光固化快速成型方法.ppt

选择性激光烧结快速原型 技术 Selective Laser Sintering(SLS) 主讲人：李毅文 学号：080810220 1.SLS的基本原理 SLS采用铺粉辊将一层粉末材料平铺在已成型零 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，使粉末的温度升到熔化点， 进行烧结并与下面已成型的部分实现粘结。一层 完成后，工作台下降一层厚度，铺料辊在上面铺 上一层均匀密实粉末，进行新一层截面的烧结， 直至完成整个模型。 其基本组成如图1所示，包括激光器、光学系统 、粉料送进与回收系统、升降机构、工作台、构 造室等。 图1-SLS系统的基本组成 2.选择性激光烧结工艺的特点 优点： （1）可采用多种材料 理论上讲，可采用加热时黏度降低 的任何粉末材料，通过材料或各种含黏结剂的涂层颗粒制 造任何造型。 （2）制造工艺简单 由于可用材料比较多，该工艺按材料 的不同可以直接生产复杂形状的原型、型腔模三维构建或 部件及工具。 （3）高精度 该工艺一般能够达到工件整体范围内（0.05- 2.5)mm的公差。 （4）无需支撑结构 叠层过程出现的悬空层可直接由未烧结 的粉末来支撑。 （5）材料利用率高 该工艺不用支撑，不需制作基底支撑， 为常见几种RP工艺利用率最高的，且价格较便宜。 缺点： （1）表面粗糙 由于原材料是粉状的，原型建造是 由材料粉层经过加热熔化实现逐层粘结的，因此 ，原型表面严格讲是粉粒状的，因而表面质量不 高。 （2） 烧结过程有异味 SLS工艺中粉层需要激光使 其加热达到熔化状态，高分子材料或者粉粒在激 光烧结时会挥发异味气体。 （3）有时辅助工艺较复杂 拿聚酰胺粉末烧结来说 ，为避免激光扫描烧结过程中材料因高温起火燃 烧，需在工作空间加入阻燃气体，多为氮气。烧 结前要预热，烧结后要在闭封空间去除工件表面 浮粉，以避免粉尘污染。 3.选择性激光烧结工艺 3.1 高分子粉末烧结工艺 可分为前处理、粉层烧结叠加以及后处理三个阶段。 (1)前处理 主要完成三维CAD造型并经STL数据转换后输入 到粉末激光烧结系统中。 （2）粉层激光烧结叠加 在叠加阶段，设备根据原型的结构 特点，在设定的建造参数下，自动完成原型的逐层粉末烧 结叠加过程。其中，温控较重要。 先预热，并根据原型结构特点进行制作方位确定，并设置 为加工状态。然后设定工艺参数，如层厚、扫描方式、激 光功率、烧结间距等。成型区域温度达到预定值时启动制 作，为减少翘曲变形，应根据截面变化调整粉料预热温度 。所有叠层加工完毕后，将原型在成型缸中缓冷到40度以 下。 （3）后处理 激光烧结原型件强度弱，需根据使用要求进行 渗蜡或是渗树脂等补强处理。 3.2 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工艺工艺主要实现包裹在金属粉粒表面树脂 材料的粘结。其工艺可分为 三个阶段：SLS原型 件（“绿件”）的制作、粉末烧结件（“褐件” ）的制作、金属溶渗后处理。如下图2表示 （1）原型件制作关键在于如何选用合理的粉末配比 和加工工艺参数实现原型件的制作。SLS原件成型 中环氧树脂粉末比例（在1：5-1：3之间）、激光 扫描速度、扫描层厚（小于激光束的烧结深度） 、扫描间隔(为保证加工层面与扫描线之间的牢固 粘结，不宜过大）等均要适中。总的来说，要保 证层面之间与烧结线之间的牢固结合、粉末材料 的充分熔化和烧结成型各参数的互相匹配。同时 尽量做到粉末材料不炭化和烧结过程平稳。在此 基础上尽可能采用较大的参数以提高效率。 （2） 褐件制作关键在于烧失原型件中的有机杂质 ，获得有相对准确形状和强度的金属结构体。两 次烧结中温度设时间是主要的影响因素，在黏结 剂烧失同时，使金属粉末颗粒间发生微熔粘结， 保证原型件不致塌陷。 （3） 金属熔渗阶段的关键在于选用合适的熔渗材 料及工艺，以获得较致密的最终金属零件。经过 二次与三次烧结得到一个用一定强度硬度及内部 有疏松性结构的“褐件”，这对金属熔渗有利。 所选渗入金属必须比“褐件”中金属的熔点低， 以保证在较低温度下渗入。 3.3 金属零件直接烧结工艺 金属零件直接烧结工艺采用的是纯粹的金属粉 末，采用激光能源对金属粉末直接烧结，使其融 化，实现叠层的堆积。 成型过程时间明显缩短，无需复杂的后处理。 但要求激光器的功率较大以保证烧结中金属的直 接熔化。因而直接烧结中激光参数选择、被烧结 金属粉末材料的熔凝过程及其控制是烧结成型的 关键。 激光参数包括激光功率、光斑直径、和扫描间 隔。金属粉末的融化和凝固时同时进行的，每道 熔区可分为熔化过渡区和熔化区。注意功率的影 响。 3.4 陶瓷粉末烧结工艺 该工艺需要在粉末中加入黏结剂。目前所用的纯 陶瓷粉末原料有Al2O3和SiC，而黏结剂有无机粘结 剂、有机粘结剂和金属黏结剂等三种。 加无机粘结剂磷酸二氢氨（NH4H2PO4)，加热到 190oC时，分解出的P2O4与AL2O3反应生成AlPO4,是 一种黏结剂。甲基丙烯酸甲酯（PMMA)与Al2O3按一 定比例混合后用激光扫描使PMMA熔化将粉末粘结 ，并在后续处理中除去PMMA。对于Al2O3粉末中加 入Al粉进行烧结，使Al熔化起到黏结剂作用。 本工艺可以直接烧结铸造用的型壳来生产各类 铸件甚至是复杂的金属零件。 4.选择性激光烧结工艺参数 烧结工艺参数对精度和强度的影响是很大的。主 要包括激光功率、扫描速度、烧结间距和单层层 厚等，此外，预热也是SLS工艺的一个重要环节。 （1）激光功率 随着功率增加，尺寸误差向正方 向增大，且厚度方向的增大要比宽度方向的尺寸 误差大，主要是由于对于波长一定的激光，其光 斑直径是固定的。此外，功率增加强度也会随着 增大，但过大会加剧固化收缩引起的翘曲变形， 所以要综合选用激光和烧结工艺参数。 （2）扫描速度 当扫描速度增大时，尺寸误差向负 误差方向减小，强度减小。 （3）烧结间距 随着扫描间距的增大尺寸误差向 负误差方向减小，同时强度减小。扫描间距越小， 单位面积上能量密度越大，熔化越充分，强度越高 。重叠部分越大，温度会升高，使更多的粉末烧结 在一起，使误差向正方向增大。间距越大，强度降 低。同时影响效率，应综合考虑。 （4）单层层厚 随着单层层厚增加，强度减小，尺 寸误差向负方向减小。层厚增加，粘结牢固程度 减弱，容易剥离，强度降低，且要熔化的粉末增 加向外传递的热量减少，使尺寸误差向负方向减 小，由于影响效率应综合考虑。 此外，预热是一个重要环节，没预热或是不均 匀将会使成型时间增加，成型零件性能和精度降 低。经过预热可减少烧结时的热应力，防止其产 生翘曲和变形，提高精度。 5. 选择性激光烧结工艺的应用 （1）直接制作快速模具 SLS工艺可用不同的材料制 造不同用途的模具，可直接烧结金属模具和陶瓷 模具，用作注塑、压铸、挤塑等塑料成型模具及