激光快速成型技术在工业设计中的应用与前景

    快速成型技术兴起于上世纪80年代后期，它是以分层技术、堆积成型为根本，直接利用CAD模型快速生产零部件或样件的先进制造技术总称。和传统加工技术相比，它强调了“累加性”，从原料利用上来说不是传统的受迫成型、拼合成型、去除成型能够相比的。而激光快速成型技术是以激光作为制造能源的一种快速成型技术，它充分运用了材料科学、激光技术、数控技术以及CAD技术，是快速成型技术的重要组成部分，能够在没有工具和磨具的情况下实现对复杂形状产品的模拟和制造，本文从激光快速成型技术的基本原理、发展状况以及它在现代工业设计中的应用现状等几个方面进行了研究，并指出了激光快速成型技术在现代工业设计中具有广泛的应用前景。

1 激光快速成型技术的基本特征和原理

    激光快速成型技术最根本的原理是把通过CAD构建的三维实体模型进行分层处理，分解成多个二位断面，从而利用相关数据驱动控制激光光束，扫射薄片材料、粉末或液体，生产出所需要的形状产品薄层，然后按照一定的次序累加成复杂形成的产品。这和传统的冲压技术、铸造技术等使用模具的制造工艺以及刨削、磨削、钻削、铣削和车削等去除制造工艺具有很大的不同，它强调的是一种分层加工、迭加成形的生产工序，它制造出来的样件和模型能够很好地帮助市场订货一级企业进行决策、帮组进行工程分析、验证产品功能、验证新产品的设计效果等，从而提高产品研发效率，降低成本，最终提高企业的生存能力和综合竞争力。在此基础上形成的快速金属粉末烧结技术、快速精铸技术以及快速模具工装制造技术等技术都能够很好地解决快速生产零部件的问题。该技术主要具有如下基本特征：

    (1)以激光快速成型技术为基础形成的快速金属粉末烧结技术、快速精铸技术以及快速模具工装制造技术等技术能够快速制造模具、快速完成铸造过程等工艺流程，在单间零件生产和新产品开发方面具有很大的优势。

    (2)激光快速成型技术在加工时不需要模具以及其他加工工具，也就不存在生产振动、加工噪音以及残余应力等现象，很好地保护了周围环境。

    (3)该技术还具有生产时间短、对模具等工具的依赖性小、材料利用率高，节约成本、制造速度快等特点。

2 激光快速成型技术的主要工艺方法分析

    激光快速成型技术主要具有以下几种工艺方法：

    (1)激光熔覆成形

    激光熔覆成形技术主要是利用工作台数控对粉末进行扫描熔覆，最终合成所需要形状的零部件。大量的加工实践表明：这种方式加工出的零件的强度和精度主要受粉末颗粒的大小、送粉量、送粉装置、扫描方式、扫描间隔、扫描速度、光强分布、光斑大小、激光器输出功率、激光熔覆层厚度、零件切片方式等几个因素的影响。该技术在致密金属零部件制造方面具有很大优势，在工业设计中具有很大的应用价值，被部分企业用于高强度金属的加工。

    (2)选择性激光烧结

    选择性激光烧结技术首先利用CAD制造出三维实体模型，然后利用相关软件和手段对模型进行分层处理，进而利用二维数据驱动控制激光束，并烧结铺好粉末材料，加工出所需求形状的产品薄层，最后把加工的薄层累积成实体模型，并去掉未烧结的松散粉未，获得原型制件。该方式能够对多种材料实现加工，还能够直接制造金属零件，应用前景比较广泛，但是它高耗能的特点限制了该技术的应用推广。

    (3)激光近形制造

    激光近形制造技术是激光熔覆成形技术和选择性激光烧结技术的组合，同时具有两种技术的优点。制造中可选用的金属粉末主要有三种形式：金属加有机粘结剂、金属加低熔点金属粘结剂和单一金属。在对粉末进行烧结时，由于粉末的状态特点决定了烧结后的金属具有强度较低、多孔隙、密度较低等特点，因此需要采取必要的热等静压处理、浸渗低熔点金属和树脂等措施。

    (4)叠层制造

    叠层制造技术首先是通过激光控制装置逐层做平面运动把铺在工作台上的一层箔材处理成最底层切片的平面轮廓，并用热压辊碾压新铺上的一层箔材，使其牢固地粘结在已成形的箔材上，然后，再利用激光进行切割，同样切出第二层平面轮廓，依次往复循环直至完成整个零件的制造。该技术制造的零部件精度高，强度好，所需材料和设备价格较低。

3 激光快速成型技术在工业设计中的应用

    现状和前景分析截止到目前，激光快速成型技术已经广泛应用在了机械制造和工业造型等多个领域和行业：具体来说，激光快速成型技术的应用主要表现在以下几个方面：

    (1)利用快速成型技术生成模型是快速工具制造和快速模具制造现代模具缩短周期的关键步骤，然后再结合电极研磨和精铸等工艺方法生产出各种功能磨具，能够有效地缩短生产时间，降低生产成本，这也是激光快速成型技术的重要应用方向。

    (2)利用激光快速成型技术能够把设计构想通过功能测试和概念模型制造的方式转换成实体模型，能够很好地验证和展示设计产品的各种特性，并且生产的零部件在硬度方面具有很好的保障。

    (3)在家电行业的产品设计和研发中，激光快速成型技术发挥了很大的作用，很多家电企业都是采用激光快速成型技术来开发和制造新型产品。比如青岛的海尔、江苏的小天鹅和春兰、广东的科龙、华宝和美的等，都是应用激光快速成型技术开发新产品的典型代表。

    (4)在航空航天技术领域的应用中，空气动力学地面模拟实验是设计性能先进的天地往返系统所必不可少的重要环节。该实验中所用的模型具有流线型特性，精度要求高、形状复杂，只有采用激光快速成型技术才能确保这种复杂形状零部件的生产以及精度要求。因此激光快速成型技术在航空航天领域也具有广泛地应用前景。

    (5)激光快速成型技术在文化艺术领域的应用主要表现在激光快速成形制造技术对数字雕塑、文物复制以及艺术创作等具有很好地指导和规划作用。传统模具的成本高，生产时间长，只有把激光快速成型技术应用到模具制造中才能够极大地缩短模具的开发周期．进一步提高生产效率。激光快速成形技术在模具制造方面的应用可分为间接制模和直接制模，间接制模是通过制造的零件来复制出最终的产品模具；直接制模是指采用激光快速成型技术直接堆生产出加工所需的模具。激光快速成型技术一出现就受到了全世界的关注，特别是它一体化设计和分层制造思想促使了广大的专家学者对该技术的应用状况进行分析，最早的激光快速成型技术应用于原型的生产和加工，现在主要朝着快速工具和快速零件的方向发展。同时，激光快速成型技术在快速成形材料的商品化、高强度高熔点金属零件的制造、成形工艺和设备的改进与开发等方面还具有较大的发展空间和应用前景。

文章来源于：数字化企业网