隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會需求的多樣化，產(chǎn)品的競爭越來越激烈，更新?lián)Q代的周期也越來越短。為此，要求不但能根據(jù)市場的要求盡快設(shè)計(jì)出新產(chǎn)品，而且能在盡可能短的時間內(nèi)制造出原型，從而進(jìn)行性能測試和修改，最終形成定型產(chǎn)品。而在傳統(tǒng)制造系統(tǒng)中，需要大量的模具設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試等工作，成本高，周期長，已不能適應(yīng)日新月異的市場變化。為了提高研發(fā)和生產(chǎn)速度，快速而精確地制作出高質(zhì)量、低成本的模具和產(chǎn)品，能對市場變化做出敏捷響應(yīng)，人們作了大量的研究和探索工作。隨著工業(yè)激光器價(jià)格的不斷下降和工業(yè)激光加工技術(shù)的日益成熟，給模具制造和產(chǎn)品生產(chǎn)工藝帶來了重大變革。本文首先介紹了工業(yè)加工激光器，然后在模具激光制造、模具表面激光強(qiáng)化和替代、模具激光修復(fù)、模具激光清洗等幾個方面進(jìn)行了介紹和分析。

 

工業(yè)加工激光器

目前，用于激光加工的工業(yè)激光器主要有兩大類：固體激光器和氣體激光器。其中，固體激光器以Nd:YAG激光器為代表；而氣體激光器則以CO2激光器為代表。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，目前人們也開始在某些加工應(yīng)用場合使用大功率光纖激光器和大功率半導(dǎo)體激光器。

 

1) Nd:YAG激光器

Nd:YAG激光器的激光工作物質(zhì)為固態(tài)的Nd:YAG棒，其激光波長為1.06μm。由于該種激光器的激光轉(zhuǎn)換效率較低，同時受到Y(jié)AG棒體積和導(dǎo)熱率的限制，其激光輸出平均功率不高。但由于Nd:YAG激光器可以通過Q開關(guān)壓縮激光輸出的脈沖寬度，在以脈沖方式工作時可獲得很高的峰值功（108W），適用于需要高峰值功率的激光加工應(yīng)用；其另一大優(yōu)點(diǎn)是可以通過光纖傳輸，避免了復(fù)雜傳輸光路的設(shè)計(jì)制作，在三維加工中非常有用。此外，還可以通過三倍頻技術(shù)將激光波長轉(zhuǎn)換為355nm（紫外），在激光立體造形技術(shù)中得到應(yīng)用。

 

2) CO2激光器

CO2激光器的激光工作物質(zhì)為CO2混合氣體，其主要應(yīng)用的激光波長為10.6μm。由于該種激光器的激光轉(zhuǎn)換效率較高，同時激光器工作產(chǎn)生的熱量可以通過對流或擴(kuò)散迅速傳遞到激光增益區(qū)之外，其激光輸出平均功率可以做到很高的水平（萬瓦以上），滿足大功率激光加工的要求。

國內(nèi)外用于激光加工的大功率CO2激光器，主要是橫流、軸流激光器。

①橫流激光器：橫流激光器的光束質(zhì)量不太好，為多模輸出，主要用于熱處理和焊接。我國目前已能生產(chǎn)各種大功率橫流CO2激光器系列，可滿足了國內(nèi)激光熱處理和焊接的需求。

②軸流激光器：軸流激光器的光束質(zhì)量較好，為基?；驕?zhǔn)基模輸出，主要用于激光切割和焊接，我國激光切割設(shè)備市場主要由國外軸流激光器所占領(lǐng)。盡管國內(nèi)激光器廠商在國外軸流激光器上做了許多工作，但由于主要配件還需進(jìn)口，產(chǎn)品價(jià)格難以大幅度下降，普及率低。

武漢博萊科技發(fā)展有限公司研制了一種旋流CO2激光器，以新型的旋轉(zhuǎn)氣體流動方式，使旋流CO2激光器同時具有了軸流CO2激光器光束質(zhì)量好和橫流CO2激光器造價(jià)低、體積小的優(yōu)點(diǎn)。該種工業(yè)加工激光器的推廣應(yīng)用，將對我國激光加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和普及起到積極的促進(jìn)作用。

模具激光制造

 

1) 激光間接成模工藝

①立體光造形(Stereo Lithography Apparatus，簡稱SLA)工藝是利用紫外激光束逐層掃描光固化膠的方法形成三維實(shí)體工件的。1986年美國3D Systems公司推出了商品化樣機(jī)SLA-1。SLA工藝的最高加工精度能達(dá)到0.05mm。

②薄層疊片制造(Laminated Object Manufacturing，簡稱LOM)工藝采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等，由美國Helisys公司于1986年研制成功。通過反復(fù)CO2激光器切割和材料粘貼，得到分層制造的實(shí)體工件。LOM工藝的特點(diǎn)是適合制造大型工件，其精度達(dá)到0.1mm。

③選擇性激光燒結(jié)(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(xué)奧斯汀分校的于1989年研制成功，通過用高強(qiáng)度的CO2激光器逐層有選擇地掃描燒結(jié)材料粉末而形成三維工件，SLS工藝最大的優(yōu)點(diǎn)在于選材較為廣泛。

 

上述三種激光快速成形技術(shù)由于發(fā)展時間長，技術(shù)相對比較成熟，在國內(nèi)外都得到了較為廣泛的應(yīng)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(jìn)行后續(xù)的處理，所以稱之為激光間接成模工藝。主要的處理方法有以下三種：

①快速成形工件處理后用作模具。LOM制作的紙模經(jīng)表面處理直接代替砂型鑄造木模；或者用LOM制作的紙模具經(jīng)表面處理直接用作低熔點(diǎn)合金鑄模、注塑模；或失蠟鑄造中蠟?zāi)５某尚文！LS制作的工件經(jīng)滲銅后，作為金屬模具使用。

②用快速成形件作母模澆注硅橡膠、環(huán)氧樹脂、聚氨脂等材料制作軟模具。

③用快速成形件翻制硬模具。一種是直接用LOM制作紙基模具，經(jīng)表面金屬電弧噴鍍和拋光后研成金屬模；另一種是金屬面硬背襯模具。上述硬模具可用于砂型鑄造、消失模的壓型制作、注塑模以及簡易非鋼質(zhì)拉伸模。

用上述激光間接成模工藝制作模具，既避開了復(fù)雜的機(jī)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(jié)省制模費(fèi)用，對于形狀復(fù)雜的精度模具，其優(yōu)點(diǎn)尤為突出。但是，目前還存在著模具壽命相對較短的缺點(diǎn)，所以上述激光間接成形模具較適合于小批量生產(chǎn)。

 

2) 激光直接成模工藝

選擇性激光熔化(Selective Laser Melting，簡稱SLM)技術(shù)是在選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。SLM的特點(diǎn)為：

(1)使用高功率密度，小光斑的激光束加工金屬，使得金屬零件具有0.1毫米的尺寸精度。

(2)熔化金屬制造出來的零件具有冶金結(jié)合的實(shí)體，相對密度幾乎能達(dá)到100％，大大改善了金屬零件的性能。

(3)由于激光光斑直徑很小，因此能以較低的功率熔化高熔點(diǎn)的金屬，使得用單一成分的金屬粉末來制造零件成為可能。

激光多層（或稱三維/立體）熔覆直接快速成形技術(shù)是在快速原型技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合同步送料激光熔覆技術(shù)所發(fā)展起來的一項(xiàng)高新制造技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是計(jì)算機(jī)控制下的三維激光熔覆。

 

由于激光熔覆的快速凝固特征，所制造出的金屬零件具有均勻細(xì)密的枝晶組織和優(yōu)良的質(zhì)量，其密度和性能與常規(guī)金屬零件相當(dāng)。激光多層熔覆發(fā)展出了多種方法，其中最具代表性的是美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratories）研發(fā)的稱作激光工程化凈成形技術(shù)(Laser Engineered Net Shaping，簡稱LENS)的金屬件快速成形技術(shù)。采用該方法已成功制造了不銹鋼，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，零件致密度達(dá)到近乎100%。

選擇性激光熔化(SLM)技術(shù)和激光工程化凈成形(LENS)技術(shù)由于成形件致密性好，且具有冶金結(jié)合組織及精度高，制成的模具壽命長的特點(diǎn)，已得到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的普遍重視，在國外已推出了多種設(shè)備樣機(jī)，有的甚至開始商品化了；而國內(nèi)目前的研究和應(yīng)用還處于起步階段。

 

文章來源：中國激光網(wǎng)