隨著科學技術的發展和社會需求的多樣化,產品的競爭越來越激烈,更新換代的週期也越來越短。為此,要求不但能根據市場的要求儘快設計出新產品,而且能在儘可能短的時間內製造出原型,從而進行效能測試和修改,最終形成定型產品。而在傳統制造系統中,需要大量的模具設計、製造和除錯等工作,成本高,週期長,已不能適應日新月異的市場變化。為了提高研發和生產速度,快速而精確地製作出高質量、低成本的模具和產品,能對市場變化做出敏捷響應,人們作了大量的研究和探索工作。隨著工業鐳射器價格的不斷下降和工業鐳射加工技術的日益成熟,給模具製造和產品生產工藝帶來了重大變革。本文首先介紹了工業加工鐳射器,然後在模具鐳射製造、模具表面鐳射強化和替代、模具鐳射修復、模具鐳射清洗等幾個方面進行了介紹和分析。
工業加工鐳射器
目前,用於鐳射加工的工業鐳射器主要有兩大類:固體鐳射器和氣體鐳射器。其中,固體鐳射器以Nd:YAG鐳射器為代表;而氣體鐳射器則以CO2鐳射器為代表。隨著鐳射技術的發展,目前人們也開始在某些加工應用場合使用大功率光纖鐳射器和大功率半導體鐳射器。
1) Nd:YAG鐳射器
Nd:YAG 鐳射器的鐳射工作物質為固態的Nd:YAG棒,其鐳射波長為1.06μm。由於該種鐳射器的鐳射轉換效率較低,同時受到YAG棒體積和導熱率的限制,其鐳射輸出平均功率不高。但由於Nd:YAG鐳射器可以通過Q開關壓縮鐳射輸出的脈衝寬度,在以脈衝方式工作時可獲得很高的峰值功率(108W),適用於需要高峰值功率的鐳射加工應用;其另一大優點是可以通過光纖傳輸,避免了複雜傳輸光路的設計製作,在三維加工中非常有用。此外,還可以通過三倍頻技術將鐳射波長轉換為355nm(紫外),在鐳射立體造形技術中得到應用。
2) CO2鐳射器
CO2鐳射器的鐳射工作物質為CO2混合氣體,其主要應用的鐳射波長為10.6μm。由於該種鐳射器的鐳射轉換效率較高,同時鐳射器工作產生的熱量可以通過對流或擴散迅速傳遞到鐳射增益區之外,其鐳射輸出平均功率可以做到很高的水平(萬瓦以上),滿足大功率鐳射加工的要求。
國內外用於鐳射加工的大功率CO2鐳射器,主要是橫流、軸流鐳射器。①橫流鐳射器:橫流鐳射器的光束質量不太好,為多模輸出,主要用於熱處理和焊接。我國目前已能生產各種大功率橫流CO2鐳射器系列,可滿足了國內鐳射熱處理和焊接的需求。②軸流鐳射器:軸流鐳射器的光束質量較好,為基模或準基模輸出,主要用於鐳射切割和焊接,我國鐳射切割裝置市場主要由國外軸流鐳射器所佔領。儘管國內鐳射器廠商在國外軸流鐳射器上做了許多工作,但由於主要配件還需進口,產品價格難以大幅度下降,普及率低。
武漢博萊科技發展有限公司研製了一種旋流CO2鐳射器,如圖1所示,以新型的旋轉氣體流動方式,使旋流CO2鐳射器同時具有了軸流CO2鐳射器光束質量好和橫流CO2鐳射器造價低、體積小的優點。該種工業加工鐳射器的推廣應用,將對我國鐳射加工產業的發展和普及起到積極的促進作用。
模具鐳射製造
1) 鐳射間接成模工藝
① 立體光造形(Stereo Lithography Apparatus,簡稱SLA)工藝是利用紫外鐳射束逐層掃描光固化膠的方法形成三維實體工件的。1986年美國3D Systems公司推出了商品化樣機SLA-1。SLA工藝的最高加工精度能達到0.05mm。②薄層疊片製造(Laminated Object Manufacturing,簡稱LOM)工藝採用薄片材料,如紙、塑料薄膜等,由美國Helisys公司於1986年研製成功。通過反覆CO2鐳射器切割和材料貼上,得到分層製造的實體工件。LOM工藝的特點是適合製造大型工件,其精度達到0.1mm。③選擇性鐳射燒結(Selective Laser Sintering,簡稱SLS)工藝是利用粉末狀材料成形的,由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的於1989年研製成功,通過用高強度的CO2鐳射器逐層有選擇地掃描燒結材料粉末而形成三維工件,SLS工藝最大的優點在於選材較為廣泛。
上述三種鐳射快速成形技術由於發展時間長,技術相對比較成熟,在國內外都得到了較為廣泛的應用。但上述方法形成的三維工件都不能直接作為模具使用,需要進行後續的處理,所以稱之為鐳射間接成模工藝。主要的處理方法有:①快速成形工件處理後用作模具。LOM製作的紙模經表面處理直接代替砂型鑄造木模;或者用LOM製作的紙模具經表面處理直接用作低熔點合金鑄模、注塑模;或失蠟鑄造中蠟模的成形模。SLS製作的工件經滲銅後,作為金屬模具使用。②用快速成形件作母模澆注矽橡膠、環氧樹脂、聚氨脂等材料製作軟模具。③用快速成形件翻制硬模具。一種是直接用LOM製作紙基模具,經表面金屬電弧噴鍍和拋光後研成金屬模;另一種是金屬面硬背襯模具。上述硬模具可用於砂型鑄造、消失模的壓型製作、注塑模以及簡易非鋼質拉伸模。
用上述鐳射間接成模工藝製作模具,既避開了複雜的機械切削加工,又可以保證模具的精度,還可以大大縮短制模時間、節省制模費用,對於形狀複雜的精度模具,其優點尤為突出。但是,目前還存在著模具壽命相對較短的缺點,所以上述鐳射間接成形模具較適合於小批量生產。
2) 鐳射直接成模工藝
選擇性鐳射熔化(Selective Laser Melting,簡稱SLM)技術是在選擇性鐳射燒結(SLS)技術的基礎上發展起來的。SLM的特點為:(1)使用高功率密度,小光斑的鐳射束加工金屬,使得金屬零件具有0.1毫米的尺寸精度;(2)熔化金屬製造出來的零件具有冶金結合的實體,相對密度幾乎能達到100%,大大改善了金屬零件的效能; (3)由於鐳射光斑直徑很小,因此能以較低的功率熔化高熔點的金屬,使得用單一成分的金屬粉末來製造零件成為可能。圖2所示為德國EOS GmbH公司利用選擇性鐳射熔化(SLM)工藝製造的全金屬零件。
鐳射多層(或稱三維/立體)熔覆直接快速成形技術是在快速原型技術的基礎上結合同步送料鐳射熔覆技術所發展起來的一項高新制造技術,其實質是計算機控制下的三維鐳射熔覆。由於鐳射熔覆的快速凝固特徵,所製造出的金屬零件具有均勻細密的枝晶組織和優良的質量,其密度和效能與常規金屬零件相當。鐳射多層熔覆發展出了多種方法,其中最具代表性的是美國Sandia國家實驗室(Sandia National Laboratories)研發的稱作鐳射工程化淨成形技術(Laser Engineered Net Shaping,簡稱LENS)的金屬件快速成形技術。採用該方法已成功製造了不鏽鋼,馬氏體時效鋼,鎳基高溫合金,工具鋼,鈦合金,磁性材料以及鎳鋁金屬間化合物工件,零件緻密度達到近乎100%。圖3為美國Sandia國家實驗室以LENS技術製造的金屬模具。