1 引言
    快速成型技術(shù)(Rapid Prototyping，簡(jiǎn)稱(chēng)RP)是從1987年開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)制造技術(shù)，集成了現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)、激光加工技術(shù)及材料科學(xué)等領(lǐng)域的最新成果。該技術(shù)利用CAD軟件設(shè)計(jì)出零件的三維實(shí)體模型，然后根據(jù)具體工藝要求，按照一定的厚度對(duì)模型進(jìn)行分層切片處理，將其離散化為一系列二維層面，再對(duì)二維層面信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并加入加工參數(shù)，生成數(shù)控代碼輸入成型機(jī)，控制成型機(jī)的運(yùn)動(dòng)順序完成各層面的成型制造，直到加工出與CAD模型相一致的原型或零件。它可以自動(dòng)而迅速地將設(shè)計(jì)思路轉(zhuǎn)化為具有一定結(jié)構(gòu)和功能的原型或直接制造零件，從而可以對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行快速評(píng)價(jià)、修改，以響應(yīng)市場(chǎng)需求，它不需要傳統(tǒng)方法所需求的大量工裝模具，節(jié)省了成本，縮短了加工周期，實(shí)現(xiàn)了高效、低耗、智能化的目的。
    快速成型技術(shù)最初用來(lái)制造鑄造用模型，后來(lái)發(fā)展到制造原型零件，主要用于模型或零件的直觀檢驗(yàn)，關(guān)鍵是要求形狀準(zhǔn)確，對(duì)其力學(xué)性能沒(méi)有太高的要求，所采用的成型材料有液體光敏樹(shù)脂、臘、紙等替代材料。近年快速成型技術(shù)有了新的發(fā)展，已經(jīng)開(kāi)始在金屬材料、陶瓷材料的制備上得到應(yīng)用，主要目標(biāo)是快速制造出滿(mǎn)足使用性能的致密的金屬零件。

    2 金屬粉末激光快速成型技術(shù)研究現(xiàn)狀

    金屬粉末燒結(jié)成型技術(shù)是國(guó)際上當(dāng)前的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，可以自動(dòng)迅速地從三維CAD模型直接制得形狀復(fù)雜的金屬零件或模型，其制造方法主要包括選擇性激光燒結(jié)（SLS）和激光熔覆制造兩種技術(shù)。
    2.1選擇性激光燒結(jié)（SLS）
    （1）SLS原理
    選擇性激光燒結(jié)是采用激光有選擇地分層燒結(jié)固體粉末[2,3]，并使燒結(jié)成形的固化層，層層疊加生成所需形狀的零件。首先由CAD產(chǎn)生零件模型，并用分層切片軟件對(duì)其進(jìn)行處理，獲得各截面形狀的信息參數(shù)，作為激光束進(jìn)行二維掃描的軌跡，由激光發(fā)出的光束在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)幾何形體各層截面的坐標(biāo)數(shù)據(jù)有選擇地對(duì)材料粉末層進(jìn)行掃描，在激光輻照的位置上粉末燒結(jié)在一起，一層燒結(jié)完成后，再鋪粉進(jìn)行下一層掃描燒結(jié)，新的一層和前一層自然地?zé)Y(jié)在一起，最終生成三維形狀的零件。
    （2）SLS的特點(diǎn)
    與其它傳統(tǒng)制造方法相比，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)是：
    ①具有高度的柔性，在計(jì)算機(jī)的控制下可方便迅速地制作出傳統(tǒng)加工方法難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜形狀的零件，例如具有復(fù)雜凹凸部分及中空的零件。
    ②技術(shù)高度集成，綜合集成了計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)。
    ③生產(chǎn)周期短，該技術(shù)從CAD設(shè)計(jì)到零件的加工完成只需幾小時(shí)到幾十小時(shí)，特別適合于開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。
    （3）研究現(xiàn)狀
    選擇性激光燒結(jié)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是直接生產(chǎn)金屬零件和金屬模具。美國(guó)DTM公司用SLS2000系統(tǒng)成功制作出了鋼-銅合金的注塑模具。德國(guó)漢諾威激光中心采用Nd∶YAG脈沖激光器和光學(xué)掃描系統(tǒng)，試驗(yàn)了不同粒度的鎳、銅、鋁、青銅等合金材料。國(guó)內(nèi)，中北大學(xué)鑄造中心和南京航空航天大學(xué)特種加工研究室開(kāi)展了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的基礎(chǔ)研究，目前南京航空航天大學(xué)特種加工研究室已完成了單層燒結(jié)試驗(yàn)，在粉末配比及激光燒結(jié)參數(shù)的選擇方面均獲得了比較好的結(jié)果。他們?cè)诖嘶A(chǔ)上進(jìn)行了多層燒結(jié)的初步嘗試，已燒結(jié)出形狀簡(jiǎn)單的二維實(shí)體零件。中北大學(xué)則在選擇性激光燒結(jié)的基礎(chǔ)上研制了變長(zhǎng)線掃描SLS RPT，是世界上首次采用的新穎快速成型方法。
    一般SLS RPT是將CO2激光器的輸出光束通過(guò)聚焦透鏡在工作面上形成具有很高能量密度且尺寸很小的光斑，此光斑對(duì)鋪平在工作臺(tái)的粉末材料進(jìn)行燒結(jié)，而變長(zhǎng)線掃描 SLS RPT是將激光束通過(guò)柱面透鏡在工作臺(tái)上形成具有與上述光斑相同能量密度的細(xì)長(zhǎng)線束，具有成型尺寸大、成型效率高的優(yōu)點(diǎn)。而且對(duì)金屬粉末的選擇性激光快速燒結(jié)技術(shù)國(guó)內(nèi)也只有中北大學(xué)進(jìn)行了一系列的研究，并且對(duì)于成型件的后處理如滲銅、高溫?zé)Y(jié)的工藝進(jìn)行了研究，取得了顯著成果。
    2.2 激光涂覆（熔覆）制造技術(shù)
    （1）激光涂覆制造技術(shù)的原理
    激光涂覆制造技術(shù)也稱(chēng)近形技術(shù) (LENS)，是在激光熔覆技術(shù)和快速原型技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)。首先由CAD產(chǎn)生零件模型，用分層切片軟件進(jìn)行處理，獲得各截面形狀的信息參數(shù)，作為工作臺(tái)進(jìn)行移動(dòng)的軌跡參數(shù)。工作臺(tái)在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)幾何形體各層截面的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行移動(dòng)的同時(shí)，用激光涂覆的方法將材料進(jìn)行逐層堆積，最終形成具有一定外形的三維實(shí)體零件。
    （2）激光涂覆制造技術(shù)的特點(diǎn)
    使用聚焦激光輻照時(shí)形成的熔池很小，可制出外形精密的零件。因燒結(jié)點(diǎn)的大小和激光束的有效直徑差不多，故零部件的壁厚可精確調(diào)節(jié)，減少了后處理工序。激光近形方法提高了設(shè)計(jì)的靈活性，通過(guò)改變CAD模型文件可方便經(jīng)濟(jì)地對(duì)修改補(bǔ)充零件，靈活改變零件不同部位的成分，使零件具有優(yōu)異的綜合性能。生產(chǎn)周期大大縮短，效率高。只要被加工材料對(duì)所用激光器的激光波長(zhǎng)有低的反射率，就可用LENS法來(lái)處理。激光涂覆制造技術(shù)易實(shí)現(xiàn)選區(qū)熔覆，可以用來(lái)修復(fù)大的金屬零件。無(wú)需制作昂貴的工模具，生產(chǎn)成本低。
    （3）激光涂覆制造技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀
    德國(guó)的漢諾威激光中心已對(duì)鈷基(stellite6)和鎳基合金(Inconel625)進(jìn)行了研究，采用了最高功率為3kW的CO2激光器和一套計(jì)算機(jī)數(shù)控的三維加工系統(tǒng)。使用這套設(shè)備生產(chǎn)出具有垂直和傾斜薄壁的金屬部件。不論使用什么材料，對(duì)涂覆部分的結(jié)構(gòu)檢查均可發(fā)現(xiàn)其組織細(xì)小，其中有部分樹(shù)枝晶結(jié)構(gòu)。對(duì)材料的測(cè)試表明，涂覆零部件的密度近100%，抗拉強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度與常規(guī)的金屬板材類(lèi)似。
    美國(guó)Sandia國(guó)家試驗(yàn)室已能用激光近形制造法生產(chǎn)多種材料的高密度金屬零件，包括鎳合金Inconel718、625、690等，不銹鋼304和316，H13工具鋼、鎢、鈦和磁性 NdFeB等。通過(guò)變換激光模式、激光功率、沉積速率、坐標(biāo)軸數(shù)和金屬運(yùn)送方式可得到優(yōu)化的制造速率、零件密度、晶粒結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量。該試驗(yàn)室生產(chǎn)的 Ti-6Al-4V零件緊實(shí)度達(dá)99.996%，延伸率和強(qiáng)度與傳統(tǒng)方法相比均有大的提高。
    Abbott等人利用激光近形技術(shù)制造出鈦零件，制造時(shí)間縮短了50%～75%。試驗(yàn)在由3m×3m×1.2m的加工間和一種新型的能夠提供高粉流率送粉器的系統(tǒng)中完成，該加工間能加工在氬保護(hù)氣氛下的大尺寸零件，氧壓低于10ppm，這對(duì)極易與氧和氮反應(yīng)的鈦是極其關(guān)鍵的。對(duì)商業(yè)化純鈦、Ti-6Al-4V和Ti-5Al-2.5Sn的機(jī)械性能和組分分析研究表明，激光快速成型零件能滿(mǎn)足使用需求。

    3 發(fā)展前景及存在的問(wèn)題

    金屬粉末的激光快速成型技術(shù)集計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、激光熔覆、快速成型于一體，在無(wú)需任何硬質(zhì)工模具或模型的情況下，能快速制備出不同材料的復(fù)雜形狀、多品種、小批量的零件，所成型零件致密度高，具有快速凝固組織特征，能滿(mǎn)足直接使用要求，在航天器件、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件及武器零件的制備上具有廣闊的應(yīng)用前景。還可通過(guò)改變成型材料，得到不同部位由不同材料組成的零件，與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，發(fā)展材料的智能制備系統(tǒng)。
    從上世紀(jì)90年代初開(kāi)始，探索實(shí)現(xiàn)金屬零件直接快速成型制造的方法已成為RP技術(shù)的研究熱點(diǎn)，隨著大功率激光器的出現(xiàn)，使得采用快速成型方法直接制造金屬零件成為可能，國(guó)外著名的RP技術(shù)公司均在進(jìn)行金屬零件快速成型技術(shù)研究。探索直接制備滿(mǎn)足工程使用條件的金屬零件的快速成型技術(shù)，將有助于快速成型技術(shù)向快速制造技術(shù)的轉(zhuǎn)變，能極大地拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。此外，利用逐層制造的優(yōu)點(diǎn)，探索制造具有功能梯度、綜合性能優(yōu)良、特殊復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件也是一個(gè)新的發(fā)展方向。而快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合，形成產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)—制造系統(tǒng)也是一個(gè)重要趨勢(shì)。
    目前，快速成型技術(shù)的成型精度為0.01mm數(shù)量級(jí)，表面質(zhì)量還較差，有待進(jìn)一步提高。最主要的是成型零件的強(qiáng)度和韌性還不能完全滿(mǎn)足工程實(shí)際需要，完善現(xiàn)有快速成型工藝與設(shè)備，提高零件的成型精度、強(qiáng)度和韌性，降低設(shè)備運(yùn)行成本是十分迫切的。

    4 結(jié)語(yǔ)

    快速成型作為一種高新制造技術(shù)，必將在十幾年來(lái)飛速發(fā)展的基礎(chǔ)上揚(yáng)長(zhǎng)避短，不斷開(kāi)發(fā)出新的成型工藝、成形材料及智能化相關(guān)技術(shù)，現(xiàn)有工藝也必將朝著精密化、高精度、低成本、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，并應(yīng)以能直接生產(chǎn)半功能性、功能性零件為目標(biāo)。