激光快速成型（laser rapid prototyping：LRP）是將CAD、CAM、CNC、激光、精密伺服驅(qū)動(dòng)和新材料等先進(jìn)技術(shù)集成的一種全新制造技術(shù)。與傳統(tǒng)制造方法相比，它具有原型的復(fù)制性、互換性高；制造工藝與制造原型的幾何形狀無(wú)關(guān)；加工周期短、成本低等優(yōu)勢(shì)，一般制造費(fèi)用降低50%，加工周期縮短70%以上；高度技術(shù)集成，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化。 

    近期發(fā)展的LPR主要有：立體光造型(SLA) 技術(shù)；選擇性激光燒結(jié)(SLS) 技術(shù)；熔絲堆積成形（FDM）技術(shù)；激光熔覆成形（LCF）技術(shù)；激光近形（LENS）技術(shù)；激光薄片疊層制造(LOM）技術(shù)；激光誘發(fā)熱應(yīng)力成形（LF）技術(shù)及三維印刷技術(shù)等。 

    立體光造形(SLA)技術(shù) 

    SLA技術(shù)又稱(chēng)光固化快速成形技術(shù)，其原理是計(jì)算機(jī)控制激光束對(duì)光敏樹(shù)脂為原料的表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，被掃描區(qū)域的樹(shù)脂薄層（約十分之幾毫米）產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的一個(gè)薄層。工作臺(tái)下移一個(gè)層厚的距離，以便固化好的樹(shù)脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹(shù)脂，進(jìn)行下一層的掃描加工，如此反復(fù)，直到整個(gè)原型制造完畢。由于光聚合反應(yīng)是基于光的作用而不是基于熱的作用，故在工作時(shí)只需功率較低的激光源。此外，因?yàn)闆](méi)有熱擴(kuò)散，加上鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能夠很好地控制，能保證聚合反應(yīng)不發(fā)生在激光點(diǎn)之外，因而加工精度高，表面質(zhì)量好，原材料的利用率接近100%，能制造形狀復(fù)雜、精細(xì)的零件，效率高。對(duì)于尺寸較大的零件，則可采用先分塊成型，然后粘接的方法進(jìn)行制作。

    美國(guó)、日本、德國(guó)、比利時(shí)等都投入了大量的人力、物力研究該技術(shù)，并不斷有新產(chǎn)品問(wèn)世。我國(guó)西安交通大學(xué)也研制成功了立體光造型機(jī)LPS600a。目前，全世界有10多家工廠生產(chǎn)該產(chǎn)品。 

   ● 在汽車(chē)車(chē)身制造中的應(yīng)用 SLA技術(shù)可制造出所需比例的精密鑄造模具，從而澆鑄出一定比例的車(chē)身金屬模型，利用此金屬模型可進(jìn)行風(fēng)洞和碰撞等試驗(yàn)，從而完成對(duì)車(chē)身最終評(píng)價(jià)，以決定其設(shè)計(jì)是否合理。美國(guó)克萊斯勒公司已用SLA技術(shù)制成了車(chē)身模型，將其放在高速風(fēng)洞中進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)分析，取得了令人滿(mǎn)意的效果，大大節(jié)約了試驗(yàn)費(fèi)用。 

   ● 用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管試驗(yàn)。進(jìn)氣管內(nèi)腔形狀是由十分復(fù)雜的自由曲面構(gòu)成的，它對(duì)提高進(jìn)氣效率、燃燒過(guò)程有十分重要的影響。設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)不同的進(jìn)氣管方案做氣道試驗(yàn)，傳統(tǒng)的方法是用手工方法加工出由幾十個(gè)截面來(lái)描述的氣管木?；蚴嗄＃儆蒙澳ｈT造進(jìn)氣管，加工中，木模工對(duì)圖紙的理解和本身的技術(shù)水平常導(dǎo)致零件與設(shè)計(jì)意圖的偏離，有時(shí)這種誤差的影響是顯著的。使用數(shù)控加工雖然能較好地反映出設(shè)計(jì)意圖，但其準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，特別是幾何形狀復(fù)雜時(shí)更是如此。英國(guó)rover公司使用快速成型技術(shù)生產(chǎn)進(jìn)氣管的外模及內(nèi)腔模，取得了令人滿(mǎn)意的效果。 

     以隨爾SLA業(yè)務(wù)：專(zhuān)利產(chǎn)品《指紋考勤儀》的研發(fā)過(guò)程為例：

     經(jīng)過(guò)計(jì)算，采用快速成型產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)，《指紋考勤儀》產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間減少65%、開(kāi)發(fā)成本降低30%。 

    選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù) 

    SLS技術(shù)與SLA技術(shù)很相似，只是用粉末原料取代了液態(tài)光聚合物，并以一定的掃描速度和能量作用于粉末材料。該技術(shù)具有原材料選擇廣泛、多余材料易于清理、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，適用于原型及功能零件的制造。在成形過(guò)程中，激光工作參數(shù)以及粉末的特性和燒結(jié)氣氛是影響燒結(jié)成形質(zhì)量的重要參數(shù)。 

    ● 在汽車(chē)模具制造中應(yīng)用。美國(guó)德克薩斯州立大學(xué)研究的SLS技術(shù)，已由美國(guó)dtm公司商品化。目前該公司已研制出SLS2000系列第三代產(chǎn)品。該系統(tǒng)能燒結(jié)蠟、聚碳酸酯、尼龍、金屬等各種材料。用該系統(tǒng)制造的鋼銅合金注塑模具，可注塑5萬(wàn)件工件。近年來(lái)基于RPM技術(shù)模具制造技術(shù)已從最初的原型制造，發(fā)展到快速工模具制造，成為國(guó)內(nèi)外應(yīng)用研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。基于RPM的模具制造方法可分為直接制模法和間接制模法。 

    直接制模法是直接采用RPM技術(shù)制作模具，在RPM技術(shù)諸方法中能夠直接制作金屬模具的是SLS法。用這種方法制造的鋼制銅合金注射模，壽命可達(dá)5萬(wàn)件以上。但此法在燒結(jié)過(guò)程中材料發(fā)生較大收縮，精度難以控制。 

     間接制模法可分為： 

    （1）、軟質(zhì)簡(jiǎn)易模具的制作。采用硅橡膠、金屬粉環(huán)氧樹(shù)脂粉和低熔點(diǎn)合金等將原型準(zhǔn)確復(fù)制成模具，或?qū)υ瓦M(jìn)行表面處理，用金屬?lài)娡糠ɑ蛭锢碚舭l(fā)沉積法鍍上一層熔點(diǎn)較低的合金來(lái)制作模具。這些簡(jiǎn)易模具的壽命為50~5000件，由于其制造成本低、周期短，特別適合于產(chǎn)品試制階段的小批量生產(chǎn)。 

    （2）、鋼質(zhì)模具的制作。將RPM技術(shù)與精密鑄造技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)金屬模的快速制造。或者直接制造出復(fù)形精度較高的EDM電極，用于注塑模、鍛模、壓鑄等鋼制模具型腔的加工。一個(gè)中等大小、較為復(fù)雜的電極一般4~8h即可完成，復(fù)形精度完全滿(mǎn)足工程要求。福特汽車(chē)公司用此技術(shù)制造汽車(chē)模具取得了滿(mǎn)意的效果。上海交通大學(xué)也已通過(guò)rp與精密鑄造結(jié)合的方法為汽車(chē)及汽車(chē)輪胎等行業(yè)生產(chǎn)進(jìn)口替代模具計(jì)80余副。與傳統(tǒng)機(jī)加工法相比，快速模具制造的制作成本及周期大大降低。我國(guó)每年需進(jìn)口模具達(dá)8億多美元，主要是復(fù)雜模具和精密模具，因此，SLS技術(shù)在未來(lái)的汽車(chē)模具制造業(yè)中的應(yīng)用前景十分廣闊。 

   ● 在汽車(chē)燈具制造上的應(yīng)用。汽車(chē)燈具大多數(shù)的形狀是不規(guī)則的，曲面復(fù)雜，模具制造難度很大。通過(guò)快速成型技術(shù)，可以很快得到精確的產(chǎn)品試樣，為模具設(shè)計(jì)CAD和CAM提供了有利的參考。同時(shí)，也可以通過(guò)快速成型技術(shù)，用熔模鑄造的方法快速、高精度地制造出燈具模具。 

    圖1為某摩托車(chē)廠制作的250型雙缸摩托車(chē)汽缸頭。這是一款新設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)，用戶(hù)需要10件樣品進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的模擬實(shí)驗(yàn)。該零件具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)機(jī)加工無(wú)法加工，只能采用鑄造成型。整個(gè)過(guò)程需經(jīng)過(guò)開(kāi)模、制芯、組模、澆鑄、噴砂和機(jī)加等工序，與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程相同。其中僅開(kāi)模一項(xiàng)就需三個(gè)月時(shí)間。這對(duì)于小批量的樣品制作無(wú)論在時(shí)間上還是成本上都是難以接受的。采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，以精鑄熔模材料為成型材料，在AFS成型機(jī)上僅用5天即加工出該零件的10件鑄造熔模，再經(jīng)熔模鑄造工藝，10天后得到了鑄造毛坯。經(jīng)過(guò)必要的機(jī)加工，30天即完成了此款發(fā)動(dòng)機(jī)的試制。

   熔絲堆積成型（FDM）技術(shù) 

   FDM的材料一般是熱塑性材料，如蠟、ABS、尼龍等，以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周?chē)牟牧险辰Y(jié)。 

1、FDM工藝不用激光，因此使用、維護(hù)簡(jiǎn)單，成本較低。 

2、用蠟成形的零件原型，可以直接用于失蠟鑄造。 

3、用ABS制造的原型因具有較高強(qiáng)度而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、測(cè)試與評(píng)估等方面得到廣泛應(yīng)用。 

4、 由于以FDM工藝為代表的熔融材料堆積成型具有一些顯著優(yōu)點(diǎn)，該工藝發(fā)展極為迅速。 

    激光熔覆成型（lcf）技術(shù) 

    lcf技術(shù)的工作原理與其他快速成型技術(shù)基本相同，也是通過(guò)對(duì)工作臺(tái)數(shù)控，實(shí)現(xiàn)激光束對(duì)粉末的掃描、熔覆，最終成型出所需形狀的零件。研究結(jié)果表明：零件切片方式、激光熔覆層厚度、激光器輸出功率、光斑大小、光強(qiáng)分布、掃描速度、掃描間隔、掃描方式、送粉裝置、送粉量及粉末顆粒的大小等因素均對(duì)成形零件的精度和強(qiáng)度有影響。 

    與其他快速成型技術(shù)的區(qū)別在于，激光熔覆成型能制成非常致密的金屬零件，其強(qiáng)度達(dá)到甚至超過(guò)常規(guī)鑄造或鍛造方法生產(chǎn)的零件，因而具有良好的應(yīng)用前景。 

    激光近形（LENS）技術(shù) 

    LENS技術(shù)是將SLS技術(shù)和LCF技術(shù)相結(jié)合，并保持了這兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。選用的金屬粉末有三種形式： 

   （1）單一金屬； 

   （2）金屬加低熔點(diǎn)金屬粘結(jié)劑； 

    （3）金屬加有機(jī)粘結(jié)劑。由于采用的是鋪粉方式，所以不管使用哪種形式的粉末，激光燒結(jié)后的金屬的密度較低、多孔隙、強(qiáng)度較低。要提高燒結(jié)零件強(qiáng)度，必須進(jìn)行后處理，如浸滲樹(shù)脂、低熔點(diǎn)金屬，或進(jìn)行熱等靜壓處理。但這些后處理會(huì)改變金屬零件的精度。 

     激光薄片疊層制造（LOM）技術(shù) 

     LOM技術(shù)是一種常用來(lái)制作模具的新型快速成型技術(shù)。其原理是先用大功率激光束切割金屬薄片，然后將多層薄片疊加，并使其形狀逐漸發(fā)生變化，最終獲得所需原型的立體幾何形狀。 

     LOM技術(shù)制作沖模，其成本約比傳統(tǒng)方法節(jié)約1/2，生產(chǎn)周期大大縮短。用來(lái)制作復(fù)合模、薄料模、級(jí)進(jìn)模等，經(jīng)濟(jì)效益也甚為顯著。該技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)得到了廣泛的使用。 

     激光誘發(fā)熱應(yīng)力成型（LF）技術(shù) 

    LF技術(shù)的原理是基于金屬熱脹冷縮的特性，即對(duì)材料進(jìn)行不均勻加熱，產(chǎn)生預(yù)定的塑性變形。該技術(shù)具有下列特點(diǎn)： 

   （1）無(wú)模具成型：生產(chǎn)周期短、柔性大，特別適合單件小批量或大型工件的生產(chǎn)； 

   （2）無(wú)外力成型：材料變形的根源在于其內(nèi)部的熱應(yīng)力； 

   （3）非接觸式成型：成型精度高、無(wú)工模具磨損，可用于精密件的制造； 

   （4）熱態(tài)累積成型：能夠成型常溫下的難變形材料或高硬化指數(shù)金屬，而且能夠產(chǎn)生自冷硬化效果，使變形區(qū)材料的組織與性能得以改善。 

    德國(guó)學(xué)者m.geiger及f.vollertsen等在激光成型與其他加工方法的復(fù)合化加工等方面進(jìn)行了大量研究，目前該技術(shù)己被運(yùn)用于汽車(chē)覆蓋件的柔性校平和其他異形件的成型等。

                                                               作者：隨爾激光快速成型有限公司