激光快速制造技術(shù)及應(yīng)用

前言

制造業(yè)是一個(gè)國家的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，為人類社會(huì)創(chuàng)造了大量的物質(zhì)財(cái)富。社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步離不開制造業(yè)的革新，因而制造技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長的根本動(dòng)力。面對(duì)市場(chǎng)的激烈競爭和新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，制造業(yè)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)模式和生產(chǎn)過程方面正發(fā)生著深刻的變化。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)朝著實(shí)用、節(jié)能和優(yōu)質(zhì)的方向發(fā)展，生產(chǎn)模式朝著多品種、小批量和柔性化的方向發(fā)展，生產(chǎn)過程則朝著短周期、快速度、高精密和自動(dòng)化的方向發(fā)展，各國科技人員也都在競相采用新的計(jì)算方法、材料技術(shù)、工藝技術(shù)、信息資源和新的質(zhì)量管理手段用于產(chǎn)品開發(fā)。自從20世紀(jì)60年代初激光器被發(fā)明以來，激光技術(shù)的研究及其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展。其高相干性在高精密測(cè)量、物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、信息存儲(chǔ)及通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。激光的高方向性和高亮度已廣泛應(yīng)用于加工制造業(yè)，在電子、汽車、機(jī)械制造、鋼鐵冶金、石油、輕工、醫(yī)療器械等行業(yè)發(fā)揮著越來越重要的作用。與傳統(tǒng)加工方法相比，激光加工技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)：可以對(duì)多種金屬、非金屬進(jìn)行加工，特別是可以加工高硬度、高脆性及高熔點(diǎn)的材料等；由于加工所用的刀具是激光束，加工時(shí)無“刀具”磨損；而加工時(shí)能量注入速度高，對(duì)工件熱影響區(qū)很小，因此工件變形很小；加工速度快、無污染、無噪聲，把激光束與數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合，可以對(duì)許多形狀復(fù)雜的零件進(jìn)行切割焊接等各種成形加工，特別適合產(chǎn)品快速換型，適應(yīng)市場(chǎng)不斷變化的需要。面向市場(chǎng)的集成技術(shù)工程化要求多品種、變批量和對(duì)市場(chǎng)的快速響應(yīng)，要求制造系統(tǒng)具有快速開發(fā)新產(chǎn)品的能力，而傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)方法費(fèi)用高、周期長。企業(yè)必須采用新的快速制造技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)手段，才能在激烈的市場(chǎng)競爭中立于不敗之地。在這種歷史背景下，以激光為手段的各種快速成形制造技術(shù)也就應(yīng)運(yùn)而生。激光快速成形制造技術(shù)的出現(xiàn)，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的周期大大縮短，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造的一次性成品率，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，從而給制造業(yè)帶來了根本性的變化。隨著激光快速成形制造裝備和工藝的發(fā)展，以“逐層”增長加工為特征的快速成形技術(shù)從最初的原型制造到現(xiàn)在的金屬零件直接快速制造的研究應(yīng)用，已顯現(xiàn)出潛在的廣闊的發(fā)展前景。激光快速柔性制造金屬實(shí)體零件技術(shù)是快速原型制造技術(shù)和激光加工技術(shù)的綜合集成和更高水平的發(fā)展，同時(shí)具備很大的自身發(fā)展空間，其內(nèi)涵已覆蓋現(xiàn)有的主要激光加工技術(shù)，并在更高層次上加以集成和運(yùn)用，是國家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的重要方向之一。金屬零件的直接快速制造是一種全新的概念，是對(duì)傳統(tǒng)制造技術(shù)的革命，也是一個(gè)難度很大的課題，涉及了激光技術(shù)、光與物質(zhì)相互作用機(jī)理、金屬物理、物理化學(xué)冶金、凝固理論、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)控技術(shù)等多種學(xué)科和技術(shù)。國內(nèi)在高性能金屬零件激光直接快速成形的研究水平，特別是某些關(guān)鍵核心技術(shù)研究和應(yīng)用研究的水平與本領(lǐng)域國際先進(jìn)水平的國家相比尚存在較大差距。但是由于開展本領(lǐng)域的研究起點(diǎn)仍較早，特別是我國在激光熔覆技術(shù)基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究兩方面具有很好的研究基礎(chǔ)，因此，我國金屬零件激光快速成形制造技術(shù)研究也具有自己的特色。機(jī)械工程科學(xué)的新領(lǐng)域幾乎都是交叉學(xué)科，各項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)都是多種學(xué)科的集成，它們的產(chǎn)生和發(fā)展離不開相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，在此前提下，解決好技術(shù)集成的“接口”，就成為各項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)的研究內(nèi)容。“接口”問題就是學(xué)科前沿的界域問題?？焖僦圃旒夹g(shù)（RMT）將激光技術(shù)、新材料技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)集成起來，解決了激光對(duì)新材料的作用，CAD模型（STL文件）的切片處理以及滿足“離散/堆積”成形工藝要求的包括數(shù)控技術(shù)、精密機(jī)械和光電子技術(shù)在內(nèi)的一系列“接口”問題，從而形成了一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)。反過來它的發(fā)展又豐富了相關(guān)技術(shù)的研究內(nèi)容，從而促進(jìn)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。激光快速成形制造技術(shù)是一種代表制造技術(shù)發(fā)展方向的數(shù)字化、知識(shí)化、柔性、高效的先進(jìn)制造技術(shù)，它綜合集成了計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）數(shù)控技術(shù)、激光加工技術(shù)與新材料制備技術(shù)等當(dāng)今先進(jìn)技術(shù)，代表著先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的方向和水平。為了推動(dòng)激光快速制造技術(shù)在我國的研究和應(yīng)用，給相關(guān)學(xué)科的教師、學(xué)生和技術(shù)人員提供一本全面、系統(tǒng)地介紹激光快速制造及其最新發(fā)展?fàn)顩r的教材和參考書，結(jié)合我們的研究心得，我們編寫了這本《激光快速制造技術(shù)及應(yīng)用》。全書共分8章，主要介紹了國內(nèi)外激光快速制造技術(shù)的主要研究成果，闡述了各種激光快速成形制造的工藝、裝備及應(yīng)用和發(fā)展等，包括激光快速成形制造的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，激光快速原型制造的立體印刷、分層實(shí)體制造和選擇性燒結(jié)技術(shù)；激光快速金屬零件直接制造的同軸送粉快速制造技術(shù)，基于激光熱應(yīng)力的板料快速成形技術(shù)和快速成形制造中的逆向工程技術(shù)等。本書由江蘇大學(xué)周建忠、劉會(huì)霞、張永康、阮鴻雁、黃舒、郭華峰，南通大學(xué)花國然等編寫，周建忠教授進(jìn)行了全書的復(fù)核和定稿。研究生趙建飛、蔣素琴、朱鈞華、楊小東、徐大鵬等人參與書中部分圖的繪制與校對(duì)，在此一并表示感謝。由于激光快速制造技術(shù)提出的時(shí)間不長，還未形成系統(tǒng)完整的理論體系，限于編者水平和學(xué)識(shí)，書中難免存在不當(dāng)之處，敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

　　《激光快速制造技術(shù)及應(yīng)用》為“現(xiàn)代激光加工技術(shù)叢書”之一。激光快速制造技術(shù)是將激光技術(shù)、新材料技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)集成起來，解決了激光與材料的相互作用、CAD模型的分層切片處理以及滿足“離散雌積”成形工藝要求的包括數(shù)控技術(shù)、精密機(jī)械和光電子技術(shù)在內(nèi)的一系列。接口”問題，從而形成的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)。激光快速制造技術(shù)無需制造模具，即可根據(jù)三維CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，快速、準(zhǔn)確地制造出產(chǎn)品原型或零件，并快速進(jìn)行小批量制造?！　　都す饪焖僦圃旒夹g(shù)及應(yīng)用》內(nèi)容新穎，通過大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究圖表，詳盡介紹了國內(nèi)外激光快速制造技術(shù)的主要研究成果，系統(tǒng)闡述了各種激光快速制造的工藝、裝備、應(yīng)用和發(fā)展等，具體內(nèi)容包括激光快速成形制造的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，激光快速原型制造的立體印刷、分層實(shí)體制造和選擇性燒結(jié)技術(shù)；激光快速金屬零件直接制造的同軸送粉快速制造技術(shù)，基于激光熱應(yīng)力的板料快速成形技術(shù)和快速成形制造中的逆向工程技術(shù)等?！　　都す饪焖僦圃旒夹g(shù)及應(yīng)用》可供機(jī)械制造領(lǐng)域研究人員、工程技術(shù)人員以及高等院校相關(guān)專業(yè)師生參考。

書籍目錄

第1章 概論11.1 快速制造技術(shù)的產(chǎn)生11.2 激光快速制造技術(shù)的概念31.2.1 原型及原型制造31.2.2 激光快速制造技術(shù)31.3 激光快速制造技術(shù)原理41.3.1 成形方式的分類41.3.2 激光快速制造技術(shù)原理41.4 激光快速制造技術(shù)的分類與特點(diǎn)61.4.1 激光快速制造技術(shù)的分類61.4.2 激光快速制造技術(shù)的特點(diǎn)81.5 激光快速制造技術(shù)的應(yīng)用101.6 激光快速制造技術(shù)的發(fā)展131.6.1 光固化成形（SLA）技術(shù)141.6.2 選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)141.6.3 激光薄片疊層制造（LOM）技術(shù)141.6.4 激光誘發(fā)熱應(yīng)力成形（LF）技術(shù)151.6.5 激光熔覆成形（LCF）技術(shù)15第2章 激光快速制造系統(tǒng)192.1 硬件系統(tǒng)192.1.1 激光器192.1.2 導(dǎo)光系統(tǒng)252.1.3 數(shù)控加工機(jī)床和系統(tǒng)262.1.4 輔助系統(tǒng)262.2 軟件系統(tǒng)262.2.1 快速制造技術(shù)中軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)272.2.2 三維CAD支撐軟件272.2.3 常用的數(shù)據(jù)格式292.2.4 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)與處理軟件系統(tǒng)362.2.5 RP控制系統(tǒng)432.3 光學(xué)振鏡式激光掃描系統(tǒng)452.3.1 光學(xué)振鏡式激光掃描系統(tǒng)的原理452.3.2 光學(xué)振鏡掃描方式482.3.3 光學(xué)傳輸及調(diào)制裝置492.3.4 掃描系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止512.3.5 主要性能指標(biāo)和影響因素522.4 激光變長線掃描系統(tǒng)542.4.1 基本工作原理542.4.2 主要光學(xué)部件552.4.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)572.4.4 控制系統(tǒng)58第3章 激光立體印刷成形技術(shù)613.1 概述613.2 工藝原理與系統(tǒng)組成623.2.1 工藝原理623.2.2 激光掃描參數(shù)及掃描方式643.2.3 系統(tǒng)組成653.3 快速成形材料663.4 精度分析與控制663.4.1 成形的精度663.4.2 影響成形精度的主要因素683.4.3 面型精度的提高713.4.4 基于多連通域Voronoi圖的螺旋掃描路徑規(guī)劃743.5 研究現(xiàn)狀與存在問題773.5.1 研究現(xiàn)狀773.5.2 存在的問題803.6 應(yīng)用81第4章 激光分層實(shí)體快速成形技術(shù)834.1 工藝原理與系統(tǒng)組成834.1.1 工藝原理834.1.2 系統(tǒng)組成844.2 精度分析與控制884.2.1 原理誤差884.2.2 斜切法原理與誤差分析884.2.3 線寬自動(dòng)補(bǔ)償904.2.4 LOM制件的熱、濕變形及其改善措施924.3 LOM工藝常用的材料944.3.1 LOM材料種類944.3.2 LOM對(duì)黏結(jié)劑性能的基本要求944.3.3 LOM成形件的主要應(yīng)用954.3.4 LOM材料的應(yīng)用954.4 LOM激光頭切割路徑的優(yōu)化954.4.1 輪廓邊界線切割（掃描）路徑問題的定義964.4.2 切割起點(diǎn)的選擇及路徑優(yōu)化974.5 LOM工藝相關(guān)研究和存在問題1004.5.1 成形設(shè)備和成形材料研究1004.5.2 LOM工藝的研究1054.5.3 LOM技術(shù)尚需解決的問題106第5章 激光選擇性燒結(jié)快速成形技術(shù)1085.1 成形機(jī)理及特點(diǎn)1085.2 系統(tǒng)功能要求及組成1095.2.1 激光器的選擇1105.2.2 激光功率密度和掃描速度1115.2.3 掃描方式及其影響1125.2.4 掃描層厚1145.2.5 激光掃描間距1145.2.6 控制系統(tǒng)1155.3 非金屬材料燒結(jié)成形工藝及燒結(jié)實(shí)例1175.3.1 石蠟粉末的燒結(jié)1175.3.2 覆膜樹脂砂與環(huán)氧聚酯粉的混合粉末1175.3.3 陶瓷粉末的燒結(jié)1195.3.4 塑料粉末的燒結(jié)1205.3.5 燒結(jié)件的后處理1215.4 金屬材料燒結(jié)成形工藝及燒結(jié)實(shí)例1225.4.1 覆膜金屬粉末1225.4.2 液相燒結(jié)1245.4.3 工藝參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響1295.4.4 覆膜金屬粉末燒結(jié)的后處理1305.5 燒結(jié)過程的溫度場(chǎng)有限元模擬1325.5.1 溫度場(chǎng)分析的理論基礎(chǔ)1325.5.2 多道燒結(jié)有限元模型的建立1335.5.3 有限元模擬結(jié)果分析139第6章 激光熔覆快速成形制造技術(shù)1436.1 國內(nèi)外的研究狀況1446.2 原理及技術(shù)特點(diǎn)1456.2.1 高質(zhì)量同軸送粉系統(tǒng)1466.2.2 激光熔覆工藝優(yōu)化與穩(wěn)定性1476.2.3 激光熔覆過程的檢測(cè)與閉環(huán)控制1486.2.4 CAD/CAM與數(shù)控技術(shù)1486.3 激光熔覆基本理論1496.3.1 激光熔覆過程中的物理化學(xué)現(xiàn)象1496.3.2 激光與粉末的相互作用1526.3.3 同軸送粉過程中的粉末流場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)1546.4 激光熔覆快速成形制造中的送粉系統(tǒng)1576.4.1 送粉器及其特性1576.4.2 分粉器1596.4.3 送粉嘴1606.5 工藝參數(shù)對(duì)同軸送粉激光熔覆制造過程的影響1676.5.1 工藝參數(shù)對(duì)粉末流形成及利用率的影響1676.5.2 激光熔覆稀釋率及熔池對(duì)流1716.5.3 熔覆層的宏觀質(zhì)量分析1776.5.4 激光脈沖頻率對(duì)成形性能行為和表面質(zhì)量的影響1806.6 同軸送粉激光熔覆制造技術(shù)的應(yīng)用1836.6.1 激光熔覆快速成形制造金屬零件的一般過程1836.6.2 典型材料的激光熔覆快速成形制造1856.6.3 集成的激光熔覆銑削成形加工中心202第7章 激光熱應(yīng)力快速成形技術(shù)2077.1 概述2077.2 激光熱應(yīng)力成形設(shè)備2087.3 激光熱應(yīng)力成形機(jī)理2107.4 影響激光熱應(yīng)力成形的主要因素2147.4.1 激光參數(shù)2147.4.2 材料性能參數(shù)2177.4.3 板料幾何參數(shù)2187.5 激光熱應(yīng)力成形技術(shù)的應(yīng)用研究2197.5.1 船舶等厚板零件的成形2197.5.2 激光成形多層復(fù)合板材2237.5.3 激光成形過程的控制2267.5.4 激光熱應(yīng)力成形的數(shù)值模擬229第8章 激光快速制造技術(shù)在逆向工程中的應(yīng)用2368.1 逆向工程技術(shù)概述2368.1.1 逆向工程概念2368.1.2 逆向工程應(yīng)用2388.2 逆向工程與快速成形集成技術(shù)2438.2.1 逆向工程系統(tǒng)框架組成2438.2.2 產(chǎn)品幾何外形的數(shù)字化2458.2.3 三維CAD模型的重建2508.3 產(chǎn)品或模具的快速制造2578.3.1 快速模具制造技術(shù)的分類2598.3.2 直接制模技術(shù)2618.3.3 間接制模技術(shù)266參考文獻(xiàn)272

章節(jié)摘錄

第②章 激光快速制造系統(tǒng)激光快速制造系統(tǒng)主要是以激光和材料相互作用產(chǎn)生的熱力耦合作用，使被加工材料熔化、凝固、堆積成三維實(shí)體零件，因此激光器是系統(tǒng)的核心部分。激光快速制造系統(tǒng)可以分成硬件和軟件兩大部分，包括激光器和光學(xué)系統(tǒng)、加工機(jī)和數(shù)控系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)等。2.1 硬件系統(tǒng)2.1.1 激光器激光是通過光與物質(zhì)相互作用，尤其是作用過程中的受激輻射而產(chǎn)生的。根據(jù)原子物理理論和量子理論可知，組成物質(zhì)的粒子處于一系列的分立能級(jí)中，能量最低的狀態(tài)為基態(tài)，其他比基態(tài)能量高的狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。但是如果在外界能量（熱能、光能、化學(xué)能等）的激勵(lì)下，可以使得低能級(jí)上粒子吸收能量后躍遷到高能級(jí)，從而使得高能級(jí)的粒子數(shù)大于低能級(jí)上的粒子數(shù)，則該物質(zhì)實(shí)現(xiàn)了高能級(jí)與低能級(jí)之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)或集居數(shù)反轉(zhuǎn)。激光產(chǎn)生的首要條件必須要有實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激活物質(zhì)。一般激活物質(zhì)為一個(gè)光放大器，有一束能量為E2一E1一hv的入射光子進(jìn)入該激活物質(zhì)，這時(shí)受激輻射產(chǎn)生的光子數(shù)將超過受激吸收消耗的光子數(shù)，而使受激輻射占主導(dǎo)地位。在這種情況下，光在激活物質(zhì)內(nèi)將越走越強(qiáng)，使該激光工作物質(zhì)輸出的光能量超過入射光的能量，這就是光的放大過程。與介質(zhì)增益、損耗以及粒子數(shù)反轉(zhuǎn)變化之間相互消長、相互平衡，最終可以得到一個(gè)確定大小的光強(qiáng)的過程稱為自激振蕩。由于實(shí)際上的激活物質(zhì)不可能做得太長，一般采用在激活物質(zhì)兩端放置兩塊鍍有高反射率材料的反射鏡，形成光學(xué)諧振腔，這樣，初始光強(qiáng)就會(huì)在反射鏡間往返傳播，等效于增加激活介質(zhì)的長度，最終可得到一個(gè)確定大小的光強(qiáng)。另外為了使普通物質(zhì)轉(zhuǎn)變成激活物質(zhì)，還需要外界激勵(lì)能源（或稱為泵浦源），這樣一個(gè)常規(guī)的激光器就應(yīng)該包括三部分：工作物質(zhì)、泵浦源和光學(xué)諧振腔。

編輯推薦

《激光快速制造技術(shù)及應(yīng)用》：為了推動(dòng)激光快速制造技術(shù)在我國的研究和應(yīng)用，給相關(guān)學(xué)科的教師、學(xué)生和技術(shù)人員提供一本全面、系統(tǒng)地介紹激光快速制造及其最新發(fā)展?fàn)顩r的教材和參考書，結(jié)合我們的研究心得，我們編寫了這本《激光快速制造技術(shù)及應(yīng)用》。

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