激光快速成形制造技术的应用研究进展 3
Recent Advances of Appl ication Research in Laser Ra pid Prototyping Manufacturing
南京航空航天大学 张剑峰 张建华 赵剑峰 沈以赴 花国然 黄因慧[ 摘要] 简要介绍了几种典型激光快速成形技术 的基本原理 ,分析了激光快速制造技术的研究和应用 现状 ,并给出相应的应用实例 ;讨论了激光快速制造技 术的研究方向 ,指出这种新技术广阔的应用前景 。
关键词 : 快速成形制造 工程应用 实体零件 [ ABSTRACT] The f undamental p rinciples of sev2 eral typical laser rapid protot yping manufact uring ( RPM) technique are int roduced. The latest st udy and applications of laser rapid protot yping manufact uring are analyzed , and t he correspoding examples are given , t he develop ment direction of laser rapid protot yping manu2 fact uring are discussed. These new technologies will
have a good prospect for application.
Key words : Rapid prototyping manufacturing Engineering appl ication Part
激光快速成形制造 ( Rapid Prototyping Manufac2 t uring ,RPM) 是 80 年代后期发展起来的新技术 。它是 将计算机产生的 CAD 实体模型 ,经分层切片软件处理 成一系列薄截面层 ,并根据各截面层形状的二维数据 , 由快速成形机将材料逐层添加堆积 ,最终生成三维实 体零件 。这种快速成形制造是一种全新的生产方法 , 其原理突破了传统的材料变形成形和去除成形的工艺 方法 ,可在没有工装夹具或模具的条件下 ,迅速制造出 任意复杂形状的三维实体零件 ,因此被认为是 20 世纪 末制造技术领域的一次重大突破 ,并有可能成为 21 世 纪的主流制造技术 。
目前 RPM 技术的快速成形方法有 10 多种 ,各种 RP 方法均具有自身的特点和适应范围 。比较成熟的 工 艺 有 : 立 体 印 刷 ( Stereo Lightgraphy Apparatus , SLA) , 选 择 性 激 光 烧 结 ( Selective Laser Sintering , SL S) , 叠 层 制 造 ( Laminated Object Manufact uring , LOM) , 熔 融 沉 积 制 造 ( Fused Deposition Modelling , FDM) 和三维打印 ( Three - Dimensional Printing ,3DP) 等 。
3 国防预研基金资助项目。
1 常用快速成形方法的基本原理
1. 1 立体印刷
立体印刷 (SLA) 是美国 3D - Systems 公司推出的 最早的 RP 技术实用化产品 ,如图 1 (a) 所示 。其工艺 过程是 :首先由 CAD 系统对要制造的零件进行三维实 体造型 ,通过专门的计算机切片软件对 CAD 模型进行 分割 ,形成若干薄层平面 ,再由 CAM 软件根据各薄层 平面的数据生成加工指令 ,控制机床进行扫描 ,生成一 片与激光扫描形状相同的固化光敏树脂薄片 。一层固 化完成后 ,工作台下降一个切片高度 ,重新覆盖一薄层 树脂材料 ,光扫描固化新层 ,如此反复形成实体零件 。 1. 2 选择性激光烧结
选择性激光烧结 ( SL S) 其生产过程与立体印刷相 似 ,见图 1 ( b) 。首先采用铺粉装置均匀铺粉 ,其厚度 等于切片高度 ,然后激光根据层面的几何形状有选择 地对材料进行扫描 ,使粉末熔化 ,并粘结在下层材料 上 ,而未被激光扫描烧结的粉末则作为零件的支撑体 。 在完成一层烧结后 ,工作台下降一个切片厚度 ,重新铺 粉 、烧结 ,重复这样的过程 ,直到烧结出整个零件 。 1. 3 叠层制造
叠层制造 (LOM) 是根据 CAD 模型各层切片的平 面几何信息对箔材进行分层实体切割 ,如图 1 (c) 所示 。 首先利用激光控制装置进行 X2Y切割运动 ,将铺在工 作台上的一层箔材切成最下一层切片的平面轮廓 ,随 后工作台下降一个切片高度 ,箔材送进机构又将新的 一层箔材铺上并用热压辊碾压使其牢固地粘结在已成 形的箔材上 ,激光再次进行切割运动并切出第二层平 面轮廓 ,如此重复直至整个零件制作完成 。
1. 4 熔融沉积制造
熔融沉积制造 ( FDM) 过程如图 1 (d) 所示 ,快速成 形系统将熔丝送入 X2Y方向数控喷头 ,在喷头内将熔 丝加热到熔点以上喷出 ,自然凝固成形 :一层扫描完成 后 ,工作台下降一个切片高度扫描下一层 ,直到零件制 作完成 。
1. 5 三维打印
三维打印 (3DP) 的工作原理类似于喷墨打印 ,即 利用喷嘴将液态粘接剂喷在预先铺好的粉层特定区 4
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科技成果・学术论文
2002 年第 7 期
图 1 快速原型制造工艺示意图 Fig. 1 Scheme of t he RPM p rocess
域 ,再铺粉并选区喷粘结剂 ,这样逐层进行得到所需的 三维几何形状后 ,再采用高温烧结的方法 ,使之固化 , 从而得到所需的零件 ,如图 1 (e) 所示 。
2 激光快速成形制造技术的应用研究现状
2. 1 快速原型制造
快速原型制造技术是目前先进制造技术中发展最 为迅速的一种 ,在短短 10 年左右的时间已经由最初的 原理研究发展到大规模实际生产应用 。目前已有 10 多种 比 较 成 熟 的 工 艺 方 法 用 于 原 型 零 件 的 制 造 。 RPM 技 术 可 以 在 数 天 或 数 小 时 内 依 据 设 计 图 纸 或 CAD 模型制造出零件原型 ,设计者可以根据 RP 三维 实体原型对设计方案进行评定 ,对产品功能进行验证 , 通过模拟试验进行生产可行性评估 ,根据用户对设计 方案的反馈信息用 CAD 软件对设计方案进行修改和 再验证 。这样可以得到性能和经济性都优良的设计方 案 ,节省了设计费用 ,缩短了产品研制周期 。这种设计 方法在新产品开发中得到较为广泛的应用 ,如某集团 技术中心在进行新型摩托车设计中 ,有两个零件 (头灯 罩和扶手) 需要进行试装配试验 ,这两个零件结构非常 复杂 ,图 2 为该零件的实物原型照片 。采用传统的制 造方法费用较高 ,周期较长 ,而采用 RPM 技术则在一
周时间内 ,便制造出上述零件的原型件 ,使得试验工作 如期进行 。
图 2 摩托车头灯罩 、扶手的原型照片 Fig. 2 Protot ype p hoto of lampshade and
handrail of motor
2. 2 快速模具制造
目前 RPM 的快速制模主要有用 RP 原型间接制 模和 RP 系统上直接制模两种方式 。
用 RP 原型间接制模是通过快速制造系统设计 、 制造出各种复杂的原型件 ,将原型件作为样件用于传 统的模具制造工艺 。这种间接制模工艺已基本成熟 , 一般可使模具制造成本和周期减少 1/ 2 ,明显提高了
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航空制造技术
生产率 。常用的制模工艺有铸造熔模 、硅橡胶模和环 氧树脂模等 。
采用 RPM 技术直接制模是将模具 CAD 的结果由 RP 系统直接制造成形 。这种方法不需要 RP 系统制 造样件 ,也不依赖传统的模具制造工艺 ,它是将 CAD 系统得到的三维实体 STL 模型进行分层切片 ,得到零 件层面的边界 ,根据此边界就可以求得正型烧结线 。 在零件边界外人为地加上一个方框 ,方框大小由最大 层面边界和模具的最小厚度来确定 ,模具的层面实际 上是零件层面的“逆”层面 。通过对方框内的烧结线进 行一次求反 ,即“实”变“虚”,“虚”变“实”,将 CAD 设计 的实型变成空腔 ,其外围变实的烧结线即为零件反型 的烧结线 。
基于上述基本原理 ,我们选择覆膜陶瓷作为基体 材料 ,覆膜陶瓷的覆膜材料主要为树脂类热固性塑料 , 为了提高烧结强度 ,需加入适当比例的粘结剂 ,材料为 250 目环氧树脂粉末 。根据 SL S 系统中分层切片软件 得到零件 CAD 模型的各层面信息 ,通过“虚”“实”变换 求得零件反型的烧结线 。在计算机的控制下有选择地 烧结粉末材料 ,经过层层叠加得到铸造用的陶瓷型壳 、 型芯 ,并结合传统的砂型铸造工艺 ,直接用于铸造金属 零件 ,成功地烧结出精密铸造用的叶轮型壳 ,进行了金 属零件的精密铸造 ,图 3 为叶轮铸件 。
图 3 叶轮铸件 Fig. 3 Impeller casting
RPM 技术直接制模虽然取了一些进展 ,并在某些 领域中得到了一定范围的应用 ,但由于 RP 成形工艺 和成形材料等原因限制 ,直接制模的方法和相关技术 还在继续研究之中 。
2. 3 快速工具制造
基于 RPM 技术的工具制造的实现主要有 2 种途 径 :直接成形法和间接制造法 。
直接成形法是利用大功率激光器在保护气氛下直 接烧结金属粉末生成金属件或工具 。由于 RPM 技术 直接烧结金属粉末制造零件工艺还不成熟 ,直接成形 工具还有一定困难 ,这种方法仍在研究之中 。
间接制造方法目前是比较成熟的工艺 ,它将金属
粉末和某种粘结剂按一定比例混合均匀 ,用激光束对 混合粉末进行选择性扫描 ,激光的作用使混合粉末中 的粘结剂熔化并将金属粉末粘结在一起 ,形成金属零 件的坯体 。金属零件坯体需经后续处理 ,才能得到满 足要求的功能性零件 。这种工艺方法在实际中已得到 应用 。
采用这种工艺路线 ,选用铁粉作为基体材料 ,同时 加入一定量的粘结剂 ,采用小功率激光器 (功率为 40 W) 进行烧结成形 ,得到一个非标准齿轮原型件 。然后 进行后续处理 ,其工艺流程如图 4 所示 。烧失粘结剂 温度 400 ℃,保温时间 30 min ,无气氛保护 。高温焙烧 温度 1 080 ℃,保护气氛为氢气 ,保温时间 40 min 。熔 渗材料为紫铜 ,并用 N H3气氛保护 。
烧失粘结剂 高温焙烧 金属熔渗 导电原型件
图 4 后续处理流程图 Fig. 4 Flow chart of post2processing
经过后续处理得到一个非标准齿轮 EDM 电极的 雏形 ,需加上夹紧机构等得到一个完整的 EDM 电极 , 然后结合特种加工中的 EDM 技术 ,用此电极在电火 花机床上加工出三维模具型腔 ,如图 5 所示 。
图 5 非标准齿轮 EDM 电极及模具模腔 Fig. 5 Nonstandard gear elect rode for
EDM and mould
2. 4 RPM 技术在其他领域的应用
以数字成像技术为基础的 CT、MRI 等临床诊断 手段可以获得人体扫描数据 ,扫描数据经计算机三维 重建后可生成三维实体模型 ,采用 RPM 技术制作出 人体局部器官 ,并能显示这些部位病变情况的实体结 构 ,以用于临床辅助诊断和复杂手术方案的确定 。国 内外都有成功地将 RPM 技术用于临床的报道 。如北 京大学口腔医院将 RPM 技术用于人体颌面外科手术 获得成功 ,并取得了良好的疗效 。RPM 技术在医疗方 面的应用将是研究热点之一 。
此外 ,RPM 技术还可用于复制文物 、制作工艺品 6
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科技成果・学术论文
2002 年第 7 期
的设计原型或构造建筑实物模型等 。
3 快速成形技术的研究方向
作为一项新型的制造技术 ,激光快速成形以其分 层制造的思想和一体化的设计在其出现之始就引起了 各界的广泛关注 ,迅速成为制造界的研究热点 。经过 十几年的发展 ,激光快速成形技术已突破了其最初意 义上的“原型”概念 ,向着快速零件 、快速工具的方向发 展 。占主导地位的 SLA ,LOM ,FDM ,SL S 等较成熟且 已商品化的快速成形技术逐渐被学术界和工业界认识 采用 ,并在实践中逐渐确定了自己的应用范围 。但激 光快速成形技术的产生与发展只有十几年时间 ,还有 较大的发展空间 :
(1) 没有粘结剂金属材料的快速制造 ,特别是高熔 点 、高强度金属零件的制造 ;
(2) 各种快速成形方法中材料成形机理 、成形性的 研究 ,最终形成快速成形材料的商品化 ;
(3) 成形工艺和设备的开发与改进 ,以提高原型件 的表面质量 、尺寸精度 、机械性能 ;
(4) 探索 RP 技术与传统加工 、特种加工技术相结 合的多种加工手段综合工艺 ,为快速模具 、工具制造提
供新的技术手段 。
随着激光快速成形技术的发展 ,新工艺 、新材料的 不断出现 ,势必会对未来的实际零件制造产生较大影 响 ,对制造业产生巨大的推动作用 。
参 考 文 献
1 Krut h J P , Leu M C , Nakagawa T. Progress in additive manufacturing and rapid protot yping. Annals of t he CIPP ,1998 , 47 (2) :525～540
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3 罗新华,花国然.快速原型制造技术的应用及进展.机 械制造,1998 (3) :7～9
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(责编 雨 琪)
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航空制造技术
