激光快速成型技术

利用激光束扫描金属板材诱发的内部非均匀分布的热应力，使板材发生局部塑性屈服，从而使板材产生一定角度的弯曲变形。

简介

利用激光束扫描金属板材诱发的内部非均匀分布的热应力，使板材发生局部塑性屈服，从而使板材产生一定角度的弯曲变形。激光加热弯曲成形是基于材料的热胀冷缩特性，利用高能激光束扫描金属薄板表面，在热作用区产生强烈的温度梯度，导致非均匀分布的热应力，使金属板材发生塑性变形的工艺方法。

可以通过调整激光加工工艺参数来控制热作用区域内变形的程度，从而控制薄板变形的大小和方向，最终实现无模成形。由于板材激光弯曲成形是一种无外力成形，因此成形中只需根据板材的形状尺寸及成形工件的变形要求进行简单的固定即可。由于板材激光弯曲成形对激光束的模式无特定的要求，因此成形在常规的切割、焊接等激光加工机上即可进行。板材激光弯曲成形的过程很简单，但是影响激光成形的因素很多，不同的扫描轨迹和工艺参数组合能够产生不同的成形效果和不同程度的变形量，工艺参数的选择依赖于所要求的形状和板材的几何尺寸及材料的性能等。

激光快速成型

激光快速成型（Laser Rapid Prototyping：LRP）是将CAD、CAM、CNC、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集成的一种全新制造技术。与传统制造方法相比具有：原型的复制性、互换性高；制造工艺与制造原型的几何形状无关；加工周期短、成本低，一般制造费用降低50%，加工周期缩短70%以上；高度技术集成，实现设计制造一体化。

技术分类

立体光造型(SLA)技术

SLA技术又称光固化快速成形技术，其原理是计算机控制激光束对光敏树脂为原料的表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层（约十分之几毫米）产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。工作台下移一个层厚的距离，以便固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，进行下一层的扫描加工，如此反复，直到整个原型制造完毕。由于光聚合反应是基于光的作用而不是基于热的作用，故在工作时只需功率较低的激光源。此外，因为没有热扩散，加上链式反应能够很好地控制，能保证聚合反应不发生在激光点之外，因而加工精度高），表面质量好，原材料的利用率接近100%，能制造形状复杂、精细的零件，效率高。对于尺寸较大的零件，则可采用先分块成形然后粘接的方法进行制作。

选择性激光烧结（SLS）技术

SLS技术与SLA技术很相似，只是用粉末原料取代了液态光聚合物，并以一定的扫描速度和能量作用于粉末材料。该技术具有原材料选择广泛、多余材料易于清理、应用范围广等优点，适用于原型及功能零件的制造。在成形过程中，激光工作参数以及粉末的特性和烧结气氛是影响烧结成形质量的重要参数。

激光薄片叠层制造（LOM）技术

LOM工艺又称为分层实体制造，是一种常用来制作模具的新型快速成形技术。起原理是先用大功率激光束切割金属薄片，然后将多层薄片叠加，并使其形状逐渐发生变化，最终获得所需原型的立体几何形状。LOM技术制作冲模，其成本约比传统方法节约1/2，生产周期大大缩短。用来制作合模、薄料模、级进模等，经济效益也甚为显著，该技术在国外已经得到了一定的使用。虽然LOM工艺在快速原型市场中层位居第二位，但由于成本价格高、精度低，材料浪费，系统设备比较复杂，工作性能不稳定等缺点导致其地位日益下降。

激光诱发热应力成形（LF）技术

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。

激光熔覆成形（LCF）技术

LCF技术是利用具有高能密度的激光束使某种特殊性能的材料熔覆在基体材料表面与基材相互熔合，形成与基体成分和性能完全不同的合金熔覆层。其优点是：激光熔覆的作用不仅仅是提高材料表面层的性能，而是赋予它新的性能，并降低制造成本和能耗，节约有限的战略金属元素。与其他快速成型技术的区别在于，激光熔覆成形能制成非常致密的金属零件，其强度达到甚至超过常规铸造或锻造方法生产的零件，因而具有良好的应用前景。到90年代末和21世纪初，各种不同名称的快速制造技术得到深入研究和快速发展：激光近形（LENS）技术、Lasform成形工艺、DLF成形工艺、SDM成形工艺、CMB成形工艺、LAMP成形工艺，等等。[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：

⑴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。

⑵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。

⑶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。

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：

⑴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。

⑵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。

⑶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。同时激光快速成型在手板行业发挥了重要作用，在CNC加工的过程中经常会有产品结构因为有倒扣，CNC是无法加工的出来的，但是激光快速成型非常好的解决了这个问题。目前在珠三角用激光快速成型做手板的非常多，俗称SLA手板。

⑷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。

⑸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。

⑹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。

⑺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。

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