第四章_选择性激光烧结成型工艺

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技术，选择性激光烧结技术(SelectiveLaserSintering，SLS )又称选区激光烧结技术， 该方法最初由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年提交，成立了DTM公司，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领域进行了许多研究，取得了丰富的成果。 德国的EOS公司在这个领域也进行了很多研究，开发了相应的成形设备。 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就和系列商品化设备。 SLS工艺是利用粉末材料(金属粉末或非金属粉末)通过激光照射烧结的原理，在计算机控制下层叠成形。 SLS的原理与SLA很相似，主要差异在于所用材料及其性状不同。 SLA使用的是液态的紫外线感受性凝固树脂，SLS使用的是粉状的材料。 第四章选择性激光烧结成形工艺，第一章，选择性激光烧结工艺的基本原理和特点，第二章，第三章，选择性激光烧结工艺，第四章，高分子粉末烧结部件的后处理，第六章，选择性激光烧结快速成形材料和设备，第四章，选择性激光烧结成形工艺，第五章， 选择性激光烧结工艺参数选择性激光烧结加工工艺包括：将粉末材料层排列在由粉末辊成形的部件的上表面，加热至比该粉末烧结点恰好低的温度，使激光束沿着该层的截面轮廓在粉末层上扫描，使粉末的温度上升至熔点，进行烧结，然后进行下一次成形的部分一层断面烧结后，工作台降低一层厚度，垫辊又在上面铺上均匀致密的粉末，进行新的一层断面烧结，这样重复，直到整个模型完成。 在成型过程中，未烧结粉末对模型腔和悬臂部分发挥支撑作用，不必像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的原理，1 .选择性激光烧结工艺的基本原理，实体的构筑完成，原型部分充分冷却后，粉末块上升到初始位置，取出其放置在后处理台上，用刷子仔细地将表面的粉末露出加工品部分图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征、不需要能够直接制作金属制品的能够采用多种材料的不需要支承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征， 原型表面粗糙烧结工艺发出异味时需要比较复杂的辅助工艺第1节选择性激光烧结工艺的基本原理和特征、1、选择性激光烧结工艺的基本原理和特征、2、3、选择性激光烧结工艺、4、高分子粉末烧结部件的后处理、6、6、选择性激光烧结快速成形第4章选择性激光烧结成形工艺，5，选择性激光烧结工艺参数，第2节选择性激光烧结材料和设备，SLS工艺材料的适应面广，不仅塑料零件，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件。 特别是能够直接制造金属零件，对SLS工艺有吸引力。 SLS工艺中使用的材料为各种粉末，包括金属、陶瓷、石蜡、聚合物粉末，工艺中一般按粒度大小划分粒度。 SLS工艺采用的粉末粒度一般在50125m之间。表4-1工序中粉体的等级和粒度范围，1 .选择性激光烧结快速成形材料、间接SLS用的复合粉末通常有两种混合形式：将粘合剂粉末与金属或陶瓷粉末以一定比例机械混合而成的金属或陶瓷粉末放入粘合剂稀释液中，制作用粘合剂包复的金属或陶瓷粉末实践表明，用粘合剂包裹粉末的制备虽然复杂，但烧结效果比机械混合粉末好。 近年来，在SLS粉末激光烧结快速成型中开发和应用的材料种类如表4-2所示。 表4-2中常用的SLS工艺材料、第二节选激光烧结材料和设备、表4-3DTM公司开发的部分SLS用成型材料、第二节选激光烧结材料和设备、美国DTM公司开发的粉末材料： DTM公司在SLS领域开发的成型材料种类众多，最具代表性， 将商品化后SLS用成形材料制品示于表4-3，其中一部分高分子材料粉末的具体型号及其指标和性能示于表4-4，一部分金属粉末和树脂砂粉末的物理和力学性能示于表4-5 . 表4-4部分杜仲系粉末材料和性能，第二节选激光烧结的材料和设备，表4-5DTM公司开发的部分金属粉末和树脂砂材料和性能，第二节选激光烧结的材料和设备，第二节选激光烧结的材料和设备，表4-6EOS公司开发的部分粉末材料和性能， 德国EOS公司开发的系列粉末烧结材料：粉末烧结快速成形设备的着名开发人员德国EOS公司也开发了系列粉末烧结材料，其型号和性能等如表4-6所示，表4-7国内各部门开发的SLS用成形材料、第二节选择性激光烧结材料和设备、国内开发的SLS材料：国内几种研究选择性激光烧结(SLS )设备技术的单位有美国DTM公司、3DSystems公司、德国EOS公司、国内北京隆源公司和华中科技大学等。 下图为DTM公司的Sinterstation2500和2500Plus机型，如下图所示。 其中2500Plus机型的成型体积比以往增加了10%，同时通过优化加热系统，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形设备，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和设备，图4-5HRPS-IIIA激光粉末烧结快速成形机，华中科技大学的HRPS-III激光粉末烧结快速成形机硬件和软件有自己的先进特点。第二节选激光烧结的材料和设备、(1)硬面、第二节选激光烧结的材料和设备、(2)软面独自开发的强大的hrps2002软件包括：第二节选激光烧结的材料和设备、第二节选激光烧结的材料和设备、图4-6HRPM-II金属粉末溶解快速成型机； 华中科技大学(武汉滨湖机电技术产业有限公司)开发了金属粉末溶解快速成形系统，目前发布了HRPM-I和HRPM-II两种模式。 该设备能够直接制作出具有各种复杂、微细结构的配件和形状相匹配的冷却水道的注射模、冲模等模具，材料利用率高。 图4-6是HRPM-II金属粉末熔融快速成形机. 表4-8国内外部分选择性激光烧结快速成形设备一览表，第二节选择性激光烧结的材料和设备，1，选择性激光烧结工序的基本原理和特征，2，3，选择性激光烧结工序，4，高分子粉末烧结部件的后处理，6，6，选择性激光烧结快速成形材料和设备，第四章选择性激光烧结成形工序， 5、选择性激光烧结工艺参数、选择性激光烧结工艺中使用的材料一般为石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末及其复合粉末材料。 材料不同，其具体烧结工艺也不同。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的制备工艺同样分为前处理、粉层烧结重叠、后处理三个阶段。 以某铸件在SLS原型HRPS-IVB设备上的制作为例，介绍具体工艺。 第三节选择性激光烧结工艺为： (1)在预处理预处理阶段主要完成模型的三维CAD造型，经STL数据转换输入粉末激光烧结快速原型系统。 右图为某铸件的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，(2)粉层激光烧结重合，图4-8原型方位确定后的加工状态，首先预热成形空间。 PS高分子材料一般需要预热到100左右。 在预热阶段，根据原型结构的特征确定制作方位，确定配置方位后，如下图所示，使状态成为加工状态。 第三节选择性激光烧结工艺，并设定层厚、激光扫描速度和扫描方式、激光功率、烧结间距等建设工艺参数。 成型区域的温度达到规定值后，可以开始制作。 在制作过程中，为了确保产品的烧结质量，减少翘曲变形，必须根据截面变化调整粉体预热的温度。 所有叠层自动烧结叠层结束后，原型需要用成形缸逐渐冷却到40以下，取出原型后处理。 另外，图4-9的某铸件经蜡渗透处理的SLS原型、(3)激光烧结后的PS原型后处理，强度弱，根据使用要求需要进行蜡渗透和树脂渗透等加强处理。 该原型用于熔模铸造，因此浸渍处理蜡。 浸蜡后这个铸件的原型如图所示。 第三节选择性激光烧结工艺，2 .金属零件间烧结工艺在一些广泛应用的快速原型技术方法中，只有SLS工艺可以直接或间接烧结金属粉末制成金属材质的原型或零件。 金属部件的间接烧结工艺中使用的材料是混合了树脂材料的金属粉末材料，SLS工艺主要实现被复在金属粉粒表面的树脂材料的粘接。 其过程如右图所示。 由图可知，整个工艺主要分为SLS原材料(“绿材”)的制作、粉末烧结材料(“茶材”)的制作、3个金属熔渗后处理3个阶段。 基于图4-10SLS工艺的金属零件间接制造工艺，第三节选择性激光烧结工艺，1、试制的关键技术是合理的粉末配比：环氧树脂与金属粉末的比例一般控制在15和13之间。 加工工艺参数的匹配：粉末材料的物性、扫描间隔、扫描层厚、激光功率及扫描速度等。 2、脚本编制关键技术的烧结温度和时间：烧结温度在合理范围内，烧结时间应适当。 3、金属熔渗阶段关键技术选择合适的熔渗材料和工艺：渗透金属低于“褐材”中金属的熔点。 第三节选择性激光烧结工艺、金属部件间烧结工艺的关键技术：将金属铁粉末、环氧树脂粉末、固化剂粉末混合，体积比为67%、16%、17%； 以激光功率40W，以扫描速度170mm/s、扫描间隔0.2mm左右、扫描层厚0.25mm进行了烧结。 后处理二次烧结时，将温度控制在800，保温1h的三次烧结时的温度1080，保温40min； 熔渗铜时温度1120、熔渗时间40min。 成形的金属齿轮部件如图所示。 图4-11金属齿轮部件、第三节选择性激光烧结工艺、金属部件的直接烧结工艺中采用的材料为纯金属粉末，SLS工艺中的激光能量直接烧结金属粉末，使其熔融，实现层叠堆积。 那个程序流程如图所示。 金属零件的直接烧结成形过程明显缩短于间接金属零件的制作过程，不需要间接烧结时的复杂后处理阶段。 但是，为了保证直接烧结过程中金属粉末的直接熔融，需要大功率的激光。因此，直接烧结激光参数的选择，是被烧结金属粉末材料凝固过程和控制烧结成形的关键。 基于图4-12SLS工艺的金属部件直接制造工艺、3 .金属部件直接烧结工艺、第3节选择性激光烧结工艺、4 .陶瓷粉末烧结工艺陶瓷粉末材料选择性激光烧结工艺需要在粉末中添加粘合剂。 目前使用的纯陶瓷粉末原料主要有Al2O3和SiC，粘合剂有无机粘合剂、有机粘合剂和金属粘合剂3种。 材料为陶瓷粉末的情况下，可以直接烧结铸造用的壳形来生产各种铸件，甚至是复杂的金属零件。 陶瓷粉末烧结部件的精度由激光烧结时的精度和之后处理时的精度决定。 在激光烧结过程中，粉末烧结收缩率、烧结时间、光强度、扫描线间距和扫描线间距对陶瓷坯体精度有很大影响。 另外，光点的大小和粉末的粒径直接影响陶瓷部件的精度和表面粗糙度。 后续处理(烧结)时产生的收缩和变形也会影响陶瓷零件的精度。 第三节选择性激光烧结工艺、1、选择性激光烧结工艺的基本原理和特征、2、3、选择性激光烧结工艺、4、高分子粉末烧结部件的后处理、6、6、选择性激光烧结快速成形材料和设备、第四章选择性激光烧结成形工艺、5、选择性激光烧结工艺原型主要用于熔铸消失模时，需要进行蜡渗透处理。 原型零件为了提高强硬性指标，需要进行渗透树脂处理。 以高分子粉末为基础的烧结体的力学性能差，作为原型品，一般将烧结体树脂强化。 树脂涂料中，环氧树脂的收缩率小，可以很好地保持烧结原型材的尺寸精度，提高高分子粉末烧结体的适用范围。影响第4节高分子粉末烧结体的后处理、后处理的主要原因： a )通过未处理的PS原型b )浸透树脂的PS原型图4-14PS材料SLS原型处理前后的截面SEM照片、第4节的高分子粉末烧结体的后处理、截面SEM照片可知，在未处理的烧结体的微粒间除了熔融粘附之外存在很多空隙，进行树脂处理(1)收缩精度的影响，(2)力学性能的影响显示塑料硬度抵抗其他硬物体的压入性能，是材料硬度具有条件性的定量反映。 烧结材料的表面有一定的硬度，浸渍后烧结体的HD从51上升到73左右，硬度得到了显着改善。 冲击性能对复合材料宏观缺陷和微观结构差异敏感。 改善了经树脂处理的烧结体的耐冲击性，耐冲击性约为未处理体的1.92.7倍，在实际组装测试中可以承受高速冲击状态下的抗破坏能力。 未经树脂处理的原烧结部件的最大压力为26.894MPa，经不同环氧树脂系处理的烧结部件的最大压力为47.20767.137MPa。 处理后抗压能力约为以往的1.82.5倍。 树脂处理后，烧结零件受到的拉伸负荷倍增。 在烧结原型部件的粒子间除了熔融粘附以外还存在很多空隙，另外，经树脂处理的烧结体在树脂中填充了很多空隙，提高了烧结体的耐冲击性。 1、选择性激光烧结工艺的基本原理和特点，2、3、选择性激光烧结工艺，4、高分子粉末烧结部件的后处理，6、6、选择性激光烧结快速成形材料和设备，4章选择性激光烧结成形工艺，5、选择性激光烧结工艺参数，5节选择性激光烧结工艺在选择性激光烧结工艺中，用CO2激光放出的热量将粉末材料加热熔融后，一个接一个层叠构成一个三维物体。 激光束在计算机的控