進(jìn)入21世紀(jì)隨著經(jīng)濟(jì)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(shì)，對(duì)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(shù)日益火熱，以其節(jié)能低成本等優(yōu)勢(shì)，大有引領(lǐng)“第三次工業(yè)革命”之勢(shì)。我國(guó)在此方面也有嘗試，面對(duì)變革，激光行業(yè)能否抓住機(jī)遇引領(lǐng)變革？

    1、激光快速成型的基本原理

    激光快速成型技術(shù)的原理是用CAD生成的三維實(shí)體模型，通過分層軟件分層、每個(gè)薄層斷面的二維數(shù)據(jù)用于驅(qū)動(dòng)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(shí)體模型。

    傳統(tǒng)的工業(yè)成形技術(shù)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(jìn)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(shù)快速制造出的模型或樣件可以直接用于新產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證、功能驗(yàn)證、工程分析、市場(chǎng)訂貨一級(jí)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(jìng)爭(zhēng)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(jì)算機(jī)控制下的紫外激光按預(yù)定零件各分層截面的輪廓為軌跡對(duì)液態(tài)光敏樹脂逐點(diǎn)掃描,被掃描的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)固化形成零件的一個(gè)截面, 再敷上一層新的液態(tài)樹脂進(jìn)行掃描加工,如此重復(fù)直到整個(gè)原型制造完畢[3]。這種方法的特點(diǎn)是精度高、表面質(zhì)量好,能制造形狀復(fù)雜、特別精細(xì)的零件,不足是設(shè)備和材料昂貴,制造過程中需要設(shè)計(jì)支撐。

    (2) 分層實(shí)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?jiān)侬B加在上面,依次粘結(jié)成三維實(shí)體。LOM主要特點(diǎn)是設(shè)備和材料價(jià)格較低,制件強(qiáng)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(fù)合材料的LOM工藝。

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

    SLS是采用激光有選擇地分層燒結(jié)固體粉末，并使燒結(jié)成型的固化層層層疊加生成所需形狀的零件。其整個(gè)工藝過程包括CAD模型的建立及數(shù)據(jù)處理、鋪粉、燒結(jié)以及后處理等。SLS 最突出的優(yōu)點(diǎn)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(jié)的粉末材料均可作為其成型材料。目前，可成功進(jìn)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(fù)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(shè)計(jì)和制造復(fù)雜的支撐系統(tǒng)，所以其應(yīng)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(diǎn)材料(可以是低熔點(diǎn)金屬或有機(jī)粘接材料)的混合物，在加工過程中，低熔點(diǎn)材料熔化或部分熔化，但熔點(diǎn)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(diǎn)材料包覆粘結(jié)在一起，形成的三維實(shí)體為類似粉末冶金燒結(jié)的坯件，實(shí)體存在一定比例孔隙，不能達(dá)到100%密度，力學(xué)性能也較差，常常還需要經(jīng)過高溫重熔或滲金屬填補(bǔ)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(yù)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(shí)熔化，并快速凝固成稀釋度低、與基底材料呈冶金結(jié)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(biāo)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(duì)工作環(huán)境的要求低；可通過計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)智能化和自動(dòng)化處理；熔覆層的外觀平整，工件變形小，加工后工件可不進(jìn)行處理而直接使用；適合關(guān)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(duì)基體的熱影響較小，引起的變形也?。豢刂萍す獾妮斎肽芰浚梢詫⒒w材料對(duì)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(jié)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(jī)械等各領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景，正被越來越多的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)所重視,對(duì)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(shù)中最棘手的問題，國(guó)內(nèi)外的科學(xué)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(diǎn)

    由于快速成型技術(shù)（包含激光快速成型技術(shù)）僅僅在需要增加材料的地方增加材料，所以從設(shè)計(jì)到自動(dòng)化，從知識(shí)獲取到計(jì)算機(jī)處理，從計(jì)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(diǎn)：

    （1）制造速度快、成本低、節(jié)省時(shí)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(shí)現(xiàn)自由制造，產(chǎn)品制造過程以及產(chǎn)品造價(jià)幾乎與產(chǎn)品的批量和復(fù)雜性無關(guān)。

    （2）采用非接觸加工的方式，沒有傳統(tǒng)加工的殘余應(yīng)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(dòng)等，有利于環(huán)保。

    （3）可實(shí)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(yīng)用

    不斷提高激光快速成型技術(shù)的應(yīng)用水平是推動(dòng)激光快速成型技術(shù)技術(shù)發(fā)展的重要方面。目前，激光快速成型技術(shù)已在工業(yè)造型、機(jī)械制造、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫(yī)學(xué)、考古、文化藝術(shù)、雕刻、首飾等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。并且隨著這一技術(shù)本身的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣埂＜す饪焖俪尚图夹g(shù)的實(shí)際應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面：

    (1)在新產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用激光快速成形技術(shù)為工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)人員建立了一種嶄新的產(chǎn)品開發(fā)模式。運(yùn)用激光快速成型技術(shù)能夠快速、直接、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化為具有一定功能的實(shí)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(fèi)用，也使企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占有先機(jī)。

    (2)在機(jī)械制造領(lǐng)域的應(yīng)用由于激光快速成型技術(shù)自身的特點(diǎn)，使得其在機(jī)械制造領(lǐng)域內(nèi)，獲得廣泛的應(yīng)用，多用于制造單件、小批量金屬零件的制造。有些特殊復(fù)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(shù)直接進(jìn)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(shí)間長(zhǎng)，成本高。將激光快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)相結(jié)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(shè)計(jì)與制造薄弱環(huán)節(jié)的有效途徑。激光快速成形技術(shù)在模具制造方面的應(yīng)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(shù)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(fù)制得到所需要的模具。

    (4)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用近幾年來，人們對(duì)激光快速成型技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究較多。以醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用激光快速成型技術(shù)制作人體器官模型，對(duì)外科手術(shù)有極大的應(yīng)用價(jià)值。

    (5)在文化藝術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用在文化藝術(shù)領(lǐng)域，激光快速成形制造技術(shù)多用于藝術(shù)創(chuàng)作、文物復(fù)制、數(shù)字雕塑等。

    (6)在航空航天技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域中，空氣動(dòng)力學(xué)地面模擬實(shí)驗(yàn)(即風(fēng)洞實(shí)驗(yàn))是設(shè)計(jì)性能先進(jìn)的天地往返系統(tǒng)(即航天飛機(jī))所必不可少的重要環(huán)節(jié)。該實(shí)驗(yàn)中所用的模型形狀復(fù)雜、精度要求高、又具有流線型特性，采用激光快速成型技術(shù)，根據(jù)CAD模型，由激光快速成型設(shè)備自動(dòng)完成實(shí)體模型，能夠很好的保證模型質(zhì)量。

    (7)在家電行業(yè)的應(yīng)用目前，激光快速成形系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的家電行業(yè)上得到了很大程度的普及與應(yīng)用，使許多家電企業(yè)走在了國(guó)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(shù)的應(yīng)用很廣泛，可以相信，隨著快速成形制造技術(shù)的不斷成熟和完善，它將會(huì)在越來越多的領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)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(shù)，以加快其新車型的開發(fā)，主要用于直接從CAD模型中導(dǎo)出塑料零件，免去了模具的成本。

    激光燒結(jié)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(yīng)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(jìn)氣管、車門內(nèi)飾件、儀表盤、車內(nèi)通風(fēng)口、外車燈罩等，都具有足夠的強(qiáng)度經(jīng)受實(shí)際行駛中的測(cè)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(shù)得到的零件都易碎，只能用于視覺的觀察。

    舉一個(gè)例子，把該V8進(jìn)氣管的原型用于一臺(tái)新上市的捷豹汽車；在過去，大筆的金錢花費(fèi)在制造該部件的工裝上。而且每一個(gè)設(shè)計(jì)的改動(dòng)將花費(fèi)數(shù)千英鎊/美元，用以更換工具，而且整個(gè)流程耗費(fèi)數(shù)周才能完成。如果是重大的改動(dòng)，則需要完全更換新的工裝。

    使用激光燒結(jié)快速成型技術(shù)，制作出兩個(gè)進(jìn)氣管的設(shè)計(jì)模型，之后使用尼龍粉末生產(chǎn)17個(gè)，每個(gè)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(duì)汽車零件開發(fā)來說就節(jié)省了巨大的財(cái)務(wù)開支，并將進(jìn)一步開發(fā)所需的時(shí)間減半——從一年縮短到了六個(gè)月。

    5、激光快速成型的發(fā)展現(xiàn)狀

    美國(guó)3DSyetems公司1988年生產(chǎn)出世界上第一臺(tái)SLA250型光固化快速造型機(jī)，開創(chuàng)了激光快速成型技術(shù)迅速發(fā)展和推廣的新紀(jì)元。美國(guó)在設(shè)備研制、生產(chǎn)銷售方面占全球主導(dǎo)地位，其發(fā)展水平及趨勢(shì)基本代表了世界的發(fā)展水平及趨勢(shì)。歐洲和日本也不甘落后，紛紛進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究和設(shè)備研發(fā)。香港和臺(tái)灣比內(nèi)地起步早，臺(tái)灣大汛擁有LOM設(shè)備，臺(tái)灣各單位及軍方安裝多臺(tái)進(jìn)口SL系列設(shè)備。香港生產(chǎn)力促進(jìn)局和香港科技大學(xué)、香港理工大學(xué)、香港城市大學(xué)等都擁有RP設(shè)備，其重點(diǎn)是有關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用與推廣。

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

    激光快速成型技術(shù)正在發(fā)生巨大的變化 ,主要體現(xiàn)在新技術(shù)、新工藝及信息網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)上 ,拓寬激光快速成型技術(shù)的應(yīng)用 ,開展新的成型工藝的探索。

    (2) 開發(fā)新設(shè)備和開發(fā)新材料。 LRP 設(shè)備研制向兩個(gè)方向發(fā)展:自動(dòng)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(yīng)用是目前LRP技術(shù)的研究重點(diǎn)之一。發(fā)展全新材料 ,特別是復(fù)合材料 ,如納米材料、非均質(zhì)材料、功能材料是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。激光快速成型技術(shù)是多學(xué)科交叉融合一體化的技術(shù)系統(tǒng) ,正在不斷研究開發(fā)和推廣應(yīng)用中 ,與生物科學(xué)交叉的生物制造、與信息科學(xué)交叉的遠(yuǎn)程制造、與納米科學(xué)交叉的微機(jī)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(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展 ,它對(duì)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(shù)就是一種三維實(shí)體快速自由成形制造新技術(shù)，它綜合了計(jì)算機(jī)的圖形處理、數(shù)字化信息和控制、激光技術(shù)、機(jī)電技術(shù)和材料技術(shù)等多項(xiàng)高技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，目前學(xué)者們對(duì)其有多種描述。西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的黃衛(wèi)東教授稱這種新技術(shù)為“數(shù)字化增材制造”，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)宋天虎秘書長(zhǎng)稱其為“增量化制造”，其實(shí)它就是不久前引起社會(huì)廣泛關(guān)注的“三維打印”技術(shù)的一種。西方媒體把這種實(shí)體自由成形制造技術(shù)譽(yù)為將帶來“第三次工業(yè)革命” 的新技術(shù)。

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

    1988年，美國(guó)3D System 公司推出的SLA-250液態(tài)光敏樹脂選擇性固化成形機(jī)，標(biāo)志著快速原型技術(shù)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(gè)三維實(shí)體模型。

    快速原型技術(shù)采用了一種全新的無模具自由成形原理來制造三維實(shí)體零件，這種新型成形技術(shù)改變了傳統(tǒng)的制造技術(shù)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(shù)路線。以機(jī)械加工為例，加工一個(gè)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(qiáng)大的機(jī)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?zé)Y(jié)的方法使材料固化來獲得具有所需形狀和強(qiáng)度的金屬零件。快速原型技術(shù)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?yàn)檫@種成形方法不需要模具，因而又被稱為實(shí)體自由成形技術(shù)或快速成形技術(shù)。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(zhǎng)的制造模具過程和昂貴的模具制造成本。

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

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