激光快速成型(laser rapid prototyping:LRP)是將CAD、CAM、CNC、激光、精密伺服驅(qū)動和新材料等先進(jìn)技術(shù)集成的一種全新制造技術(shù)。與傳統(tǒng)制造方法相比,它具有原型的復(fù)制性、互換性高;制造工藝與制造原型的幾何形狀無關(guān);加工周期短、成本低等優(yōu)勢,一般制造費(fèi)用降低50%,加工周期縮短70%以上;高度技術(shù)集成,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化。
近期發(fā)展的LPR主要有:立體光造型(SLA) 技術(shù);選擇性激光燒結(jié)(SLS) 技術(shù);熔絲堆積成形(FDM)技術(shù);激光熔覆成形(LCF)技術(shù);激光近形(LENS)技術(shù);激光薄片疊層制造(LOM)技術(shù);激光誘發(fā)熱應(yīng)力成形(LF)技術(shù)及三維印刷技術(shù)等。
立體光造形(SLA)技術(shù)
SLA技術(shù)又稱光固化快速成形技術(shù),其原理是計(jì)算機(jī)控制激光束對光敏樹脂為原料的表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描,被掃描區(qū)域的樹脂薄層(約十分之幾毫米)產(chǎn)生光聚合反應(yīng)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(tài)樹脂,進(jìn)行下一層的掃描加工,如此反復(fù),直到整個原型制造完畢。由于光聚合反應(yīng)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?yàn)闆]有熱擴(kuò)散,加上鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能夠很好地控制,能保證聚合反應(yīng)不發(fā)生在激光點(diǎn)之外,因而加工精度高,表面質(zhì)量好,原材料的利用率接近100%,能制造形狀復(fù)雜、精細(xì)的零件,效率高。對于尺寸較大的零件,則可采用先分塊成型,然后粘接的方法進(jìn)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(shù),并不斷有新產(chǎn)品問世。我國西安交通大學(xué)也研制成功了立體光造型機(jī)LPS600a。目前,全世界有10多家工廠生產(chǎn)該產(chǎn)品。
● 在汽車車身制造中的應(yīng)用 SLA技術(shù)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(jìn)行風(fēng)洞和碰撞等試驗(yàn),從而完成對車身最終評價,以決定其設(shè)計(jì)是否合理。美國克萊斯勒公司已用SLA技術(shù)制成了車身模型,將其放在高速風(fēng)洞中進(jìn)行空氣動力學(xué)試驗(yàn)分析,取得了令人滿意的效果,大大節(jié)約了試驗(yàn)費(fèi)用。
● 用于汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管試驗(yàn)。進(jìn)氣管內(nèi)腔形狀是由十分復(fù)雜的自由曲面構(gòu)成的,它對提高進(jìn)氣效率、燃燒過程有十分重要的影響。設(shè)計(jì)過程中,需要對不同的進(jìn)氣管方案做氣道試驗(yàn),傳統(tǒng)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?;蚴嗄?,再用砂模鑄造進(jìn)氣管,加工中,木模工對圖紙的理解和本身的技術(shù)水平常導(dǎo)致零件與設(shè)計(jì)意圖的偏離,有時這種誤差的影響是顯著的。使用數(shù)控加工雖然能較好地反映出設(shè)計(jì)意圖,但其準(zhǔn)備時間長,特別是幾何形狀復(fù)雜時更是如此。英國rover公司使用快速成型技術(shù)生產(chǎn)進(jìn)氣管的外模及內(nèi)腔模,取得了令人滿意的效果。
以隨爾SLA業(yè)務(wù):專利產(chǎn)品《指紋考勤儀》的研發(fā)過程為例:
經(jīng)過計(jì)算,采用快速成型產(chǎn)品開發(fā)技術(shù),《指紋考勤儀》產(chǎn)品開發(fā)時間減少65%、開發(fā)成本降低30%。
選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)
SLS技術(shù)與SLA技術(shù)很相似,只是用粉末原料取代了液態(tài)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(shù)具有原材料選擇廣泛、多余材料易于清理、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn),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(shù)以及粉末的特性和燒結(jié)氣氛是影響燒結(jié)成形質(zhì)量的重要參數(shù)。
● 在汽車模具制造中應(yīng)用。美國德克薩斯州立大學(xué)研究的SLS技術(shù),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(chǎn)品。該系統(tǒng)能燒結(jié)蠟、聚碳酸酯、尼龍、金屬等各種材料。用該系統(tǒng)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(shù)模具制造技術(shù)已從最初的原型制造,發(fā)展到快速工模具制造,成為國內(nèi)外應(yīng)用研究開發(fā)的重點(diǎn)。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(shù)制作模具,在RPM技術(shù)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(dá)5萬件以上。但此法在燒結(jié)過程中材料發(fā)生較大收縮,精度難以控制。
間接制模法可分為:
(1)、軟質(zhì)簡易模具的制作。采用硅橡膠、金屬粉環(huán)氧樹脂粉和低熔點(diǎn)合金等將原型準(zhǔn)確復(fù)制成模具,或?qū)υ瓦M(jìn)行表面處理,用金屬噴涂法或物理蒸發(fā)沉積法鍍上一層熔點(diǎn)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(chǎn)品試制階段的小批量生產(chǎn)。
(2)、鋼質(zhì)模具的制作。將RPM技術(shù)與精密鑄造技術(shù)相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)金屬模的快速制造?;蛘咧苯又圃斐鰪?fù)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(fù)雜的電極一般4~8h即可完成,復(fù)形精度完全滿足工程要求。福特汽車公司用此技術(shù)制造汽車模具取得了滿意的效果。上海交通大學(xué)也已通過rp與精密鑄造結(jié)合的方法為汽車及汽車輪胎等行業(yè)生產(chǎn)進(jìn)口替代模具計(jì)80余副。與傳統(tǒng)機(jī)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(jìn)口模具達(dá)8億多美元,主要是復(fù)雜模具和精密模具,因此,SLS技術(shù)在未來的汽車模具制造業(yè)中的應(yīng)用前景十分廣闊。
● 在汽車燈具制造上的應(yīng)用。汽車燈具大多數(shù)的形狀是不規(guī)則的,曲面復(fù)雜,模具制造難度很大。通過快速成型技術(shù),可以很快得到精確的產(chǎn)品試樣,為模具設(shè)計(jì)CAD和CAM提供了有利的參考。同時,也可以通過快速成型技術(shù),用熔模鑄造的方法快速、高精度地制造出燈具模具。
圖1為某摩托車廠制作的250型雙缸摩托車汽缸頭。這是一款新設(shè)計(jì)的發(fā)動機(jī),用戶需要10件樣品進(jìn)行發(fā)動機(jī)的模擬實(shí)驗(yàn)。該零件具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)機(jī)加工無法加工,只能采用鑄造成型。整個過程需經(jīng)過開模、制芯、組模、澆鑄、噴砂和機(jī)加等工序,與實(shí)際生產(chǎn)過程相同。其中僅開模一項(xiàng)就需三個月時間。這對于小批量的樣品制作無論在時間上還是成本上都是難以接受的。采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù),以精鑄熔模材料為成型材料,在AFS成型機(jī)上僅用5天即加工出該零件的10件鑄造熔模,再經(jīng)熔模鑄造工藝,10天后得到了鑄造毛坯。經(jīng)過必要的機(jī)加工,30天即完成了此款發(fā)動機(jī)的試制。
熔絲堆積成型(FDM)技術(shù)
FDM的材料一般是熱塑性材料,如蠟、ABS、尼龍等,以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化,噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動,同時將熔化的材料擠出,材料迅速固化,并與周圍的材料粘結(jié)。
1、FDM工藝不用激光,因此使用、維護(hù)簡單,成本較低。
2、用蠟成形的零件原型,可以直接用于失蠟鑄造。
3、用ABS制造的原型因具有較高強(qiáng)度而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、測試與評估等方面得到廣泛應(yīng)用。
4、 由于以FDM工藝為代表的熔融材料堆積成型具有一些顯著優(yōu)點(diǎn),該工藝發(fā)展極為迅速。
激光熔覆成型(lcf)技術(shù)
lcf技術(shù)的工作原理與其他快速成型技術(shù)基本相同,也是通過對工作臺數(shù)控,實(shí)現(xiàn)激光束對粉末的掃描、熔覆,最終成型出所需形狀的零件。研究結(jié)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(qiáng)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(qiáng)度有影響。
與其他快速成型技術(shù)的區(qū)別在于,激光熔覆成型能制成非常致密的金屬零件,其強(qiáng)度達(dá)到甚至超過常規(guī)鑄造或鍛造方法生產(chǎn)的零件,因而具有良好的應(yīng)用前景。
激光近形(LENS)技術(shù)
LENS技術(shù)是將SLS技術(shù)和LCF技術(shù)相結(jié)合,并保持了這兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。選用的金屬粉末有三種形式:
(1)單一金屬;
(2)金屬加低熔點(diǎn)金屬粘結(jié)劑;
(3)金屬加有機(jī)粘結(jié)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(jié)后的金屬的密度較低、多孔隙、強(qiáng)度較低。要提高燒結(jié)零件強(qiáng)度,必須進(jìn)行后處理,如浸滲樹脂、低熔點(diǎn)金屬,或進(jìn)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(shù)
LOM技術(shù)是一種常用來制作模具的新型快速成型技術(shù)。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(fā)生變化,最終獲得所需原型的立體幾何形狀。
LOM技術(shù)制作沖模,其成本約比傳統(tǒng)方法節(jié)約1/2,生產(chǎn)周期大大縮短。用來制作復(fù)合模、薄料模、級進(jìn)模等,經(jīng)濟(jì)效益也甚為顯著。該技術(shù)在國外已經(jīng)得到了廣泛的使用。
激光誘發(fā)熱應(yīng)力成型(LF)技術(shù)
LF技術(shù)的原理是基于金屬熱脹冷縮的特性,即對材料進(jìn)行不均勻加熱,產(chǎn)生預(yù)定的塑性變形。該技術(shù)具有下列特點(diǎn):
(1)無模具成型:生產(chǎn)周期短、柔性大,特別適合單件小批量或大型工件的生產(chǎn);
(2)無外力成型:材料變形的根源在于其內(nèi)部的熱應(yīng)力;
(3)非接觸式成型:成型精度高、無工模具磨損,可用于精密件的制造;
(4)熱態(tài)累積成型:能夠成型常溫下的難變形材料或高硬化指數(shù)金屬,而且能夠產(chǎn)生自冷硬化效果,使變形區(qū)材料的組織與性能得以改善。
德國學(xué)者m.geiger及f.vollertsen等在激光成型與其他加工方法的復(fù)合化加工等方面進(jìn)行了大量研究,目前該技術(shù)己被運(yùn)用于汽車覆蓋件的柔性校平和其他異形件的成型等。
作者:隨爾激光快速成型有限公司
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