选折性激光烧结技术的应用

选折性激光烧结技术的应用1引言作为快速原型技术之一的选择性激光烧结(SelectiveLaserSintering，SLS)成型技术已被用来制造模型、制件、模具等工业用品和生活用品。作为快速模具制造技术的一种加工手段，它在模具制造业更是得到青睐，所制造的模具类型主要有：熔模、消失模、精铸模及型芯等铸造用模具，以及注射模、压铸模等金属钢质模具。制造的模具种类与它所采用的成型材料、成型设备等关键技术有关，如成型材料为石蜡粉、塑料(PS、ABS)粉，模具类型为熔模；成型材料为聚苯乙烯粉、聚碳酸脂粉，模具类型为消失模；成型材料为陶瓷粉，模具类型为精铸模；成型材料为覆膜钢粉、合金粉末，模具类型为注射模等。在应用SLS技术制造的模具中有一类为金属钢质模具，它的特点是材料为金属，具有很高的强度、硬度和使用寿命，在生产中被大量采用，此类诸如注射模、压铸模、冲压模等类型。由于这螳模具的成型对象和工作条件不同，模具的结构和性能要求相差也很大。如注射模的工作温度不高，对模具的强度要求也不太高，但对模具型腔表面的硬度和表面质量要求却很高，要光洁、耐磨、耐腐蚀；压铸模的工作温度高，瞬间压力大，要抗高温下的氧化与腐蚀、抗龟裂，对模具和模具型腔的强度、表面硬度和质量要求都很高；冲压模一般在常温下工作，但对模具的强度、硬度、耐磨性、韧性要求都很高。由此可以看出，不同的钢模具在应用SLS技术制造时很多方面都会有所不同，在这些钢模具中，以注射模等制造塑料制品的模具，工作温度为150～250℃，压力为40～150MPa，强度要求并不高，对材料自身的力学性能要求相对低些，降低了零件制造过程中的难度，最先有可能在应用SLS技术制作金属钢模具领域取得突破，获得成功。因此，国内外在该研究领域所采取的步骤策略一般为先易后难，先对注射模的制造获得成功取得经验后，再向其他金属模具扩展延伸。至目前为止，应用选择性激光烧结技术制造金属钢模具的研究已经有了注射模和压铸模。现将其的研究及应用情况作一介绍，以便更好地了解这一技术。2研究现状2.1SLS技术制造钢模具的主要方法应用SLS技术制造钢模具主要分为两种方法：一类为间接金属粉末激光烧结制模法。即用SLS工艺烧结用黏结剂包裹的金属粉末，黏结剂熔化后将金属粉末粘接在一起形成半成品，再将半成品升温烧结，黏结剂气化并被去除得到钢骨架半成品，再对黏结剂气化后留下的空隙进行金属熔渗处理得到成型模具型腔零件。这种制模方法的优点是对成型设备的激光器功率要求低，只要使黏结剂熔化就可，目前市面上大多数成型设备的激光器功率为50W，都可以满足此类方法的功率要求。其缺点是T艺过程相对复杂，用SLS工艺烧结出的半成品，还须在一定的条件下完成后面的工序烧结和渗金属等程序，成型后的模具零件力学性能也不是很好，表面硬度低，精度相对低，成型效果受到各工序的影响。可以用机械加工的方法来进行弥补，模具耐用度不高，寿命达几百件至几万件，只相当于用传统工艺加工的模具寿命的五十分之一。另一类为直接金属粉末激光烧结制模法。即用SLS工艺烧结纯金属粉末使其熔化粘接在一起形成模具型腔零件，再向其渗入适量树脂，以减少零件内部的孔隙，提高其的抗拉和弯曲强度。这种方法工艺简单，但对SLS技术提出了更高的要求，设备方面需要大功率的成型设备以使被烧结的金属粉末熔化，还须研制适宜烧结成型的金属粉末材料。用这种方法获得的模具零件力学性能好，表面硬度高，质量好，精度好，寿命达几百件至几千万件，接近用传统工艺制造的模具工作性能，而且适应范围广泛的各种金属钢质模具的制造，是公认的在金属制造领域SLS最有前途的一项技术，受到国内外许多研究单位的关注和重视，并因而对此展开了各项研究。2.2粉末材料的研究SLS技术可制作金属钢模具主要在于它的成型粉末材料可以用金属来制成，那么是不是把现有的金属模具类用材料制成粉末用在SLS技术中就可以制造金属钢模具了呢?回答是否定的。金属模具用材料大都为合金类钢材，熔化温度高，且熔化是在一个温度区间进行的，区间的大小对合金粉末的烧结带来不同的影响，一次烧结，只有部分合金粉末熔化，如果组元过多，烧结工艺就变得复杂，不能实现SLS工艺的烧结成型，因而需要研制符合SLS技术的金属粉末材料。已有的研究表明，低熔点的单一金属粉末用SLS烧结时，熔化的粉末在未熔化的粉末上形成多个直径较小的液球，容易移动，使成型难以控制，精度很差，这样成型出来的零件没有任何实用价值，因而已排除了对单一金属粉末进行烧结的研究。对两种材料以上的金属粉末进行的研究表明，用SLS技术可以实现较好的成型及精度控制，只是在材料的选择上会对烧结所需要的温度提出不同的要求，这反映在对激光器功率的要求上也不同。其中一种材料的熔点温度较低，也就是间接制模法常用的材料。材料的熔点温度都很高，则通常是直接制模法常用的材料。间接制模法材料的研发以美国DTM公司为代表，先后开发出的RapidSteel系列覆膜钢粉，采用热塑性聚合物为黏结剂来预包裹低碳钢粉或不锈钢粉，经SLS烧结后，再渗入铜，制作出了注射模和压铸模。该公司最新研制的LaserFormA6型材料，使成型模具零件在强度、表面硬度、工作寿命等方面都有较大改进。还有寿命不长但后处理工艺更简单、成型精度更好、制造周期更短的CopperPolyamide型材料等。我国的中北大学也正在研发覆膜金属粉。此外，国外对黏结剂的研发有用热塑性聚合物材料的，如PC、PVC、尼龙等。也有用低熔点金属的，如锡等。以及熔点在1000％左右的金属如青铜、镍、不锈钢、铜等。结构材料则用低碳钢、不锈钢、铜、陶瓷和工具钢等。直接制模法材料的研发主要以瑞典Electrolux公司为代表，先后开发出DirectMetal系列合金粉末和DirectSteel系列合金粉末两大类。DirectMetal合金粉末含有75％青铜、20％镍和5％磷，激光烧结时产生的孔隙率大于20％，因而要渗入树脂类材料或者是低熔点金属使成型零件组织致密、强度提高。DirectSteel系列合金粉末主要有钢、青铜和镍组成，有3种型号，此类粉末经SLS直接烧结后，内部组织致密，具有一定的强度和表面硬度，较好的精度和表面质量，无须进行熔渗后处理工序，已经制作出了注射模和压铸模。我国目前还未进行此类材料的研究。2.3成型设备的研究无论采用哪种制模方法，都离不开成型设备的支持。从1992年世界上第一台SLS成型设备诞生之日起，它的进步速度也是相当惊人的，国外美国的3DSystems公司、DTM公司、德围EOS公司，国内的北京隆源公司、华中科技大学等，先后开发出了多种型号的SLS成型设备，并且进行了商品化的生产和推广运用，获得许多商家的认可和使用。这些成型设备的工作原理和基本构成大致相同，主要技术参数有成型尺寸、成型精度、激光功率等。其中，激光功率是SLS烧结工艺中的一个重要技术参数，也成为间接制模法和直接制模法选择SLS设备首要考虑的技术指标。功率高，在激光作用区域内能量密度大，粉末材料熔化更充分，孔隙率降低，成型零件的组织致密度也增加，强度提高。特别是由于金属粉末材料自身的熔点一般都较高，需要与之相适应的功率匹配来进行烧结。按功率又把SLS设备分为大、中、小3种功率，3DSystems公司的激光器功率为25W、100W，DTM公司、北京隆源公司、华中科技大学等，其所研发生产设备的激光器功率都为50W，德国EOS公司的激光器功率分别有50W、100W和200W，其中25W、50W分属小功率，100W为中等功率，200W则为大功率。除了25W外，其它功率的成型设备可以用来烧结金属粉末材料，50W、100W用来烧结熔点温度相对低一些的间接制模法所用粉末材料，200W则用于熔点温度较高的直接制模法所用粉末材料。随着粉末材料的开发，有采用熔点温度较高材料的趋势，对大功率成型设备的需求会增加。因此，提高功率也成为今后SLS设备研发工作的一个重要内容。主要技术有采用大功率的CO2激光器，或者是YAG型高功率同体激光器。由于CO2激光器的研究在技术上比较成熟，因而一般首选CO2激光器，故前面所提到的SLS成型设备都选用的是CO2激光器，随着YAG型固体激光器技术得到突破，它的功率高，波长短，金属对它的吸收率大，也成为又一种可选择的激光器。此外，由于高温烧结对金属材料的氧化腐蚀明显。产生的烟雾也大，因而要充人惰性气体保护烧结部位免遭污染，同时将烟雾及时抽出，相关的隔离、密封、除尘、降温等技术都需要对设备的工作型腔和排烟除尘系统进行改进或重新设计，使之建立起在高温烧结和凝固结晶状态下所需的工作环境条件，保证成型效果。2.4烧结工艺的研究为使成型零件获得预期的效果，必须对烧结过程进行控制。除了材料、设备方面提供必要的条件外，一些烧结工艺参数的控制尤为重要，如激光束的光斑直径大小、扫描速度、扫描间隔、扫描的粉层厚度等，都会影响到材料在熔化和凝固结晶的过程，从而直接影响成型零件的精度、内部组织结构、表面物理化学性能等。研究的方向主要集中在建立起可供选择的方案和参数模块，用户根据需要从中选取某一方案及参数，并可对其进行更改和调整，从而使成型零件达到很好的制造效果。目前这一技术主要由成型设备研发生产厂家来进行研究，随设备提供服务，由于缺少实际经验的积累，很不完善，大多作为参考推荐使用。3该技术的应用及其影响在金属钢模具的制造中，制造成本高、制造周期长是很普遍的现象，特别是型腔、型芯类关键零部件，往往成为整个模具生产制造的关键，它的制造工艺也成为制造周期、制造成本、模具质量、使用寿命等的主要影响因素。在传统模具制造工艺中，由于它的生产工序多且复杂，所需制造设备的类型也很多，锻、刨、铣、车、镗、磨，包括较先进的数控、电火花和精密雕刻等等加工技术都能用得上，是集各种加工技术综合应用的一个领域，尽管如此，一些复杂型腔的制造仍感觉很困难，还得借助其他特殊方法。由此可见，它的高成本慢速度是不睁的事实。选择性激光烧结制作金属钢模具技术的出现，恰好弥补了这一缺陷，它的优势在于只需用SLS设备和相应的金属粉末材料在较短的时间内制造出形状复杂的型腔零件，总的制造成本下降了，是一种快速价廉的模具制造方法。特别是新产品的开发试制、产品改型等以快、变为主要特点的试制用生产模具的制造尤其适用，再就是形状较复杂的模具型腔零件，采用该技术其制造工艺的周期就大为缩短，对竞争激烈的模具制造业来说，为迅速地抢占市场、赢得商机提供了先进的制造工艺和加工手段。在金属钢模具领域中，这一技术已经被注射模等以塑料制品为主要加工对象的模具制造业所采用。另一个以铝、锌、镁等低熔点合金为加工对象的压铸模行业也成为了该技术的又一个重要应用领域。随着对SLS技术研究的深入，对成型粉末材料和工艺控制技术的改进，还可以扩大到强度、硬度有着更高要求的其它钢模具制造行业，如冲压模具等。SLS技术在金属钢模具领域的研究与应用不仅对模具的制造带来了全新的方法，也促进了SLS技术在其他领域的应用研究与进步，比如在功能性的金属零件制造方面。因此，加快它的研究，提高成型精度、物理力学性能和工作寿命，扩大其应用领域，对模具制造业来说有着重大和深远的意义。