激光快速成型技術(shù)的原理是用CAD生成的三維實(shí)體模型,通過分層軟件分層、每個(gè)薄層斷面的二維數(shù)據(jù)用于驅(qū)動(dòng)控制激光光束,掃射液體、粉末或薄片材料,加工出要求形狀的薄層,逐層積累形成實(shí)體模型。傳統(tǒng)的工業(yè)成形技術(shù)中大部分遵循材料去除法這一方法的,如車削、銑削、鉆削、磨削、 刨削;另外一些是采用模具進(jìn)行成形,如鑄造、沖壓。而激光快速成形卻是采用一種全新的 成形原理——分層加工、迭加成形。而激光快速成型技術(shù)快速制造出的模型或樣件可以直接用于新產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證、功能驗(yàn)證、工程分析、市場訂貨一級(jí)企業(yè)的決策等,縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期,降低研發(fā)成本,提高企業(yè)競爭力。激光快速成型又分為以下幾類:
(1) 光固化立體造型
(SL—Stereolithography,orSLA)
將計(jì)算機(jī)控制下的紫外激光按預(yù)定零件各分層截面的輪廓為軌跡對(duì)液態(tài)光敏樹脂逐點(diǎn)掃描,被掃描的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)固化形成零件的一個(gè)截面,再敷上一層新的液態(tài)樹脂進(jìn)行掃描加工,如此重復(fù)直到整個(gè)原型制造完畢。這種方法的特點(diǎn)是精度高、表面質(zhì)量好,能制造形狀復(fù)雜、特別精細(xì)的零件,不足是設(shè)備和材料昂貴,制造過程中需要設(shè)計(jì)支撐。
(2) 分層實(shí)體制造
(LOM—Laminated Object Manufacturing)
LOM工藝是根據(jù)零件分層得到的輪廓信息用激光切割薄材,將所獲得的層片通過熱壓裝置和下面已切割層粘合,然后新的一層紙?jiān)侬B加在上面,依次粘結(jié)成三維實(shí)體。LOM主要特點(diǎn)是設(shè)備和材料價(jià)格較低,制件強(qiáng)度較好、精度較高。Helisys公司研制出多種LOM工藝用的成型材料,可制造用金屬薄板制作的成型件,該公司還開發(fā)基于陶瓷復(fù)合材料的LOM工藝。
(3) 選擇性激光燒結(jié)
(SLS —Se1ected Laser Sintering)
SLS是采用激光有選擇地分層燒結(jié)固體粉末,并使燒結(jié)成型的固化層層層疊加生成所需形狀的零件。其整個(gè)工藝過程包括CAD模型的建立及數(shù)據(jù)處理、鋪粉、燒結(jié)以及后處理等。SLS 最突出的優(yōu)點(diǎn)在于它所使用的成型材料十分廣泛。從理論上說,任何加熱后能形成原子間粘結(jié)的粉末材料均可作為其成型材料。目前,可成功進(jìn)行SLS 成型加工的材料有石蠟、高分子、金屬、陶瓷粉末和它們的復(fù)合粉末材料。由于SLS 成型材料品種多、用料節(jié)省、成型件性能分布廣泛、適合多種用途以及SLS 無需設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜的支撐系統(tǒng),所以其應(yīng)用越來越廣泛。但是SLS 采用的是一種金屬材料與另一種低熔點(diǎn)材料(可以是低熔點(diǎn)金屬或有機(jī)粘接材料)的混合物,在加工過程中,低熔點(diǎn)材料熔化或部分熔化,但熔點(diǎn)較高的金屬材料并不熔化,而是被熔化或部分熔化的低熔點(diǎn)材料包覆粘結(jié)在一起,形成的三維實(shí)體為類似粉末冶金燒結(jié)的坯件,實(shí)體存在一定比例孔隙,不能達(dá)到100%密度,力學(xué)性能也較差, 常常還需要經(jīng)過高溫重熔或滲金屬填補(bǔ)孔隙等后處理才能使用。
(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預(yù)置或同步送給所選擇的熔覆材料,然后經(jīng)激光照射使之與基底表層同時(shí)熔化,并快速凝固成稀釋度低、與基底材料呈冶金結(jié)合的表面層,從而顯著改變基底材料表層的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣等特性的工藝方法。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(duì)工作環(huán)境的要求低;可通過計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)智能化和自動(dòng)化處理;熔覆層的外觀平整,工件變形小,加工后工件可不進(jìn)行處理而直接使用;適合關(guān)鍵局部區(qū)域的處理;由于激光具有近似絕熱的快速加熱過程,激光熔覆對(duì)基體的熱影響較小,引起的變形也小;控制激光的輸入能量,可以將基體材料對(duì)熔覆材料的稀釋控制在很低的程度,從而在保證熔覆層與基體形成冶金結(jié)合的前提下,保持原選定熔覆材料的優(yōu)異性能;適用范圍廣,理論上幾乎所有的金屬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、汽車、化工、機(jī)械等各領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景,正被越來越多的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)所重視,對(duì)其研究也越來越廣泛深入。但裂紋是目前大面積激光熔覆技術(shù)中最棘手的問題,國內(nèi)外的科學(xué)家正在努力尋求這一問題的解決方案。
(5) 激光誘發(fā)熱應(yīng)力成形技術(shù)
(LF - Laser Forming)
LF技術(shù)的原理是基于金屬熱脹冷縮的特性,即對(duì)材料進(jìn)行不均勻加熱,產(chǎn)生預(yù)定的塑形變形。該技術(shù)具有無模具成形、無外力成形、非接觸式成形、熱態(tài)累積成形等特點(diǎn)。該技術(shù)已被用于汽車覆蓋件的柔性校平和其他異形件的成形等。