作 RP 原型
激光振镜工作原理 激光打标设备的核心是激光打标控制系统和激光打标头，因此，激光打标的发展历程就是打标控制系统和激光打标头的发展过程。从1995年起，在激光打标领域就经历了大 幅面时代、转镜时代和振镜时代，控制方式也完成了从软件直接控制到上下位机控制到实时处理、分时复用的一系列演变，如今，半导体激光器、光纤激光器、乃至紫外激光的出现和发展又对光学过程控制提出了新的挑战,振镜式激光打标头(振镜式扫描系统)是最新产品。1998年，振镜式扫描系统在中国的大规模应用开始到来。所谓振镜，又可以称之为电流表计，它的设计思路完全沿袭电流表的设计方法，镜片取代了表针，而探头的信号由计算机控制的-5V—5V或-10V－+10V的直流信号取代，以完成预定的动作。同转镜式扫描 系统相同，这种典型的控制系统采用了一对折返镜，不同的是，驱动这套镜片的步进电机被伺服电机所取代，在这套控制系统中，位置传感器的使用和负反馈回路的设计思路进一步保证了系统的精度，整个系统的扫描速度和重复定位精度达到一个新的水平。 振镜扫描式打标头主要由XY扫描镜、场镜、振镜及计算机控制的打标软件等构成。根据激光波长的不同选用相应的光学元器件。相关的选件还包括激光扩束镜、激光器等。其工作原理是将激光束入射到两反射镜（扫描镜）上，用计算机控制反射镜的反射角度，这两个反射镜可分别沿X、Y轴扫描，从而达到激光束的偏转，使具有一定功率密度的激 光聚焦点在打标材料上按所需的要求运动，从而在材料表面上留下永久的标记，聚焦的光斑可以是圆形或矩形，其原理如右图所示。在振镜扫描系统中，可以采用矢量图形及文字，这种方法采用了计算机中图形软件对图形的处理方式，具有作图效率高，图形精度好，无失真等特点，极大的提高了激光打标的质量和速度。同时振镜式打标也可采用点阵式打标方式，采用这种方式对于在线打标很适用，根据不同速度的生产线可以采用一个扫描振镜或两个扫描振镜，与前面所述的阵列式打标相比，可以标记更多的点阵信息，对于标记汉字字符具有更大的优势。