（机械制造及其自动化专业论文）尼龙材料sls快速成型技术研究.pdf

摘要 快速成型( r p ) 技术是近年来倍受学术界和制造业关注的一种先进成型技术，是信 息技术、计算机技术、c a d c a m 、激光技术以及材料科学的技术集成。目前世界上应 用最广的r p 成型方法之一是选区激光烧结( s l s ) 。基于具体的成型系统，丌发新型高 性能材料及其s l s 成型技术、提高成型效率与精度、改善s l s 原型的使用性能以及拓 展s l s 的应用范围，是发展s l s 快速成型技术的重要课题。本文以a f s 3 2 0 m z q 型 s l s 快速成型机为主要试验设备，以开发达到国外同类技术水平的新型高性能尼龙材料 为主要目的，对国产尼龙材料的s l s 快速成型技术进行了较深入的研究。 首先分析了s l s 过程中激光与尼龙材料之问的相互作用；结合传统粉术烧结机理和 热塑性塑料s l s 成型特征，研究了尼龙材料选区激光烧结快速成型机理；重点探时了尼 龙材料s l s 成型的两个难点一收缩和翘曲的产生机制，定性分析了成型收缩的组成、计 算以及收缩与饶缔1 t 艺的关系，阐述了翘曲变形的根本原因、发展趋势，并提出了改善 的措施：全而分析了影响s l s 试验的各种冈索及影响级别。 其次通过比较热塑性塑料与尼龙材料s l s 成型的优缺点，并借鉴国外的最新技术成 果，经过初步试验和分析，开展了试验材料设计和试验方案的研究。试验捌社也辑王1 本 材料和改性材料，主体材料选用国产尼龙1 2 1 2 ：改性材料选用滑石粉、碳酸钙( 轻钙) 、 活化轻钙、活化硅灰石、晶须及尼龙6 6 等。采用物理改性( 机械共混) 和化学改p - ( 共 聚反应) 两种方法配制出试验材料，进行改陛材料的初步研究。选择主要的影响因素漫 汁了试验方案。 最后通过s l s 烧结性能试验，考察试验材料的成型性能。分析和比较了材料改性莉 后成型性能的差别，并探讨了填料的填充改性原理：在物理改性材料中除了添加滑石 粉的3 5 号混合材料，其余材料的改性效果都不太明显，丽且加入填料后，材料的强度 有所下降：改性效果最好的材料是经过化学改性的共聚尼龙。针对共聚尼龙材料，洋细 分析了预热温度、激光功率和扫描速度等参数对其选区激光烧结试验的影u 吼并通过正 交试验考察了各因素对成型质量的单一和综合影响规律，仞步优化了共聚尼龙的s l s 成 型规范，实现了国产尼龙1 2 1 2 材料的三维烧结成型。 关键词：快速成型，选区激光烧结，尼龙，改性，成型性能 a b s t r a c t r a p i dp r o t o t y p i n g ( r p ) i sa l la d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yt h a th a sb e e nd r a w i n g a t t e n t i o no fr e s e a r c h e r sa n dm a n u f a c t u r e si nr e c e n ty e a r s r pi sai n t e g r a t e dp r o c e s so fm a n y t e c h n o l o g i e s ，s u c ha si n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , c o m p u t e rs c i e n c e ，c a d c a m ，l a s e rt e c h n o l o g y m a t e r i a ls c i e n c ea n ds oo n o n eo ft h em o s tw i d e l yu s e dm e t h o d so fr pi nt h ew o r l di 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 ) ，b a s e do nag i v e ns l ss y s t e m ，i ti sa ni m p o r t a n ts u b j e c tf o r d e v e l o p i n gs l st e c h n o l o g yt od e v e l o pn e wh i g h - p e r f o r m a n c em a t e r i a l sa n di t s s l s t e c h n o l o g y , i m p r o v ep r o t o t y p i n ge f f i c i e n c ya n da c c u r a c y , a m e n d i n gt h eu s i n gp r o p e r t i e so f s l sp r o t o t y p i n g ，a n de x t e n dt h eu t i l i z a t i o na r e ao fs l sp r o t o t y p i n g i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，u s i n g a f s 3 2 0 - m z qs l ss y s t e ma st h em a i ne x p e r i m e n te q u i p m e n t ，a i m i n gt od e v e l o pn e w h i g h p e r f o r m a n c ep o l y a m i d e ( p a ) f o rs l sw h i c hh a sr e a c hi n t e r n a t i o n a ll e v e l ，t h es l s t e c h n o l o g y o f i n d i g e n o u s p a m a t e r i a lo f p a l 2 1 2h a sb e e ns t u d i e d i nd e t a i l f i r s t l y , t h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nl a s e ra n dp ad u r i n gt h es l sp r o c e s sa r ea n a l y z e d ，t h e p r o t o t y p i n gm e c h a n i s mo fr a p i dp r o t o t y p i n go fp ad u r i n gt h es l sp r o c e s si ss t u d i e db y c o m b i n i n gw i t ht r a d i t i o n a lp o w d e rs i n t e r i n gm e c h a n i s ma n ds l sf a b r i c a t i o nc h a x a c t e r i z a t i o n o ft h e r m o p l a s t i c t h em e c h a n i s m so fs h r i n k a g ea n dd i s t o r t i o nd u r i n gs l so fp aa r ea l s o d i s c u s s e d c o m p o s i t i o no fs l ss h r i n k a g e ，c o m p u t a t i o n ，a n dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e n s h r i n k a g ea n dp r o c e s sp a r a m e t e r sa r ed i s c u s s e d a f t e rt h ep r i m ec a u s ea n dd e v e l o p i n gt r e n d o fd i s t o r t i o na r ei l l u s t r a t e d ，i t ss o l v i n gm e a s u r e m e n t sa r ep r o p o s e d ，a l lf a c t o r sa f f e c t i n gs l s q u a l i t ya n dt h e i rl e v e l sa r ei n t e n s i v e l ya n a l y z e d s e c o n d l y , c o n s i d e r i n g t h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o fs l sf a b r i c a t i o no f t h e r m o p l a s t i c a n dp a ，m a t e r i a l sa n ds c h e m e st oe x p e r i m e n ta r e d e s i g n e de x p e r i m e n t a l m a t e r i a l sa r ec o m p r i s e do fm a t r i xm a t e r i a l sa n da d d i t i o n a lm a t e r i a l s h o m e m a d ep a1212i s u s e da sm a t r i xm a t e r i a l sa n dt a l c u mp o w d e r , c a l c i u mc a r b o n a t e ( 1 i g h t w e i g h tc a l c i u n l c a r b o n a t e ) ，a c t i v a t e dl i g h t w e i g h tc a l c i u mc a r b o n a t e ，a c t i v a t e dw o l l a s t o n i t e ，c r y s t a l l i t ea n dp a 6 6a r es e l e c t e da sa d d i t i o n a lm a t e r i a l s e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l sa r ec o n f e c t e dt h r o u g ht h e m e t h o d so fp h y s i c a lb l e n d i n ga n dc h e m i c a lm o d i f i c a t i o n ，a n dap r i m a r ys t u d yo nm o d i f i e d m a t e r i a l si sc a r r i e d 。o u t s c h e m e st oe x p e r i m e n ta r ed e s i g n e db yc h o o s i n gt h ep r i m a r y a f f e c t i n gf a c t o r s l a s t l y ，t i r ep r o t o t y p i n gp e r f o r m a n c e so fd e s i g n e dm a t e r i a l sa r es t u d i e dt h r o u g hal o to f s l se x p e r i m e n t sa c c o r d i n gt ot h ed e s i g n e ds c h e m e st oe x p e r i m e n td i f f e r e n c e so fs l s p e r f o r m a n c e so fb e f o r ea n da f t e rm o d i f i c a t i o na r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d ，a n dm o d i f i c a t i o n m e c h a n i s mo ff i l l e r si sd i s c u s s e d f o rt h em a t e r i a l so fp h y s i c a l b l e n d i n g ，e f f e c t so f m o d i f i c a t i o nm a t e r i a l sa r e n to b v i o u se x c e p t3 - 5 ”c o m p o s i t ef i l l i n gw i t ht a l c u mp o w d e r ，a n d t h es t r e n g t h so fm a t e r i a l sf a l ld o w nw i t ht h ea d d i t i o no ff i l l e r s t h eb e s tm o d i f i c a t i o ne t f e c ti s g a i n e db yc h e m i c a lm e t h o dc a l l e da sc o - p o l y m e r i z a t i o n d e t a i l e da n a l y s e sa r ec a r r i e do u to n p r o c e s sp a r a n l e t e r sa f f e c t i n gs l sq u a l i t y , w h i c hi n c l u d ep r e h e a tt e m p e r a t u r e ，l a s e rp o w e ra n d s c a n n i n gs p e e d t h es i n g l ea n ds y n t h e s i z e dr u l e so fe f f e c to f t h o s ep a r a m e t e r so ns l sq u a l i t y a r e s t u d i e d ，a n dt h es l sp a r m n e t e r sc r i t e r i o n so fc o p o l y m e r i z e dp aa r ee l e m e n t a l l y o p t i m i z e dt h r o u g ht h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n g ，s e l e c t i v e l a s e rs i n t e r i n g ，p o l y a m i d e ，m o d i f i c a t i o n ， p r o t o t y p i n gp e r f o r m a n c e v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国工程物理研究院或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 许起 签字日期：幽僻期“f ：= | 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解并接受中国工程物理研究院研究生部有关保存、使用学位 论文的规定，允许论文被查阅、借阅和送交国家有关部门或机构。同时授权中国工程物 理研究院研究生部可以将学位论文全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 学位论文作者签名：j 7 聿皮l 签字日期：莎吖年角“同 导师签名：芝 签字同期：d 蚶月名同 尼龙材料s l s 快述成州技术研究 第一章绪论 2 0 世纪以来，信息技术、生物技术、新材料技术、能源与环境技术、航窄航天技 术和海洋开发技术等六大科学技术的迅猛发展与广泛应用，引领了整个t u ：y 范围内传统 制造业的大发展，引起了整个世界制造业的巨大变革。与此同时，经济全球化趋辨i r 不 断加强，各个领域的技术交流、经贸交流同箍扩大，世界上发生的这些进步、变革，弓发 展使当代制造业的生态环境、产业结构与发展模式等都发生了深刻变化，科学发展观对 制造业提出了新的要求，我国制造业正面临着新的发展机遇与挑战。 当前，制造业呈现如下发展趋势： 1 ) 生产、经营及市场全球化： 2 ) 顾客需求个性化、多样化； 3 ) 产品生命周期缩短，更新换代加速： 4 ) 产品高科技化； 5 ) 市场竞争激烈化。 因此，制造企业要想在2 l 世纪求得生存和发展，就必须面对这一新的形势水断 研究或融合新的技术，并采取灵活多变的管理策略，适时向市场推出满足顾客需求的新 产品，产品创新技术成为提高企业竞争力的关键。面对这一严峻的竞争态势，一1 系列新 的产品开发技术应运而生，如c a d c a m c a e 技术、快速成型( r a p i dp r o t o t y p i n g ，r p ) 技术、逆向工程技术、快速模具技术、虚拟设计技术以及荠行工程等，成为缭短新j 。品 开发周期、提高新产品开发水平的关键使能技术。这些技术的应用对降低j “”v n i 丌发川验 与成本，提高产品开发一次成功率，完善生产模式与管理策略具有重要的推动f 1 削。一l l r 速成型技术在这方面的作用尤为突出，可以明显缩短产品丌发周期，提高产品丌发的成 功率，降低丌发成本和投资风险，因此在发达国家制造企业的产品丌发过程中得到j 迅 速的推广应用，成为支持产品创薪的一项关键使能技术。 i i 快速成型技术概述 现代科学技术的飞速发展，尤其是微电子、计算机、数控技术、激光技术、材制科 学的进步为制造技术的变革与发展创造了6 口所未有的机遇，使得机械制造能够突破传统 的制造模式，发展出一项崭新的制造技术快速成型技术。 尼龙材料s l s 快速成型技术研究 i 1 i 诞生背景 快速成型技术的诞生主要有两方面的原因： 1 ) 市场拉动 市场全球化和用户需求个性化为先进制造技术提出了新的要求【2 】。 随着市场一体化的发展，市场竞争越来越激烈，产品的开发速度成为竞争的主要矛 盾。同时用户需求多样化的趋势日益明显，因此要求产品制造技术有较强的灵活性，在 不增加成本的日u 提下能够以小批量生产甚至单件生产产品。 2 ) 技术推动 新技术的发展为快速成型技术的产生奠定了技术基础。 信息技术、计算机技术的发展、c a d c a m 技术的发展、材料科学的发展一新材料 的出现、激光技术的发展为快速成型技术的产生和发展奠定了技术基础。 快速成型技术就是在这样的社会背景下，在8 0 年代后期产生于美国，并迅速扩展 到欧洲和日本。由于r p 技术的成型原理突破了传统加工中的塑性成形( 如锻、冲、拉伸、 铸、注塑加工等) 和切削成形的工艺方法，可以在没有工装夹具或模具的条件下，迅速 制造出任意复杂形状又具有定功能的三维实体原型或零件，因此被认为是近二十年来 制造技术领域的一次重大突破p j 。 1 1 2 基本原理与特征 快速成型技术是一种将原型( 或零件、部件) 的几何形状、结构和所选材料的组合 信息建立数字化描述模型。之后把这些信息输出到计算机控制的机电集成制造系统进行 图1 1 快速成型技术原理图 尼龙材料s l s 快速成型技术研究 材料的“添加”加工1 4 】，通过逐点、逐线、逐面进行材料的三维堆砌成型，再经过必要 的处理，使其在外观、强度和性能等方面达到设计要求，实现快速、准确地制造原型或 实际零件、部件的现代化方法。其技术原理如图1 1 所示。 快速成型技术的特征为： ( 1 ) 可以制造出任意复杂的三维几何实体； ( 2 ) c a d 模型直接驱动； ( 3 ) 成形设备无需专用夹具或工具； ( 4 ) 成形过程中无人干预或较少干预： 快速成型技术的优势”3 ： ( 1 ) 响应速度快。与传统的加工技术相比，r p 技术实现了c a d 模型直接驱动， 成形时间短。从产品c a d 或从实体反求获得数据到制成原型，一般只需要几小时至几 十个小时，速度比传统成型加工方法快得多。这项技术尤其适于新产品的丌发，适合 小批量、复杂( 如凹槽、凸肩和空心、嵌套等) 、异形产品的直接生产而不受产品形状 复杂程度的限制。还改善了设计过程中的人机交流，使产品设计和模具生产并行，从而 缩短了产品设计、开发的周期，加快了产品更新换代的速度，大大地降低了新产品的开 发成本和企业研制新产品的风险。 ( 2 ) 加工柔性高。r p 技术将复杂的三维加工技术分解成简单的二维加工的组合， 制造工艺大大简化。因此，从理论上讲r p 技术可以制造任意复杂形状的原型产品。从 这个角度来讲，r p 技术属于自由成型制造。其含义有两点，一是指可以根据脬掣或零 件的形状，无需使用工具、模具，而自由地成型：二是指不受形状复杂程度的限制，能 够制造任意复杂形状与结构、不同材料复合的原型或零件。 ( 3 ) 节能、环保、绿色制造。r p 技术属于环保型技术，能源和原材料的利用率 高，从理论上讲，原料利用率可达1 0 0 ，而且产生的噪音小，环境污染少。 1 1 3 快速成型技术的分类 r p 技术的具体工艺不下3 0 余种。根据其应用情况和商品化程度，最为典型的快速 成型技术有以下四种。 1 ) 光固化成形( s t e r e ol i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ，s l a l 光固化成形的原理是：将激光聚焦到液态光固化材料( 如光固化树脂) 表商、令其有 规律地固化，由点到线到面、完成一个层面的建造，而后升降平台移动一个层片厚度的 距离，重新覆盖一层液态材料，再建造一个层面，由此层层迭加成为一个三维实体。其 工艺原理如图1 2 所示。 尼龙材料s l s 快速成删技术研究 圈1 2s l a 工艺原理图 2 ) 分层实体制造( l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ，l o m ) 该技术采用激光或刀具对箔材进行切割。首先切割出工艺边框和原型的边缘轮廓 线，而后将不属于原型的材料切割成网格状。通过升降平台的移动和箔材的送给“j 以切 割出新的层片并将其与先前的层片粘结在一起。这样层层迭加后得到一个块：汰物，最后 将不属于原型的材料小块剥除，就获得所需的三维实体。其工艺原理如图1 _ 3 所；- j i 。这 里所说的箔材可以是涂覆纸( 涂有粘结剂覆层的纸) ，涂覆陶瓷箔、金属箔或其他材质基 的箔材。 3 ) 选区激光烧结( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ，s l s ) 此技术采用激光对有很好密实度和平整度的粉末铺成的层面，有选择地直接或恻接 将粉末熔化或粘结，形成个层面，铺粉压实，再熔结或粘结成另一层并与前一层熔接 或粘结，如此层层叠加为一个三维实体。所谓直接熔结是将粉术直接熔化面连接：删接 尼龙材料s l s 快迷成型技术研究 熔结是指仅熔化粉末表面的粘结涂层，以达到互相粘结的目的。粘结则是指将粉术采用 粘结剂粘结。其工艺原理如图1 4 所示。这里的粉末材料主要有蜡、聚碳酸脂、水洗砂 等非金属粉以及金属粉如铁，钴，铬以及它们的合金。 图1 4s l s 工艺原理图 4 ) 熔融沉积制造( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ，f d m ) f d m 是指将热熔性材料( a b s 、尼龙或蜡) 通过加热器熔化，挤压喷出并堆积一个层 面，然后将第二个层酝用同样的方法建造出柬，并与的一个层面粘结在一起如此层层 堆积而获得一个三维实体。其工艺原理如图l5 所示。 图1 , 5f d m 工艺原理图 1 1 4 快速成型技术的应用概况 根据不同的应用场合和需求，快速成型技术主要有4 种层次的应用： 用于概念设计的原型。这种原型对精度和物理化学特性要求不高，主要要求成型 速度快，精度适中，设备小巧，运行可靠、清洁、无噪音，操作方便。 尼龙材料s l s 快述成，i l ! 技术研究 用于功能测试的原型。此原型对强度、刚度、耐温性、抗腐蚀性有定的，耍求， 以满足测试要求：如果用于装配测试，则对材料成形的精度还有定要求。 用于制造模具或其原型。模具原型要求材料适应特定模具的制造要求，如列于消 失模铸造用原型，要求材料易于去除。 用于制造功能零件 6 - 1 4 】。功能零件则要求材料具有较好的力学性能和化学性能。 从r p 技术的发展历程来看，最初主要应用于原型制造，随着研究的深入，现在很 多研究者都致力于研究快速制造金属零件。国际统计资料表明，原型中的三分之被用 来作为可视化的手段，用于评估设计、协助设计模具，沟通设i + 者与制造商及1 程投标： 四分之一被用来进行装配和性能测试；四分之一以上用于协助完成模具制造。 目前，快速成型技术在模具、家用电器、汽车、航空航天、军工制造、材剃i 程、 玩具、轻工产品、工业造型、建筑模型、医疗器械、人体器官模型、生物材料组织、考 古、电影制作等领域都得到了广泛的应用。快速成型技术是目前先进制造技术中发展最 为迅速的种，在短短一、二十年的时问已经由最初的原理研究发展到大规模实际生产 应用。目前已有1 0 多种比较成熟的工艺方法用于原型零件的制造。r p 技术在产品丌 发中的关键作用和重要意义在实际应用中得到了很好的印证，不受形状或结构复杂程度 的限制，可以迅速地将示于计算机屏幕上的设计变为可迸一步评估的实物。根据原型， 可对设计的f 确性、造型合理性、可装配性和干涉，进行具体的检验。对形状较复杂而 贵重的零件( 如模具) ，如果直接依据c a d 模型不经原型阶段就进行加工制造这种简 化的做法风险极大，往往需要多次反复才能成功，不仅延误开发的进度，而且往往需花 费更多的资金。通过原型的检验可将此种风险减到最低的限度。一般来况，采用快速产 品开发( q r p m ) 技术i l ”，可减少产品开发成本3 0 7 0 ，减少开发时间5 0 。如 开发光学照相机体采用r p 技术仅需3 5 天( 从c a d 建模到原型制作) ，成本5 0 0 0 马 克，而传统的方法则至少需要一个月，成本3 万马克。在快速模具制造方商，目前主要 有r p 间接制模和r p 直接制模两种。用r p 原型闻接制模是通过快速制造系统发计、 制造出各种复杂的原型件，根据原型样件，采用传统模具制造方法快速复制模具。这种 间接制模工艺己基本成熟，一般可使模具制造成本和周期减少1 2 ，明显提高了当：产。率， 常用于制备铸造熔模、硅橡胶模和环氧树脂模等【1 6 。采用r p 技术直接制模是将模具 c a d 的结果由r p 系统直接制造成型，即快速工模具( r a p i d t o o l i n g ，r t ) 技术。快速工 模具是快速成型制造技术应用的重要方面。原型的快速设计和自动制造保证了、 0 0 快 速制造：无需数控铣削，无需电火花加：l 无需任何专用工装和央具，直接根据螈型：街 复杂的工具和型腔制造出来，是当今r t 技术的最大优势。 尼龙材料s l s 快速成型技术研究 1 2 选区激光烧结快速成型技术 1 2 1 选区激光烧结技术特征 选区激光烧结技术造型速度快，一般制品仅需l 2 天即可完成。与其它r p 技术 相比，s l s 最显著的特征是【4 j ： 材料适用范围广。从原理上谎，这种方法可采用任何能与激光相互作用的粉术材 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。 加工柔性商，有自然支撑。选区激光烧结技术可以直接制造任意复杂形状的原 型、型模三维构件或部件及工具，能广泛适应设计和变化等。 运行成本较低，材料重复利用率高，未烧结粉末可重复使用。 1 2 2 选区激光烧结工艺过程 s l s 工艺的基本思想是基于离散一堆积成形的制造方式，实现从三维c a d 模型到 实体零件的转变。如图1 6 所示，利用s l s 工艺制造实体零件的基本过程包括c a d 模 型的建立及分层处理、烧结过程以及后处理等部分。 图1 6s l s 工艺制造实体零件的基本过程 l 、c a d 模型的建立及分层处理 这一阶段的作用是在计算机上实现零件模型的三维造型和数据处理过程。对于一个 给定的零件，首先要建立被加工零件的三维实体模型：经过c a d 软件的s t l 文件格式的 圆 囤 习 、ij一 、fli，l， + 尼龙材料s l s 快迷成型技术研究 输出，然后利用分层软件对零件的c a d 模型进行分层切片，把三维实体分解成一系列二 维平面的薄片，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；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。 2 ) 烧结过程 这一阶段是实现零件的层面制造、堆积成形的过程。每一层烧结开始前，成型缸先 下降一个层厚的高度，而供料缸则上升一个高度。粉末由供料缸顶起，辊简水平铺粉， 由于辊筒与粉末之间的摩擦力以及粉末与粉末之间的作用，粉末被推送到成型缸。辊筒 水平运动的同时，还伴有滚轮的一个逆向转动，在成型缸内将粉末材料压实、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目 新的烧结层与前面已成形的部分连接在一起。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。 3 1 后处理 全部烧结完成后，都要做一些后处理工作，如去掉多余的粉末，再进行打磨、烘二f 等处理以便获得原型或零件。采用塑料材料制成的原型零件一般用来作为功能性零件或 样品试件，其机械性能如强度等要求不是很高，因此只需要对其外观进行一些简单的处 理，如打磨、有机物微溶，去除零件表面明显的层面痕迹等。 1 2 3 国内外研究现状 快速成型技术是一种用材料逐点或逐层堆积出制件的制造方法。早在l8 9 2 年，美 国人b l a n t h e r 就获得了用分层方法制作三维地图模型的专利，可以说是近代分层制造方 法的开端。1 9 7 9 年，东京大学的中川威雄教授发明叠层模型造型法，利用分层技术制 造了金属冲裁模、成型模和注塑模川。到了7 0 年代术和8 0 年代初期，美国3 m 公司的 a l a nj h e b e r t ( 1 9 7 8 ) 、日本的小玉秀男( 1 9 8 0 ) 、美国u v p 公司的c h a r l e sw h u l l ( 1 9 8 2 ) 和日本的丸谷洋二( 1 9 8 3 ) 分别提出了r p 的概念，即利用连续层的选区固化产生三维 实体的新思想。c h a r l e sw h u l l 完成了光固化成形( s t e r e ol i t h o g r a p h y ，s l a ) 的究整系 统s l a 1 ，并于1 9 8 6 年获得专利，这是r p 技术发展的一个里程碑。与此同时，其它 的成型原理及相应的成型机也相继开发成功。19 8 4 年m i c h a e lf e y g i n 提出了分层实体制 造( l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ，l o m ) 的方法，次年组建了h e l i s y s 公司，于1 9 9 0 年开发了第一台商业机型l o m 1 0 1 5 。1 9 8 6 年美国t e x a s 大学的研究生c d e c k a r d 提出 了选区激光烧结( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ，s l s ) 的思想并成立了d t m 公司，于1 9 9 2 尼龙材料s l s 快述成型技术研究 年开发了基于s l s 的商业成型机。随后，德国e o s 公司和国内的北京隆源自动成型系 统有限公司也分别推出了各自的s l s 工艺成型机：e o s i n t 系列和a f s 系列。 对于热塑性塑料的选区激光烧结成型，由于其强度较低，以及成型精度等方面的局 限性，热塑性塑料大部分只能用来制作概念设计的原型；而尼龙材料由于具有较好的机 械性能，其制作的原型可以直接作为功能结构件使用，因此可以取代塑料，甚至部分要 求不高的金属零件。d t m 公司在其快速成型机销售不久，于1 9 9 3 年推出了其第一科t 用于 s l s 的尼龙材料。随后对这种尼龙进行了改进，开发了适于s l s 的纤细尼龙( f i n e n y l o n ) ，以及最新的d u r a f o r mp a ( p o l y a m i d e ) i d u r a f o r mg f ( g l a s s f i l l e dn y l o n 9 “、7 。 这两种材料为用户制造工程化的热塑性功能模型提供了一条直接而且有效的途径。 d u r a f o r m 材料制作的模型具有极好的表面质量，d u r a f o r mp a 模型的成型表面扫描时精 度为8 5um ，成型后可达1 3 “m ；d u r a f o r mg f 模型的成型表面扫描时精度为6 2um ， 成型后可达1 0 “m ：模型的特征和细节都很鲜明，这是因为尼龙的熔点固定，原型的边 界很清晰；模型可以进行机械加工、焊接，使用粘结剂粘结或直接进行机械式连接都很 容易；模型还具有高的稳定性和好的利磨性，可以经受包括严格的功能测试、装配试验 在内的一系列测试，直接用作原型和零件，还可以用作具有较高强度的砂型铸造的型芯 和硅胶工模具制造的模具。1 9 9 8 年d t m 公司丌发了一种金属一塑料材料【l ”，用它来制造 工模具，与其它普通的塑料相比，例如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、a b s 塑料等，制造 同样的产品可以大大缩短生产运行的时间。这就是铜尼龙( c o p p e r p o l y a m i d e ) 混合材料， 这种材料具有较高的耐热性能。使用此种材料制作的注塑模在注塑n y l o n6 t 22 】时，温度 可达2 8 5 。由它制造的模具和零件还可以进行机械加工，并可用湿砂纸进行打磨，其 热传导系数和耐热性能比绝大部分的热塑性材料都要好，同时还使生产个零件的周期 接近注塑过程所耗的时间成为可能，因此节省了开发设计模具的时间，提高了生产率。 f i n ep o l y a r n i d e p a 2 2 0 0 和g l a s s f i l l e d f i n e p o l y a m i d e p a3 2 0 0 g f 尼龙粉末耻副是德国e o s 公司针对它们的s l s 快速成型设备e o s i n t - p 系列开发的专用成型材料。p a 2 2 0 0 的抗拉 强度为4 5 3 m p a ，最大伸长率为2 0 5 ，洛氏硬度可达8 7 h r b 。其典型应用是经过高 精加工抛光后处理的功能原型。p a3 2 0 0g f 的拉仲模量可达3 2 0 0 2 0 0 m p a ，抗拉强度为 4 8 3 m p a ，最大伸长率为6 3 ，弯曲模量可达2 1 0 0 1 5 0 m p a ，用它制造的零件具有 高精度、极好的表面质量和机械加工性能，主要用于制作壳体和热应力零件。 目前，在我国投入商业化应用的选区激光烧结原材料仍然是热塑性塑料粉末，而在 国外尼龙材料已大量应用于汽车等许多行业。尼龙属全密度型材料，制造出来的原型强 度高，具有弹性且耐劳，适合紧迫装配及多方面的功能测试，如吹风机外壳在高温下的 运行测试、冲击及坠落测试等。与热塑性塑料相比，尼龙材料具有许多优点：首先是优 良的机械性能，强度高、韧性好，其s l s 原型强度可达5 0 m p a 7 0 m p a ，可直接作为结 构件使用，而热塑性塑料s l s 原型强度低于1 0 m p a ，只能制作评估原型，其产品尚不能 尼龙材料s i 。s 快速成型技术研究 用于工程实际，使选区激光烧结成型技术在我国受到了很大的限制；其次是尼龙材料为 晶态高分子聚合物，具有固定的熔点，在激光作用下，烧结区域因熔化、凝固而形成致 密的实体，因而其s l s 原型致密度好，只有很少的气孔，而热塑性塑料为非晶念高分子 聚合物，没有固定的熔点，烧结区域只是因激光作用软化而粘接在一起，因而其s l s 原 型致密度很低，内部既有大而连续的气孔，又有许多小而密集的气孔；最后是尼龙材料 s l s 原型后处理十分方便，由于尼龙材料有固定的熔点，因而原型边界清晰，用压缩空 气即可将原型附近的粉末吹掉，而且由于致密度高而不需要渗树脂处理。然而，尼龙粉 末材料的烧结变形很大，特别对预热湿度十分敏感，预热温度适应范围窄，其烧结成型 难度较大，国内目前尚未实现s l s 专用尼龙材料的商品化，还处于实验室研究阶段。 1 3 课题来源、目的和意义 课题来源于中国工程物理研究院机械制造工艺研究所正在进行的研究项目“基于激 光快速原型的快捷制造技术研究”。 该研究项目的目标是研究快捷制造技术，即利用激光快速成型技术，并与其它先进 制造技术相结合，形成具有一定工程价值的高效生产技术，大幅度缩短试验件制造周期， 为科研和产品研制提供多种快速制造方法，主要包括：金属零件直接激光快速成型、激 光快速精密原型、快速精密铸造和快速模具制造。对于s l s 制造的精密原型，国内一 般都是使用热塑性塑料粉末，尽管热塑性塑料粉末成型技术比较成熟，成型比较容易， 但由于热塑性塑料粉末自身材料性能的限制，其制作的原型强度特别低，不能满足功能 测试、装配测试和工程实际应用的要求。因此必须选用和设计具有更好性能并适合s l s 技术的成型材料一尼龙材料，其原型或零件的性能远远超过热塑性塑料粉朱，并可以替 代部分金属零件作为结构件使用。 尽管德国e o s 公司的p a 2 2 0 0 尼龙粉末的烧结成型性能好，烧结变形小，成型精度 高。但是，由于其价格昂贵，每千克要卖1 6 0 美元，因而成本很高；而且，因为它是 e o s i n t _ p 型s l s 设备的专用成型材料，这都限制了它的应用。国产p a l 2 1 2 的强度和 其它各项性能与国外同类材料相当，但价格却很低，每千克只需人民币1 6 0 元，性价比 极高。虽然存在一定的烧结变形，成型精度电较差，但初步研究结果表明：国产p a l 2 1 2 材料能够适合于s l s 快速成型，而且其成型性能有进一步提升空间。但是，其成型性 能需深入研究，特别是对于烧结变形的控制，必须进行大幅改善才能实用化。本文拟采 用具有较高强度和韧性的国产p a l 2 1 2 材料，通过对原材料进行改性处理，改善其s l s 成型性能，力争取代国外同类材料，降低原材料成本。 本项目研究成果能大幅度提高s l s 原型的内部质量、力学性能和成型精度，突破 热塑性塑料s l s 快速成型的局限性，为直接快速制造非金属材料工程结构件奠定了技 尼龙材料s l s 快速成型技术研究 术基础，从而有助于突破目前快速成型技术的实用化瓶颈推动该项技术的工程实用化 进程，具有迫切的现实意义。研究成果还有助于开发出适合s l s 快速成型的既能克服 热塑性塑料缺点又能替代国外同类高性能材料的专用尼龙材料。 1 4 论文研究的主要内容 由于热塑性塑料粉末自身材料性能的限制，金属粉末的s l s 直接成型技术还不成 熟，因此在选区激光烧结技术的工程实用化方面还存在不少困难。论文首先选择合适的 国产尼龙材料作为选区激光烧结的烧结材料，并对其进行物理共混改性和化学改性，配 制出试验材料；然后，通过s l s 试验，分析和比较改性前后材料成型性能的差别，初 步研究改性对尼龙材料成型的影响；最后，对改性效果较好的试验材料作进一步的研究， 详细分析了影响其选区激光烧结试验的工艺参数，并采用正交试验方法得到最优试验方 案。主要研究内容有： 研究尼龙材料选区激光烧结过程中的物理现象及其成型机理。首先分析激光与尼 龙材料之间的相互作用；然后阐述了尼龙材料选区激光烧结快速成型的烧结机理，并与 传统的粉末烧结理论相比较；其次研究s l s 快速成型工艺过程中的收缩和翘曲变形： 最后，全面分析了影响s l s 试验的各种因素。 主要进行试验材料的配制和试验方案设计。试验材料包括主体材料和填充材料， 首先选择适合的主体材料，然后针对主体材料的sls成型特点，进行政性材料的,sls 初步研究。最后，针对影响s l s 试验因素较多的特点，采用正交试验方法，选择主要 的影响因素设计了合适的试验方案。 按照已设计的试验方案，将配制的试验材料分别进行s l s 性能试验，考察其烧 结性能和烧结质量。对经过填充和共聚改性的尼龙材料，分析和比较改性前后材料成型 的差别，初步研究了填料的填充改性原理。然后对成型性能较好的共聚改性材料，详细 分析了影响其s l s 试验的工艺参数，并通过讵交试验方法优化这种材料的s l s 成型规 范。 尼龙材料s l s 快速成型技术研究 第二章尼龙材料的s l s 成型机理研究 选区激光烧结快速成型工艺研究的目的是探索如何能够制造出高质量的原型零件， 本章研究尼龙材料选区激光烧结的成型过程、成型机理及其成型的难点，并全面分析了 影响s l s 成型的各种因素。 2 1 激光与尼龙材料的相互作用 在激光与材料相互作用过程中，材料吸收激光获得的能量取决于激光的波长、能量 密度和材料的本质以及作用时间等，其吸收的能量可以转换成其它能量形式，如热能、 电能、化学能、不同