第四章-选择性激光烧结SLS

1快速制造技术王志伟湖北工业大学机械工程学院2011年3月2一、概念二、工艺原理三、选域激光烧结的特点四、SLS方法常用的材料五、系统组成六、工艺步骤七、应用八、选域激光烧结制造设备市场概况第四章选择性激光烧结SLS3一、概念选域激光烧结(SelectedLaserSintering)，借助精确引导激光束使材料粉末烧结或熔融后凝固形成三维原型或制件。即成型机按照计算机输出的原型分层轮廓．采用激光束在指定路径上有选择性地扫描并熔融工作台上很薄(100—200pm)且均匀铺层的材料粉末。由分层图形所选择的扫描区域内的粉末被激光束熔融，连结在一起，而未在该区域内的粉末仍然是松散的。当一层扫描完毕，向上(或下)移动工作台，控制完成新—层烧结：全部烧4结后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获得原型或零件。选域激光烧结技术造型速度快，—般制品，仅需1—2天即可完成。5二、工艺原理其工艺过程是，用红外线板将粉末材料加热至恰好低于烧结点的某一温度，然后用计算机控制激光束，按原型或零件的截面形状扫描平台上的粉末材料，使其受热熔化或烧结。继而平台下降一个层厚，用热辊将粉末材料均匀地分布在前一个烧结层上，再用激光烧结。如此反复，逐层烧结成型。这种工艺与立体印刷成型(SLA)基本相同。678SLS原理动画效果9三、选域激光烧结的特点1、可采用多种材料。从原理上说，这种方法可采用加热时粘度降低的任何粉末材料，通过材料或各类含粘结剂的涂层颗粒制造出任何造型，适应不同的需要,包括热塑料、金属和陶瓷的新材料。2、制造工艺比较简单。由于可用多种材料，选域激光烧结工艺按采用的原料不同可以直接生产复杂形状的原型型模、三维构件或部件及工具，能广泛适应设计和变化等。例如，制造概念原型；蜡模铸造模型及其他少量母模生产；直接制造金属注塑模等。103、高精度。依赖于使用的材料种类和粒径、产品的几何形状和复杂程度，这种工艺一般能够达到全工件范围内±(0.05—2.5)mm的公差。当粉末粒径为0.1mm以下时，成型后的原型精度可达±1%。4、成本较低。可制备复杂形状零件，但成型速度较慢，由于粉体铺层密度低导致精度较低和强度较低。11四、SLS方法常用的材料选域激光烧结技术常用原材料是塑料、蜡、陶瓷、金属以及它们的复合物的粉体。用蜡可做精密铸造蜡模．用热塑性塑料可做消失模，用陶瓷可做铸造型壳、型芯和陶瓷件，用金属可做金属件。目前大多数选域激光烧结技术研究集中在生产金属零件上。12五、系统组成1、激光切割系统组成与工作参数（1）激光器的选择（2）激光功率密度和扫描速度（3）激光束扫描间距（4）激光扫描方式的影响2、控制系统131、激光切割系统组成与工作参数（1）激光器的选择目前用于固态粉末烧结的激光器主要有两种：CO2激光器和Nd：YAG激光器。CO2激光器的波长为10.6μm，Nd：YAG激光器的波长为1．06μm。对于陶瓷、金属和塑料等三种主要的固态粉未来说，选用何种激光器取决于固态粉末材料对激光束的吸收情况，一般金属粉末烧结选用Nd：YAG激光器，而不选用CO2激光器，因为金属粉末对CO2激光器发出的激光反射率比Nd：YAG激光器所发出激光的反射率大得多，如图所示。14陶瓷粉末的烧结也选用Nd：YAG激光器。塑料粉末如聚碳酸酯的烧结可用C02激光器，因为聚碳酸酯在5.0—11.0μm波长范围内具有很高的吸收率。15（2）激光功率密度和扫描速度激光功率密度由激光功率和光斑大小决定。在固态粉末选域激光烧结中，激光功率密度和扫描速度决定了激光能对粉末的加热温度和时间。a.如果激光功率密度低而扫描速度快粉末不能烧结，制造出的原型或零件强度低或根本不能成型。b.如果激光功率密度太高而扫描速度又很低会引起粉末汽化，烧结密度不仅不会增加，还会使烧结表而凹凸不平，影响颗粒之间、层与层之间的连结。16因此，不合适的激光功率密度和扫描速度会使零件内部组织和性能不均匀，影响零件质量。这个问题在激光烧结塑料粉末时表现更为突出：下图表示了激光烧结聚碳酸酯时，激光功率和扫描速度对烧结深度的影响。17由上述分析可知：当激光功率小而扫描速度高时，粉末加热温度低、时间短，烧结深度小；当激光功率大而扫描速度低时，聚碳酸能发生汽化、消融，烧结深度也减小。适当配合激光功率和扫描速度，可使烧结深度达到最大值。18（3）激光束扫描间距激光扫描间距是指相邻两激光扫描行之间的距离。激光扫描间距的大小影响输结粉末的总能量的分布，并对粉末的烧结质量有重要影响。19分析（a）图（h大于激光束直径β）当扫描间距h大于激光束直径β时，扫描线彼此分离或小部分重叠，其相邻区域总的激光能量小于粉末烧结需要的能量，不能使相邻区域的粉末烧结。20（b）图（hβ，但hε(ε为激光束半径)）当hβ，但hε(ε为激光束半径)时，扫描线大部分重叠。此时相邻区域的激光能量可以使该区域的粉末烧结但此时激光总能量的分布呈现波峰波谷，能量分布不均匀，使得扮未的烧结深度不一致，烧结的零件密度也不均匀。21（c）图（hε）当hε时；扫描线的激光能量叠加后，分布基本上是均匀的，此时粉末烧结深度一致，烧结的零件密度均匀。22但如果扫描间距太小（hε)时，总的激光能量太大，会引起烧结深度减小．进而使零件翘曲变形。可见当扫描间隔过小时，烧结深度反而下降，如图所示。23（4）激光扫描方式的影响a.平行扫描平行扫描是一种常见的的扫描方式，它要么是平行长边扫描，要么是平行短边扫描。但常用的扫描路径有很大缺陷，原型尺寸有多大，同一方向的扫描线就得有多长这不利于扫描过程中制件沿扫描方向的自由收缩。实践发现，沿扫描方向的残余应力最大。24b.分形路径扫描分形结构是一种具有自相似性的图形，可以采用几级图形作为扫描路径。分形扫报路径都是小折线，激光束扫描方向不断改变，使得刚刚烧结的部分沿扫描方向能够自由收缩。能有效降低薄层中的残余拉应力，有望提高烧结件的力学强度。252、控制系统选域激光烧结制造系统主要由数据处理和成型执行机构两大部分组成。数据处理部分包括三维CAD模型构建加工轨迹的离散过程软件，并内高性能计算机处理，成型执行机构部分根据离散化后的信息由数控设备来完成执行和控制加工过程。26主要功能：（1）从CAD模型生成符合快速成型工艺特点的数控代码信息；（2）对成型情况进行监控并接受运动参数的反馈，必要时通过子机对快速成型设备的运动状态进行干涉；（3）实现人机交互，提供真实感的原型三维CAD模型显示和运动轨迹实时显示；（4）提供可选加工参数询问．满足不同材料和加丁工艺的要求进行成型运动控制，即机电一体运动控制。27六、工艺步骤1、粉末原料的烧结工艺2、烧结件的后处理281、粉末原料的烧结工艺（1）金属粉末的烧结用于选域激光烧结的金属粉末主要有三种：单一金属粉末、金属混合粉、金属粉加有机物粉末等。相应地，金属粉末的选域激光烧结也有三种方法。a.单一成分金属粉末的烧结例如铁粉。先将铁粉预热到一定温度，再用激光束扫描、烧结。烧结好的制件经热等静压处理，可使最后零件的相对密度达到99．9%。29b.金属混合粉末主要是两种金属的混合粉末，其中一种粉末具有较低的熔点．另一种粉末的熔点较高。例如青铜粉和镍粉的混合粉。先将金属混合粉末预热到某—温度．再用激光束进行扫描，使低熔点的金属粉末熔化(如青铜粉)，从而将难熔的镍粉粘结在一起。烧结好的制件再经液相烧结后处理，可使最后制件的相对密度达到82%。30c.金属粉末与有机粘结剂粉末的混合体将金属粉末与有机粘结剂粉末按一定比例均匀混合，激光束扫描后使有机粘结剂熔化，熔化的有机粘结剂将金属粉末粘结在一起。如铜料和有机玻璃粉。烧结好的制件再经高温后续处理，一方面去除制件中的有机粘结剂，另一方面提高制件的力学强度和耐热强度，并增加制件内部组织和性能的均匀性。31（2）陶瓷粉末的烧结陶瓷材料的选域激光烧结需要在粉末中加人粘结剂。目前所用的纯陶瓷粉末原料主要有A12O3、和SiC，而粘结剂有无机粘结剂、有机粘结剂和金属粘结剂等三种。（3）塑料粉末的烧结塑料粉末的选域激光烧结均为直接激光烧结，烧结好的制件一般不必进行后续处理。采用一次烧结成型，将粉末预热至稍低于其熔点，然后控制激光束来加热粉末，使其达到“烧结温度”，从而把粉末材料烧结在一起。322、烧结件的后处理金属或陶瓷粉末(或混合体粉末)经过选域激光烧结后只形成了原型或零件的坯体，这种坯体还需要进行后处理以进一步提高其力学性能和热学性能。坯体的后处理方法有多种，如高温烧结、热等静压烧结、熔浸和浸渍等。根据不同材料坯体和不同的性能要求，可以采用不同的后处理方法。33（1）高温烧结金属和陶瓷坯体均可用高混烧结的方法进行处理。经高温烧结后，坯体内部孔隙减少，密度、强度增加，其他性能也得到改善。注意：虽然高温烧结后制件密度、强度增加，但是由于内部孔隙减少会导致体积收缩，影响制件的尺寸精度。同时，在高温烧结后处理中，要尽量保持炉内温度梯度均匀分布。由于炉内温度梯度分布不均匀，可能造成制件各个方向的收缩不一致，使制件翘曲变形，在应力集中点还会使制件产生裂纹和分层。34（2）热等静压热等静压后处理工艺是通过流体介质将高温和高压同时均匀地作用于坯体表面，消除其内部气孔，提高密度和强度，并改善其他性能。热等静压处理可使制件非常致密，这是其他后处理方法难以达到的，但制件的收缩也较大。35（3）熔浸熔浸是将金属或陶瓷制件与另一种低熔点的液体金属接触或浸埋在液态金属内，让金属填充制件内部的孔隙，冷却后得到致密的零件。熔浸过程依靠金属液在毛细管力作用下湿润零件．液态金属沿着颗粒间孔隙流动，直到完全填充孔隙为止。前两种处理方法，虽然能够提高制件的密度。但也会引起制件较大的收缩和变形。为获得足够的强度(或密度)，又希望收缩和变形很少，可采用熔浸的方法对选域激光烧结的坯体进行后处理。36（4）浸渍浸渍和熔浸相似，所不同的是浸渍是将液态非金属物质浸人多孔的选域激光烧结坯体的孔隙内。和熔浸相似，经过浸渍处理的制件尺寸变化很小。在后处理中，要控制浸渍后坯体零件的干燥过程。干燥过程中温度、湿度、气流等对干燥后坏体的质量有很大的影响。干燥过程控制不好，会导致坯体开裂，严重影响零件的质量。37七、应用1、直接制造零件原型2、直接制作铸造熔模用选域激光烧结直接制作铸造熔模，无需传统压型就能生产出精铸件，对未定型产品试制过程中样件的制作有特殊的意义。3、翻制蜡模压型传统的制备精铸蜡模压型的方法是用原型翻制硅胶模或树脂模．但是复杂原型制造是一个难题。如果用原件直接翻制，又无法解决收缩率问题。用快速原型制造技术制备原型不仅具有快速、不受复杂程度影响，而且原型尺寸修改容易。384、直接制作压型或模具的熔模这种方法需要根据零件CAD模型产生模具的CAD模型数据，建立压型的实体模型，然后用树脂粉料直接压制蜡型或砂型。也可以直接成型模具的熔模，通过精密铸造形成模具的毛坯，再经过简单的机械加工和适当的表面处理得到金属模具。39（5）直接制作铸造型壳首先在CAD环境中．将设计好的零件三维实体模型制成零件的反型，设计相应的浇冒口系统并经过适当的处理，即得到型壳的CAD图形。在烧结过程中，型壳部分成为烧结实体，零件部分仍是末烧结的粉末。烧结完成后，将壳体内部的粉末清除。再在一定温度下使烧结过程中未完全固化的树脂充分固化，就得到铸造用的型壳40直接制作铸造熔模图例41八、选域激光烧结制造设备市场概况目前研究选域激光烧结工艺的有DTM公司、E0SGmbH公司、北京隆源公司、南京航空航天大学和华中理工大学等。DTM公司的选域激光烧结设备主要有SLA—500，Sinterstation2000、AFS300和FDM1600等。北京降源公司推出了AFS—300成型机及数种材料，华中科技大学开发出HEPS—I型成型机。42Sinterstation2000设备图例43