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1、激光技术的发展及应用激光快速成形技术的新进展颜永年,张人佶,林峰(清华大学教育部先进成形制造重点实验室,北京100084)摘要:本文介绍了激光快速成形技术的最新进展,主要包括:金属零件直接成形技术、微纳激光三维成形技术、激光直写三维堆积技术、复合材料光固化成形技术等。作者认为,应当特别关注这些高新技术的应用,以应用来带动其研究,加速发展这些重要的先进成形制造技术。关键词:快速成形;激光;三维中图分类号:TN249文献标识码:A快速成形(RP-RapidPrototyping)技术以离散-度、成型和表面精度,而且还具有较高的成形效率及堆积为原理,利
2、用材料的受控成形制造零件。自优良的加工性能[图1a]。EOS公司采用金属混合1980年代末产生以来,国内外已开发了的多种快速粉末进行成形,低熔点的组元首先成形,且润湿高熔制造成形工艺,其中许多是基于激光技术的。近年点粉末,由液相烧结机制将这些高熔点的金属粉末来,RP技术向快速制造(RM-RapidManufactur-黏结在一起。EOS公司主要的金属粉末材料D-iing)发展,因此利用激光等高能量密度的加工手段rectSteel20-V1的最小层厚已经降低到小于20的金属零件直接成形制造已成为快速成形技术的研m,致密度达98%,因此可以制造出精度很高的金
3、究热点,其共同的特点是通过将金属材料熔化或半属零件[图1b]。熔化后沉积下来实现材料堆积成形。此外,激光快速成形在特种加工与制造方面亦发挥了重要作用,涉及方面十分广泛,本文介绍其中应用前景最大的技术,来说明激光快速成形技术在先进制造中的重要地位。这些技术包括:微纳激光三维成形技术、激光直写三维堆积技术、复合材料光固化成形技术。1金属零件直接激光成形制造图1激光选区烧结快速制造功能零件12激光选区熔化(SLM-SelectiveLaserMelting)基于激光的金属零件直接成形制造技术非常德国Fraunhofer研究所、德国MCP公司、德国多,例如
4、激光选区烧结(SLS-SelectiveLaserSinte-TRUMPF公司、比利时Leuven大学以及英国利物浦ring)、激光选区熔化(SLM-SelectiveLaserMelt-[3-4]大学开展了SLM工艺的研究。其工作原理与激ing)、激光近净成形(LENS-LaserEngineeringNet光选区烧结技术类似,不同的是采用低功率激光器对Shaping)、激光增材制造(LAM-LaserAdditive金属粉末进行熔化成形,以达到比较致密的金属零Manufacturing)等。件。该技术中由于熔化部分不存在固相成分,表面张11激光选区
5、烧结(SLS-SelectiveLaserSintering)力很容易导致熔化金属聚球,这对材料成分、工艺目前,直接获得金属件最成功的RP技术是激参数及扫描策略都提出了特殊的要求,必须通过对材光选区烧结(SLS)。最有代表性的是美国3DSys-料参数、工艺参数和扫描方式的严格控制,才可以使tems公司采用的将金属粉末和有机黏结剂相混合[1]聚球现象得到消除。国内华南理工大学、南京航空后的粉末烧结技术和EOS公司采用的将多种熔点不同的金属粉末组成的混合粉末烧结技术[2]。国航天大学、四川大学等单位也在从事该项技术研究。日本大阪大学国立先进工业科学与技
6、术研究所内北京隆源公司、北方恒利公司以及华中科技大学[5]采用SLM工艺制造出Ti人工骨。图2a是SLM等开展了类似的研究。3DSystems公司将烧结件设备示意图。他们使用的Ti粉末的成分为经浸渗及热等静压、液相烧结、高温烧结等后处理工艺,得到性能符合要求的金属零件。他们2003年推(mass%):O,0.097;H,0.005;N,0.009;C,0.01;出的金属粉末LaserFormA6不仅具有较高的强Fe,0.036;Ti,余量。采用CO2激光器,平均功率50W,峰值功率220W,脉冲宽度15ms,重复频率《新技术新工艺》激光技术的发展及应用
7、2006年第9期7255Hz,扫描速度216mm/s,扫描线宽075工装、工具费用,大大提高了效率而能达到要求的强度mm。图2b为利用这个方法制造的人工骨,也具有和抗疲劳性能。他们计划开发实时混入特殊粉末工艺良好的多孔结构,十分有利于细胞等的长入。来制造梯度合金。该设备制造的金属件如图4所示,[7]这些金属零件的尺寸最大可达3m3m12m。图4采用LAM技术制造的钛合金零件图2制造Ti人工骨的SLM设备及制造的Ti人工骨2微纳激光三维成形技术13激光近净成形(LENS-LaserEngineeringNet随着脉冲激光,特别是
8、超短脉冲激光(如飞秒激Shaping)光)的出现,激发光与物质相互
