1 引言
快速成型技術(Rapid Prototyping，簡稱RP)是從1987年開始發(fā)展起來的一種先進制造技術，集成了現代數控技術、CAD/CAM技術、激光加工技術及材料科學等領域的*新成果。該技術利用CAD軟件設計出零件的三維實體模型，然后根據具體工藝要求，按照一定的厚度對模型進行分層切片處理，將其離散化為一系列二維層面，再對二維層面信息進行數據處理并加入加工參數，生成數控代碼輸入成型機，控制成型機的運動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。它可以自動而迅速地將設計思路轉化為具有一定結構和功能的原型或直接制造零件，從而可以對產品設計進行快速評價、修改，以響應市場需求，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，實現了高效、低耗、智能化的目的。
快速成型技術*初用來制造鑄造用模型，后來發(fā)展到制造原型零件，主要用于模型或零件的直觀檢驗，關鍵是要求形狀準確，對其力學性能沒有太高的要求，所采用的成型材料有液體光敏樹脂、臘、紙等替代材料。近年快速成型技術有了新的發(fā)展，已經開始在金屬材料、陶瓷材料的制備上得到應用，主要目標是快速制造出滿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研究現狀
金屬粉末燒結成型技術是國際上當前的熱點研究領域，可以自動迅速地從三維CAD模型直接制得形狀復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（SLS）和激光熔覆制造兩種技術。
2.1選擇性激光燒結（SLS）
（1）SLS原理
選擇性激光燒結是采用激光有選擇地分層燒結固體粉末[2,3]，并使燒結成形的固化層，層層疊加生成所需形狀的零件。首先由CAD產生零件模型，并用分層切片軟件對其進行處理，獲得各截面形狀的信息參數，作為激光束進行二維掃描的軌跡，由激光發(fā)出的光束在計算機的控制下，根據幾何形體各層截面的坐標數據有選擇地對材料粉末層進行掃描，在激光輻照的位置上粉末燒結在一起，一層燒結完成后，再鋪粉進行下一層掃描燒結，新的一層和前一層自然地燒結在一起，*終生成三維形狀的零件。
（2）SLS的特點
與其它傳統(tǒng)制造方法相比，選擇性激光燒結技術的突出優(yōu)點是：
①具有高度的柔性，在計算機的控制下可方便迅速地制作出傳統(tǒng)加工方法難以實現的復雜形狀的零件，例如具有復雜凹凸部分及中空的零件。
②技術高度集成，綜合集成了計算機技術、數控技術、激光技術和材料技術。
③生產周期短，該技術從CAD設計到零件的加工完成只需幾小時到幾十小時，特別適合于開發(fā)新產品。
（3）研究現狀
選擇性激光燒結技術得到了廣泛的應用，特別是直接生產金屬零件和金屬模具。美國DTM公司用SLS2000系統(tǒng)成功制作出了鋼-銅合金的注塑模具。德國漢諾威激光中心采用Nd∶YAG脈沖激光器和光學掃描系統(tǒng)，試驗了不同粒度的鎳、銅、鋁、青銅等合金材料。國內，中北大學鑄造中心和南京航空航天大學特種加工研究室開展了選擇性激光燒結技術的基礎研究，目前南京航空航天大學特種加工研究室已完成了單層燒結試驗，在粉末配比及激光燒結參數的選擇方面均獲得了比較好的結果。他們在此基礎上進行了多層燒結的初步嘗試，已燒結出形狀簡單的二維實體零件。中北大學則在選擇性激光燒結的基礎上研制了變長線掃描SLS RPT，是世界上*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，此光斑對鋪平在工作臺的粉末材料進行燒結，而變長線掃描SLS RPT是將激光束通過柱面透鏡在工作臺上形成具有與上述光斑相同能量密度的細長線束，具有成型尺寸大、成型效率高的優(yōu)點。 而且對金屬粉末的選擇性激光快速燒結技術國內也只有中北大學進行了一系列的研究，并且對于成型件的后處理如滲銅、高溫燒結的工藝進行了研究，取得了顯著成果。
2.2 激光涂覆（熔覆）制造技術
（1）激光涂覆制造技術的原理
激光涂覆制造技術也稱近形技術(LENS)，是在激光熔覆技術和快速原型技術的基礎上發(fā)展起來的一種新技術。首先由CAD產生零件模型，用分層切片軟件進行處理，獲得各截面形狀的信息參數，作為工作臺進行移動的軌跡參數。工作臺在計算機的控制下，根據幾何形體各層截面的坐標數據進行移動的同時，用激光涂覆的方法將材料進行逐層堆積，*終形成具有一定外形的三維實體零件。
（2）激光涂覆制造技術的特點
使用聚焦激光輻照時形成的熔池很小，可制出外形精密的零件。因燒結點的大小和激光束的有效直徑差不多，故零部件的壁厚可*調節(jié)，減少了后處理工序。激光近形方法提高了設計的靈活性，通過改變CAD模型文件可方便經濟地對修改補充零件，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。生產周期大大縮短，效率高。只要被加工材料對所用激光器的激光波長有低的反射率，就可用LENS法來處理。激光涂覆制造技術易實現選區(qū)熔覆，可以用來修復大的金屬零件。無需制作昂貴的工模具，生產成本低。
（3）激光涂覆制造技術的研究和應用現狀
德國的漢諾威激光中心已對鈷基(stellite6)和鎳基合金(Inconel625)進行了研究，采用了*高功率為3kW的CO2激光器和一套計算機數控的三維加工系統(tǒng)。使用這套設備生產出具有垂直和傾斜薄壁的金屬部件。不論使用什么材料，對涂覆部分的結構檢查均可發(fā)現其組織細小，其中有部分樹枝晶結構。對材料的測試表明，涂覆零部件的密度近100%，抗拉強度和斷裂強度與常規(guī)的金屬板材類似。
美國Sandia國家試驗室已能用激光近形制造法生產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。通過變換激光模式、激光功率、沉積速率、坐標軸數和金屬運送方式可得到優(yōu)化的制造速率、零件密度、晶粒結構和表面質量。該試驗室生產的Ti-6Al-4V零件緊實度達99.996%，延伸率和強度與傳統(tǒng)方法相比均有大的提高。
Abbott等人利用激光近形技術制造出鈦零件，制造時間縮短了50%～75%。試驗在由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氣氛下的大尺寸零件，氧壓低于10ppm，這對極易與氧和氮反應的鈦是極其關鍵的。對商業(yè)化純鈦、Ti-6Al-4V和Ti-5Al-2.5Sn的機械性能和組分分析研究表明，激光快速成型零件能滿足使用需求。
3 發(fā)展前景及存在的問題
金屬粉末的激光快速成型技術集計算機輔助設計、激光熔覆、快速成型于一體，在無需任何硬質工模具或模型的情況下，能快速制備出不同材料的復雜形狀、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，能滿足直接使用要求，在航天器件、飛機發(fā)動機零件及武器零件的制備上具有廣闊的應用前景。還可通過改變成型材料，得到不同部位由不同材料組成的零件，與計算機相結合，發(fā)展材料的智能制備系統(tǒng)。
從上世紀90年代初開始，探索實現金屬零件直接快速成型制造的方法已成為RP技術的研究熱點，隨著大功率激光器的出現，使得采用快速成型方法直接制造金屬零件成為可能，國外著名的RP技術公司均在進行金屬零件快速成型技術研究。探索直接制備滿足工程使用條件的金屬零件的快速成型技術，將有助于快速成型技術向快速制造技術的轉變，能極大地拓展其應用領域。此外，利用逐層制造的優(yōu)點，探索制造具有功能梯度、綜合性能優(yōu)良、特殊復雜結構的零件也是一個新的發(fā)展方向。而快速成型技術與傳統(tǒng)制造技術相結合，形成產品快速開發(fā)—制造系統(tǒng)也是一個重要趨勢。
目前，快速成型技術的成型精度為0.01mm數量級，表面質量還較差，有待進一步提高。*主要的是成型零件的強度和韌性還不能完全滿足工程實際需要，完善現有快速成型工藝與設備，提高零件的成型精度、強度和韌性，降低設備運行成本是十分迫切的。
4 結語
快速成型作為一種高新制造技術，必將在十幾年來飛速發(fā)展的基礎上揚長避短，不斷開發(fā)出新的成型工藝、成形材料及智能化相關技術，現有工藝也必將朝著精密化、高精度、低成本、標準化方向發(fā)展，并應以能直接生產半功能性、功能性零件為目標。
