第九章-激光快速成形技术教学提纲

1、第九章第九章 激光快速激光快速(kui (kui s)s)成形技术成形技术第一页，共46页。【学习目的与要求】 通过本章的学习，加深学生对材料的成形方式，尤其是添加成形方式以及激光快速成形技术的基本思想和成形特点的理解；掌握激光立体光固化成形(SLA)技术、激光薄片叠层制造(LOM)技术、选择性激光烧结(SLS)技术、激光熔覆成形(LCF)技术和激光诱发热应力(LF)技术等；对激光快速成形技术的应用场合有一个全貌的了解和认识；为将来从事科学研究或生产企业的技术研发(yn f)建立一定的技术基础。第第9 9章章 激光快速成形激光快速成形(chn xn)(chn xn)技术技术第二页，共46页。第

2、三页，共46页。第四页，共46页。第五页，共46页。项目项目去除成形去除成形受迫成形受迫成形添加成形添加成形材料利用率材料利用率产生切屑，材料利产生切屑，材料利用率低用率低产生工艺废料，如产生工艺废料，如浇冒口、飞边等浇冒口、飞边等材料利用率高，大材料利用率高，大多数工艺可达多数工艺可达100产品精度与性能产品精度与性能通常为最终成形，通常为最终成形，精度高精度高多用于毛坯制造，多用于毛坯制造，属静成形或近成形属静成形或近成形范畴范畴属静成形范畴，精属静成形范畴，精度较好度较好制造零件的复杂程制造零件的复杂程度度受刀具或模具等形受刀具或模具等形状限制，无法制造状限制，无法制造太复杂的曲面和异太

3、复杂的曲面和异形深空等形深空等受模具等工具的形受模具等工具的形状限制，无法制造状限制，无法制造太复杂的曲面太复杂的曲面可制造任意复杂形可制造任意复杂形状的零件状的零件第六页，共46页。第七页，共46页。(a)工件(a)工件(b)切片(b)切片 (c)分层自由成型(c)分层自由成型 (d)叠加零件(d)叠加零件图9-1激光快速(kui s)制造的原理第八页，共46页。体离散体离散面离散面离散线离散线离散线叠加线叠加面叠加面叠加后处理后处理有序面有序面有序线有序线有序点有序点点点叠叠加加图9-2激光快速制造的离散(lsn)/堆积过程第九页，共46页。 (a) 传统(chuntng)加工 (b)快速

4、成型 图9-3激光快速制造过程第十页，共46页。(1)前处理 产品三维模型的构建。三维模型的近似处理。三维模型的切片(qi pin)处理。根据被加工模型的特征选择合适的加工方向，在成形高度方向上用一系列一定间隔的平面切割近似后的模型，以便提取截面的轮廓信息。间隔越小，成形精度越高，但成形时间也越长，效率就越低；反之则精度低，但效率高。(2)分层叠加自由(3)后处理 第十一页，共46页。第十二页，共46页。第十三页，共46页。；如此重复直到整个零件原型制作完毕。；如此重复直到整个零件原型制作完毕。第十四页，共46页。图9-9 激光立体印刷(ynshu)成形原理图第十五页，共46页。激光立体印刷成

5、形具有以下优点：精度高。成形速率(sl)较快。扫描质量好。关键技术得到解决。但这种成形方法也有自身的局限性，比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂有一定的毒性等。第十六页，共46页。第十七页，共46页。图9-10分层实体制造(zhzo)成形原理图第十八页，共46页。图9-11 无轮廓(lnku)区切割成小方网格第十九页，共46页。 分层实体制造工艺与立体印刷成形工艺的主要区别在于将立体印刷成形中的光致树脂固化的扫描运动变为激光切割薄膜运动。这种工艺使用低能CO2激光器，成形的制件无内应力、无变形，因而精度较高，可达0.1mm/100mm。 激光束只需按照分层信息提供的截面轮廓线逐层切割

6、而无需对整个截面进行扫描，且不需考虑支撑。所以这种方法与其他快速原型制造技术相比，还具有制作(zhzu)效率高、速度快、成本低等优点，具有较广的应用前景。 这一技术常用的材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等，除了制造模具、模型外，还可以直接制造结构件或功能件。但由于材料薄膜厚度有限，未经处理的侧表面不够光洁，需要进行再处理，如打磨、抛光、喷油等。另外，当采用的金属片的厚度太薄时，所形成的零件的力学性能也会受到很大的影响。第二十页，共46页。第二十一页，共46页。图9-12 选择性激光烧结(shoji)成形原理图第二十二页，共46页。选择性激光烧结成形特点如下:可采用多种材料。制造工艺(gngy)

7、比较简单。高精度。成本较低，可制备复杂形状零件，但成形速率较慢，由于粉体铺层密度低导致精度较低和强度较低。 激光选择性烧结技术常用原料是塑料、蜡、陶瓷、金属以及它们的复合物的粉体。用蜡可作精密铸造蜡模，用热塑性塑料可作消失模，用陶瓷可作铸造型壳、型芯和陶瓷件，用金属可作金属件。目前大多数激光选择性烧结技术研究集中在生产金属零件上。第二十三页，共46页。第二十四页，共46页。 图9-13 激光熔覆快速(kui s)成形原理图第二十五页，共46页。激光熔覆快速成形的突出优点如下:具有高度的柔性；生产周期短，效率高；提高了设计的灵活性；应用(yngyng)范围广阔；可加工材料广泛；组织性能好；第二十

8、六页，共46页。第二十七页，共46页。图9-14 激光(jgung)热应力成形原理图第二十八页，共46页。激光诱发热应力成形技术具有下列特点：属无模具(mj)成形。为无外力成形。为非接触式成形。为热态累积成形。第二十九页，共46页。第三十页，共46页。第三十一页，共46页。表表9-2 常用的激光快速成型常用的激光快速成型(chngxng)材料分类材料分类材料形态材料形态液态液态固态粉末固态粉末固态片材固态片材非金属非金属金属金属材料名称材料名称光固化树脂光固化树脂蜡粉蜡粉尼龙粉尼龙粉塑料粉塑料粉陶瓷粉陶瓷粉覆膜砂粉覆膜砂粉等等金属粉金属粉覆膜金属粉覆膜金属粉纸纸塑料塑料+粘结剂粘结剂陶瓷箔陶瓷

9、箔+粘结剂粘结剂金属箔金属箔+粘结剂粘结剂等等成型方法成型方法SLASLSLOM第三十二页，共46页。第三十三页，共46页。1、SLA材料材料(1)SLA材料的种类与系列材料的种类与系列 SLA技术主要用到的材料为光敏环氧树脂、光敏乙烯醚、光技术主要用到的材料为光敏环氧树脂、光敏乙烯醚、光敏环氧丙烯酸酯、光敏丙烯树脂。敏环氧丙烯酸酯、光敏丙烯树脂。(2)SLA对材料性能的基本要求对材料性能的基本要求 SLA原型材料一般原型材料一般(ybn)都是液态光敏树脂，它要求在一定都是液态光敏树脂，它要求在一定频率的单色光的照射下迅速固化并具有较小的临界曝光和较大的频率的单色光的照射下迅速固化并具有较小的

10、临界曝光和较大的固化穿透深度，固化时树脂的收缩率要小固化穿透深度，固化时树脂的收缩率要小(如果树脂的收缩率较小如果树脂的收缩率较小，SLA制件的变形就小，精度也会较高制件的变形就小，精度也会较高)，SLA原型要具有足够的原型要具有足够的强度和良好的表面粗糙度，且成形时毒性较小。强度和良好的表面粗糙度，且成形时毒性较小。 应用于应用于SLA技术的光敏树脂，通常由两部分组成，即光引发技术的光敏树脂，通常由两部分组成，即光引发剂和树脂，其中树脂由预聚物、稀释剂及少量助剂组成。光敏树剂和树脂，其中树脂由预聚物、稀释剂及少量助剂组成。光敏树脂是激光固化快速成形制作的基材，其性能特征对成形零件的质脂是激光

11、固化快速成形制作的基材，其性能特征对成形零件的质量具有决定性影响。量具有决定性影响。第三十四页，共46页。用于SLA法光固化树脂一般应具有以下性能：黏度低，低黏度树脂有利于成形中树脂较快流平；固化速率快，树脂的固化速率直接影响成形的效率(xio l)，从而影响到经济效益；固化收缩小，光敏树脂在固化过程中，经过一个从液态向固态转变的变化过程，这种变化常会引起树脂的线型和体积收缩，固化收缩导致零件产生变形、翘曲、开裂等，从而影响到成形零件的精度，降低树脂的收缩量是光敏树脂研制过程中的主要目标，低收缩性树脂有利于成形出高精度零件；一次固化程度高，这样可以减少后固化收缩，从而减少后固化变形；湿态强度高

12、，较高的湿态强度可以保证后固化过程不产生变形、膨胀及层间剥离；溶胀小，湿态成形件在液态树脂中的溶胀会造成零件尺寸偏大；毒性小，这有利于操作者的健康和不造成环境污染。第三十五页，共46页。(3)SLA成形件的主要应用直接制作各种树脂样品件或功能件，用作结构验证和功能测试；制作精细零件；制造有透明效果的制件；制作出的原型件可快速翻制各种模具；代替熔模精密铸造中的消失模用来生产(shngchn)金属零件。(4)SLA材料的应用现状第三十六页，共46页。2、LOM材料(1)LOM材料种类 薄材叠层快速成形(LOM)是在基体薄片材料单面涂覆热熔性黏结剂，LOM原型一般由薄片材料和黏结剂两部分组成，薄片材

13、料根据对原型性能要求的不同可分为：纸片材、金属片材、陶瓷片材、塑料薄膜和复合材料片材。用于LOM纸基的热熔性黏结剂按基体树脂类型分，主要有乙烯-醋酸乙烯酯共聚物型热熔胶、聚酯类热熔胶、尼龙类热熔胶或其混合物。 目前LOM基体薄片材料主要是纸材。这种纸由纸质基底和涂覆的黏结剂、改性添加剂组成，它的成本较低，基底在切割成形过程中始终为固态(gti)，没有状态变化，因此翘曲变形小，最适合于中、大型零件的成形。第三十七页，共46页。表表9-3 KINERGY公司公司(n s)生产的纸基卷材生产的纸基卷材性性 能能型号型号 K01K02K03宽度宽度/mm300900300900300900厚度厚度/m

14、m0.120.110.09粘结温度粘结温度/210250250成型后的颜色成型后的颜色浅灰浅灰浅黄浅黄黑黑成型过程翘曲变形成型过程翘曲变形很小很小稍大稍大小小成型件表面硬度成型件表面硬度高高较高较高很高很高成型件耐温性成型件耐温性好好好好很好（很好（200）成型件表面抛光性成型件表面抛光性好好好好很好很好成型件表面光亮度成型件表面光亮度好好很好（类似塑料很好（类似塑料)好好成型件弹性成型件弹性一般一般好（类似塑料好（类似塑料)一般一般废料分离性废料分离性好好好好好好价格价格较低较低较低较低较高较高第三十八页，共46页。(2)LOM对黏结剂性能的基本要求 在LOM成形过程中，通过热压装置的作用使

15、得材料逐层粘接在一起，形成所需的制件。材料品质的优劣主要表现为成形件的粘接性能、强度、硬度、可剥离性、防潮性能等。 对于基体薄片材料要求厚薄均匀、力学性能良好并与黏结剂有较好的涂挂性和粘接能力。 用于LOM的黏结剂通常为加有某些特殊添加组分的热熔胶，它的性能要求是：良好的热熔冷固性能(室温下固化)；在反复(fnf)“熔融一固化”条件下其物理化学性能稳定；熔融状态下与薄片材料有较好的涂挂性和涂匀性；足够的粘接强度；良好的废料分离性能。第三十九页，共46页。(3)LOM成形件的主要应用 LOM原型的用途不同，对薄片材料(cilio)及其黏结剂的要求也不同，LOM成形件主要用于以下方面：直接制作纸质

16、功能制件，用作新产品开发中工业造型的外观评价、结构设计验证。利用材料(cilio)的粘接性能，既可制作尺寸较大的制件，也可制作复杂薄壁件。通过真空注塑机制造硅橡胶模具，试制少量新产品。快速制模：a采用薄材叠层制件与转移涂料技术制作铸件和铸造用金属模具；b采用薄材叠层方法制作铸造用消失模；c制造石蜡件的蜡模、熔模精密铸造中的消失模。第四十页，共46页。 (4)LOM材料的应用现状 LOM技术常用原材料是纸、金属箔、塑料薄膜、陶瓷膜等，除了可以制造模具、模型外，还可以直接制造结构件或功能(gngnng)件。 LOM技术成形速率快，制造成本低，成形时无需特意设计支撑，材料价格也较低。但薄壁件、细柱状

17、件的废料剥离比较困难，而且由于材料薄膜厚度有限制，未经处理的表面不光洁，需要进行再处理，后处理时需要熟练的操作人员。 第四十一页，共46页。3、SLS材料 选择性激光烧结成形(SLS)中使用的是微米级粉末材料。成形时，在事先设定的预热温度下，先在工作台上用辊筒铺一层粉末材料，然后激光束在计算机的控制下按照截面轮廓的信息对制件的实心部分所在的粉末进行扫描，使粉末的温度升至熔化点，粉末颗粒(kl)交界处熔融，粉末相互粘接，逐步得到各层轮廓。在非烧结区的粉末仍呈松散状，作为工件和下一层粉末的支撑。(1)SLS对材料性能的基本要求 激光烧结快速成形工艺对成形材料的基本要求是：具有良好的烧结成形性能，即无需特殊工艺即可快速精确地成形原型；对于直接用作功能零件或模具的原型，其力学性能和物理性能(强度、刚性、热稳定性、导热性及加工性能)要满足使用要求；当原型间接使用时，要有利于快速、方便的后续处理和加工工序，即与后续工艺的接口性要好。第四十二页，共46页。(2)SLS材料的种类及其特性 SLS材料均为粉末材料，它来源较为广泛，原则上讲所有受热能相互(xingh)粘接的粉末材料或表面覆有热固(塑)性黏结剂的粉末都能用作SLS材料。目前用于SLS技术的材料主要有如下几种：高分子粉末材料；金属粉末材料；陶瓷粉末材料；覆膜砂粉末材