進入21世紀隨著經濟的發展，節能環保成為(wei) 全人類的話題。高效低成本趨勢，對傳(chuan) 統工業(ye) 提出更高的要求。近年來快速製造和3D打印技術日益火熱，以其節能低成本等優(you) 勢，大有引領“第三次工業(ye) 革命”之勢。我國在此方麵也有嚐試，麵對變革，激光行業(ye) 能否抓住機遇引領變革？

    1、激光快速成型的基本原理

    激光快速成型技術的原理是用CAD生成的三維實體(ti) 模型，通過分層軟件分層、每個(ge) 薄層斷麵的二維數據用於(yu) 驅動控製激光光束，掃射液體(ti) 、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(ti) 模型。

    傳(chuan) 統的工業(ye) 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、鑽削、磨削、刨削；另外一些是采用模具進行成形，如鑄造、衝(chong) 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製造出的模型或樣件可以直接用於(yu) 新產(chan) 品設計驗證、功能驗證、工程分析、市場訂貨一級企業(ye) 的決(jue) 策等，縮短新產(chan) 品開發周期，降低研發成本，提高企業(ye) 競爭(zheng) 力。

    激光快速成型又分為(wei) 以下幾類：

    (1) 光固化立體(ti) 造型(SL-Stereolithography,orSLA)

    將計算機控製下的紫外激光按預定零件各分層截麵的輪廓為(wei) 軌跡對液態光敏樹脂逐點掃描,被掃描的樹脂薄層產(chan) 生光聚合反應固化形成零件的一個(ge) 截麵, 再敷上一層新的液態樹脂進行掃描加工,如此重複直到整個(ge) 原型製造完畢[3]。這種方法的特點是精度高、表麵質量好,能製造形狀複雜、特別精細的零件,不足是設備和材料昂貴,製造過程中需要設計支撐。

    (2) 分層實體(ti) 製造(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麵已切割層粘合,然後新的一層紙再疊加在上麵,依次粘結成三維實體(ti) 。LOM主要特點是設備和材料價(jia) 格較低,製件強度較好、精度較高。Helisys公司研製出多種LOM工藝用的成型材料,可製造用金屬薄板製作的成型件,該公司還開發基於(yu) 陶瓷複合材料的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(ti) 粉末，並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(ge) 工藝過程包括CAD模型的建立及數據處理、鋪粉、燒結以及後處理等。SLS 最突出的優(you) 點在於(yu) 它所使用的成型材料十分廣泛。從(cong) 理論上說，任何加熱後能形成原子間粘結的粉末材料均可作為(wei) 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(men) 的複合粉末材料。由於(yu) 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 無需設計和製造複雜的支撐係統，所以其應用越來越廣泛。

    但是SLS 采用的是一種金屬材料與(yu) 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並不熔化，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(ti) 為(wei) 類似粉末冶金燒結的坯件，實體(ti) 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後處理才能使用。

    (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麵上預置或同步送給所選擇的熔覆材料，然後經激光照射使之與(yu) 基底表層同時熔化，並快速凝固成稀釋度低、與(yu) 基底材料呈冶金結合的表麵層，從(cong) 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#分頁標題#e#LCF是以激光為(wei) 熱源在基材的表麵熔覆一層材料，形成與(yu) 基體(ti) 具有完全不同成分和性能的合金層的表麵改性方法。LCF具有許多優(you) 良特性：對工作環境的要求低；可通過計算機控製實現智能化和自動化處理；熔覆層的外觀平整，工件變形小，加工後工件可不進行處理而直接使用；適合關(guan) 鍵局部區域的處理；由於(yu) 激光具有近似絕熱的快速加熱過程，激光熔覆對基體(ti) 的熱影響較小，引起的變形也小；控製激光的輸入能量，可以將基體(ti) 材料對熔覆材料的稀釋控製在很低的程度，從(cong) 而在保證熔覆層與(yu) 基體(ti) 形成冶金結合的前提下，保持原選定熔覆材料的優(you) 異性能；適用範圍廣，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(ye) 所重視,對其研究也越來越廣泛深入。但裂紋是目前大麵積激光熔覆技術中最棘手的問題，國內(nei) 外的科學家正在努力尋求這一問題的解決(jue) 方案。

   2、激光快速成型的特點

    由於(yu) 快速成型技術（包含激光快速成型技術）僅(jin) 僅(jin) 在需要增加材料的地方增加材料，所以從(cong) 設計到自動化，從(cong) 知識獲取到計算機處理，從(cong) 計劃到接口、通訊等方麵來看，非常適合於(yu) CIM、CAD及CAM，因此，同傳(chuan) 統的製造方法相比較，激光快速成型顯示出諸多的優(you) 點：

    （1）製造速度快、成本低、節省時間和節約成本，為(wei) 傳(chuan) 統製造方法注入新的活力，而且可實現自由製造，產(chan) 品製造過程以及產(chan) 品造價(jia) 幾乎與(yu) 產(chan) 品的批量和複雜性無關(guan) 。

    （2）采用非接觸加工的方式，沒有傳(chuan) 統加工的殘餘(yu) 應力的問題，沒有工具更換和磨損之類的問題，無切割、噪音和振動等，有利於(yu) 環保。

    （3）可實現快速鑄造、快速模具製造，特別適合於(yu) 新產(chan) 品開發和單間零件生產(chan) 。

    3、激光快速成型的應用

    不斷提高激光快速成型技術的應用水平是推動激光快速成型技術技術發展的重要方麵。目前，激光快速成型技術已在工業(ye) 造型、機械製造、航空航天、軍(jun) 事、建築、影視、家電、輕工、醫學、考古、文化藝術、雕刻、首飾等領域都得到了廣泛應用。並且隨著這一技術本身的發展，其應用領域將不斷拓展。激光快速成型技術的實際應用主要集中在以下幾個(ge) 方麵：

    (1)在新產(chan) 品造型設計過程中的應用激光快速成形技術為(wei) 工業(ye) 產(chan) 品的設計開發人員建立了一種嶄新的產(chan) 品開發模式。運用激光快速成型技術能夠快速、直接、精確地將設計思想轉化為(wei) 具有一定功能的實物模型(樣件)，這不僅(jin) 縮短了開發周期，而且降低了開發費用，也使企業(ye) 在激烈的市場競爭(zheng) 中占有先機。

    (2)在機械製造領域的應用由於(yu) 激光快速成型技術自身的特點，使得其在機械製造領域內(nei) ，獲得廣泛的應用，多用於(yu) 製造單件、小批量金屬零件的製造。有些特殊複雜製件，由於(yu) 隻需單件生產(chan) ，或少於(yu) 50件的小批量，一般均可用RP技術直接進行成型，成本低，周期短。

    (3)快速模具製造傳(chuan) 統的模具生產(chan) 時間長，成本高。將激光快速成型技術與(yu) 傳(chuan) 統的模具製造技術相結合，可以大大縮短模具製造的開發周期，提高生產(chan) 率，是解決(jue) 模具設計與(yu) 製造薄弱環節的有效途徑。激光快速成形技術在模具製造方麵的應用可分為(wei) 直接製模和間接製模兩(liang) 種，直接製模是指采用激光快速成型技術直接堆積製造出模具，間接製模是先製出快速成型零件，再由零件複製得到所需要的模具。

    (4)在醫學領域的應用近幾年來，人們(men) 對激光快速成型技術在醫學領域的應用研究較多。以醫學影像數據為(wei) 基礎，利用激光快速成型技術製作人體(ti) 器官模型，對外科手術有極大的應用價(jia) 值。

    (5)在文化藝術領域的應用在文化藝術領域，激光快速成形製造技術多用於(yu) 藝術創作、文物複製、數字雕塑等。

    (6)在航空航天技術領域的應用在航空航天領域中，空氣動力學地麵模擬實驗(即風洞實驗)是設計性能先進的天地往返係統(即航天飛機)所必不可少的重要環節。該實驗中所用的模型形狀複雜、精度要求高、又具有流線型特性，采用激光快速成型技術，根據CAD模型，由激光快速成型設備自動完成實體(ti) 模型，能夠很好的保證模型質量。

    (7)在家電行業(ye) 的應用目前，激光快速成形係統在國內(nei) 的家電行業(ye) 上得到了很大程度的普及與(yu) 應用，使許多家電企業(ye) 走在了國內(nei) 前列。如：廣東(dong) 的美的、華寶、科龍；江蘇的春蘭(lan) 、小天鵝；青島的海爾等，都先後采用快速成形係統來開發新產(chan) 品，收到了很好的效果。快速成形技術的應用很廣泛，可以相信，隨著快速成形製造技術的不斷成熟和完善，它將會(hui) 在越來越多的領域得到推廣和應用。

    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，以加快其新車型的開發，主要用於(yu) 直接從(cong) CAD模型中導出塑料零件，免去了模具的成本。

    激光燒結係統扮演著重要的角色，能通過逐層熔化尼龍粉末（聚酰胺PA2200）後得到相應的外形，從(cong) 而製造出外型部件甚至引擎部件。

    最後得到的部件，例如進氣管、車門內(nei) 飾件、儀(yi) 表盤、車內(nei) 通風口、外車燈罩等，都具有足夠的強度經受實際行駛中的測試，使得更多的數據能在開發過程的早期就能被搜集到。與(yu) 此相反，其他使用環氧樹脂和ABS材料的快速成型技術得到的零件都易碎，隻能用於(yu) 視覺的觀察。

    舉(ju) 一個(ge) 例子，把該V8進氣管的原型用於(yu) 一台新上市的捷豹汽車；在過去，大筆的金錢花費在製造該部件的工裝上。而且每一個(ge) 設計的改動將花費數千英鎊/美元，用以更換工具，而且整個(ge) 流程耗費數周才能完成。如果是重大的改動，則需要完全更換新的工裝。

    使用激光燒結快速成型技術，製作出兩(liang) 個(ge) 進氣管的設計模型，之後使用尼龍粉末生產(chan) 17個(ge) ，每個(ge) 成本低於(yu) 1000英鎊，生產(chan) 效率為(wei) 每件產(chan) 品1.5天。這僅(jin) 僅(jin) 對汽車零件開發來說就節省了巨大的財務開支，並將進一步開發所需的時間減半——從(cong) 一年縮短到了六個(ge) 月。

    5、激光快速成型的發展現狀

    美國3DSyetems公司1988年生產(chan) 出世界上第一台SLA250型光固化快速造型機，開創了激光快速成型技術迅速發展和推廣的新紀元。美國在設備研製、生產(chan) 銷售方麵占全球主導地位，其發展水平及趨勢基本代表了世界的發展水平及趨勢。歐洲和日本也不甘落後，紛紛進行相關(guan) 技術研究和設備研發。香港和台灣比內(nei) 地起步早，台灣大汛擁有LOM設備，台灣各單位及軍(jun) 方安裝多台進口SL係列設備。香港生產(chan) 力促進局和香港科技大學、香港理工大學、香港城市大學等都擁有RP設備，其重點是有關(guan) 鍵技術的應用與(yu) 推廣。

    國內(nei) 自20世紀90年代初開始進行研究，現有西安交通大學、華中科技大學、清華大學、北京隆源公司多所研究單位自主開發了成型設備並實現產(chan) 業(ye) 化。其中，西安交通大學生產(chan) 的紫外光CPS係列光固化成型係統快速成型機等新技術，引起了國內(nei) 外的高度重視等等。

    激光快速成型技術正在發生巨大的變化 ,主要體(ti) 現在新技術、新工藝及信息網絡化等方麵 ,其未來發展方向包括:

    (1) 研究新的成型工藝方法 ,在現有的基礎上 ,拓寬激光快速成型技術的應用 ,開展新的成型工藝的探索。

    (2) 開發新設備和開發新材料。 LRP 設備研製向兩(liang) 個(ge) 方向發展:自動化的桌麵小型係統 ,主要用於(yu) 原型製造;工業(ye) 化大型係統 ,用於(yu) 製造高精度、高性能零件。成型材料的研發及應用是目前LRP技術的研究重點之一。發展全新材料 ,特別是複合材料 ,如納米材料、非均質材料、功能材料是當前的研究熱點。激光快速成型技術是多學科交叉融合一體(ti) 化的技術係統 ,正在不斷研究開發和推廣應用中 ,與(yu) 生物科學交叉的生物製造、與(yu) 信息科學交叉的遠程製造、與(yu) 納米科學交叉的微機電係統等為(wei) 它集成製造提供了廣闊的發展空間。隨著科學技術和現代工業(ye) 的發展 ,它對製造業(ye) 的作用日益重要並趨向更高的綜合。

    6、即將到來的“第三次工業(ye) 革命”

    所謂數字化增材製造技術就是一種三維實體(ti) 快速自由成形製造新技術，它綜合了計算機的圖形處理、數字化信息和控製、激光技術、機電技術和材料技術等多項高技術的優(you) 勢，目前學者們(men) 對其有多種描述。西北工業(ye) 大學凝固技術國家重點實驗室的黃衛東(dong) 教授稱這種新技術為(wei) “數字化增材製造”，中國機械工程學會(hui) 宋天虎秘書(shu) 長稱其為(wei) “增量化製造”，其實它就是不久前引起社會(hui) 廣泛關(guan) 注的“三維打印”技術的一種。西方媒體(ti) 把這種實體(ti) 自由成形製造技術譽為(wei) 將帶來“第三次工業(ye) 革命” 的新技術。

    這種為(wei) 現代社會(hui) 帶來強大衝(chong) 擊和震撼的新技術起源於(yu) 1988年誕生的“快速原型製造”技術。

    1988年，美國3D System 公司推出的SLA-250液態光敏樹脂選擇性固化成形機，標誌著快速原型技術的誕生。它采用一種立體(ti) 光刻工藝，基於(yu) 液態光敏樹脂的光聚合原理工作。通過一束紫外激光束在偏轉鏡作用下掃描照射樹脂使其固化，逐層製造得到一個(ge) 三維實體(ti) 模型。

    快速原型技術采用了一種全新的無模具自由成形原理來製造三維實體(ti) 零件，這種新型成形技術改變了傳(chuan) 統的製造技術路線。

    我們(men) 知道，現有的材料成形方法采用的是減材成形等三種技術路線。以機械加工為(wei) 例，加工一個(ge) 所需的零部件，人們(men) 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大的機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或粉末狀的金屬材料以形狀，再通過冷卻凝固或高溫燒結的方法使材料固化來獲得具有所需形狀和強度的金屬零件。快速原型技術的成形原理與(yu) 這些傳(chuan) 統方法截然不同，它采用逐漸增加材料的方法成形零件。因為(wei) 這種成形方法不需要模具，因而又被稱為(wei) 實體(ti) 自由成形技術或快速成形技術。這裏，“自由”和“快速”都是指不需要模具來成形，省去了十分冗長的製造模具過程和昂貴的模具製造成本。

    立體(ti) 光刻技術產(chan) 生後即風靡世界，很快就產(chan) 生了許多不同技術類型的快速原型技術，如分層實體(ti) 製造、選區激光燒結、三維打印、熔融沉積造型等。2008年全球領先的6家快速製造公司銷售收入已達6.96億(yi) 美元，占該行業(ye) 總收入近60%。沃勒斯報告(2012)預計3D打印和增材製造領域的2015年銷售收入可達37億(yi) 美元，2019 年可達65億(yi) 美元。

    我國學者迅速地跟進了這一世界新技術的熱潮，西安交通大學的盧秉恒院士、清華大學的顏永年教授、華中科技大學的王樹槐教授等是我國快速原型技術研究的先行者，並且都取得了卓著的成就。而黃衛東(dong) 在國內(nei) 首先創造性地發展的激光立體(ti) 成形技術，把快速成形技術從(cong) 製造“原型”發展到直接製造具有極高力學性能的致密金屬零件。