1 引言

　　
    快速成型技術(shù)(Rapid Prototyping，簡稱RP)是從1987年開始發(fā)展起來的一種先進(jìn)制造技術(shù)，集成了現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)、 CAD/CAM技術(shù)、激光加工技術(shù)及材料科學(xué)等領(lǐng)域的最新成果。該技術(shù)利用CAD軟件設(shè)計出零件的三維實(shí)體模型，然后根據(jù)具體工藝要求，按照一定的厚度對模型進(jìn)行分層切片處理，將其離散化為一系列二維層面，再對二維層面信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并加入加工參數(shù)，生成數(shù)控代碼輸入成型機(jī)，控制成型機(jī)的運(yùn)動順序完成各層面的成型制造，直到加工出與CAD模型相一致的原型或零件。它可以自動而迅速地將設(shè)計思路轉(zhuǎn)化為具有一定結(jié)構(gòu)和功能的原型或直接制造零件，從而可以對產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行快速評價、修改，以響應(yīng)市場需求，它不需要傳統(tǒng)方法所需求的大量工裝模具，節(jié)省了成本，縮短了加工周期，實(shí)現(xiàn)了高效、低耗、智能化的目的。

　　
    快速成型技術(shù)最初用來制造鑄造用模型，后來發(fā)展到制造原型零件，主要用于模型或零件的直觀檢驗(yàn)，關(guān)鍵是要求形狀準(zhǔn)確，對其力學(xué)性能沒有太高的要求，所采用的成型材料有液體光敏樹脂、臘、紙等替代材料。近年快速成型技術(shù)有了新的發(fā)展，已經(jīng)開始在金屬材料、陶瓷材料的制備上得到應(yīng)用，主要目標(biāo)是快速制造出滿足使用性能的致密的金屬零件。

　　
    2 金屬粉末激光快速成型技術(shù)研究現(xiàn)狀

　　
    金屬粉末燒結(jié)成型技術(shù)是國際上當(dāng)前的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，可以自動迅速地從三維CAD模型直接制得形狀復(fù)雜的金屬零件或模型，其制造方法主要包括選擇性激光燒結(jié)（SLS）和激光熔覆制造兩種技術(shù)。

　　
    2.1選擇性激光燒結(jié)（SLS）

　　
    （1）SLS原理

　　
    選擇性激光燒結(jié)是采用激光有選擇地分層燒結(jié)固體粉末[2,3]，并使燒結(jié)成形的固化層，層層疊加生成所需形狀的零件。首先由CAD產(chǎn)生零件模型，并用分層切片軟件對其進(jìn)行處理，獲得各截面形狀的信息參數(shù)，作為激光束進(jìn)行二維掃描的軌跡，由激光發(fā)出的光束在計算機(jī)的控制下，根據(jù)幾何形體各層截面的坐標(biāo)數(shù)據(jù)有選擇地對材料粉末層進(jìn)行掃描，在激光輻照的位置上粉末燒結(jié)在一起，一層燒結(jié)完成后，再鋪粉進(jìn)行下一層掃描燒結(jié)，新的一層和前一層自然地?zé)Y(jié)在一起，最終生成三維形狀的零件。

　　
    （2）SLS的特點(diǎn)

　　
    與其它傳統(tǒng)制造方法相比，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)是：

　　
    ①具有高度的柔性，在計算機(jī)的控制下可方便迅速地制作出傳統(tǒng)加工方法難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜形狀的零件，例如具有復(fù)雜凹凸部分及中空的零件。

　　
    ②技術(shù)高度集成，綜合集成了計算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)。

　　
    ③生產(chǎn)周期短，該技術(shù)從CAD設(shè)計到零件的加工完成只需幾小時到幾十小時，特別適合于開發(fā)新產(chǎn)品。

    （3）研究現(xiàn)狀

　　
    選擇性激光燒結(jié)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是直接生產(chǎn)金屬零件和金屬模具。美國DTM公司用SLS2000系統(tǒng)成功制作出了鋼-銅合金的注塑模具。德國漢諾威激光中心采用Nd∶YAG脈沖激光器和光學(xué)掃描系統(tǒng)，試驗(yàn)了不同粒度的鎳、銅、鋁、青銅等合金材料。國內(nèi)，中北大學(xué)鑄造中心和南京航空航天大學(xué)特種加工研究室開展了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的基礎(chǔ)研究，目前南京航空航天大學(xué)特種加工研究室已完成了單層燒結(jié)試驗(yàn)，在粉末配比及激光燒結(jié)參數(shù)的選擇方面均獲得了比較好的結(jié)果。他們在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了多層燒結(jié)的初步嘗試，已燒結(jié)出形狀簡單的二維實(shí)體零件。中北大學(xué)則在選擇性激光燒結(jié)的基礎(chǔ)上研制了變長線掃描SLS RPT，是世界上首次采用的新穎快速成型方法。

　　
    一般SLS RPT是將CO2激光器的輸出光束通過聚焦透鏡在工作面上形成具有很高能量密度且尺寸很小的光斑，此光斑對鋪平在工作臺的粉末材料進(jìn)行燒結(jié)，而變長線掃描SLS RPT是將激光束通過柱面透鏡在工作臺上形成具有與上述光斑相同能量密度的細(xì)長線束，具有成型尺寸大、成型效率高的優(yōu)點(diǎn)。 而且對金屬粉末的選擇性激光快速燒結(jié)技術(shù)國內(nèi)也只有中北大學(xué)進(jìn)行了一系列的研究，并且對于成型件的后處理如滲銅、高溫?zé)Y(jié)的工藝進(jìn)行了研究，取得了顯著成果。

　　
    2.2 激光涂覆（熔覆）制造技術(shù)

    （1）激光涂覆制造技術(shù)的原理

　　
    激光涂覆制造技術(shù)也稱近形技術(shù)(LENS)，是在激光熔覆技術(shù)和快速原型技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新技術(shù)。首先由CAD產(chǎn)生零件模型，用分層切片軟件進(jìn)行處理，獲得各截面形狀的信息參數(shù)，作為工作臺進(jìn)行移動的軌跡參數(shù)。工作臺在計算機(jī)的控制下，根據(jù)幾何形體各層截面的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行移動的同時，用激光涂覆的方法將材料進(jìn)行逐層堆積，最終形成具有一定外形的三維實(shí)體零件。

 
　　
    （2）激光涂覆制造技術(shù)的特點(diǎn)

　　
    使用聚焦激光輻照時形成的熔池很小，可制出外形精密的零件。因燒結(jié)點(diǎn)的大小和激光束的有效直徑差不多，故零部件的壁厚可精確調(diào)節(jié)，減少了后處理工序。激光近形方法提高了設(shè)計的靈活性，通過改變CAD模型文件可方便經(jīng)濟(jì)地對修改補(bǔ)充零件，靈活改變零件不同部位的成分，使零件具有優(yōu)異的綜合性能。生產(chǎn)周期大大縮短，效率高。只要被加工材料對所用激光器的激光波長有低的反射率，就可用LENS法來處理。激光涂覆制造技術(shù)易實(shí)現(xiàn)選區(qū)熔覆，可以用來修復(fù)大的金屬零件。無需制作昂貴的工模具，生產(chǎn)成本低。

　　
    （3）激光涂覆制造技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

　　
    德國的漢諾威激光中心已對鈷基(stellite6)和鎳基合金(Inconel625)進(jìn)行了研究，采用了最高功率為3kW的CO2激光器和一套計算機(jī)數(shù)控的三維加工系統(tǒng)。使用這套設(shè)備生產(chǎn)出具有垂直和傾斜薄壁的金屬部件。不論使用什么材料，對涂覆部分的結(jié)構(gòu)檢查均可發(fā)現(xiàn)其組織細(xì)小，其中有部分樹枝晶結(jié)構(gòu)。對材料的測試表明，涂覆零部件的密度近100%，抗拉強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度與常規(guī)的金屬板材類似。

　　
    美國Sandia國家試驗(yàn)室已能用激光近形制造法生產(chǎn)多種材料的高密度金屬零件，包括鎳合金Inconel718、625、690等，不銹鋼304和316，H13工具鋼、鎢、鈦和磁性NdFeB等。通過變換激光模式、激光功率、沉積速率、坐標(biāo)軸數(shù)和金屬運(yùn)送方式可得到優(yōu)化的制造速率、零件密度、晶粒結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量。該試驗(yàn)室生產(chǎn)的Ti-6Al-4V零件緊實(shí)度達(dá)99.996%，延伸率和強(qiáng)度與傳統(tǒng)方法相比均有大的提高。

　　
    Abbott等人利用激光近形技術(shù)制造出鈦零件，制造時間縮短了50%～75%。試驗(yàn)在由3m×3m×1.2m的加工間和一種新型的能夠提供高粉流率送粉器的系統(tǒng)中完成，該加工間能加工在氬保護(hù)氣氛下的大尺寸零件，氧壓低于10ppm，這對極易與氧和氮反應(yīng)的鈦是極其關(guān)鍵的。對商業(yè)化純鈦、Ti-6Al-4V和Ti-5Al-2.5Sn的機(jī)械性能和組分分析研究表明，激光快速成型零件能滿足使用需求。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　
    3 發(fā)展前景及存在的問題

　　
    金屬粉末的激光快速成型技術(shù)集計算機(jī)輔助設(shè)計、激光熔覆、快速成型于一體，在無需任何硬質(zhì)工模具或模型的情況下，能快速制備出不同材料的復(fù)雜形狀、多品種、小批量的零件，所成型零件致密度高，具有快速凝固組織特征，能滿足直接使用要求，在航天器件、飛機(jī)發(fā)動機(jī)零件及武器零件的制備上具有廣闊的應(yīng)用前景。還可通過改變成型材料，得到不同部位由不同材料組成的零件，與計算機(jī)相結(jié)合，發(fā)展材料的智能制備系統(tǒng)。

　　
    從上世紀(jì)90年代初開始，探索實(shí)現(xiàn)金屬零件直接快速成型制造的方法已成為RP技術(shù)的研究熱點(diǎn)，隨著大功率激光器的出現(xiàn)，使得采用快速成型方法直接制造金屬零件成為可能，國外著名的RP技術(shù)公司均在進(jìn)行金屬零件快速成型技術(shù)研究。探索直接制備滿足工程使用條件的金屬零件的快速成型技術(shù)，將有助于快速成型技術(shù)向快速制造技術(shù)的轉(zhuǎn)變，能極大地拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。此外，利用逐層制造的優(yōu)點(diǎn)，探索制造具有功能梯度、綜合性能優(yōu)良、特殊復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件也是一個新的發(fā)展方向。而快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合，形成產(chǎn)品快速開發(fā)—制造系統(tǒng)也是一個重要趨勢。

　　
    目前，快速成型技術(shù)的成型精度為0.01mm數(shù)量級，表面質(zhì)量還較差，有待進(jìn)一步提高。最主要的是成型零件的強(qiáng)度和韌性還不能完全滿足工程實(shí)際需要，完善現(xiàn)有快速成型工藝與設(shè)備，提高零件的成型精度、強(qiáng)度和韌性，降低設(shè)備運(yùn)行成本是十分迫切的。

　　
    4 結(jié)語

　　
    快速成型作為一種高新制造技術(shù)，必將在十幾年來飛速發(fā)展的基礎(chǔ)上揚(yáng)長避短，不斷開發(fā)出新的成型工藝、成形材料及智能化相關(guān)技術(shù)，現(xiàn)有工藝也必將朝著精密化、高精度、低成本、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，并應(yīng)以能直接生產(chǎn)半功能性、功能性零件為目標(biāo)。