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激光快速成形技術的最新發展和應用
來源:網絡 | 作者:pmo788793 | 發布時間: 759天前 | 1067 次瀏覽 | 分享到:
激光快速成形(Laser Rapid Prototyping:LRP)是將CAD、CAM、CNC、激光、精密伺服驅動和新材料等先進技術集成的一種全新制造技術。與傳統制造方法相比具有:原型的復制性、互換性高;制造工藝與制造原型的幾何形狀無關;加工周期短、成本低,一般制造費用降低50%,加工周期縮短70%以上;高度技術集成,實現設計制造一體化。
激光快速成形(Laser Rapid Prototyping:LRP)是將CAD、CAM、CNC、激光、精密伺服驅動和新材料等先進技術集成的一種全新制造技術。與傳統制造方法相比具有:原型的復制性、互換性高;制造工藝與制造原型的幾何形狀無關;加工周期短、成本低,一般制造費用降低50%,加工周期縮短70%以上;高度技術集成,實現設計制造一體化。

  近期發展的LPR主要有:立體光造型(SLA) 技術;選擇性激光燒結(SLS) 技術;激光熔覆成形(LCF)技術;激光近形(LENS)技術;激光薄片疊層制造(LOM) 技術;激光誘發熱應力成形(LF)技術及三維印刷技術等。

  立體光造形(SLA)技術

  SLA技術又稱光固化快速成形技術,其原理是計算機控制激光束對光敏樹脂為原料的表面進行逐點掃描,被掃描區域的樹脂薄層(約十分之幾毫米)產生光聚合反應而固化,形成零件的一個薄層。工作臺下移一個層厚的距離,以便固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態樹脂,進行下一層的掃描加工,如此反復,直到整個原型制造完畢。由于光聚合反應是基于光的作用而不是基于熱的作用,故在工作時只需功率較低的激光源。此外,因為沒有熱擴散,加上鏈式反應能夠很好地控制,能保證聚合反應不發生在激光點之外,因而加工精度高 ),表面質量好,原材料的利用率接近100%,能制造形狀復雜、精細的零件,效率高。對于尺寸較大的零件,則可采用先分塊成形然后粘接的方法進行制作。

  美國、日本、德國、比利時等都投入了大量的人力、物力研究該技術,并不斷有新產品問世。我國西安交通大學也研制成功了立體光造型機LPS600A。目前,全世界有10多家工廠生產該產品。

  ●在汽車車身制造中的應用 SLA技術可制造出所需比例的精密鑄造模具,從而澆鑄出一定比例的車身金屬模型,利用此金屬模型可進行風洞和碰撞等試驗,從而完成對車身最終評價,以決定其設計是否合理。美國克萊斯勒公司已用SLA技術制成了車身模型,將其放在高速風洞中進行空氣動力學試驗分析,取得了令人滿意的效果,大大節約了試驗費用。

  ●用于汽車發動機進氣管試驗 進氣管內腔形狀是由十分復雜的自由曲面構成的,它對提高進氣效率、燃燒過程有十分重要的影響。設計過程中,需要對不同的進氣管方案做氣道試驗,傳統的方法是用手工方法加工出由幾十個截面來描述的氣管木模或石膏模,再用砂模鑄造進氣管,加工中,木模工對圖紙的理解和本身的技術水平常導致零件與設計意圖的偏離,有時這種誤差的影響是顯著的。使用數控加工雖然能較好地反映出設計意圖,但其準備時間長,特別是幾何形狀復雜時更是如此。英國Rover公司使用快速成型技術生產進氣管的外模及內腔模,取得了令人滿意的效果。

  選擇性激光燒結(SLS)技術

  SLS技術與SLA技術很相似,只是用粉末原料取代了液態光聚合物,并以一定的掃描速度和能量作用于粉末材料。該技術具有原材料選擇廣泛、多余材料易于清理、應用范圍廣等優點,適用于原型及功能零件的制造。在成形過程中,激光工作參數以及粉末的特性和燒結氣氛是影響燒結成形質量的重要參數。

  ●在汽車模具制造中應用 美國德克薩斯州立大學研究的SLS技術,已由美國DTM公司商品化。目前該公司已研制出SLS2000系列第三代產品。該系統能燒結蠟、聚碳酸酯、尼龍、金屬等各種材料。用該系統制造的鋼銅合金注塑模具,可注塑5萬件工件。近年來基于RPM技術模具制造技術已從最初的原型制造,發展到快速工模具制造,成為國內外應用研究開發的重點。基于RPM的模具制造方法可分為直接制模法和間接制模法。

  直接制模法是直接采用RPM技術制作模具,在RPM技術諸方法中能夠直接制作金屬模具的是SLS法。用這種方法制造的鋼制銅合金注射模,壽命可達5萬件以上。但此法在燒結過程中材料發生較大收縮,精度難以控制。

  間接制模法可分為:

  (1)軟質簡易模具的制作 采用硅橡膠、金屬粉環氧樹脂粉和低熔點合金等將原型準確復制成模具,或對原型進行表面處理,用金屬噴涂法或物理蒸發沉積法鍍上一層熔點較低的合金來制作模具。這些簡易模具的壽命為50~5000件,由于其制造成本低、周期短,特別適合于產品試制階段的小批量生產。

  (2)鋼質模具的制作 將RPM技術與精密鑄造技術相結合,可實現金屬模的快速制造。或者直接制造出復形精度較高的EDM電極,用于注塑模、鍛模、壓鑄等鋼制模具型腔的加工。一個中等大小、較為復雜的電極一般4~8h即可完成,復形精度完全滿足工程要求。福特汽車公司用此技術制造汽車模具取得了滿意的效果。上海交通大學也已通過RP與精密鑄造結合的方法為汽車及汽車輪胎等行業生產進口替代模具計80余副。與傳統機加工法相比,快速模具制造的制作成本及周期大大降低。我國每年需進口模具達8億多美元,主要是復雜模具和精密模具,因此,SLS技術在未來的汽車模具制造業中的應用前景十分廣闊。

  ●在汽車燈具制造上的應用 汽車燈具大多數的形狀是不規則的,曲面復雜,模具制造難度很大。通過快速成型技術,可以很快得到精確的產品試樣,為模具設計CAD和CAM提供了有利的參考。同時,也可以通過快速成型技術,用熔模鑄造的方法快速、高精度地制造出燈具模具。

  激光熔覆成形(LCF)技術

  LCF技術的工作原理與其他快速成形技術基本相同,也是通過對工作臺數控,實現激光束對粉末的掃描、熔覆,最終成形出所需形狀的零件。研究結果表明:零件切片方式、激光熔覆層厚度、激光器輸出功率、光斑大小、光強分布、掃描速度、掃描間隔、掃描方式、送粉裝置、送粉量及粉末顆粒的大小等因素均對成形零件的精度和強度有影響。

  與其他快速成形技術的區別在于,激光熔覆成形能制成非常致密的金屬零件,其強度達到甚至超過常規鑄造或鍛造方法生產的零件,因而具有良好的應用前景。

  激光近形(LENS)技術

  LENS技術是將SLS技術和LCF技術相結合,并保持了這兩種技術的優點。選用的金屬粉末有三種形式:

  (1)單一金屬;

  (2)金屬加低熔點金屬粘結劑;

  (3)金屬加有機粘結劑。由于采用的是鋪粉方式,所以不管使用哪種形式的粉末,激光燒結后的金屬的密度較低、多孔隙、強度較低。要提高燒結零件強度,必須進行后處理,如浸滲樹脂、低熔點金屬,或進行熱等靜壓處理。但這些后處理會改變金屬零件的精度。

  激光薄片疊層制造(LOM)技術

  LOM技術是一種常用來制作模具的新型快速成形技術。其原理是先用大功率激光束切割金屬薄片,然后將多層薄片疊加,并使其形狀逐漸發生變化,最終獲得所需原型的立體幾何形狀。

  LOM技術制作沖模,其成本約比傳統方法節約1/2,生產周期大大縮短。用來制作復合模、薄料模、級進模等,經濟效益也甚為顯著。該技術在國外已經得到了廣泛的使用。

  激光誘發熱應力成形(LF)技術

  LF技術的原理是基于金屬熱脹冷縮的特性,即對材料進行不均勻加熱,產生預定的塑性變形。該技術具有下列特點:

  (1)無模具成形:生產周期短、柔性大,特別適合單件小批量或大型工件的生產;

  (2)無外力成形:材料變形的根源在于其內部的熱應力;

  (3)非接觸式成形:成形精度高、無工模具磨損,可用于精密件的制造;

  (4)熱態累積成形:能夠成形常溫下的難變形材料或高硬化指數金屬,而且能夠產生自冷硬化效果,使變形區材料的組織與性能得以改善。

  德國學者M.Geiger及F.Vollertsen等在激光成形與其他加工方法的復合化加工等方面進行了大量研究,目前該技術己被運用于汽車覆蓋件的柔性校平和其他異形件的成形等。

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