激光加工在模具行業的應用

前言
    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，更新換代的周期也越來越短。
為此，要求不但能根據市場的要求盡快設計出新產品，而且能在盡可能短的時間內制造出原型，從而進行性能測試和修改，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、制造和調試等工作，成本高，周期長，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，快速而精確地制作出高質量、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。隨著工業激光器價格的不斷下降和工業激光加工技術的日益成熟，給模具制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激光器，然后在模具激光制造、模具表面激光強化和替代、模具激光修復、模具激光清洗等幾個方面進行了介紹和分析。
工業加工激光器
    目前，用于激光加工的工業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激光器和大功率半導體激光器。
1.Nd：YAG激光器
    Nd：YAG激光器的激光工作物質為固態的Nd：YAG棒，其激光波長為1.06μm。由于該種激光器的激光轉換效率較低，同時受到YAG棒體積和導熱率的限制，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率（108W），適用于需要高峰值功率的激光加工應用；其另一大優點是可以通過光纖傳輸，避免了復雜傳輸光路的設計制作，在三維加工中非常有用。此外，還可以通過三倍頻技術將激光波長轉換為355nm（紫外），在激光立體造形技術中得到應用。
2.CO2激光器
    CO2激光器的激光工作物質為CO2混合氣體，其主要應用的激光波長為10.6μm。由于該種激光器的激光轉換效率較高，同時激光器工作產生的熱量可以通過對流或擴散迅速傳遞到激光增益區之外，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。我國目前已能生產各種大功率橫流CO2激光器系列，可滿足了國內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量較好，為基�；驕驶�模輸出，主要用于激光切割和焊接，我國激光切割設備市場主要由國外軸流激光器所占領。盡管國內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制了一種旋流CO2激光器，以新型的旋轉氣體流動方式，使旋流CO2激光器同時具有了軸流CO2激光器光束質量好和橫流CO2激光器造價低、體積小的優點。該種工業加工激光器的推廣應用，將對我國激光加工產業的發展和普及起到積極的促進作用。
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CO2激光器切割和材料粘貼，得到分層制造的實體工件。LOM工藝的特點是適合制造大型工件，其精度達到0.1mm。
（3）選擇性激光燒結（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于1989年研制成功，通過用高強度的CO2激光器逐層有選擇地掃描燒結材料粉末而形成三維工件，SLS工藝最大的優點在于選材較為廣泛。
    上述三種激光快速成形技術由于發展時間長，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，需要進行后續的處理，所以稱之為激光間接成模工藝。主要的處理方法有：
（1）快速成形工件處理后用作模具。LOM制作的紙模經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制作的工件經滲銅后，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拉伸模。
    用上述激光間接成模工藝制作模具，既避開了復雜的機械切削加工，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，對于形狀復雜的精度模具，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，所以上述激光間接成形模具較適合于小批量生產。
2.激光直接成模工藝
選擇性激光熔化（Selective Laser Melting，簡稱SLM）技術是在選擇性激光燒結（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合的實體，相對密度幾乎能達到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的金屬，使得用單一成分的金屬粉末來制造零件成為可能。德國EOS GmbH公司利用選擇性激光熔化（SLM）工藝制造的全金屬零件。
    激光多層（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激光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密的枝晶組織和優良的質量，其密度和性能與常規金屬零件相當。激光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）研發的稱作激光工程化凈成形技術（Laser Engineered Net Shaping，簡稱LENS）的金屬件快速成形技術。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，零件致密度達到近乎100%。圖3為美國Sandia國家實驗室以LENS技術制造的金屬模具。