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據用于驅動控制激光光束,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。傳統的工業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品設計驗證、功能驗證、工程分析、市場訂貨一級企業的決策等,縮短新產品開發周期,降低研發成本,提高企業競爭力。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光敏樹脂逐點掃描,被掃描的樹脂薄層產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樹脂進行掃描加工,如此重復直到整個原型制造完畢。這種方法的特點是精度高、表面質量好,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模型的建立及數據處理、鋪粉、燒結以及后處理等。SLS 最突出的優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,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。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具有許多優良特性:對工作環境的要求低;可通過計算機控制實現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,國內外的科學家正在努力尋求這一問題的解決方案。
(5) 激光誘發熱應力成形技術
(LF - Laser Forming)
LF技術的原理是基于金屬熱脹冷縮的特性,即對材料進行不均勻加熱,產生預定的塑形變形。該技術具有無模具成形、無外力成形、非接觸式成形、熱態累積成形等特點。該技術已被用于汽車覆蓋件的柔性校平和其他異形件的成形等。