SLS技术的成形工艺原理(知识参考)

1、一、实验名称：选择性激光烧结快速成型工艺实验SLS成型技术开辟了不用任何刀具而迅速制作各类零件的途径， 并为用传统 方法不能或难于制造的零件或模型提供了一种崭新的制造手段， SLS技术的特点 归纳起来主要有以下几点：（1）过程与零件复杂程度无关，是真正的自由制造，这是传统方法无法比 拟的。SLS与其它RP不同，不需要预先制作支架，未烧结的松敞粉末作为自然 支架，SLS可以成型几乎任意几何形状的零件，对具有复杂内部结构的零件特别 有效。（2）技术的高度集成，它是计算机技术、数控技术、激光技术与材料技术 的综合集成。（3） 生产周期短，由于该技术是建立在高度集成的基础上，从CAD设计到 零件的加工

2、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。（4）与传统工艺方法相结合，可实现快速铸造、快速模具制造、小批量零 件输出等功能，为传统制造方法注入新的活力。（5）产品的单价几乎与批量无关，特别适合于新产品的开发或单件、小量 零件的生产。（6）材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、蜡等材料的零件。特别是可以制造金属零件。这使 SLS工艺颇具吸引力。成型材料是 SLS技 术发展和烧结成功的一个关键环节，它直接影响成型件的成型速度、精度和物理、 化学性能，影响成型工艺和设备的选择以及成型件的综合性能。 因此，国内外有 许多公司和研究单位加强了这一领域的研究工作，并且取得了重

3、大进步。从理论上讲任何受热粘结的粉末都有被用作 SLS原材料的可能性。原则上 这包括了塑料、陶瓷、金属粉末及它们的复合材料。目前SLS材料主要有塑料粉（PC PS ABS、蜡粉、金属粉、表面覆有粘结剂的覆膜陶瓷粉、覆膜金属粉 及覆膜砂等。（7）应用面广，由于成型材料的多样化，使得 SLS适合于多种应用领域， 如原型设计验证、模具母模、精铸熔模、铸造型壳和型芯等。（8）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，该工艺一般能够达到工件整体范围内(0.05-2.5 ) mm的公差。当粉末粒径为0.1m m以下时，成型后的原型精度可达土 1 %。二、实验目的1. 掌握快速原型制造

4、技术的工作原理。2. 进一步理解快速原型制造的方法。3. 加深对快速成形技术的理解和认识；4. 熟悉快速成形技术的基本流程；5. 推广该项技术的普及和应用。三、实验原理：产品三维CAD模型一分层离散一按离散后的平面几何信息逐层加工堆积原材料一生成实体模型。SLS技术的成形工艺原理如图1.1所示。首先建立要加工 零件的CAD模型,并将其转化为STL格式，然后用分层软件将CAD模型进行切片 处理，得到每一加工层面的数据信息，在计算机控制下，激光束根据切片层面信 息对粉末层进行扫描烧结。在激光照射的位置上，粉末熔化并凝固在一起，再铺 下一层粉末，重复该过程，新的一层和前一层自然烧结在一起， 最后就可

5、制出所 需三维实体。选择性激光烧结原型件的具体成型过程如下：激光二维扫描头激光窗铺粉辊筒加工平面原料粉末生成的零件供粉活塞成型活塞图1选择性烧结成型原理图(1)在计算机上用计算机辅助设计 Pre/Engineer造型软件，根据制件的结构 要求，进行CAD三维实体造型。调用Pre/Engineer (或其他CAD系统)软件系统中所带的STL文件生成 格式模块，将CAD系统构造的三维模型转换成 STL格式文件，把三维实体模型进 行网格划分，准备进行分层处理。（3）在计算机中对制件CAD模型进行切片处理，根据工艺要求选择成形方向（Z方向），然后按照一定的规则将该模型离散为一系列有序的单元，通常将其按

6、一定厚度进行离散（习惯称为分层），把原来的三维CAD模型变成一系列的 层片（CLI文件）；使三维CAD莫型变成一系列二维的平面图形。对应每一个平 面图形，计算机生成相应的扫描轨迹。（4）在活塞型工作台面上用辊筒铺上一层复合粉末材料，粉层的厚度应等于 对应CAD莫型切片层的厚度并将其加热至略低于它的熔化温度（一般低于熔化温 度 2C 3C ）。（5）CO2激光束在计算机的控制下，按照截面轮廓的信息，对粉末进行扫描。 激光扫描到的区域，粉末的温度升至熔化点，于是粉末颗粒交界处熔化，相互粘 结，即被烧结；未被扫描到的区域，粉末还是松散状态，作为工件和下一层粉末的支撑。（6）扫描完一层后，活塞工作台下

7、降一截面层的高度，再进行下一层的铺粉 和烧结，如此循环，最后形成一个三维制件。四、实验设备和实验方法实验设备：HLP-350点扫描激光快速成型机。主要由激光扫描系统、振镜 系统（按照NC加工文件改变激光的扫描路径）、预热装置、自动控制系统（铺 粉和升降供料缸和工作缸）、前台操作系统（加工程序、参数设置等）、其他辅 助系统（冷却系统、密封、集粉、照明等）。实验方法如下：1 熟悉和使用三维软件，并进行特定零件的的建模，构造原形件。2 利用专用计算机对原形件进行切片，生成 STL文件，3.对模型制作分层切片；生成数据文件；并将其接入点扫描快速成型系统；4 快速成型机按计算机提供的数据逐层堆积，直至原

8、形件制作完成；5观察快速原型机的工作过程，分析影响成型加工的因素有哪些？具体工艺参数对成型件或原形件的精度有什么影响，提出解决的办法。五、实验结果分析影响成型加工的因素有哪些？最佳工艺参数？成形件表面是否光滑？成形件的台阶效应是否明显？六、讨论工艺参数对成型件或原形件的精度有什么影响？（1）激光功率和扫描速度的影响激光功率和扫描速度反映了激光作用于粉末的能量大小和时间长短。激光功率高，粉末的烧结深度和宽度会增加。扫描速度增加，激光作用于粉末的时间减 少，粉末的烧结深度和宽度会减小。从成形件表面质量看，当激光功率过小、扫 描速度过快时，成形件表面较细腻，但由于能量密度不足，液相来不及充分向粉 粒

9、间隙中扩散，粘结效果差，烧结深度和烧结密度下降，容易产生分层，当激光 功率过高、扫描速度过慢时，产生的液相有足够的时间在粉粒间隙中流动及润湿 粉末颗粒，将其粘结在一起，但粉末会产生过烧结，成形件表面粗糙，同时，会 使成形件容易产生翘曲变形。因此通过工艺参数优化买验，确定激光功率和扫描 速度的匹配关系，可以有效提高成型精度。(2 )预热温度的影响在SLS系统中，预热温度是重要的工艺参数之一。粉末的预热温度直接决 定了烧结深度和密度。如果预热温度太低，由于粉层冷却太快，熔化颗粒之间来 不及充分润湿和互相扩散、流动，烧结体内留下入量空隙，导致烧结深度和密度 人幅度下降，使成形件质量受到很大的影响。

10、随着加热温度的提高，粉末材料导 热性能变好，同时低熔点有机成分液相数增加， 有利于其流动扩散和润湿，可以 得到更好的层内烧结和层间烧结，使烧结深度和密度增加，从而提高成形质量。 但是，若预热温度太高，又会导致部分低熔点有机物的碳化和烧损，反而降低烧结深度和密度。所以合理的预热温度不能太高也不能太低，以控制在恰好低于成 型材料熔点以下10 C50 C左右为好。(3 )烧结层厚的影响烧结层厚对制件的精度和表面光度影响很大， 一般认为，层厚越小，精度越 高、零件的表面光洁度越高，这在烧结斜面、曲面等形状的零件时最为明显。但 当切片层厚太薄时，层片之间很容易产生翘曲变形，并且切片层厚越薄，制件的 烧结