淺析雷射3D列印在非傳統工業領域應用

2021-01-21 OFweek維科網

  我國研究SLA成形技術的有西安交通大學,其從1993年開始,選擇成形質量好、速度快的光固化樹脂成形機的關鍵技術及其材料為突破口。在國家大力支持下,與陝西恆通只能機器設備有限公司合作,先後研製出並向市場退出了國內首臺LPS、SPS和CPS光固化成形機及其配套樹脂材料。

  陝西恆通在軟、硬體技術上的優勢主要表現如下:樹脂材料為國外一半;自主開發的軟體功能更加強大;真空吸附式樹脂塗覆系統,提高了製作速度及質量;採用抽殼製件。目前,立體印刷成形技術主要存在以下幾個方面的問題:(1)成形機理尚不清楚,需要從實驗研究及理論分析上解決這些問題;(2)SLA產品成本較高;(3)成形材料單一,尚需多樣化;(4)成形精度低; (5)成形製件強度較低。

  2.2分層實體快速成型技術

  分層實體製造技術(Laminated ObjectManufacturing,LOM),又稱薄形材料選擇性切割,是幾種最成熟的快速成形技術之一。這種工藝按照CAD分層模型所獲得的數據,用雷射束將單面塗有熱熔膠的薄膜材料或其他材料的箔帶切割成欲制原型在該層平面的內外輪廓,在通過加熱輥加熱,是剛剛切好的一層與下面已切割層粘結在一起。通過逐層切割、黏合,最後將不需要的材料剝離,得到欲求的原型。

  具體的成形原理如下: 成形零件的CAD模型輸入成形系統,再用系統中的切片軟體對模型進行切片處理,從而得到產品在高度上的一系列橫面輪廓線,其成形過程如圖3所示,由系統控制微機指令,步進電動機帶動主動輥芯轉動,使紙卷轉動,並在切割檯面上自右向左移動預定的距離,同時,工作檯升高至切割位置,之後熱壓裝置中的熱壓輥自左向右滾動,對工作檯上方的紙及塗覆與紙的下表面的熱熔膠加熱、施壓,使紙粘於基底上,雷射切割頭依據分層截面輪廓線切割紙,並在餘料上切出長方形邊框,工作檯連同被切出的輪廓層下降至一定高度後,步進電動機驅動主動輥再次沿逆時針方向運動,直至完成最後一層輪廓黏合和切割。從工作檯上取下被邊框所包圍的長方體,用小錘敲打是大部分由小網格構成的小立方體廢料與製品分離,再用小刀從製品上提出殘餘的小立方塊,得到三維原型製品。

  分層實體製造工藝與立體印刷成形工藝的主要區別在於將立體印刷成形中的光致樹脂固化的掃描運動變為雷射切割薄膜運動。這種工藝使用低能CO2雷射器,成形的製件無內應力、無變形,因而精度較高,且雷射束只需按照分層信息提供的截面輪廓線逐層切割而無需對整個截面進行掃描,不需要考慮支撐,故其具有製作效率高、速度快、成本低等優點。分層實體製造的常用材料是紙、金屬箔、塑料膜等。 該製造工藝和設備自1991年問世以來,得到迅速發展。

  目前世界上已經有100多臺設備投入使用,主要有Helisys Inc的紙張疊層造型LOM系列、日本KIRA公司採用一種超硬質刀切割和選擇性黏結方法的PLT-A4機型。中國在該技術領域發展的比較快的有,清華大學推出的SSM系列成形機及成形材料。華中科技大學推出的HRP-IIA系列成形機和成形材料,具有較高的性價比。目前,分層實體製造工藝仍然存在以下 幾個問題:(1)成本價格問題;(2)分層材料的堆積成形精度問題;(3)金屬板材的連接問題;(4)材料浪費問題;(5)LOM設備系統比較複雜,工作穩定性較差;(6)成形件的抗拉強度和彈性不夠好。

  2.3選擇性雷射燒結技術

  選擇性雷射燒結技術(Selective Laser Sintering,SLS)又稱為選區雷射燒結技術,其使用雷射束熔化或燒結粉末材料,利用分層思想,把計算機中的CAD模型直接成形為三維實體零件。它的創新之處在於將雷射、光學、溫度控制和材料相聯繫,並藉助精確引導的雷射束使材料粉末燒結或熔融後凝固形成三維原型或製件。 選擇性雷射燒結技術工藝原理如圖5所示。其工藝過程是,用紅外線板將粉末材料加熱至恰好低於燒結點的某一溫度,然後用計算機控制雷射束,按原型或零件的截面 形狀掃描平臺上的粉末材料,使其受熱熔化 或燒結。繼而平臺下降一個層厚,用熱輥將 粉末材料均勻地分布在前一個燒結層上,再 用雷射燒結。如此反覆,逐層燒結成形。全部燒結後去掉多餘的粉末,再進行打磨、烘 乾等處理便獲得原型或零件。這種工藝與立 體印刷成形(SLA)基本相同,只是將SLA 中的液態樹脂換成在雷射照射下可以燒結的粉末材料,並由一個溫度控制單元優化的輥子鋪平材料以保證粉末的流動性,同時控制工作腔熱量使粉末牢固黏結。SLS技術不受零件幾何形狀的限制,不需要任何的工裝模具,可以縮短產品的研發周期,降低生產成本,提高產品的市場競爭力。其造型速度快,一般製品僅需1~2天即可完成。

  選擇性雷射燒結具有如下特點:(1)可採用多種材料;(2)製造工藝比較簡單;(3)高精度;(4)成本較低。選擇性雷射燒結工藝的最初思想是由 Texas大學Austin分校的Deckard於1986 年提出,進而DTM、德國的EOS公司先後 將這一思想轉化成現實。其中德國的EOS公司通過與芬蘭的Rapid Product Innovation公司合作,研製出可用於SLS成形的不收縮銅粉和不鏽鋼粉末,使得SLS技術拓展到金屬材料成形領域。中國從事該技術研究的單位有北京隆源公司、南京航天航空大學和華中科技大學等。其中南京航空航天大學研製的RAP-I型雷射燒結快速成型系統、北京隆源自動成型有限公司開發的AFS-300雷射快速成型的商品化設備。

  2.4雷射熔覆快速製造技術

  雷射塗覆快速製造技術也稱近形技術(Laser Engineering Net Shaping ,LENS)、直接光製造技術(Directed Laser Fabrication,DLF)、直接金屬沉積技術(Directed Metal Deposition,DMD)和雷射共凝固技術( Laser Consolidation ,LC),是今年來再雷射熔覆技術和快速原型技術的基礎上發展起來的一種新技術。首先由CAD產生零件實體模型,然後用分層軟體對實體模型進行處理,獲取各截面的幾何信息,並將其轉化成NC工作檯的運動的軌跡信息。成形時,有一束高功率雷射會照射到基材表面形成熔池,與此同時金屬粉末通過同軸送粉嘴被同軸地噴入熔池形成熔覆層,送粉嘴根據CAD給定的各層截面的軌跡信息,在NC的控制下將材料逐層掃描堆積,最終製造出金屬實體零件。由於雷射熔覆的快速凝固特徵,所製造出的金屬零件具有優良的質量和強度。

  與其他傳統的製造方法相比,雷射熔覆直接製造技術的突出優點如下:(1)具有高度的柔性,在計算機的控制下可以方便迅速地製作出傳統加工方法難以實現的複雜形狀的金屬零件;(2)生產周期短,效率高;(3)提高了設計的靈活性;(4)應用範圍廣,既可以用來製作普通合金零件,又可以用來加工鈦等易氧化金屬零件,提高材料的利用率,改變了人們對材料的選擇原則;(5)雷射與材料相互作用時快速熔化和凝固過程使材料具有許多常規材料在常規條件下無法得到的組織。

  國外對該工藝技術的研究主要有美國Sandia國家實驗室、德國漢諾瓦雷射中心、加拿大國家科學院集成製造技術研究所以及美國Los Alamos 國家實驗室等。其中美國Los Alamos 國家實驗室利用該技術製造出了帶有半球、直壁、通孔、尖角的零件,加工材料包括AISI316和400不鏽鋼等。經評估,利用該技術製作模具可使加工時間縮短40%,工序由原來的62步減少為7步。國內研究該技術的單位有清華大學、西北工業大學、北京工業大學和中國科學研究院等,其中清華大學機械系雷射加工製造中心已經研製出適合於直接製造金屬零件的各自規格的同軸送粉噴嘴和自動送粉器,發展了雷射快速柔性製造即LRFM系統,已申請相關的發明專利多項。中科院已經開發出集成化雷射智能加工系統。

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