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浅析激光3D打印在非传统工业领域应用

  自1960年第一台激光器问世以来,激光技术的研究及其在各个领域的应用得到了迅速的发展。与传统加工方法相比,激光加工技术具有高相干性、高方向性和高亮度已经广泛应用于工业、军事、科学研究及日常生活中,尤其是近20年来,激光制造技 术已经渗入到诸多高新技术领域和产业,其中最突出的是,最近十多年来发达国家推出的集精密机械、计算机、数控、激光、新材料于一体的全新制造技术——快速成形技术(又称3D打印技术),应用这种技术开发的设备——快速制造系统,近年以40%以上的高增速发展。

  激光快速成型技术概述

  激光快速制造技术(LRMT)又称激光 快速成形技术或激光3D打印技术,是一种借助计算机辅助设计,或用实体反求方法采集得到有关原型或零件的几何形状、结构和材料的组合信息,从而获得目标原型的概念并以此建立数字化描述模型,之后将这些信息又输到计算机控制的光、机、电集成的激光快速成形制造系统,利用激光为工具,通过逐点、逐面进行材料的“三维堆砌”成形,再经过必要的处理,使其在外观、强度和性能等方面达到设计要求,达到快速、准确地制造原型或实际零件、部件,而无需传统的机械加工机床和模具的技术。

  从广义的范畴来说,快速成形属于添加成形;而从狭义的角度来讲,快速成形应该属于离散/堆积成形,即依照计算机上构成零件三维设计模型,利用快速成形机对其进行分层切片,得到各层截面的二维轮廓图,并按照这些轮廓图逐步顺序叠加成所要成形的实体。

  激光快速制造的全过程可以归纳为以下三个步骤: 前处理 它包括零件三维模型的构建、三维模型的近似处理、模型成形方向的选择和三维模型的切片处理、抛光和表面强化处理等。 分层叠加自由成形 根据切片处理的截面轮廓,在计算机控制下,相应的成形头(激光头或喷头)按各自截面轮廓信息做扫描运动,在工作台上一层一层的堆积材料,然后将各层相黏结,最终得到原型产品。

  后处理

  从成形系统里取出成形件,进行剥离、后固化、修补、打磨、抛光、涂挂,或放在高温炉中进行最后的烧结,进一步提高其强度。目前激光快速制造技术的研究,根据对象和功能的不同,可分成两大类,即快速原型制造和金属零件快速直接制造技术。

  激光快速制造技术是近年来增长最快的工业领域之一。相对于传统的制造加工过程,按照零件的复杂程度和采用的方法不同,往往需要几周甚至几个月的加工时间。基于计算机对物体几何形状、结构与连接状态的描述,激光快速制造技术的制造时间从几个小时到几十个小时便可完成。可以预见,激光快速制造技术将对当今材料的生产、加工过程和制造工程产生重要的影响。

  激光快速成型技术的研究

  近几年基于激光技术的快速制造技术(LRPT)处在飞速发展之中,呈现三个特 点:一是新的激光快速制造工艺不断涌现; 二是配套硬件和软件不断完善;三是应用领 域日益拓宽。近期发展的LPRT技术主要有立体光 造型(SLA)技术、选择性激光烧结(SLS) 技术、激光薄片叠层制造(LOM)技术、激 光熔覆成形(LCF)技术、激光近成形 (LENS)技术、直接光学制造(DLF)技 术、金属激光烧结工艺(DMLS)及形状沉 积制造(SDM)技术。下面简要介绍几种主要激光快速成形 技术的概况。

  2.1激光立体印刷成型技术

  激光立体印刷成形(Stereo Lithography Apparatus,SLA)又称光敏液 相固化、立体光刻、立体造型等,是一种最 早出现的快速成形方法,也是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的的一种快速成形方法。该技术以光敏树脂(如丙烯基树脂)为原料,采用计算机控制下的紫外激光以预定 原型各分层截面的轮廓信息为轨迹逐点扫描,使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应 后固化,从而形成一个薄层截面。当一层固化后,向下(或向上)移动工作台,在刚刚 固化的树脂表面布放一层新的液态树脂,再 进行新一层扫描、固化。新固化的一层牢固的黏合在前一层上,如此重复至整个原型制造完毕。制造过程依赖于激光束有选择性地 固化连续薄层的光敏聚合物,通过分层固化,最终构造出三维物体。

  其成型设备又称“立体平版印刷设备”,是最早出现的一种商品化的快速成形机,它由液槽、可 升降工作台、激光器、扫描系统和计算机控 制系统等组成。其中,液槽中盛满液态光敏 聚合物(通常20~200L)。带有许多小孔洞 的可升降工作台在步进电机的驱动下能沿 高度Z方向作往复运动。激光器为紫外(UV)激光器,如氦镉(He-Cd)激光器、氩离子(Ar)激光器和固态激光器,其功率一般为10至200mW,波长为320至370um(处在中紫外至近紫外波段)。扫描系统为一组定位镜,它能根据控制系统的指令,按照每一截面轮廓的要求作高速往复摆动,从而使激光器发出的激光束反射并聚焦于液槽中液态光敏聚合物的上表面,并沿此面作X-Y方向的扫描运动(如图2所示)。在这一层受到紫外激光束照射的部位,液态光敏聚合物快速固化,形成相应的一层固态截面轮廓。 SLA成形时,激光束按数控指令扫描,可升降工作台的上表面处于液面下一个截面层厚的高度(通常为0.125至0.75mm),该层液态光敏聚合物被激光束扫描发生聚合反应而固化,并形成所需第一层固态截面轮廓后,工作台下降一层高度,液槽中的液态光敏聚合物流过已固化的截面轮廓层,刮刀按照设定的层高作往复运动,刮去多余的聚合物,再对新铺上的这一层液态聚合物进行扫描固化,形成第二层所需固态截面轮廓,新固化的一层能牢固的黏结在前一层上,如此重复直到整个制作成形完毕,得到一个三维实体原型。

  1988年,美国3DSystem公司率先生产了世界上第一台SLA250型液态光敏树脂选择性激光固化快速造型机,其最近推出的办公室用桌面3D打印机CubePro及Cube Pro,更是将3D打印技术进一步推向民用。此外,目前世界上从事该技术研究的还有EOS公司、MEC公司及日本三菱公司下属的CMET公司等。近年来,3D System公司又采用了一种称之为Zephyer Recoating System的新技术,该技术是在每一成形层上,用一种真空吸附式刮板在该层上涂一层0.05~0.1mm的待固化树脂,使成形时间平均缩短20%。

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