激光加工在模具行业的应用

随着科学技术的发展和社会需求的多样化，产品的竞争越来越激烈，更新换代的周期也越来越短。为此，要求不但能根据市场的要求尽快设计出新产品，而且能在尽可能短的时间内制造出原型，从而进行性能测试和修改，最终形成定型产品。而在传统制造系统中，需要大量的模具设计、制造和调试等工作，成本高，周期长，已不能适应日新月异的市场变化。为了提高研发和生产速度，快速而精确地制作出高质量、低成本的模具和产品，能对市场变化做出敏捷响应，人们作了大量的研究和探索工作。随着工业激光器价格的不断下降和工业激光加工技术的日益成熟，给模具制造和产品生产工艺带来了重大变革。本文首先介绍了工业加工激光器，然后在模具激光制造、模具表面激光强化和替代、模具激光修复、模具激光清洗等几个方面进行了介绍和分析。
工业加工激光器
目前，用于激光加工的工业激光器主要有两大类：固体激光器和气体激光器。其中，固体激光器以Nd:YAG激光器为代表；而气体激光器则以CO2激光器为代表。随着激光技术的发展，目前人们也开始在某些加工应用场合使用大功率光纤激光器和大功率半导体激光器。
1) Nd:YAG激光器
Nd:YAG激光器的激光工作物质为固态的Nd:YAG棒，其激光波长为1.06μm。由于该种激光器的激光转换效率较低，同时受到YAG棒体积和导热率的限制，其激光输出平均功率不高。但由于Nd:YAG激光器可以通过Q开关压缩激光输出的脉冲宽度，在以脉冲方式工作时可获得很高的峰值功率（108W），适用于需要高峰值功率的激光加工应用；其另一大优点是可以通过光纤传输，避免了复杂传输光路的设计制作，在三维加工中非常有用。此外，还可以通过三倍频技术将激光波长转换为355nm（紫外），在激光立体造形技术中得到应用。
2) CO2激光器
CO2激光器的激光工作物质为CO2混合气体，其主要应用的激光波长为10.6μm。由于该种激光器的激光转换效率较高，同时激光器工作产生的热量可以通过对流或扩散迅速传递到激光增益区之外，其激光输出平均功率可以做到很高的水平（万瓦以上），满足大功率激光加工的要求。
国内外用于激光加工的大功率CO2激光器，主要是横流、轴流激光器。①横流激光器：横流激光器的光束质量不太好，为多模输出，主要用于热处理和焊接。我国目前已能生产各种大功率横流CO2激光器系列，可满足了国内激光热处理和焊接的需求。②轴流激光器：轴流激光器的光束质量较好，为基模或准基模输出，主要用于激光切割和焊接，我国激光切割设备市场主要由国外轴流激光器所占领。尽管国内激光器厂商在国外轴流激光器上做了许多工作，但由于主要配件还需进口，产品价格难以大幅度下降，普及率低。
武汉博莱科技发展有限公司研制了一种旋流CO2激光器，如图1所示，以新型的旋转气体流动方式，使旋流CO2激光器同时具有了轴流CO2激光器光束质量好和横流CO2激光器造价低、体积小的优点。该种工业加工激光器的推广应用，将对我国激光加工产业的发展和普及起到积极的促进作用。
模具激光制造
1) 激光间接成模工艺
①立体光造形(Stereo Lithography Apparatus，简称SLA)工艺是利用紫外激光束逐层扫描光固化胶的方法形成三维实体工件的。1986年美国3D Systems公司推出了商品化样机SLA-1。SLA工艺的最高加工精度能达到0.05mm。②薄层叠片制造(Laminated Object Manufacturing，简称LOM)工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等，由美国Helisys公司于1986年研制成功。通过反复CO2激光器切割和材料粘贴，得到分层制造的实体工件。LOM工艺的特点是适合制造大型工件，其精度达到0.1mm。③选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，简称SLS)工艺是利用粉末状材料成形的，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的于1 9 8 9年研制成功，通过用高强度的CO2激光器逐层有选择地扫描烧结材料粉末而形成三维工件，SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛。