進入21世紀隨著經(jīng)濟的發(fā)展，節(jié)能環(huán)保成為全人類的話題。高效低成本趨勢，對傳統(tǒng)工業(yè)提出更高的要求。近年來快速制造和3D打印技術日益火熱，以其節(jié)能低成本等優(yōu)勢，大有引領“第三次工業(yè)革命”之勢。我國在此方面也有嘗試，面對變革，激光行業(yè)能否抓住機遇引領變革？

    1、激光快速成型的基本原理

    激光快速成型技術的原理是用CAD生成的三維實體模型，通過分層軟件分層、每個薄層斷面的二維數(shù)據(jù)用于驅(qū)動控制激光光束，掃射液體、粉末或薄片材料，加工出要求形狀的薄層，逐層積累形成實體模型。

    傳統(tǒng)的工業(yè)成形技術中大部分遵循材料去除法這一方法的，如車削、銑削、鉆削、磨削、刨削；另外一些是采用模具進行成形，如鑄造、沖壓。而激光快速成形卻是采用一種全新的成形原理--分層加工、迭加成形。而激光快速成型技術快速制造出的模型或樣件可以直接用于新產(chǎn)品設計驗證、功能驗證、工程分析、市場訂貨一級企業(yè)的決策等，縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高企業(yè)競爭力。

    激光快速成型又分為以下幾類：

    (1) 光固化立體造型(SL-Stereolithography,orSLA)

    將計算機控制下的紫外激光按預定零件各分層截面的輪廓為軌跡對液態(tài)光敏樹脂逐點掃描,被掃描的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應固化形成零件的一個截面, 再敷上一層新的液態(tài)樹脂進行掃描加工,如此重復直到整個原型制造完畢[3]。這種方法的特點是精度高、表面質(zhì)量好,能制造形狀復雜、特別精細的零件,不足是設備和材料昂貴,制造過程中需要設計支撐。

    (2) 分層實體制造(LOM-Laminated Object Manufacturing)

    LOM工藝是根據(jù)零件分層得到的輪廓信息用激光切割薄材,將所獲得的層片通過熱壓裝置和下面已切割層粘合,然后新的一層紙再疊加在上面,依次粘結成三維實體。LOM主要特點是設備和材料價格較低,制件強度較好、精度較高。Helisys公司研制出多種LOM工藝用的成型材料,可制造用金屬薄板制作的成型件,該公司還開發(fā)基于陶瓷復合材料的LOM工藝。

    (3) 選擇性激光燒結(SLS -Se1ected Laser Sintering)

    SLS是采用激光有選擇地分層燒結固體粉末，并使燒結成型的固化層層層疊加生成所需形狀的零件。其整個工藝過程包括CAD模型的建立及數(shù)據(jù)處理、鋪粉、燒結以及后處理等。SLS 最突出的優(yōu)點在于它所使用的成型材料十分廣泛。從理論上說，任何加熱后能形成原子間粘結的粉末材料均可作為其成型材料。目前，可成功進行SLS 成型加工的材料有石蠟、高分子、金屬、陶瓷粉末和它們的復合粉末材料。由于SLS 成型材料品種多、用料節(jié)省、成型件性能分布廣泛、適合多種用途以及SLS 無需設計和制造復雜的支撐系統(tǒng)，所以其應用越來越廣泛。

    但是SLS 采用的是一種金屬材料與另一種低熔點材料(可以是低熔點金屬或有機粘接材料)的混合物，在加工過程中，低熔點材料熔化或部分熔化，但熔點較高的金屬材料并不熔化，而是被熔化或部分熔化的低熔點材料包覆粘結在一起，形成的三維實體為類似粉末冶金燒結的坯件，實體存在一定比例孔隙，不能達到100%密度，力學性能也較差，常常還需要經(jīng)過高溫重熔或滲金屬填補孔隙等后處理才能使用。

    (4) 激光熔覆成形(LCF - Laser Cladding Forming)

    LCF是指以不同的方式在基底合金表面上預置或同步送給所選擇的熔覆材料，然后經(jīng)激光照射使之與基底表層同時熔化，并快速凝固成稀釋度低、與基底材料呈冶金結合的表面層，從而顯著改變基底材料表層的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣等特性的工藝方法。#p#分頁標題#e#LCF是以激光為熱源在基材的表面熔覆一層材料，形成與基體具有完全不同成分和性能的合金層的表面改性方法。LCF具有許多優(yōu)良特性：對工作環(huán)境的要求低；可通過計算機控制實現(xiàn)智能化和自動化處理；熔覆層的外觀平整，工件變形小，加工后工件可不進行處理而直接使用；適合關鍵局部區(qū)域的處理；由于激光具有近似絕熱的快速加熱過程，激光熔覆對基體的熱影響較小，引起的變形也??；控制激光的輸入能量，可以將基體材料對熔覆材料的稀釋控制在很低的程度，從而在保證熔覆層與基體形成冶金結合的前提下，保持原選定熔覆材料的優(yōu)異性能；適用范圍廣，理論上幾乎所有的金屬或陶瓷材料都能激光熔覆到任何合金上，因而激光熔覆在航空、汽車、化工、機械等各領域擁有廣泛的應用前景，正被越來越多的研究機構和企業(yè)所重視,對其研究也越來越廣泛深入。但裂紋是目前大面積激光熔覆技術中最棘手的問題，國內(nèi)外的科學家正在努力尋求這一問題的解決方案。

   2、激光快速成型的特點

    由于快速成型技術（包含激光快速成型技術）僅僅在需要增加材料的地方增加材料，所以從設計到自動化，從知識獲取到計算機處理，從計劃到接口、通訊等方面來看，非常適合于CIM、CAD及CAM，因此，同傳統(tǒng)的制造方法相比較，激光快速成型顯示出諸多的優(yōu)點：

    （1）制造速度快、成本低、節(jié)省時間和節(jié)約成本，為傳統(tǒng)制造方法注入新的活力，而且可實現(xiàn)自由制造，產(chǎn)品制造過程以及產(chǎn)品造價幾乎與產(chǎn)品的批量和復雜性無關。

    （2）采用非接觸加工的方式，沒有傳統(tǒng)加工的殘余應力的問題，沒有工具更換和磨損之類的問題，無切割、噪音和振動等，有利于環(huán)保。

    （3）可實現(xiàn)快速鑄造、快速模具制造，特別適合于新產(chǎn)品開發(fā)和單間零件生產(chǎn)。

    3、激光快速成型的應用

    不斷提高激光快速成型技術的應用水平是推動激光快速成型技術技術發(fā)展的重要方面。目前，激光快速成型技術已在工業(yè)造型、機械制造、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫(yī)學、考古、文化藝術、雕刻、首飾等領域都得到了廣泛應用。并且隨著這一技術本身的發(fā)展，其應用領域?qū)⒉粩嗤卣?。激光快速成型技術的實際應用主要集中在以下幾個方面：

    (1)在新產(chǎn)品造型設計過程中的應用激光快速成形技術為工業(yè)產(chǎn)品的設計開發(fā)人員建立了一種嶄新的產(chǎn)品開發(fā)模式。運用激光快速成型技術能夠快速、直接、精確地將設計思想轉(zhuǎn)化為具有一定功能的實物模型(樣件)，這不僅縮短了開發(fā)周期，而且降低了開發(fā)費用，也使企業(yè)在激烈的市場競爭中占有先機。

    (2)在機械制造領域的應用由于激光快速成型技術自身的特點，使得其在機械制造領域內(nèi)，獲得廣泛的應用，多用于制造單件、小批量金屬零件的制造。有些特殊復雜制件，由于只需單件生產(chǎn)，或少于50件的小批量，一般均可用RP技術直接進行成型，成本低，周期短。

    (3)快速模具制造傳統(tǒng)的模具生產(chǎn)時間長，成本高。將激光快速成型技術與傳統(tǒng)的模具制造技術相結合，可以大大縮短模具制造的開發(fā)周期，提高生產(chǎn)率，是解決模具設計與制造薄弱環(huán)節(jié)的有效途徑。激光快速成形技術在模具制造方面的應用可分為直接制模和間接制模兩種，直接制模是指采用激光快速成型技術直接堆積制造出模具，間接制模是先制出快速成型零件，再由零件復制得到所需要的模具。

    (4)在醫(yī)學領域的應用近幾年來，人們對激光快速成型技術在醫(yī)學領域的應用研究較多。以醫(yī)學影像數(shù)據(jù)為基礎，利用激光快速成型技術制作人體器官模型，對外科手術有極大的應用價值。

    (5)在文化藝術領域的應用在文化藝術領域，激光快速成形制造技術多用于藝術創(chuàng)作、文物復制、數(shù)字雕塑等。

    (6)在航空航天技術領域的應用在航空航天領域中，空氣動力學地面模擬實驗(即風洞實驗)是設計性能先進的天地往返系統(tǒng)(即航天飛機)所必不可少的重要環(huán)節(jié)。該實驗中所用的模型形狀復雜、精度要求高、又具有流線型特性，采用激光快速成型技術，根據(jù)CAD模型，由激光快速成型設備自動完成實體模型，能夠很好的保證模型質(zhì)量。

    (7)在家電行業(yè)的應用目前，激光快速成形系統(tǒng)在國內(nèi)的家電行業(yè)上得到了很大程度的普及與應用，使許多家電企業(yè)走在了國內(nèi)前列。如：廣東的美的、華寶、科龍；江蘇的春蘭、小天鵝；青島的海爾等，都先后采用快速成形系統(tǒng)來開發(fā)新產(chǎn)品，收到了很好的效果?？焖俪尚渭夹g的應用很廣泛，可以相信，隨著快速成形制造技術的不斷成熟和完善，它將會在越來越多的領域得到推廣和應用。

    4、成功案例

    捷豹汽車正在其Whitley工程中心不斷增加使用這種最新技術，以加快其新車型的開發(fā)，主要用于直接從CAD模型中導出塑料零件，免去了模具的成本。

    激光燒結系統(tǒng)扮演著重要的角色，能通過逐層熔化尼龍粉末（聚酰胺PA2200）后得到相應的外形，從而制造出外型部件甚至引擎部件。

    最后得到的部件，例如進氣管、車門內(nèi)飾件、儀表盤、車內(nèi)通風口、外車燈罩等，都具有足夠的強度經(jīng)受實際行駛中的測試，使得更多的數(shù)據(jù)能在開發(fā)過程的早期就能被搜集到。與此相反，其他使用環(huán)氧樹脂和ABS材料的快速成型技術得到的零件都易碎，只能用于視覺的觀察。

    舉一個例子，把該V8進氣管的原型用于一臺新上市的捷豹汽車；在過去，大筆的金錢花費在制造該部件的工裝上。而且每一個設計的改動將花費數(shù)千英鎊/美元，用以更換工具，而且整個流程耗費數(shù)周才能完成。如果是重大的改動，則需要完全更換新的工裝。

    使用激光燒結快速成型技術，制作出兩個進氣管的設計模型，之后使用尼龍粉末生產(chǎn)17個，每個成本低于1000英鎊，生產(chǎn)效率為每件產(chǎn)品1.5天。這僅僅對汽車零件開發(fā)來說就節(jié)省了巨大的財務開支，并將進一步開發(fā)所需的時間減半——從一年縮短到了六個月。

    5、激光快速成型的發(fā)展現(xiàn)狀

    美國3DSyetems公司1988年生產(chǎn)出世界上第一臺SLA250型光固化快速造型機，開創(chuàng)了激光快速成型技術迅速發(fā)展和推廣的新紀元。美國在設備研制、生產(chǎn)銷售方面占全球主導地位，其發(fā)展水平及趨勢基本代表了世界的發(fā)展水平及趨勢。歐洲和日本也不甘落后，紛紛進行相關技術研究和設備研發(fā)。香港和臺灣比內(nèi)地起步早，臺灣大汛擁有LOM設備，臺灣各單位及軍方安裝多臺進口SL系列設備。香港生產(chǎn)力促進局和香港科技大學、香港理工大學、香港城市大學等都擁有RP設備，其重點是有關鍵技術的應用與推廣。

    國內(nèi)自20世紀90年代初開始進行研究，現(xiàn)有西安交通大學、華中科技大學、清華大學、北京隆源公司多所研究單位自主開發(fā)了成型設備并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。其中，西安交通大學生產(chǎn)的紫外光CPS系列光固化成型系統(tǒng)快速成型機等新技術，引起了國內(nèi)外的高度重視等等。

    激光快速成型技術正在發(fā)生巨大的變化 ,主要體現(xiàn)在新技術、新工藝及信息網(wǎng)絡化等方面 ,其未來發(fā)展方向包括:

    (1) 研究新的成型工藝方法 ,在現(xiàn)有的基礎上 ,拓寬激光快速成型技術的應用 ,開展新的成型工藝的探索。

    (2) 開發(fā)新設備和開發(fā)新材料。 LRP 設備研制向兩個方向發(fā)展:自動化的桌面小型系統(tǒng) ,主要用于原型制造;工業(yè)化大型系統(tǒng) ,用于制造高精度、高性能零件。成型材料的研發(fā)及應用是目前LRP技術的研究重點之一。發(fā)展全新材料 ,特別是復合材料 ,如納米材料、非均質(zhì)材料、功能材料是當前的研究熱點。激光快速成型技術是多學科交叉融合一體化的技術系統(tǒng) ,正在不斷研究開發(fā)和推廣應用中 ,與生物科學交叉的生物制造、與信息科學交叉的遠程制造、與納米科學交叉的微機電系統(tǒng)等為它集成制造提供了廣闊的發(fā)展空間。隨著科學技術和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展 ,它對制造業(yè)的作用日益重要并趨向更高的綜合。

    6、即將到來的“第三次工業(yè)革命”

    所謂數(shù)字化增材制造技術就是一種三維實體快速自由成形制造新技術，它綜合了計算機的圖形處理、數(shù)字化信息和控制、激光技術、機電技術和材料技術等多項高技術的優(yōu)勢，目前學者們對其有多種描述。西北工業(yè)大學凝固技術國家重點實驗室的黃衛(wèi)東教授稱這種新技術為“數(shù)字化增材制造”，中國機械工程學會宋天虎秘書長稱其為“增量化制造”，其實它就是不久前引起社會廣泛關注的“三維打印”技術的一種。西方媒體把這種實體自由成形制造技術譽為將帶來“第三次工業(yè)革命” 的新技術。

    這種為現(xiàn)代社會帶來強大沖擊和震撼的新技術起源于1988年誕生的“快速原型制造”技術。

    1988年，美國3D System 公司推出的SLA-250液態(tài)光敏樹脂選擇性固化成形機，標志著快速原型技術的誕生。它采用一種立體光刻工藝，基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作。通過一束紫外激光束在偏轉(zhuǎn)鏡作用下掃描照射樹脂使其固化，逐層制造得到一個三維實體模型。

    快速原型技術采用了一種全新的無模具自由成形原理來制造三維實體零件，這種新型成形技術改變了傳統(tǒng)的制造技術路線。

    我們知道，現(xiàn)有的材料成形方法采用的是減材成形等三種技術路線。以機械加工為例，加工一個所需的零部件，人們通過不斷去除材料來獲得所需要的零件形狀；熱加工的鍛造成形則是采用變形原理來成形金屬零件，也即使金屬材料在強大的機械壓力下改變形狀來獲得所需的零件；而鑄造、粉末冶金等方法采用的是“賦形+ 固化”的成形原理，也即先通過模具賦予液態(tài)或粉末狀的金屬材料以形狀，再通過冷卻凝固或高溫燒結的方法使材料固化來獲得具有所需形狀和強度的金屬零件?？焖僭图夹g的成形原理與這些傳統(tǒng)方法截然不同，它采用逐漸增加材料的方法成形零件。因為這種成形方法不需要模具，因而又被稱為實體自由成形技術或快速成形技術。這里，“自由”和“快速”都是指不需要模具來成形，省去了十分冗長的制造模具過程和昂貴的模具制造成本。

    立體光刻技術產(chǎn)生后即風靡世界，很快就產(chǎn)生了許多不同技術類型的快速原型技術，如分層實體制造、選區(qū)激光燒結、三維打印、熔融沉積造型等。2008年全球領先的6家快速制造公司銷售收入已達6.96億美元，占該行業(yè)總收入近60%。沃勒斯報告(2012)預計3D打印和增材制造領域的2015年銷售收入可達37億美元，2019 年可達65億美元。

    我國學者迅速地跟進了這一世界新技術的熱潮，西安交通大學的盧秉恒院士、清華大學的顏永年教授、華中科技大學的王樹槐教授等是我國快速原型技術研究的先行者，并且都取得了卓著的成就。而黃衛(wèi)東在國內(nèi)首先創(chuàng)造性地發(fā)展的激光立體成形技術，把快速成形技術從制造“原型”發(fā)展到直接制造具有極高力學性能的致密金屬零件。