激光快速成型技術(shù)應(yīng)用詳解

1、激光快速成型技術(shù)應(yīng)用詳解    快速成型（RapidPrototyping,RP）中采用的技術(shù)和材料，正如其輔助設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品一樣，發(fā)展可謂日新月異。從環(huán)氧樹脂到生物兼容的鈷鉻合金材料都能進(jìn)行激光燒結(jié)，而且速度、定制化和精密程度都使得成型技術(shù)在傳統(tǒng)和新市場(chǎng)的應(yīng)用范圍大大拓寬了。通常被稱為激光加層制造（AdditiveLayerManufacturing,ALM）的激光燒結(jié)為產(chǎn)品開發(fā)和制造增加了柔性，這主要得益于其能夠創(chuàng)造出到目前為止還不可能或者因成本過(guò)高而無(wú)法制造出的幾何體。早      

2、0; 快速成型（Rapid Prototyping, RP）中采用的技術(shù)和材料，正如其輔助設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品一樣，發(fā)展可謂日新月異。從環(huán)氧樹脂到生物兼容的鈷鉻合金材料都能進(jìn)行激光燒結(jié)，而且速度、定制化和精密程度都使得成型技術(shù)在傳統(tǒng)和新市場(chǎng)的應(yīng)用范圍大大拓寬了。        通常被稱為激光加層制造（Additive Layer Manufacturing, ALM）的激光燒結(jié)為產(chǎn)品開發(fā)和制造增加了柔性，這主要得益于其能夠創(chuàng)造出到目前為止還不可能或者因成本過(guò)高而無(wú)法制造出的幾何體。早期的ALM技術(shù)使用者遍布許多行業(yè)，包括航空航天、汽

3、車、醫(yī)療，以及牙科；體育和娛樂(lè)產(chǎn)品的制造；以及一系列的塑料和金屬產(chǎn)品供應(yīng)商。        采用激光燒結(jié)技術(shù)的主要原因包括來(lái)自定制化產(chǎn)品的需求，創(chuàng)造復(fù)雜形體的需求，縮減生產(chǎn)時(shí)間，以及因產(chǎn)量過(guò)少無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)工藝實(shí)現(xiàn)成本效率。                捷豹 (Jaguar) 汽車        捷豹汽車正在

4、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(guò)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(guò)程的早期就能被搜集到。與此相反，其他使用

5、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(guò)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

6、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(lái)說(shuō)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。                Whitley的快速成型部門        Whitley中心的快速成型部門是作為PAG汽車集團(tuán)的盈利中心進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的。它通常以STL文件格式接受來(lái)自集團(tuán)內(nèi)部

7、各個(gè)方面的工作，主要有設(shè)計(jì)、空氣動(dòng)力、車身、底盤、電氣、動(dòng)力總成，以及捷豹和路虎工程部門。        工程中心于1997年開始通過(guò)快速成型方式和源自CAD模型的STL文件，一層層建造零件。在這些生產(chǎn)出的零件中，有完整的汽車外飾件的可視化小模型，以及用于進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)的仿真尺寸大小的結(jié)構(gòu)件。        然而到了2000年，對(duì)更多快速成型技術(shù)的需求越來(lái)越明顯這種技術(shù)能制造出經(jīng)受嚴(yán)苛的功能測(cè)試而且堅(jiān)固的零件，而這正是激光燒結(jié)技術(shù)之所以能風(fēng)行的原因。這家公司

8、安裝了兩臺(tái)EOSINT P360s之后升級(jí)到P380，該機(jī)型配備了新的軟硬件使得最終產(chǎn)品的質(zhì)量更佳，且節(jié)省成型時(shí)間高達(dá)30%。        在這臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行的第一項(xiàng)任務(wù)是一個(gè)車門的集成件模型，用于XJ saloon車型。它被作為一種強(qiáng)大開發(fā)輔助工具，能使車門的保護(hù)安全罩能在零件實(shí)際生產(chǎn)之前就被開發(fā)出來(lái)。該原型能完全勝任該任務(wù)，而通過(guò)立體光刻技術(shù)（Stereo Lithography）生產(chǎn)出的部件，則非常易碎。        接下來(lái)制造的用于同款車型的激光

9、燒結(jié)零件是一個(gè)體積更大的保險(xiǎn)杠部件，它由兩個(gè)部件組成，用于可視化重要零件的組裝，例如排氣管和掛鉤孔。因此在進(jìn)行實(shí)際加工之前，汽車這些部件的美觀程度就能夠得以評(píng)估。       圖3、EOS的直接金屬激光燒結(jié)工藝使得牙科供應(yīng)商能在同一批次生產(chǎn)出數(shù)以百計(jì)的牙套和支架。        EOSINT P380在Whitley產(chǎn)品開發(fā)中心每天運(yùn)行24小時(shí)，每周七天，在這個(gè)340×340×620mm的空間內(nèi)生產(chǎn)出無(wú)數(shù)的PAG零件，這些零件的STL

10、文件都被保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，按時(shí)間分類。零件通過(guò)使用Magics軟件定位來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)量的最佳調(diào)節(jié)。        捷豹的經(jīng)驗(yàn)顯示出激光燒結(jié)零件的產(chǎn)量超過(guò)了其他的快速成型工藝，因?yàn)槠淙康漠a(chǎn)品能夠和其他工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品相兼容，而對(duì)于其他的工藝來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)零件可能只與同一平臺(tái)相兼容。        EOSINT P380s嵌套的靈活性使其能夠在每個(gè)成型周期中完成數(shù)十個(gè)零件。因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)使得單個(gè)或者批量生產(chǎn)零件變得迅速、有效，且成本降低，工具、模具和功能件都同樣能通過(guò)其制

11、造出來(lái)。        有一個(gè)有趣的部件通常被附加在其他零件的周圍，但該部件根本就不是快速成型件。通過(guò)這個(gè)復(fù)雜的塑料裝配輔助件，操作工能夠在XKcoup 和敞篷車型的生產(chǎn)過(guò)程中定位車窗升降裝置（見圖1）。        制造工廠需要一組3000個(gè)零件，一旦安裝完成，該些組裝輔助件仍將在整個(gè)制造流程中保留在車身內(nèi)。所有的這些零件都在P380s上生產(chǎn)出來(lái)，而無(wú)需投資于昂貴的塑料注塑模。      &#

12、160; 對(duì)于將來(lái)的發(fā)展，捷豹期望能看到快速成型技術(shù)發(fā)展成為快速制造流程，這樣就能滿足一些零星的生產(chǎn)要求。在更遠(yuǎn)的未來(lái)，很可能今天的快速成型流程就是下一代批量生產(chǎn)技術(shù)的始祖，屆時(shí)，今天流程中所存在的設(shè)計(jì)限制、工裝以及庫(kù)存成本等都將被消除。        隨著XK車窗工具項(xiàng)目獲得成功，可以確定的是捷豹將繼續(xù)生產(chǎn)用于成型和縫隙應(yīng)用的塑料件，正如之前生產(chǎn)的車窗升降裝配輔助件一樣。             

13、;   從汽車到醫(yī)療        快速制造工藝帶來(lái)的機(jī)遇同樣出現(xiàn)在醫(yī)療市場(chǎng)中。例如，一家提供牙科服務(wù)的集團(tuán)接洽EOS公司，希望在一天內(nèi)實(shí)現(xiàn)激光燒結(jié)兩批次共 200件獨(dú)立定制的牙套和支架。而該公司宣布能夠滿足并超出這些要求，而實(shí)現(xiàn)這些假牙訂單的新方法是一種相比傳統(tǒng)技術(shù)有效得多的手段。                Sirona牙科系統(tǒng)  

14、      該技術(shù)在一家德國(guó)公司 Sirona牙科系統(tǒng)公司和EOS公司的合作下被開發(fā)出來(lái)，后者提供直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）設(shè)備以及消耗的金屬粉末，包括特別為這項(xiàng)應(yīng)用提供的具有生物兼容性的鈷銠合金。        僅在德國(guó)每年就需要1200萬(wàn)假牙，而產(chǎn)量可能在未來(lái)幾年中大量增加。該工藝以對(duì)患者牙齒進(jìn)行掃描記錄，然后將數(shù)據(jù)傳送到 Sirona實(shí)驗(yàn)室的牙科醫(yī)生那里，制造出塑料模型。一種非接觸式的掃描儀創(chuàng)造出牙齒的數(shù)字模型，所要求的框架通過(guò)CAD/CAM軟件得到設(shè)計(jì)。 

15、       結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)通過(guò)因特網(wǎng)傳送到Sirona，通過(guò)這些文件，DMLS中的激光熔化一層極薄的鈷鉻粉末，直至這些粉末形成制造假牙所需的實(shí)體形態(tài)顯現(xiàn)出來(lái)。        實(shí)驗(yàn)室中繁重的手工建模以及鑄造將不再被需要，這極大地提高了效率。一般，一名牙科技師每天能加工大約十副牙冠，數(shù)百個(gè)框架能同時(shí)在DMLS中生產(chǎn)出來(lái)。訂單的完成時(shí)間從接到結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)開始計(jì)，大約需要三天時(shí)間。        “通過(guò)DMLS進(jìn)行牙齒框架的工業(yè)化生產(chǎn)不僅僅節(jié)約了成本，而且提供了穩(wěn)定的高質(zhì)量，”Sirona公司infiniDent部門的Saliger博士評(píng)論道。        這一應(yīng)用顯示：對(duì)于醫(yī)療環(huán)境中制造個(gè)性化產(chǎn)品廠家來(lái)說(shuō)，該技術(shù)具備可持續(xù)發(fā)展的能力。激光燒結(jié)技術(shù)在患者定制植入部件的生產(chǎn)上同樣有著較高的潛力。        激光燒結(jié)將在一個(gè)更廣泛的材料范圍內(nèi)得到應(yīng)用，包括在各個(gè)工業(yè)行業(yè)應(yīng)用的柔性