第四章_选择性激光烧结成型工艺详解

快速成型与快速模具制造技术及其应用机械工业出版社（第三版）第四章选择性激光烧结成型工艺选择性激光烧结工艺(SelectiveLaserSintering，SLS)又称为选区激光烧结技术，该方法最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年提出的，稍后组建了DTM公司，于1992年开发了基于SLS的商业成型机(Sinterstation)。20年来，奥斯汀分校和DTM公司在SLS领域做了大量的研究工作，并取得了丰硕成果。德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作，并开发了相应的系列成型设备。国内华中科技大学（武汉滨湖机电产业有限责任公司）、南京航空航天大学、中北大学和北京隆源自动成型有限公司等,也取得了许多重大成果和系列的商品化设备。SLS工艺是利用粉末材料（金属粉末或非金属粉末）在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成型。SLS的原理与SLA十分相似，主要区别在于所使用的材料及其性状不同。SLA所用的材料是液态的紫外光敏可凝固树脂，而SLS则使用粉状的材料。第四章选择性激光烧结成型工艺1选择性激光烧结工艺的基本原理和特点23选择性激光烧结工艺过程4高分子粉末烧结件的后处理66选择性激光烧结快速成型材料及设备第四章选择性激光烧结成型工艺5选择性激光烧结工艺参数选择性激光烧结加工过程是采用铺粉辊将一层粉末材料平铺在已成形零件的上表面，并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉层上扫描，使粉末的温度升至熔化点，进行烧结并与下面已成形的部分实现粘接。当一层截面烧结完后，工作台下降一个层的厚度，铺料辊又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的烧结，如此反复，直至完成整个模型。在成型过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂部分起着支撑作用，不必象SLA和FDM工艺那样另行生成支撑工艺结构。第一节选择性激光烧结工艺的基本原理和特点图4-1选择性激光烧结工艺原理图1.选择性激光烧结工艺的基本原理当实体构建完成并在原型部分充分冷却后，粉末块会上升到初始的位置，将其拿出并放置到后处理工作台上，用刷子小心刷去表面粉末露出加工件部分，其余残留的粉末可用压缩空气除去。图4-2选择性激光烧结系统的基本组成第一节选择性激光烧结工艺的基本原理和特点◎可直接制作金属制品◎可采用多种材料◎无需支撑结构◎制造工艺比较简单◎材料利用率高优点：2.选择性激光烧结工艺的特点缺点：◎原型表面粗糙◎烧结过程挥发异味◎有时需要比较复杂的辅助工艺第一节选择性激光烧结工艺的基本原理和特点1选择性激光烧结工艺的基本原理和特点23选择性激光烧结工艺过程4高分子粉末烧结件的后处理66选择性激光烧结快速成型材料及设备第四章选择性激光烧结成型工艺5选择性激光烧结工艺参数第二节选择性激光烧结的材料及设备SLS工艺材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件。特别是可以直接制造金属零件，这使SLS工艺颇具吸引力。用于SLS工艺的材料是各类粉末，包括金属、陶瓷、石蜡以及聚合物的粉末，工程上一般采用粒度的大小来划分颗粒等级，如右表所示。SLS工艺采用的粉末粒度一般在50～125µm之间。表4-1工程上粉体的等级及相应的粒度范围1.选择性激光烧结快速成型材料间接SLS用的复合粉末通常有两种混合形式：◎粘结剂粉末与金属或陶瓷粉末按一定比例机械混合；◎把金属或陶瓷粉末放到粘结剂稀释液中，制取具有粘结剂包裹的金属或陶瓷粉末。实践表明，采用粘结剂包裹的粉末的制备虽然复杂，但烧结效果较机械混合的粉末好。近年来，已经开发并被应用于SLS粉末激光烧结快速原型制作的材料种类如表4-2所示。表4-2常用的SLS工艺的材料第二节选择性激光烧结的材料及设备表4-3DTM公司开发的部分SLS用成型材料第二节选择性激光烧结的材料及设备美国DTM公司开发的粉末材料：在SLS领域，以DTM公司所开发的成型材料类别较多，最具代表性，其已商品化的SLS用成型材料产品见表4-3，其中部分高分子材料粉末的具体型号及其指标与性能如表4-4所示，部分金属粉末及树脂砂粉末的物理与力学性能如表4-5所示。表4-4部分DuraForm系列粉末材料及性能第二节选择性激光烧结的材料及设备表4-5DTM公司开发的部分金属粉末及树脂砂材料及性能第二节选择性激光烧结的材料及设备第二节选择性激光烧结的材料及设备表4-6EOS公司开发的部分粉末材料及性能德国EOS公司开发的系列粉末烧结材料:粉末烧结快速成型设备著名开发商德国EOS公司也开发了系列粉末烧结材料，其型号及性能等如表4-6所示。表4-7国内各单位开发的SLS用成型材料第二节选择性激光烧结的材料及设备国内开发的SLS材料：国内几家主要快速成型技术研究单位研制的成型材料见表4-7。研究选择性激光烧结（SLS）设备工艺的单位有美国的DTM公司、3DSystems公司、德国的EOS公司以及国内的北京隆源公司和华中科技大学等。下图是DTM公司的Sinterstation2500和2500Plus机型，如图所示。其中2500Plus机型的成型体积比过去增加了10%，同时通过对加热系统的优化，减少了辅助时间，提高了成型速度。2.选择性激光烧结快速成型设备图4-4DTM公司的Sinterstation2500Plus机型图4-3DTM公司的Sinterstation2500机型第二节选择性激光烧结的材料及设备图4-5HRPS-IIIA激光粉末烧结快速成型机华中科技大学的HRPS-III激光粉末烧结系统,如下图所示。它在硬件和软件方面有着自己先进的特点。第二节选择性激光烧结的材料及设备（1）硬件方面扫描系统采用国际著名公司的振镜式动态聚焦系统，具有高速度和高精度的特点激光器采用美国CO2激光器，具有稳定性好、可靠性高、模式好、寿命长、功率稳定、可更换气体、性能价格比高等特点，并配以全封闭恒温水循环冷却系统新型送粉系统可使烧结辅助时间大大减少排烟除尘系统及时充分地排除烟尘，防止烟尘对烧结过程和工作环境的影响工作腔结构全封闭式，防止粉尘和高温对设备关键元器件的影响第二节选择性激光烧结的材料及设备切片模块具有HRPS-STL(基于STL文件)和HRPS-PDSLice（基于直接切片文件，由用户选用）两种模块数据处理具有STL文件识别及重新编码，容错及数据过滤切片，STL文件可视化，原型制作实时动态仿真等功能工艺规划具有多种材料烧结工艺模块（包括烧结参数、扫描方式和成型方向等）安全监控设备和烧结过程故障自动诊断，故障自动停机保护（2）软件方面独自开发的功能强大的HRPS’2002软件，有如下特点：第二节选择性激光烧结的材料及设备第二节选择性激光烧结的材料及设备图4-6HRPM-II金属粉末熔化快速成型机华中科技大学（武汉滨湖机电技术产业有限公司）开发了金属粉末熔化快速成型系统，目前推出了HRPM-I和HRPM-II两种型号。该设备可直接制作各种复杂精细结构的金属件及具有随形冷却水道的注塑模、压铸模等金属模具，材料利用率高。图4-6为HRPM-II金属粉末熔化快速成型机。表4-8国内外部分选择性激光烧结快速成型设备一览表第二节选择性激光烧结的材料及设备1选择性激光烧结工艺的基本原理和特点23选择性激光烧结工艺过程4高分子粉末烧结件的后处理66选择性激光烧结快速成型材料及设备第四章选择性激光烧结成型工艺5选择性激光烧结工艺参数选择性激光烧结工艺使用的材料一般有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。材料不同，其具体的烧结工艺也有所不同。1.高分子粉末材料烧结工艺高分子粉末材料激光烧结快速原型制造工艺过程同样分为前处理、粉层烧结叠加以及后处理过程三个阶段。下面以某一铸件的SLS原型在HRPS-IVB设备上的制作为例，介绍具体的工艺过程。第三节选择性激光烧结工艺过程前处理成型后处理（1）前处理前处理阶段主要完成模型的三维CAD造型，并经STL数据转换后输入到粉末激光烧结快速原型系统中。右图是某个铸件的CAD模型。图4-7某铸件的CAD模型第三节选择性激光烧结工艺过程（2）粉层激光烧结叠加图4-8原型方位确定后的加工状态首先对成型空间进行预热。对于PS高分子材料，一般需要预热到100℃左右。在预热阶段，根据原型结构的特点进行制作方位的确定，当摆放方位确定后，将状态设置为加工状态，如下图所示。第三节选择性激光烧结工艺过程然后设定建造工艺参数，如层厚、激光扫描速度和扫描方式、激光功率、烧结间距等。当成形区域的温度达到预定值时，便可以启动制作了。在制作过程中，为确保制件烧结质量，减少翘曲变形，应根据截面变化相应的调整粉料预热的温度。所有叠层自动烧结叠加完毕后，需要将原型在成型缸中缓慢冷却至40℃以下，取出原型并进行后处理。图4-9某铸件经过渗蜡处理的SLS原型（3）后处理激光烧结后的PS原型件，强度很弱，需要根据使用要求进行渗蜡或渗树脂等进行补强处理。由于该原型用于熔模铸造，所以进行渗蜡处理。渗蜡后的该铸件原型如图所示。第三节选择性激光烧结工艺过程2.金属零件间接烧结工艺在广泛应用的几种快速原型技术方法中，只有SLS工艺可以直接或间接的烧结金属粉末来制作金属材质的原型或零件。金属零件间接烧结工艺使用的材料为混合有树脂材料的金属粉末材料，SLS工艺主要实现包裹在金属粉粒表面树脂材料的粘接。其工艺过程如右图所示。由图中可知，整个工艺过程主要分三个阶段：一是SLS原型件（“绿件”）的制作，二是粉末烧结件（“褐件”）的制作，三是金属溶渗后处理。图4-10基于SLS工艺的金属零件间接制造工艺过程第三节选择性激光烧结工艺过程1、原型件制作关键技术选用合理的粉末配比：环氧树脂与金属粉末的比例一般控制在1：5与1：3之间。加工工艺参数匹配：粉末材料的物性、扫描间隔、扫描层厚、激光功率以及扫描速度等。2、褐件制作关键技术烧结温度和时间：烧结温度应控制在合理范围内，而且烧结时间应适宜。3、金属熔渗阶段关键技术选用合适的熔渗材料及工艺：渗入金属必须比“褐件”中金属的熔点低。第三节选择性激光烧结工艺过程金属零件间接烧结工艺过程中的关键技术：实例：采用金属铁粉末、环氧树脂粉末、固化剂粉末混合，其体积比为67%、16%、17%；在激光功率40W下，取扫描速度170mm/s，扫描间隔在0.2mm左右，扫描层厚为0.25mm时烧结。后处理二次烧结时，控制温度在800℃，保温1h；三次烧结时温度1080℃，保温40min；熔渗铜时温度1120℃，熔渗时间40min。所成型的金属齿轮零件如图所示。图4-11金属齿轮零件第三节选择性激光烧结工艺过程金属零件直接烧结工艺采用的材料是纯粹的金属粉末，是采用SLS工艺中的激光能源对金属粉末直接烧结，使其融化，实现叠层的堆积。其工艺流程如图所示。金属零件直接烧结成型过程较间接金属零件制作过程明显缩短，无需间接烧结时复杂的后处理阶段。但必须有较大功率的激光器，以保证直接烧结过程中金属粉末的直接熔化。因而，直接烧结中激光参数的选择，被烧结金属粉末材料的熔凝过程及控制是烧结成型中的关键。图4-12基于SLS工艺的金属零件直接制造工艺流程3.金属零件直接烧结工艺第三节选择性激光烧结工艺过程4.陶瓷粉末烧结工艺陶瓷粉末材料的选择性激光烧结工艺需要在粉末中加入粘结剂。目前所用的纯陶瓷粉末原料主要有Al2O3和SiC，而粘接剂有无机粘接剂、有机粘接剂和金属粘接剂等三种。当材料是陶瓷粉末时，可以直接烧结铸造用的壳形来生产各类铸件，甚至是复杂的金属零件。陶瓷粉末烧结制件的精度由激光烧结时的精度和后续处理时的精度决定。在激光烧结过程中，粉末烧结收缩率、烧结时间、光强、扫描点间距和扫描线行间距对陶瓷制件坯体的精度有很大影响。另外，光斑的大小和粉末粒径直接影响陶瓷制件的精度和表面粗糙度。后续处理（焙烧）时产生的收缩和变形也会影响陶瓷制件的精度。第三节选择性激光烧结工艺过程1选择性激光烧结工艺的基本原理和特点23选择性激光烧结工艺过程4高分子粉末烧结件的后处理66选择性激光烧结快速成型材料及设备第四章选择性激光烧结成型工艺5选择性激光