（机械制造及其自动化专业论文）基于温度场的选区激光烧结成型工艺关键技术研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于温度场的选区激光烧结成型工艺关键技术研究 摘要 选区激光烧结成型( s l s ) 技术是一种以粉末材料为加工对象的 快速成型技术。选区激光烧结成型过程中，粉末的预热和激光扫描能 量输入是两项关键技术。由于粉床表面的预热温度不均匀，成型缸中 不同位置的制件性能存在较大的差别。为此本文针对粉床表面的预热 温度场展开研究，这对s l s 工艺的研究具有重要的实际指导意义。 首先分析推导了在斜板加平板的预热装置热辐射下粉床表面各 点接受的预热热流密度，建立了粉床预热稳态传热物理模型。 采用密度试验的方法，反推出了粉床表面的预热稳态温度场。直 接测量粉床表面的温度存在较大的难度，而在其它工艺参数一定的情 况下，烧结件的密度仅受预热温度的影响，因此进行了不同预热温度 下的烧结试验，将试验结果进行拟合，获得了烧结密度和预热温度的 经验关系式；同时，在所有工艺参数一定的情况下，进行了同一层面 上的密度试验，得到了同一层面的烧结密度分布规律。由同一层面的 密度分布规律，以及烧结密度和预热温度的经验关系式，反推出了粉 床表面的预热稳态温度场。 在已建立的预热传热模型基础上，对粉床预热稳态传热进行了有 限元分析，得到了模拟的粉床表面预热稳态温度场，结果与试验方法 得到的预热温度场较吻合。 l i 浙江工业大学硕士学位论文 基于粉床表面的预热温度场不均匀的状况，从理论上研究了在不 同的预热温度下调整激光能量输入对烧结密度的改善，推导了改善烧 结密度的能量调整公式，并根据试验得到了调整能量密度对烧结密度 改善的经验公式。根据经验公式调整工艺参数，在不同位置烧结强度 试验件下，测试结果表明应用此方法能有效地改善烧结件性能。 关键词：选区激光烧结，预热温度场，烧结密度，能量密度 i l l 浙江工业大学硕士学位论文 s t u d yo fk e yt e c h n o l o g i e so f s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n gp r o c e s s i n g b a s e do nt e m p e r a t u r ef i e l d a b s t r a c t s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ( s l s ) i so n ek i n do fr a p i dp r o t o t y p i n g t e c h n o l o g i e s ，w h i c hs i n t e r sp o w d e r ym a t e r i a ls e l e c t i v e l yt op r o d u c e t h r e e d i m e n s i o n a lm e c h a n i c a lp a r t s d u r i n gt h em a n u f a c t u r i n gp e r i o do f s l s ，t h ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r eo ft h ep o w d e ra n dl a s e re n e r g yi n p u ta l e t w oi m p o r t a n tt e c h n o l o g i e s b e c a u s et h ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r ef i e l do f t h ep o w d e rb e ds u r f a c ei sn mu n i f o r m , t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fp a r t s s i n t e r e di nd i f f e r e n ta r e ai sv e r yd i f f e r e n t s oc a r r y i n go nt h es t u d yo ft h e p r e h e a t i n gt e m p e r a t u r ef i e l da tt h ep o w d e r b e ds u r f a c ep o s s e s s e sr e a l i s t i c i n s t r u c t i o n a ls i g n i f i c a n c e t h ef l u x d e n s i t yo nt h ep o w d e rb e d s u r f a c ef r o mt i l t i n ga n d h o r i z o n t a lr a d i a n tp a n e li se d u c e d ap h y s i c a lm o d e lf o rt h es t e a d y s t a t e p r e h e a t i n gh e a tt r a n s f e ro fp o w d e r b e di se s t a b l i s h e d b a s e do nt r i a l so ft h es i n t e r e dd e n s i t y , t h es t e a d y s t a t ep r e h e a t i n g t e m p e r a t u r ef i e l da tt h ep o w d e rb e ds u r f a c ei sb u i l t t h et e m p e r a t u r eo f p o w d e rb e ds u r f a c ec a n tb ed i r e c t l ym e a s u r e d b u tt h es i n t e r e dd e n s i t y i v 浙江工业大学硕士学位论文 o fp a r t si sm e r e l yd e p e n d e do nt h ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r ew h i l et h eo t h e r p r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa r ei n v a r i a n t s oa c c o r d i n gt ot h et r i a lo f d i f f e r e n t p r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e ，a ne m p i r i c a lf o r m u l ao ft h es i n t e r e dd e n s i t ya n d t h ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r ei se s t a b l i s h e d ；a tt h es a m et i m et h es i n t e r e d d e n s i t yt r i a lo ft h es a m el a y e ri sc a r r i e do u t ，a n dr e g u l a r i t yo fd i s t r i b u t i o n o ft h es i n t e r e dd e n s i t yo ft h es a m el a y e ri sd e t e c t e d c o m b i n i n gw i t h t h e s et w or e s u l t st h es t e a d y s t a t ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r ef i e l do ft h e p o w d e rb e ds u r f a c ei sb u i l t b a s e do nt h ep h y s i c a lm o d e lf o rt h es t e a d y - s t a t ep r e h e a t i n gh e a t t r a n s f e r , t h es t e a d y - s t a t ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r ef i e l do ft h ep o w d e rb e d s u r f a c ei sa n a l y z e db yf i n i t e e l e m e n tm e t h o d t h et e m p e r a t u r ef i e l do f a n a l y s i si si d e n t i c a lw i t ht h e t r i a l sr e s u l t b e c a u s et h ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r ef i e l da tt h ep o w d e rb e ds u r f a c e i sn o tu n i f o r m , i no r d e rt oo b t a i nn i c e rd e n s i t yo fs i n t e r e dp a r t s ，c h a n g i n g l a s e re n e r g yi n p u tu n d e rd i f f e r e n tp r e h e a t i n gt e m p e r a t u r ei ss t u d i e di n t h e o r y ，a n da ne n e r g yd e n s i t yf o r m u l af o ri m p r o v i n gt h es i n t e r e dd e n s i t y i sd e d u c e d a c c o r d i n gt ot h et r i a la ne m p i r i c a lf o r m u l ao fe n e r g yd e n s i t y a d j u s t i n gf o ri m p r o v i n gt h es i n t e r e dd e n s i t yi se s t a b l i s h e d t h ee m p i r i c a l f o r m u l ai su s e dt os i n t e rt h es t r e n g t hp a r t si nd i f f e r e n ta r e a s ，a n dt h e a v a i l a b i l i t yo ft h ef o r m u l ai sv e r i f i e d k e yw o r d s ：s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ( s l s ) ，p r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e ， s i n t e r e dd e n s i t y ，e n e r g yd e n s i t y v 浙江工业大学硕士学位论文 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名： 日期：州缉月 e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密既 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师i 签可yl j ：函【 日期：纠年易月) 日 嗍腓乡月7 日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 快速成型技术概述 第一章绪论 在需求不断向多样化、高质量、高性能、低成本发展的今天，面对日趋激烈 的市场竞争，制造业的经营战略，从5 0 一- 6 0 年代的“规模效益第一和7 0 一- 8 0 年代的“价格竞争第一 转变为9 0 年代以来的“市场响应速度第一 ，时间因 素被提到了首要地位。快速成型技术正是在这种需求下发展起来的，应用快速成 型技术和模具快速制造技术能显著地缩短产品投放市场的周期，降低成本，提高 质量，增强企业的竞争能力。一般而言，产品投放市场的周期由设计( 初步设计 和详细设计) 、试制、试验、征求用户意见、修改定型、正式生产和市场推销等 环节所需的时间组成。由于采用快速成型技术，在产品设计的最初阶段，设计者、 制造者、推销者和用户就能拿到实实在在的样品和小批量生产的产品，因而可以 尽早地、充分地进行评价、测试及反复修改，并且能对制造工艺过程及其所需的 工具、模具、和夹具的设计进行校核，并用相应的快速模具制造方法做出模具， 因此可以大大减少失误和不必要的返工，从而能以最快的速度、最低的成本和最 好的品质将产品投放市场【l 】。 传统制造方法根据零件成型的过程可以分为两大类型：一类是其成型过程中 以材料减少为特征，通过各种方法将零件毛坯上多余材料去除掉( 切削加工，磨 削加工，各种电化学方法等) ，这种方法通常称为材料去除法，如图1 1 ( a ) ； 另外一类是材料的质量在成型过程中基本保持不变，如各种压力成型方法以及各 种铸造方法进行的零件成型，这两种方法是目前制造领域中普通采用的方法，也 是非常成熟的方法，不论是加工精度，还是加工效率，都能满足各种要求。然而， 随着市场日新月异的变化以及产品生命周期的缩短，企业必须重视新产品的不断 开发和研制，才能在竞争日益激烈的市场中立于不败之地。因此在制造领域中发 生了一场变革，这就是快速成型制造技术的出现1 2 训。 美国3 ds y s t e m 公司于1 9 8 6 年生产出了第一台基于材料累加原理的快速成 型机，标志着这种技术的开端。这种成型加工过程中不需要任何传统的专用的辅 浙江工业大学硕士学位论文 助工夹具，成型机完全在管理和控制下，可进行任意零件的加工，不受零件形状、 复杂程度的影响，所以制造的柔性极高，完全符合敏捷制造( a g i l e ) 的思想。 所以，这种技术一出现，就引起了制造业和学术界的极大关注，世界各国投入了 相当可观的人力、物力、财力进行这种制造技术的研究、开发以及成型机的生产 销售。我国自9 0 年代也开始了这方面的研究与开发。 ( a ) 传统加工( b ) 快速成型 图i - i 传统加工与快速成型比较 材料累加制造技术从制造的全过程来看可以描述为离散堆积过程。一个实 体零件，可以认为是由一些具有物质的点、线、面叠加而成的。从c a d 快速模 型中获得这些点、线、面的几何信息( 离散) ，把它与成型参数信息结合，转换 为控制成型机工作的n c 代码，控制材料有规律地、精确地叠加起来( 堆积) ， 从而构成三维实体零件。它与传统制造方法的比较如图1 1 。 快速成型方法自诞生以来，已发展了多种技术，目前比较成熟的快速成型技 术有以下几种【15 】：液态光敏聚合物选择性固化，薄形材料选择性切割，选区激 光烧结，丝状材料选择性熔覆和三维印刷法。 2 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 选区激光烧结成型( s l s ) 技术研究现状和存在的问题 选区激光烧结成型( s e l e c t i v el a s e r s i n t 舐n g 一简记为s l s ) 技术，最初是 在美国德克萨斯大学( u n i v e r s i t yo ft e x a sa ta u s t i n ) 研究成功的。选区激光烧 结成型因其成型材料的多样化( 特别是可成型金属零件) ，所以是目前最有发展 潜力、应用最广泛的成型技术之一。 1 2 1s l s 技术的特点 ( 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较低的任 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，以适应不同 的需要。 ( 2 ) 制造工艺比较简单。过程与零件复杂程度无关，是真正的自由制造， 这是传统制造方法无法比拟的。 ( 3 ) 精度较高。随着使用的材料种类和粒径、产品的几何形状和复杂程度 不同，这种工艺一般能够达到全工件范围内t ( o 0 5 一2 5 ) i n t n 的公差。当粉末粒 径为0 1 m m 以下时，成型后的原型精度可达t x1 。 ( 4 ) 生产周期短。由于该技术是建立在高度集成的基础上，从c a d 设计到 零件的加工完成只需几小时到几十小时，这一特点使其特别适合于新产品的开 发。 选区激光烧结成型技术适合成型中小件，通常无需设计和制作支撑结构。目 前在新产品开剔6 1 、功能零件制造吲、快速模具制造【8 1 、快速精铸【9 】、医学应用【1 0 】 等方面得到了广泛应用。 1 2 2s l s 设备的现状 研究s l s 的有美国的3 ds y s t e m s 公司，德国的e o s 公司，国内的主要有北京 隆源公司、华中科技大学、华北工学院和南京航空航天大学等。 3 ds y s t e m s 公司的主打产品s i n t e r s t a t i o nh i q 系列产品采用的智能温控系统 提高了成型质量并因此减少了后处理所需时间，同时提高了材料的利用率。另外 s i n t e r s t a t i o nh s 系列产品的激光器为l o o w ，加之高速的激光传输系统成型速度是 3 浙江工业大学硕士学位论文 s i n t e r s t a t i o nh i q 产品的1 8 倍，成型材料可为热塑料粉末、金属粉末、热橡胶粉 末和高分子复合粉末等【1 1 】。e ll 一2 是s i n t e r s t a t i o nh i q + h s 成型机外观图。目前推 出的s i n t e r s t a t i o np r o 系列扫描速度为1 0 m s ，最大成型空间为5 5 0 m m x5 5 0m m x 7 5 0 m ，精度可达o 1 m m 。 图1 - 2s i n t e r s t a t i o nh i q + h s 成型机外观 e o s 公司于1 9 9 1 年开始推出塑料烧结设备。3 ds y s t e m s 公司的同一烧结设备 可用于多种材料烧结，而e o s 公司针对不同材料开发了不同设备，主要分为塑料 烧结设备e s o i n tp 系列、直接金属激光烧结设备e s o i n tm 2 5 0 x t e n d e d 和砂模烧 结设备e s o i n ts 。其中e s o i n tp 7 0 0 拥有两个基本构造完全一样的激光扫描系 统，这提高了成型室的水平截面尺寸，使成型空间达到了7 0 0 m m 3 8 0 m m 3 8 0 m m ，能够适用于大多数汽车零件的生产，特别是与发动机有关的零件，如汽 缸等【1 2 】。 国内的北京隆源公司继推出了a f s 一3 0 0 成型机以后，目前主打产品a f s 一 3 2 0 、a f s 4 5 0 成型机的成型速度快，可成型塑料件、蜡模、树脂砂。其中a f s 一3 2 0 成型机的主机和电控柜为可拆分结构，一次成型尺寸可达3 2 0 m i n x3 2 0 r a m 4 4 0 m m ，a f s 4 5 0 成型机主机采用紧凑型结构，电控单元采用新结构设计， 与成型室合为一体，并采用外挂式操作显示平台，一次成型尺寸可达4 5 0 m m x 4 5 0 m i n x5 0 0 m m 1 1 1 。 华中科技大学开发出m 心s i 型成型机，用于铸造中砂型，h r p s 型成 型机用于高分子粉末成型。目前主打产品为m 强s i ia 、h r p s 一a 、h r p s 一a ，最大成型空间可达5 0 0 m i n x5 0 0 m i n x 4 0 0 r a m ，激光最大扫描速度可达 4 浙江工业大学硕士学位论文 4 m s ，可用的粉末材料多样化，如多种高分子粉末、金属粉末、陶瓷粉末和覆膜 砂掣1 。 为了提高s l s 快速成型机的效率，华北工学院提出可以用变长线扫描来取代 点扫描【1 3 】。其光束变形和线束变长单元中的扩束透镜在扫描镜的协助下，使激 光器发出的光束扩大并准直，然后进入由一对圆柱形透镜组成的转换系统，此系 统将环形光束转换成长而狭的光束。该光束在两个呈彼此正交位置的扫描镜的作 用下进行x 和y 方向的扫描。光束的长度可通过调节负圆柱透镜的焦长，或借助 移动两个位于粉材表面上的反射板来实现。这种变长线扫描的成型效率比点扫描 快好几倍。 1 2 3s l s 材料的应用 目前，s l s 材料主要有尼龙、蜡粉、塑料粉、金属或陶瓷的包衣粉( 或与聚 合物的混合物) 等【1 4 】。 从理论上说，任何热塑性粉末均可采用s l s 技术成型任何复杂形状的制件。 常见的有： ( 1 ) 尼龙( p a ) 。尼龙材料可用s l s 方法被制成功能零件。目前3 d 公司商 业化广泛使用的有5 种材料：标准的d t m 尼龙( s t a n d a r d n y l o n ) ，被用来制作 具有良好耐热性能和耐蚀性的模型；d t m 精细尼龙( d u r a f o r mg f ) ，不仅具 有与尼龙相同的性能，还提高了制件的尺寸精度、降低表面粗糙度，能制造微小 特征，适合概念型和测试型制造；d t m 医用级的精细尼龙( f i n en y l o nm e d i c a l g r a d e ) ，能通过高温蒸压被蒸汽消毒5 个循环；原型复合材料( p r o t o f o r m t m c o m p o s i t e ) ，是d u r a f o r mg f 经玻璃强化的一种改性材料，与未被强化的尼龙相 比，它具有更好的加工性能，表面粗糙度r a = 4um - - 5bm ，尺寸公差0 2 5 m m ，且 提高了耐热性和耐腐蚀性。( 垦) d u r a f o r mp a ，系新一代复合粉末，用其生产的热 塑性塑料制品具有很好的表面质量和热稳定性，并且能经受住严格的性能测试， 缩短制品的试验、生产周期【1 5 1 。 e o s 公司的新尼龙粉末材料( p a 3 2 0 0 g f ，类似d t m 的d u r a f o r mg f ) 的成 型件可得到较高的精度和很好的表面光洁度【1 6 】。国内的华北工学院在自行研制 的变长线扫描快速成型机上进行了主要成分为尼龙11 和有机玻璃( p m m a ) 的烧 浙江工业大学硕士学位论文 结试验，并在此基础上对有机材料激光烧结成型性能的影响因素进行分析，建立 烧结温度场的数学模型。 ” ( 2 ) 蜡粉。传统的熔模精铸用蜡( 烷烃蜡、脂肪酸蜡等) ，蜡模强度较低， 难以满足精细、复杂结构的铸件要求，且成型精度差，所以原d t m 公司研制了 低熔点高分子蜡的复合材料；华北工学院采用化学合成法，开发了以氧化聚乙烯 为主要成分的复合精铸蜡粉( p c p l ) ，其成型件经过简单的后处理( 清粉、涂 液) 即可达到精铸蜡模的要求。 、 ( 3 ) 聚苯乙烯( p s ) 。聚苯乙烯受热后可熔化、粘结，冷却后可以固化成 型，且该材料吸湿率小，收缩率也较小，其成型件浸树脂后可进一步提高强度； 也可用做消失模铸造用母模，生产金属铸件，但其缺点是必须采用高温燃烧法 ( 3 0 0 0c ) 进行脱模处理，造成环境污染。 ( 4 ) 工程塑料( a b s ) 。与聚苯乙烯同属热塑性材料，其烧结成型性能与 聚苯乙烯相近，只是烧结温度高2 0 0c 左右，但成型件强度较高，所以在国内外 广泛用于快速制造原型及功能件。 ( 5 ) 聚碳酸酯( p c ) 。在s l s 技术发展初期，p c 粉末就被用作s l s 成形 材料，也是研究报道较多的一种高分子激光烧结材剃”】。其成型件强度高、表 面质量好，脱模容易，主要用于制造熔模铸造航空、医疗、汽车工业的金属零件 用的消失模及制作各行业通用的塑料模，但聚碳酸酯价格比聚苯乙烯昂贵。 采用金属粉末进行快速成型是激光快速成型由原型制造到快速直接制造的 趋势【1 81 9 1 ，常用的金属粉末有三种。 ( 1 ) 金属粉末和有机粘结剂的混合体。混合方法有两种t 利用有机树脂包 覆金属材料制得的覆膜金属粉末，这种粉末的制备工艺复杂，但烧结性能好，且 所含树脂比例较小，更有利于后处理；金属与有机树脂的混合粉末，制备较简单， 但烧结性能较差。 ( 2 ) 两种金属粉末的混合体，其中一种熔点较低起粘结剂的作用，低熔点 材料的烧结成型类似于液相烧结，激光能量将复合组分中低熔点的成分熔化，形 成的液相将固相浸润，冷却后低熔点液相凝固将高熔点组分粘结起来。所以，多 元金属粉末中的粘结相大多采用金属等低熔点材料。 ( 3 ) 单一的金属粉末。对单元系烧结，特别是高熔点的金属，在较短的时 6 浙江工业大学硕士学位论文 间内达到熔融温度，需要很大功率的激光器。直接金属烧结成形存在的最大问题 是因组织结构多孔导致制件密度低、机械性能差。 选区激光烧结陶瓷粉末是在陶瓷粉末中加入粘结剂，其覆膜粉末制备工艺与 覆膜金属粉末类似，被包覆的陶瓷可以是a 1 2 0 3 、t i c 和s i c 和等，粘结剂的种类 很多，有金属粘结剂和塑料粘结剂( 包括树脂、聚乙烯蜡、有机玻璃等) ，也可 使用无机粘结剂。华北工学院开发的覆膜陶瓷粉末( c c p i 一聚乙烯蜡、砧2 0 3 、 z r 0 2 ) 已开展了加工服务。覆膜砂采用热固性树脂如酚醛树脂加入锆砂、石英砂 的方法制得。利用激光烧结法，制得原型可直接用做铸造用砂型( 芯) 来制造金 属零件，其中锆砂具有更好的铸造性能，尤其适合具有复杂形状的有色合金铸造 如镁、铝等合金铸趔1 4 】。 1 2 4s l s 技术存在的问题 随着s l s 技术逐步推广应用，人们对它的一些问题也有了比较深入的认识。 目前s l s 技术面临的问题主要表现为工艺相当复杂，工艺参数难以合理制定，烧 结性能较难控制。一般s l s 烧结件机械性能较好，但是对于一些特定区域，由于 工艺条件的限制，制件烧结不充分，使得机械性能较差，不能满足强度要求。因 此对工艺过程的控制成了改善烧结件机械性能的关键。 上述问题从根本上说是因为待烧结的粉末受热不均匀所造成的。在s l s 过程 中，粉末必须被加热到一定的温度才能熔化粘结，而预热和激光扫描是使得粉末 加热到一定温度的两个措施。因此分析并控制预热和激光扫描是保证烧结质量的 重要手段。 s l s 技术是直接采用辐射加热来预热粉末的，因此s l s 过程的预热温度场 分布直接影响烧结成型机制，进而影响烧结质量。虽然国内外学者【2 0 。2 2 1 已采用了 一维、二维和三维模型对烧结过程的温度场进行了数值模拟，但他们的研究都是 假设粉床表面预热温度均匀的。实际上粉床表面的预热是不均匀的，但对预热以 及预热过程中粉床表面的温度场却少有研究。张日升【2 3 】等分析并设计了加热管 和反射罩的预热装置，但并未具体分析这种装置对粉床表面加热均匀性的影响。 华中科技大学的李湘生【2 4 】从理论上推导了辐射传热的热流密度公式，并分析了 影响温度场分布的因素。冯文仙【2 5 1 、丁娟【2 6 1 等针对管式辐射加热装置进行了实 7 浙江工业大学硕士学位论文 验测定和分析，并提出了提高温度场分布均匀性的措施。总体来说，由于s l s 预 热温度场不仅受加热方法、加热装置的影响，还受散热条件和周围环境的影响， 使得预热过程中粉床表面的温度场模拟分析存在较大的难度。 激光扫描过程即粉末烧结过程是s l s 零件制造的最重要部分，国内外对烧结 过程的研究，一般采用非线性非稳态传热模型分析求解，进而指导工艺参数的制 定。但是国内外学者在模拟过程中，往往假定初始条件即粉床表面初始温度是均 匀的【2 7 。2 9 1 。实际上由于粉床表面温度不均匀，不同位置的零件烧结质量存在较大 差别。因此必须针对粉床表面温度分布不均匀的状况，分析烧结过程，才能合理 制定工艺参数。 1 3 论文研究的目的和意义 从上面关于s l s 技术的发展现状分析发现，尽管s l s 技术发展到今天己经达到 相当高的水平，但是仍然存在很多需要继续研究的问题。 关于预热问题，预热的温度高低直接影响制件的烧结程度【3 0 1 。由于表层粉 末预热温度不均匀，在加工时，如果某一局部区域的材料预热温度较高，激光扫 描后，该局部扫描区域的温度升高较多，那么这个局部区域的烧结程度就较好； 而某些区域的预热温度较低，在用同样的工艺参数加工时，这部分区域的烧结件 往往不充分，烧结件性能差【3 1 1 。所以分析粉床表面的预热温度场，是有针对性 的制定加工工艺参数的基础。 关于激光烧结时的能量输入问题，激光能量输入是由工艺参数决定的。合理 地制定加工工艺参数，是零件烧结质量的保证。由于粉床表面新铺粉层的预热温 度不均匀，当使用同一组加工参数时，必然导致预热温度较低区域的零件烧结致 密度低、强度低。而在预热温度变化较剧烈的区域，会导致零件形状精度差、翘 曲严重。因此根据各区域预热温度的不同，调整工艺参数，将极大的改善烧结件 的机械性能和精度。 在s l s 工艺中，如何减少加工时间是一个很实际的问题。一次成型时间主要 由三部分组成：机器准备时间( 包括预热、铺粉时间等等) ，烧结成型时间( 包 括激光扫描、铺粉等时间) ，冷却时间。其中烧结成型时间是零件整个成型时间 的主要部分，而机器准备时间和冷却时间相对固定。在铺粉层厚确定的情况下， 浙江工业大学硕士学位论文 影响烧结成型时间的主要因素是加工高度即z 方向高度。目前加工时一般将零件 摆放在预热温度良好的区域，而在预热温度较低区域不摆放零件。如果对这部分 区域加以合理利用，那么对于同一批零件来说，即可以减少加工高度。 因此通过本文的研究，不仅可以为合理制定加工工艺参数提供指导，以改善 烧结件机械性能，而且为进步的工艺研究、提高工艺水平打下基础。同时可以 为预热装置及相关附属部件的设计提供参考。 1 4 论文研究的主要内容 本文基于粉床表面的预热温度场展开研究，主要研究内容如下： ( 1 ) 分析s l s 的预热传热，研究粉床表面的换热，建立粉床预热稳态时的 传热物理模型； ( 2 ) 结合试验研究预热温度对烧结密度影响，并进行同一层面上的密度试 验，由试验结果分析粉床表面的预热温度场； ( 3 ) 在已建立的粉床预热稳态时的传热物理模型基础上，对粉床预热进行 有限元模拟。 ( 4 ) 在粉床表面的温度场研究基础上，从理论上和试验上分析调整激光能 量输入对烧结密度的改善，并结合试验加以验证。 全文章节框架如图1 3 所示。 第二章 s l s 成型工 艺 第三章 s l s 粉床预 热传热分析 第四章 s l s 成型预 热温度场研 究 第五章 s l s 成型中 粉床的激光 能量输入 图1 - 3 论文章节安排结构图 9 浙江工业大学硕士学位论文 第二章s l s 成型工艺 2 1 s l s 工艺基本原理 s l s i 艺的基本思想是基于离散堆积成型的制造方式，实现从三维c a d 模型 到实体零件的转变。如图2 1 所示，利用s l s i 艺制造实体零件的基本过程为： ( a ) 计算机内的虚拟c a d 模型( b ) c a d 模型切片后的轮廓信息 ( c ) 根据轮廓信息制作实体层片 ( d ) 实体快速原型模型 图2 1s l s i 艺基本原理 第一步，在计算机上，实现零件模型的离散过程：首先利用c a d 技术创建 被加工零件的三维实体模型，如图2 1 ( a ) ；然后利用分层软件将三维c a d 模型 分解成一系列的薄片，如图2 1 ( b ) ，每一薄片称为一个切片，每个切片具有一 定的厚度，并包含二维轮廓信息，即每个切片实际上是2 5 维的；再用扫描轨迹 生成软件将切片的轮廓信息转化成激光的扫描轨迹信息。 第二步，在s l s 成型机上( 图2 2 ) ，实现零件的层面制造、堆积成形的过程： 首先在成型缸内将粉末材料铺平，预热之后，在控制系统的控制下，激光束以一 定的扫描速度和功率在铺好的粉层上扫描，被激光扫描过的区域内，粉末烧结成 具有一定厚度的实体结构，未扫过的地方仍然是松散的粉末，这样得到零件的第 浙江工业大学硕士学位论文 一层。当一层截面烧结完成后，供粉活塞上移一定距离，成型活塞下移一定距离， 并铺上一层新的粉末材料，继续下一层的激光扫描烧结，而且新的烧结层与前面 已成形的部分连接在一起，如图2 1 ( c ) 。如此逐层地添加粉末材料、有选择地 烧结堆积，最终生成三维实体模型或零件，如图2 1 ( d ) 。 2 2s l s 工艺过程 图2 2s l s 成型机加工示意图 s l s 成型的材料选择范围很广，所以其成型工艺方法也是多种多样的，但大 体上可分为聚合物产品的成型、无机物与聚合物的混合物成型和无机物产品的成 型。在s l s 成型技术中使用的聚合物材料有两大类，一类是无定形聚合物，另一 类是半结晶聚合物。无定形聚合物粉末经过s l s 烧结成型后虽然收缩率一般较 小，但是很难达到全密度，所以无定型聚合物一般不能直接作为成型功能零件的 s l s 材料使用，只能作为设计检验，熔模铸造模型等使用，或者经过处理后作为 功能零件使用。目前在s l s 成型技术中常用的无定形聚合物材料有p s 、p c 、a b s 等。而半结晶聚合物的s l s 成型可以达到较高的相对密度，所成型的零件具有较 高的机械性能，所以可以用作功能零件成型，目前在s l s 成型技术中使用最多的 半结晶聚合物材料是尼龙。聚合物材料的快速烧结成型是其它几种材料成型的基 浙江工业大学硕士学位论文 础，本文主要研究的是聚合物尼龙材料的烧结工艺。聚合物材料的成型工艺过程 示意如图2 3 所示。 c a d 模型准备 上 s t l 模型的摆放粉末准备 上山 加上上艺参数设置机器预热 i - l l ”， 切片( 离散化) 上 烧结成型 一 n 。一 零件的取出 上 后处理 图2 - 3s l s 工艺过程 ( 1 ) 零件三维c a d 模型准备 目前用于零件造型的软件很多，使用较多的有：p r o e 、u g 、s o l i d w o r k s 、 i d e a s 等。目前的快速成型系统多采用s t l 模型格式，而这些主要的造型软件都 提供s t l 格式的模型输出。通过这些软件生成的模型文件由于本身存在的一些问 题，还需要进行检验和修复【2 4 1 。 ( 2 ) s t l 模型的摆放 c a d 模型输出成s t l 格式后，将输入到加工控制软件中。s t l 模型的摆放方 式对加工件的精度、强度、加工时间和粉末用量都有重要的影响。当一次成型较 多零件时，需要综合考虑成型件的精度、强度与加工时间。一般先摆放大件，再 摆其它小件，零件摆放尽量紧凑，以减少总成型高度，节省a n - r 时间和粉末用量。 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 加工工艺参数设置 加工工艺参数有：激光功率，激光束扫描速度，扫描间距，环境温度，粉层 预热温度，供粉缸的粉末预热温度，铺粉层厚，铺粉滚筒速度等。这些参数的设 置必须根据材料的一些特性结合加工条件来进行仔细的考虑。一般设备制造商对 于一些常用的材料都确定好相应的默认成型工艺，包括所有工艺参数的值。 ( 4 ) 粉末准备 在开机之前应该将所有供粉缸的粉末加满，以避免在加工过程中添加加工件 时出现粉末不足的情况，影响加工过程。 ( 5 ) 机器预热 机器在受热后，温度就要升高，随后要向环境中散热。那么机器中的温度在 开始阶段就难以保持稳定，所以需要一定的预热时间使得机器成型室中的温度达 到稳定。成型室的温度对所加工零件的质量有重要的影响，有时还会影响到加工 过程的顺利进行。一般情况下，机器的预热需要l 2 个小时。当工作时间较紧张 时，可先进行粉末准备和机器预热，在预热等待过程中，进行t l 模型的摆放和 加工工艺参数设置操作。 ( 6 ) 切片 现在的s l 成型机的切片分实时切片和非实时切片。如果是实时切片，那么 切片是与成型过程交替进行的，就不需要一个专门的过程。实时切片对于成型精 度的反馈控制是必要的，但这样一来会占用一定的成型时间。对于非实时切片， 则必须在加工过程开始前完成这个任务。 ( 7 ) 烧结成型 当所有准备工作做好以后，就可以开始零件的成型。在成型前，还必须在成 型缸的底层铺上一定厚度的粉层作为基底，这是为了减少成型零件在底部的散热 速度。在成型过程中，预热装置保持对粉床的加热，使待烧结的粉末保持在较高 的温度上，这可以保证烧结充分，减少烧结件翘曲变形。在零件成型完后，关闭 机器，让零件随机器冷却方可取出。 ( i ) 零件的取出 经过3 5 d , 时的冷却后，打开机器的门盖，将工作活塞升高到工作平面，利 用工具或者专用的附件将粉团从工作台上取出来。粉团取出后，清理工件时要细 1 3 浙江工业大学硕士学位论文 心，因为虽然经过了较长时间的冷却的，但是粉团内部的温度还较高，一些细长 特征容易变形。清理时需要使用软刷和压缩空气去掉工件表面沾粘的多余粉末， 如图2 _ 4 。对于无定形聚合物材料成型的零件必须格外小心，因为零件的强度较 低。 图2 - 4 零件的清理 ( 8 ) 后处理 去掉浮粉的零件可以进行适当的后处理，比如表面打磨，烘干，浸渗石蜡和 强韧化处理等后处理工艺。 2 3 影响s l s 工艺的因素 影响s l s i 艺的因素很多，包括激光参数、烧结环境因素、铺粉参数和材料 性能参数等，见图2 5 。每个工艺参数或者对成型过程中的烧结效率有影响，或 厂激光功率 ，激光参数 扫描间距 l l 激光扫描速度 jr 预热温度 影响s l s 工艺的因素弋 烧结环境t 薹雾竺蓁 l ir 铺粉层厚 l 其它参数 滚筒运动参数 l 材料性能参数 图2 - 5 影响s l s i 艺的因素 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 者对烧结质量有影响【3 2 1 。 2 3 1 激光参数 ( 1 ) 激光功率 激光功率的变化范围与s l s 成型机上激光器的规格有关。一般对用于s l s i 艺的塑料聚合物材料来说，所选用的激光器多为c 0 2 激光器，它的功率在0 5 0 w 之间连续可调。 。激光功率直接影响烧结件密度。在s l s i 艺中，激光的作用是使粉末颗粒经 过熔化、凝固等过程烧结或粘结在一起。激光对塑料聚合物粉末的作用导致三种 结果：受热，温度升高；熔化或软化；分解气化。激光作用所达到的结果 取决于两个因素：粉体的性能，如比热、导热率、对特定波长的吸收率等； 激光参数，如平均功率、能量密度分布、作用时间等。 上面的每一种作用结果可以是独立的，也可以是几种的组合。激光功率调整 的目的是希望激光与材料的相互作用达到第二种结果，同时尽量避免材料的分解 气化，减小热影响范围。 ( 2 ) 扫描间距 扫描间距是指相邻两个扫描矢量之间的距离，它是用来调节烧结平面上的扫 描线密度的量。扫描间距小，则水平方向的分辨率高，但间距过小( 如1 2 烧结 宽度) ，则没有实际意义，反而影响加工效率，加大热应力。扫描间距太大，则 分辨率变差，成型精度低，如果扫描间距大于烧结宽度，则不能烧结。 浙江工业大学硕士学位论文 图2 - 6 粉床的一个烧结单兀 ( 3 ) 扫描速度 在s l s i 艺中，扫描速度和激光功率是一对紧密相关的参数。它们决定了单 位时间内对材料的作用强度。一般扫描速度快必然要求激光功率高，反之，较小 的激光功率只能用较慢的扫描速度。图2 6 是粉床的一个烧结单元，表示了各个 参数对烧结单元的作用。 在调整扫描速度和激光功率时，一般首先要调整扫描速度，因为它直接影响 成型精度、成型效率和热变形。扫描速度慢，则扫描精度高，但成型时间长，扫 描平面内的热不均匀性加大，易于变形，影响成型质量。若扫描速度太快，则扫 描精度恶化，粉末很快冷却，熔化颗粒之间来不及充分润湿和互相扩散、流动， 烧结体内留下大量空隙，导致烧结密度下降较多，仅靠提高激光功率并不能得到 理想的烧结效果。可见，激光功率和扫描速度要合理匹配。 不同的材料，在扫描速度和其他条件相同的情况下所需的激光能量是不同 的，因为粉末的光吸收性、比热、导热率、热扩散性、熔点不同。如果材料的光 吸收性、热扩散系数高，熔点低，在相同的激光能量的作用下，所形成的烧结宽 度和烧结深度就大，所以激光功率的调整必须充分考虑材料特性。 2 3 2 预热温度的不均匀性 烧结坏境包括预热温度、环境温度和保护气氛。保护气氛主要是用于保护成 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 型材料在烧结过程中，免于氧化变性，一般在密封的成型室内充入惰性气体，如 氮气。预热的作用主要有两个，一方面可以节约激光能量，另一方面减少成型过 程中由于受热不均匀产生的变形。 将粉床表面预热，可以使整个烧结平面内的温度梯度减小，这样有利于减小 烧结过程的变形，使各区域的烧结性能趋于一致。一般对于非晶态聚合物，预热 温度设定为稍低于材料的软化点。对于晶体材料，预热温度设定为接近于材料尺 寸变形的温度。精确控制粉床温度略低于材料的尺寸变形温度非常关键，如果粉 床温度超过材料的尺寸变形温度，则粉床非烧结区域的粉末也将变形，使得旧粉 难以回收利用，而当粉床表面粉末热量积聚过多时，甚至可能使粉末板结，导致 s l s 工艺失败；如果粉床温度太低，则容易产生烧结变形，成型过程将变得非常 困难。粉床表面预热温度的均匀性应有一定的要求，而且要求在新的一层粉末铺 好后，尽快将温度升到设定温度。但由于加热装置和散热环境等因素影响，使得 粉床表面预热温度不均匀，进而影响烧结件性能。 对新铺粉层的加热有两个热源