第 9 章 雷射快速成型技術

1. 第 9 章雷射快速成型技術 9.1　雷射快速成型製造原理及應用 9.2　雷射快速成型法

2. 快速成型（RP）的原理可以追溯到1892年Blanther的美國專利，他在專利中提出使用疊層的方法製作地圖模型。這種基於離散堆積的製作方法，正是目前眾多快速成型技術的最基本原理[5]。快速成型（RP）的原理可以追溯到1892年Blanther的美國專利，他在專利中提出使用疊層的方法製作地圖模型。這種基於離散堆積的製作方法，正是目前眾多快速成型技術的最基本原理[5]。

3. 就雷射快速成型而言，可以分為以下幾種技術：就雷射快速成型而言，可以分為以下幾種技術： • (1) 選擇性雷射固化。 • (2) 雷射燒結。 • (3) 雷射熔覆。 • (4) 雷射清除。 • (5) 雷射切割與雷射焊接的結合[6]。

4. 目前常見的雷射快速成型系統包括以下三種： • (1)光敏樹脂法（立體光刻法）SLA(Stereo Lithography Apparatus)。 • (2)疊層法（分層實體製造）LOM(Laminated Object Manufacturing)。 • (3)燒結法（選擇性雷射燒結或選域雷射燒結）SLS(Selective Laser Sintering)。

5. 9.1　雷射快速成型製造原理及應用 • 9.1.1　雷射快速成型製造原理 • 一、快速成型製造原理 • 1.快速成型製造的定義 • 快速成型製造指藉助計算機、雷射、精密傳動和數控等現代方法，將電腦輔助設計（CAD）和電腦輔助製造（CAM）整合於一體，依據在計算機上構造的三維模型，在短時間內直接製造產品的樣品，而無需傳統的機械加工機床和模具的技術。

6. 2.離散──堆積原理 • 快速成型製造所依據的是離散堆積原理。基於這個原理，有三種實現技術： • (1)分層製造（SFF）技術。 • (2)材料成型去除（MRP）技術。 • (3)材料增加成型（MAP）技術。 • 大多數的快速成型技術基於SFF技術。 • 離散──堆積原理的實質就是降維化處理。例如，SFF技術即將三維的立體模型，離散為容易加工的二維圖形，然後對二維圖形加以堆積，而實現三維實體的製造。

7. 3.快速成型的一般步驟 • (1)建立三維數據模型。 • (2)根據製造目的尋找適合的材料，如流體、粉末、板材或塊材。 • (3)依據材料和不同的精度要求，選擇不同原理的集成化快速成型設備。 • (4)完成原型或工件的堆砌過程。 • (5)對原型或工件進行後處理。

8. 4.快速成型的特點 • (1)製造快速化 • (2)技術高度整合化 • (3)自由成型 • (4)製造過程高度彈性化 • (5)可選材料的廣泛性 • (6)廣泛的應用領域 • (7)突出的技術經濟效益

9. 5.快速成型的分類 • (1)依採用的原材料分類： • a.液體聚合、固化 • b.粉末燒結與黏結 • c.絲材、線材熔化黏結 • d.膜、板材層合 • (2)依製造技術原理分類 • a.光敏樹脂法（立體印刷成型）(Stereo Lithography Apparatus，SLA) • b.疊層法（層合實體製造）(Laminated Object Manufacturing，LOM) • c.燒結法（選域雷射燒結）(Selecteive Laser Sintering，SLS) • d.熔融沉積法(Fused Deposition Modeling，FDM) • e.三維噴塗黏結法(Three Dimensional Printing and Gluing，3DPG) • f.焊接成型法(Welding Forming) • g.數位累積造型法(Digital.Brick Laying) • h.其他技術：如光掩膜法（Solid Ground Curing；SGC，也稱立體光刻）、直接殼法(Direct Shell Production Casting；DSPC)、直接燒結技術、熱致聚合、全訊干涉製造、模型熔製、彈道微粒製造、光束干涉固化等[8]。

10. 二、雷射與原料快速作用的原理 • 在雷射快速成型技術中，雷射的這幾個特性均有應用（表9.1）。 表9.1　快速成型法中涉及的雷射特性

11. 9.1.2　微機控制雷射快速成型 • 一、微機控制雷射快速成型系統構成 • 雷射快速成型系統從控制硬體角度來講，一般包括兩級結構：上層和下層（圖9.1）。

12. 圖9.1　雷射快速成型機控制模型

13. 上層的核心是一臺高性能的工控微處理機，稱為上位機，主要完成以下任務。上層的核心是一臺高性能的工控微處理機，稱為上位機，主要完成以下任務。 • (1)由CAD模型生成符合快速成型技術特色的CNC訊息。 • (2)將獲得的CNC訊息傳給下層。 • (3)對成型情況進行監控，並進行運動參數的回饋，必要時對成型設備的運動狀態進行修正。 • (4)實現人機溝通，提供真實感的零件三維CAD模型顯示和CNC軌跡訊息實際顯示。 • (5)提供各種可選的加工參數，滿足不同材料和加工技術的要求。 • 下層的核心一般採用16位或32位的高性能的單晶片微處理機或DSP，稱為下位機，其主要任務是電氣運動的控制，一方面依照預定的順序與主機相互觸發，實現CNC訊息和運動參數的接收，控制RP＆M成型運動，另一方面響應上位機傳輸的控制命令，對運動狀態進行控制。

14. 二、微機控制快速成型系統的軟體構成 • 1.CAD/CAM軟體介紹 • RP系統通過這個介面讀入CAD模型，並將其離散化，生成RP系統能接受的片層數據。目前配有STL（最常用的介面文件格式，由3D Systems公司開發）文件介面的三維CAD軟體很多，如Pro/E、CATIA、UG、I-Deas、SolidEdge、SolidWork等。

15. (1)CATIA軟體[10]：內容涵蓋了產品從概念設計、工業設計、三維建模、分析計算、動態模擬與仿真、工程圖的生成到生產加工的全過程，CATIA不但能夠保證企業內部設計部門之間的協同設計，而且還可以提供企業整體的設計流程和端對端的解決方案。(1)CATIA軟體[10]：內容涵蓋了產品從概念設計、工業設計、三維建模、分析計算、動態模擬與仿真、工程圖的生成到生產加工的全過程，CATIA不但能夠保證企業內部設計部門之間的協同設計，而且還可以提供企業整體的設計流程和端對端的解決方案。 • (2)UG軟體[11]：UG被認為是業界最好的、最具代表性的工業設計軟體，包括靈活的複合建模模組以及功能強大逼真的照相渲染、動畫和快速的原型工具等。 • (3)Pro/ENGINEER軟體[12]：Pro/ENGINEER集零件設計、產品裝配、管路設計、鈑金設計、模具設計、電路設計、製造加工、機械仿真與有限元分析、應力分析、產品數據管理等功能於一體，廣泛應用於工業設計、機械、太空航空、汽車、模具、外觀設計、家電和通訊等領域。 • (4)I-Deas軟體：工程分析是I-Deas軟體的優勢，並具有多種解算器功能，解算器是I-Deas軟體的一個重要組成部份。該軟體在技術上的先進性引起了人們的重視。國外很多大型的製造企業都使用如下兩種軟體：用Ideas Master Series進行產品的設計，利用UG完成產品的製造[5]。

16. 2.STL文件介紹 • STL(Stereo Lithography Interface Specification)文件標準是美國3D System公司於1988年制定的一個介面協議。本身具有格式簡單、容易處理、顯示速度快等優點，已被大多數快速成型機所接受，亦是目前RP行業的標準。SLC、CLI、RPI、LEAF、SIF等數據格式也各有應用，但都不及STL普及。

17. 圖9.2　用STL格式顯示的三維模型

18. 圖9.3　法向量方向與頂點的關係

19. STL文件有兩種類型：二進制(BINARY)格式和文本(ASCII)格式。STL文件有兩種類型：二進制(BINARY)格式和文本(ASCII)格式。 • (1)ACSII文件格式，使用字符串來描述三角形面的定義及其他訊息。該格式的文件佔用空間太大，但是ACSII文件格式可以閱讀並能直觀檢查。 • (2)二進制形式則更加精練，構成如下： • 題頭：由84個字節組成，其中前面80個字節用於表示有關文件、作者姓名和註釋訊息，最後4個字節表示小三角平面的數目。

20. 9.1.3　雷射快速成型的應用 • 一、在新產品研發中的應用 • 具體來講，雷射快速應用在產品製造中有以下幾種[8]： • 1.新產品的外觀評價 • 快速成型技術能夠迅速地將設計師的設計思想變成三維的實體模型，既節省大量的時間，又能精確地體現設計師的設計理念，為產品評審決策工作提供直接、準確的模型，減少了決策工作中的不正確因素。

21. 2.結構分析與裝配校核 • 對有限空間內的複雜、昂貴系統（如衛星、導彈、發動機）的新產品開發，結構合理性分析、裝配校核、干涉檢查非常重要，對快速成型技術製作出的樣品，進行分析和校核是減少失誤、降低費用的有效途徑。 • 3.性能和功能測試 • 在很多方面，產品的設計取決於實驗的結果，如在汽車、航空、發電、造船等工業中，產品外形要依據其對水或空氣的作用而定，這些產品的外形一般都很複雜，使用快速成型技術生產出的樣品，可以快速地完成流體實驗。

22. 二、在模具製造中的應用 圖9.4　快速金屬模具製造

23. 1.直接製造模具 • 直接製模適合於短工期和少量的零件製造，尤其對複雜的零件，更能顯示其優越性。鋼模具也可直接製造，如DTM公司開發的Rapid-Steel2.0快速成型燒結材料，經雷射燒結法快速燒結成型後可直接製造金屬模具。這種模具含鋼60%、含銅40%，其壽命高達數萬件以上。 • 2.間接製造模具 • 雖然快速製模有時間短、成本低的優點，但是與傳統的製模方法相比，還存在很多侷限性，如模具壽命短、精度低、表面粗糙度差、可選的樹脂類型少、工件尺寸小及模具結構限制等。為了克服上述的限制，發展了多種快速間接製模技術如矽橡膠模、樹脂型複合模、金屬冷噴塗模、陶瓷型精鑄模、熔模鑄造法製造鋼模、化學黏結鋼粉澆注型腔模、電鑄模和電鍍模等。

24. 三、在醫學領域的應用 • 快速成型技術在醫學上主要有三個應用：一、為醫學教學提供視覺模型。二、用於器官修復，如人造關節，人造骨骼等。三、為複雜手術提供演練模型。

25. 圖9.5　由CT數據生成的3D模型

26. 四、在其他領域的應用 • 1.工程結構模型 • 大型工程可以製造比例模型進行分析校核，實驗求證，而確保工程的可造性；在建築工程領域，可以製作建築物模型，評價建築設計美學與工程方面的合理性，如建築物的分佈與結構等，即使更改也很容易。土木、水利和機械等行業的工程構件和設備的研究設計階段均離不開模型試驗。

27. 2.藝術品、商業展示模型 • 在藝術創作方面，採用快速成型製造技術可使藝術家的創作、製造一體化，為藝術家提供了最佳的設計環境和成型條件，使其集中精力於創作上。 • 3.文物仿製 • 文物具有惟一性，其手工仿製品很難達到與正品保持完全一致。利用逆向工程，得到文物的CAD數字模型，並用快速成型製造技術仿製，所得模型完全忠實於原作品，沒有人為因素干擾，因此所得模型具有很高的研究價值。

28. 9.2　雷射快速成型法 • 9.2.1　光敏樹脂法 • 光敏樹脂法又稱光固化成型或立體光刻成型，英文是Stereo Lithograph，簡稱SL，或者SLA(Stereo Lithograph Apparatus)。 • 採用紫外雷射器在計算機的控制下，實現光敏樹脂的凝固成型，它的出現說明著雷射快速成型時代的到來。

29. 一、基本原理 • 1.基本原理 • 液槽中盛滿液態光敏樹脂，紫外雷射器發出的紫外雷射光束在控制系統的控制下，依零件的各分層截面訊息，在光敏樹脂表面進行逐點掃描，被掃描區域的樹脂薄層產生光化學反應而固化，形成零件的一個薄層。一層固化完畢後，工作檯下移一個層厚的距離，以使在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態樹脂，然後刮板將黏度較大的樹脂液面刮平，進行下一層的掃描加工，新固化的一層牢固地黏結在前一層上，如此重複直至整個零件製造完畢，得到一個三維實體原型。

30. 圖9.6　光敏樹脂法成型過程

31. 2.技術特點 • 其具體優點如下： • (1)成型過程自動化程度高。 • (2)尺寸精度高。 • (3)表面品質優良。 • (4)可以製作結構十分複雜的模型。 • (5)可以直接製作面向熔模精密鑄造的具有中空結構的消失模。

32. 和其他幾種快速成型方法相比，該方法也存在許多缺點：和其他幾種快速成型方法相比，該方法也存在許多缺點： • (1)成型過程中伴隨著物理和化學變化，所以製品較易彎曲，需要支撐，否則會引起製品變形。 • (2)設備運轉及維護成本較高。 • (3)可使用的材料種類較少。 • (4)液態樹脂具有氣味和毒性 • (5)需要二次固化。 • (6)液態樹脂固化後的性能尚不如常用的工業塑料，一般較脆、易斷裂，不便進行機械加工。

33. 二、雷射系統 • 光敏樹脂法使用的固化雷射器大部份是發射325nm波長的He-Cd（氦鎘）雷射器、半導體激發的三倍頻Nd：YVO4雷射器和少量351nm或364nm的氬離子雷射器。

34. 1.He-Cd雷射器 • (1)He-Cd雷射器簡介：目前，He-Cd雷射器已實現了藍光(441.6nm)、紫光(353.6nm)和紫外光(325nm)的連續運轉，441.6nm的藍光譜線是最強譜線，基模功率範圍為數毫瓦到130mW。325nm的紫外譜線是次強譜線，基模運行功率為數十毫瓦，多模功率可達到100mW。353.6nm譜線可達到20mW功率。He-Cd雷射器的振盪帶寬約為6GHz，通常至少有12個模處於振盪帶寬內，模間隔為130～370MHz，這相當於10cm的相干長度[17]。 • (2)He-Cd雷射器能階：He-Cd雷射器的雷射光產生於鎘原子的能階躍遷，He原子起到輔助作用，單獨離子化的鎘蒸氣具有12根以上的可見和近可見的雷射譜線，並能在各種不同的情況下產生雷射光。

35. 圖9.7He-Cd雷射器的能階

36. (3)He-Cd雷射器結構：He-Cd雷射器像氦氖雷射器和稀有氣體離子雷射器一樣，在陽極和陰極之間有一個毛細管（圖9.8），以增大其放電電流密度，提高其雷射效率。典型的放電電壓約為1500V，腔中電流密度約為4A/cm2。藍光和紫外He-Cd雷射器的增益和輸出功率要高於He-Ne雷射器。(3)He-Cd雷射器結構：He-Cd雷射器像氦氖雷射器和稀有氣體離子雷射器一樣，在陽極和陰極之間有一個毛細管（圖9.8），以增大其放電電流密度，提高其雷射效率。典型的放電電壓約為1500V，腔中電流密度約為4A/cm2。藍光和紫外He-Cd雷射器的增益和輸出功率要高於He-Ne雷射器。

37. 圖9.8He-Cd雷射器的結構

38. (4) He-Cd雷射器壽命：因為金屬蒸氣最終會弄髒雷射管的內部，但是這一方面已取得很大進步。典型的額定壽命為5000～6000h，但是許多雷射管往往已可使用9000～10000h。(4) He-Cd雷射器壽命：因為金屬蒸氣最終會弄髒雷射管的內部，但是這一方面已取得很大進步。典型的額定壽命為5000～6000h，但是許多雷射管往往已可使用9000～10000h。

39. 2.半導體激發三倍頻Nd：YVO4雷射器 • 半導體激發的三倍頻Nd：YVO4雷射器，其輸出波長為354.7nm，可實現聲光調Q的準連續運轉，重複頻率可以達到150kHz，功率可以達到5W，TEM00模的M2係數可以達到1.2[1,14]。 • (1)半導體激發固體雷射器的優勢：具有高效、穩定、光束品質好、結構簡單、長壽命等優點。 • (2)紫外雷射器的優勢， • a.光束的衍射現象，使得雷射光束聚焦點的直徑隨著波長的增加而線性增加，紫外光波長短較可見光及紅外光具有更小的聚焦點，加工精度更高。 • b.紫外光光子能量大，可直接破壞材料的化學鍵，屬於冷處理過程，熱影響區域甚微 • 準分子雷射器曾經是首選的紫外雷射源，但其結構複雜、效率低、成本高。

40. (3)Nd：YVO4晶體： 表9.2Nd：YVO4的材料性能

41. Nd：YVO4晶體與常用的Nd：YAG晶體比較有幾個突出的特點：Nd：YVO4晶體與常用的Nd：YAG晶體比較有幾個突出的特點： • (1)受激發射截面大，比Nd：YAG的大五倍，因而連續輸出閾值低。 • (2)對808nm波長存在很強的寬吸收帶，當激發LD發生波長漂移時仍可保證有效吸收。 • (3)釩酸釔是自然雙折射晶體，雷射輸出沿著特殊的方向呈線性偏振，偏振輸出可避免多餘的熱致雙折射。

42. 半導體激發三倍頻Nd：YVO4雷射器組成：半導體激發的三倍頻Nd：YVO4雷射器主要由二極體激發系統、聲光Q開關、倍頻和三倍頻晶體、1064nm共振腔、分光鏡和光束整形系統組成。半導體激發三倍頻Nd：YVO4雷射器組成：半導體激發的三倍頻Nd：YVO4雷射器主要由二極體激發系統、聲光Q開關、倍頻和三倍頻晶體、1064nm共振腔、分光鏡和光束整形系統組成。

43. 圖9.9　半導體激發三倍頻Nd：YVO4雷射器光路

44. 三、光敏樹脂材料 • 依據光引發劑可分為兩類：自由基樹脂和陽離子樹脂[5,14]。 • 1.自由基樹脂 • 該類樹脂主要有三種。 • (1)環氧樹脂丙烯酸酯，特點是聚合快、聚合強度高，但脆性大，易泛黃。 • (2)聚酯丙烯酸酯，特點是流平和固化好，性能可調節。 • (3)聚氨酯丙烯酸酯，特點是柔順性和耐磨性好，但聚合速度慢。

45. 2.陽離子光固化樹脂 • 與自由基樹脂比較起來其優點如下： • (1)固化收縮率低，約為2%～3%，而丙烯酸類的自由基樹脂的收縮率約為5%～7%。 • (2)在光熄滅後可繼續引發聚合。 • (3)氧氣對陽離子樹脂的聚合無影響。 • (4)黏度低，成型後易於排淨多餘的樹脂。 • (5)成型件精度高、強度大，可直接用於注塑模具。

46. 表9.33D system公司SLA5000系統使用的幾種樹脂材料的性能指標

47. 表9.33D system公司SLA5000系統使用的幾種樹脂材料的性能指標（續）

48. 四、快速成型技術 • 1.固化深度與掃描方式 • (1)固化深度：隨著曝光量不同，光敏樹脂的固化深度也不同。3D system公司得出了一個經驗型的公式，即 • 式中，Cd為固化深度，E為曝光量，Dp為穿透深度；定義為曝光強度度E衰減為表面強度1/e時的深度，Ec為臨界曝光量。

49. 圖9.10單條樹脂固化物

50. (2)掃描間距：一般而言，原型的強度主要取決於面內強度和層間連接強度，而面內強度（或稱層內連接強度）和層間連接強度，又取決於光斑直徑及光點間的距離。(2)掃描間距：一般而言，原型的強度主要取決於面內強度和層間連接強度，而面內強度（或稱層內連接強度）和層間連接強度，又取決於光斑直徑及光點間的距離。 • 為了使掃描點和掃描線有一個合適的間距，保證加工後的原型具有較低的內應力、較高的強度和精度，需要在雷射掃描參數的設定上考慮這種因素。