激光快速成型技術

利用激光束掃描金屬板材誘發的內部非均勻分佈的熱應力，使板材發生局部塑性屈服，從而使板材產生一定角度的彎曲變形。激光加熱彎曲成形是基於材料的熱脹冷縮特性，利用高能激光束掃描金屬薄板表面，在熱作用區產生強烈的温度梯度，導致非均勻分佈的熱應力，使金屬板材發生塑性變形的工藝方法。

可以通過調整激光加工工藝參數來控制熱作用區域內變形的程度，從而控制薄板變形的大小和方向，最終實現無模成形。由於板材激光彎曲成形是一種無外力成形，因此成形中只需根據板材的形狀尺寸及成形工件的變形要求進行簡單的固定即可。由於板材激光彎曲成形對激光束的模式無特定的要求，因此成形在常規的切割、焊接等激光加工機上即可進行。板材激光彎曲成形的過程很簡單，但是影響激光成形的因素很多，不同的掃描軌跡和工藝參數組合能夠產生不同的成形效果和不同程度的變形量，工藝參數的選擇依賴於所要求的形狀和板材的幾何尺寸及材料的性能等。

激光快速成型（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：原型的複製性、互換性高；製造工藝與製造原型的幾何形狀無關；加工週期短、成本低，一般製造費用降低50%，加工週期縮短70%以上；高度技術集成，實現設計製造一體化。

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。工作台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，如此反覆，直到整個原型製造完畢。由於光聚合反應是基於光的作用而不是基於熱的作用，故在工作時只需功率較低的激光源。此外，因為沒有熱擴散，加上鍊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%，能製造形狀複雜、精細的零件，效率高。對於尺寸較大的零件，則可採用先分塊成形然後粘接的方法進行製作。

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，並以一定的掃描速度和能量作用於粉末材料。該技術具有原材料選擇廣泛、多餘材料易於清理、應用範圍廣等優點，適用於原型及功能零件的製造。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。

LOM工藝又稱為分層實體制造，是一種常用來製作模具的新型快速成形技術。起原理是先用大功率激光束切割金屬薄片，然後將多層薄片疊加，並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技術製作沖模，其成本約比傳統方法節約1/2，生產週期大大縮短。用來製作合模、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一定的使用。雖然LOM工藝在快速原型市場中層位居第二位，但由於成本價格高、精度低，材料浪費，系統設備比較複雜，工作性能不穩定等缺點導致其地位日益下降。

LF技術的原理是基於金屬熱脹冷縮的特性，即對材料進行不均勻加熱，產生預定的塑形變形。該技術具有無模具成形、無外力成形、非接觸式成形、熱態累積成形等特點。該技術已被用於汽車覆蓋件的柔性校平和其他異形件的成形等。

LCF技術是利用具有高能密度的激光束使某種特殊性能的材料熔覆在基體材料表面與基材相互熔合，形成與基體成分和性能完全不同的合金熔覆層。其優點是：激光熔覆的作用不僅僅是提高材料表面層的性能，而是賦予它新的性能，並降低製造成本和能耗，節約有限的戰略金屬元素。與其他快速成型技術的區別在於，激光熔覆成形能製成非常緻密的金屬零件，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。到90年代末和21世紀初，各種不同名稱的快速製造技術得到深入研究和快速發展：激光近形（LENS）技術、Lasform成形工藝、DLF成形工藝、SDM成形工藝、CMB成形工藝、LAMP成形工藝，等等。[2]

由於快速成型技術（包含激光快速成型技術）僅僅在需要增加材料的地方增加材料，所以從設計到自動化，從知識獲取到計算機處理，從計劃到接口、通訊等方面來看，非常適合於CIM、CAD及CAM，因此，同傳統的製造方法相比較，激光快速成型顯示出諸多的優）點：

⑴製造速度快、成本低、節省時間和節約成本，為傳統制造方法注入新的活力，而且可實現自由製造，產品製造過程以及產品造價幾乎與產品的批量和複雜性無關。

⑵採用非接觸加工的方式，沒有傳統加工的殘餘應力的問題，沒有工具更換和磨損之類的問題，無切割、噪音和振動等，有利於環保。

⑶可實現快速鑄造、快速模具製造，特別適合於新產品開發和單間零件生產。

不斷提高激光快速成型技術的應用水平是推動激光快速成型技術技術發展的重要方面。目前，激光快速成型技術已在工業造型、機械製造、航空航天、軍事、建築、影視、家電、輕工、醫學、考古、文化藝術、雕刻、首飾等領域都得到了廣泛應用。並且隨着這一技術本身的發展，其應用領域將不斷拓展。激光快速成型技術的實際應用主要集中在以下幾個方面：

⑴在新產品造型設計過程中的應用激光快速成形技術為工業產品的設計開發人員建立了一種嶄新的產品開發模式。運用激光快速成型技術能夠快速、直接、精確地將設計思想轉化為具有一定功能的實物模型（樣件），這不僅縮短了開發週期，而且降低了開發費用，也使企業在激烈的市場競爭中佔有先機。

⑵在機械製造領域的應用由於激光快速成型技術自身的特點，使得其在機械製造領域內，獲得廣泛的應用，多用於製造單件、小批量金屬零件的製造。有些特殊複雜製件，由於只需單件生產，或少於50件的小批量，一般均可用RP技術直接進行成型，成本低，週期短。

⑶快速模具製造傳統的模具生產時間長，成本高。將激光快速成型技術與傳統的模具製造技術相結合，可以大大縮短模具製造的開發週期，提高生產率，是解決模具設計與製造薄弱環節的有效途徑。激光快速成形技術在模具製造方面的應用可分為直接制模和間接制模兩種，直接制模是指採用激光快速成型技術直接堆積製造出模具，間接制模是先製出快速成型零件，再由零件複製得到所需要的模具。同時激光快速成型在手板行業發揮了重要作用，在CNC加工的過程中經常會有產品結構因為有倒扣，CNC是無法加工的出來的，但是激光快速成型非常好的解決了這個問題。目前在珠三角用激光快速成型做手板的非常多，俗稱SLA手板。

⑷在醫學領域的應用近幾年來，人們對激光快速成型技術在醫學領域的應用研究較多。以醫學影像數據為基礎，利用激光快速成型技術製作人體器官模型，對外科手術有極大的應用價值。

⑸在文化藝術領域的應用在文化藝術領域，激光快速成形制造技術多用於藝術創作、文物複製、數字雕塑等。

⑹在航空航天技術領域的應用在航空航天領域中，空氣動力學地面模擬實驗（即風洞實驗）是設計性能先進的天地往返系統（即航天飛機）所必不可少的重要環節。該實驗中所用的模型形狀複雜、精度要求高、又具有流線型特性，採用激光快速成型技術，根據CAD模型，由激光快速成型設備自動完成實體模型，能夠很好的保證模型質量。

⑺在家電行業的應用目前，激光快速成形系統在國內的家電行業上得到了很大程度的普及與應用，使許多家電企業走在了國內前列。如：廣東的美的、華寶、科龍；江蘇的春蘭、小天鵝；青島的海爾等，都先後採用快速成形系統來開發新產品，收到了很好的效果。快速成形技術的應用很廣泛，可以相信，隨着快速成形制造技術的不斷成熟和完善，它將會在越來越多的領域得到推廣和應用。 ^[1]