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激光快速成型的基本原理

作者:admin 发表时间:2016-07-19 10:16:07 阅读: 3073

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。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。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)
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。
(5) 激光诱发热应力成形技术
(LF - Laser Forming)
LF技术的原理是基于金属热胀冷缩的特性,即对材料进行不均匀加热,产生预定的塑形变形。该技术具有无模具成形、无外力成形、非接触式成形、热态累积成形等特点。该技术已被用于汽车覆盖件的柔性校平和其他异形件的成形等。