激光选区烧结的若干关键技术研究

1、华中科技大学博士学位论文激光选区烧结的若干关键技术研究 姓名:李湘生申请学位级别:博士华中科技大学博士学位论文AbstractseIective l觞er sinter.ng(sLstechnolo鲥is撑lated to many subjec协such够mech锄ical, material,sinterin舀optics柚d so on.A lot offund枷ental pmblem including powder deliVe睇enefg delivery绷d sintering mechanism of powder on SLs process a他deeply inVest

2、igatedin this dissenation.The processing teclllloIogy of sLS is also investigated in tIIis dissertation,whichplay a imDonam r01e for m锄ufhcturing quality panS by me蛐s of HRPSI system witllthe tecllIlolo肼 The theoretical and experimentaI佗sults in the dissenation not only supply a refemncefor the desi

3、gn ofcontrol systcm and prchealing sckmd alsojs afound硝on ofdevelop协gnewSLsmatcrials-The energy delivery pmcess in SLS process is inVestigated in thedisse髓t.on-The preheat.ng ene唱y and its distribution are roundly investigaledfor a诧w f抽ili盯p他heal.ng驰tsMain factors innuencjng flux anddistribution for

4、 preheating set amthe geometry of preheat component,洒fix location鲫d tlle geometry of咒nect coveL Some me船ums impmVing the non.uniformity of tempcmtu他field ap他sentcd.Impmving the stmctlIml dcsign Ofp他hcating setsis one ofthemThc powderbed temper咖他鲫d itsdistribution眦aIso i帆stjgated.111e models on powde

5、rbed temper咖m under in触md mdiation叭fmher p他sented-The laser sc舢er par咖eters jnnuencing on l够er sc咖ingergy蚰d its d.s仃ibution盯e discussed.It is佗vealed that the化lation of l躯er enefgy density w.thanning spe is nonlinean Theinfluence of omer p猢eteIs Of l笛er柚d sc锄mr 0n thc ene唱y锄d ns dist曲utiOn is alsO in

6、vestigaIed.Appmpriate pammeters onl船er明d sc蛐舱r a他fhnher p旭sented for un.fom energy disIrIbution.The simering process蛐d sinIering mech蚰ism for plticpowder峨d SLS processing珊 investigated.Mo他panicul刚y,the materi“movmgmech蛳i锄is deeply investigaled l研pIastk powder sintcring.Thec叫sc明d princ.ple ofshrinkag

7、e蚰d densi母ing for plastic powder sintcring are reveaIed.The sintering c印abiliIy ofpl鹊tic powder锄d fkto体influencing jt arc discussedlII , 华中科技大学博士学位论文The geneml progr帅by which process.ng techlo科isdetemi船d is discus3。dThec“racy 0f SLS prototypes iS investigated jn deta订by means ofmeoretical锄d experime

8、ntal melhodIt i3djsclosed that the cause resulted in planar erro硌of pmtotypes盯e difIbrent fmm cause resulted in.venicaI enrs.Main cause resulted in pl卸盯eHD掩of prototypes is s11rinkagc,butmaIn cau8。3 resuIted jn vertical errors are powder layer sinking锄dove“hickness offirst layer sintefedThe shrinkin

9、g pmblem is a very compIicated in SLS pcessing.The s11rinkagein SLSprocessing js investigated in this pa睁Fjrst s11rinkage is dividedinto恤epans which is slrinkageresulted f如m temperatum,sintering slIrinkage蛐d crystall.zing slIrinkage.Thec叫托sulted in t11e shrinkage舯d their modelis investigated separaI

10、ely.The innuence of shrifll(age oncuracy of pan5 fabricated with SLS pmcess is djscussed.The innuence of processing parametcrs on shrinkagcis panlculany invest.gated柚d somem劬ods ofTeducing咖_inl嗡ge啪p“tedThe mechanical property of pam f曲ricated wiIh SLS process蛐d its influencing factofs盯e investigaled

11、.It is disclod tll砒mech蛐icaJ pfopeny ofp帅is哪ocialed wilh their pore fractioll. . The Dore fhction is reIated with sintefjng extenL tllemfb旭me sintering extent impacts onthe mechanjcal pmpeny of pam fabricated w.m sLs pmss.11le elastichy moduIus is most sensitive to sintering extent.The next ta瑁et fo

12、f the investigationsLs妣lllology is p驼nled on me hase of above researches.The developing tnd ofSLS technolo科is 8lso discIlssed.Keywords:seIectiVe I嬲er sintering P他heating L船er eneIgy dis耐butionSintering mech锄ism SIlrjIll(age Accury Processing tecllIlolo科mechanical Prope哪华中科技大学博士学位论文AbstractseIective

13、l觞er sinter.ng(sLstechnolo鲥is撑lated to many subjec协such够mech锄ical, material,sinterin舀optics柚d so on.A lot offund枷ental pmblem including powder deliVe睇enefg delivery绷d sintering mechanism of powder on SLs process a他deeply inVestigatedin this dissenation.The processing teclllloIogy of sLS is also inve

14、stigated in tIIisdissertation,which play a imDonam r01e for m锄ufhcturing quality panS by me蛐s of HRPSI systemwitll the tecllIlolo肼 The theoretical and experimentaI佗sults in the dissenation not only supply arefemnce for the design ofcontrol systcm and prchealing sckmd alsojs afound硝on ofdevelop协gnewS

15、Lsmatcrials-The energy delivery pmcess in SLS process is inVestigated in thedisse髓t.on-The preheat.ng ene唱y and its distribution are roundlyinvestigaled for a诧w f抽ili盯p他heal.ng驰tsMain factors innuencjng flux anddistribution for preheating set amthe geometry of preheat component,洒fix location鲫d tlle

16、geometry of咒nect coveL Some me船ums impmVing the non.uniformity oftempcmtu他field ap他sentcd.Impmving the stmctlIml dcsign Ofp他hcating setsis one ofthemThc powderbed temper咖他鲫d itsdistribution眦aIso i帆stjgated.111e models on powderbed temper咖m under in触md mdiation叭fmher p他sented-The laser sc舢er par咖eter

17、s jnnuencing on l够ersc咖ingergy蚰d its d.s仃ibution盯e discussed.It is佗vealed that the化lation of l躯er enefgy density w.thanning speis nonlinean The influence of omer p猢eteIs Of l笛er柚d sc锄mr 0n thc ene唱y锄d ns dist曲utiOn is alsO investigaIed.Appmpriate pammeters onl船er明d sc蛐舱r a他fhnher p旭sented for un.fom

18、 energy disIrIbution.The simering process蛐d sinIering mech蚰ism for plticpowder峨d SLS processing珊 investigated.Mo他panicul刚y,the materi“movmgmech蛳i锄is deeply investigaled l研pIastk powder sintcring.Thec叫sc明d princ.ple ofshrinkage蚰d densi母ing for plastic powder sintcring are reveaIed.The sintering c印abi

19、liIy ofpl鹊tic powder锄d fkto体influencing jt arc discussedlII华中科技大学博士学位论文The geneml progr帅by which process.ng techlo科isdetemi船d is discus3。dThec“racy 0f SLS prototypes iS investigated jn deta订by means ofmeoretical锄d experimental melhodIt i3 djsclosed that the cause resulted in planar erro硌of pmtotypes

20、盯e difIbrentfmm cause resulted in venicaI enrs.Main cause resulted in pl卸盯eHD掩of prototypes is s11rinkagc,butmaIn cau8。3 resuIted jn vertical errors are powder layer sinking锄dove“hickness offirst layer sintefedThe shrinking pmblem is a very compIicated in SLS pcessing.The s11rinkagein SLSprocessing

21、js investigated in this pa睁Fjrst s11rinkage is dividedinto恤epans which is slrinkageresulted f如m temperatum,sintering slIrinkage蛐d crystall.zing slIrinkage.Thec叫托sulted in t11e shrinkage舯d their modelis investigated separaIely.The innuence of shrifll(age oncuracyof pan5 fabricated with SLS pmcess is

22、djscussed.The innuence of processing parametcrs onshrinkagc is panlculany invest.gated柚d somem劬ods ofTeducing咖_inl嗡ge啪p“tedThe mechanical property of pam f曲ricated wiIh SLS process蛐d its influencing factofs盯e investigaled.It is disclod tll砒mech蛐icaJ pfopeny ofp帅is哪ocialed wilh their pore fractioll.

23、. The Dore fhction is reIated with sintefjng extenL tllemfb旭me sintering extent impacts onthe mechanjcal pmpeny of pam fabricated w.m sLs pmss.11le elastichy moduIus is mostsensitive tosintering extent.The next ta瑁et fof the investigationsLs妣lllology is p驼nled on me hase of above researches.The deve

24、loping tnd ofSLS technolo科is 8lso discIlssed.Keywords:seIectiVe I嬲er sintering P他heating L船er eneIgy dis耐butionSintering mech锄ism SIlrjIll(age Accury Processing tecllIlolo科mechanical Prope哪华中科技大学博士学位论文第一章绪论本章摘要:本章综述了快速成型技术的发展历史,特别介绍了sLs成型技术的发展现 状和存在的问题。并在此基础上提出了本文的研究意义和目的。§1.1快速成型技术是一种新型的制造技术快速

25、成型的定义:直接从计算机的图形数据产生三维物体的成型方法.简记为RP&M(R印id Pmtotyping&Manufacturing,这个术语是由3D公司首先提出并使用的,后来有的研究单位又 采羽术语:sFF(soIid FreeforITl Fabrication,LM(LayeredMuf缸tur-ng,当然还有一些其它 的术语,但用得较多的还是这三个术语。在我们中国,用得较多的是快速成型或者是快速原型 制造。在70年代末到80年代初,有一些学者(A.Hcben of 3M in Minneapolis'H.Kod啪a oftl” Nagoya prefectIlr

26、e fesearch institIlte jn Jap锄,c.Hull ofuVP in caIifomia在不同的地点几乎同时 提出了RP(Rapid ProtoIyping的新思想,即利用连续层的选区固化产生三维实体的思想当 Hebert和Kodama两人由于没有资金支持继续将他们的新思想变成商业产品之前,不得不将他 们的研究停下来时,Hull却能得到uvP的继续支持,开发了一个能够自动建造丰青确零件的完整 系统即:SLA1,1986年该系统获得专利,同年,Hull、R.Freed和UVP的股东一起建立 了3D系统公司,从1986年底到1987年底,今天所使用的许多快速成型的概念和技术就

27、在3D 系统公司发展成熟了。随后,1986年。美国Tcx船大学的学生C”1.Deckard提出了激光选区烧结(SLSSelective Laser sjnlering的思想,同年,开发了sLs的初始机型,但很快该机型被抛弃。后来组建了 一 l华中科技大学博士学位论文DTM公司,才在1992年开发了现在使用的sinterstation系列商业化成型机。scon c九lmp在1988年提出了FDM成型的思想,1990年展出了样机,1992年发展了商业机型3DMOGELER。 Michaael Feygin在1984年提出了LoM的思想,1985年组建HELlsYs公司,1989年开发了 样机,稍后

28、开发了商业机型LoM.1050【”。从RP的发展历史来看,RP还是一个新兴产业领域.但由于其独特的技术特点,其成长速 度很快,截止2000年底,全世界的RP装机总量达到七千多台。传统加工技术,一般有这样的三种方法:(j切除材料的加工方法:一般是以简单的棒料或者板料为原料。或者用其它加工方法得到的 毛坯,切除不需要的部分.即可得到所需要的零件。如平常所说的机械加工方法就是其中 的一种。(2成型方法:是以棒料、板料等为原材料,采用变形的方法,依靠各种模具或者专用的工具 将原料的形状和性能改变成所需的零件形状和性能.如锻造、冲压、铸造都属于这一类加 工方法。(3组合加工方法:这是将比较简单的组件通过

29、连接方法组合一个复杂的零件。如焊接加工, 粘结等。在传统加工方法中,采用自动化生产方式,个机械零件的制造费用将是零件形状的复杂 程度和产量的函数,对于切除和成型加工方法,还必须在加工零件之前,加工复杂的工具.制 定复杂的工艺路线。对于传统的组合制造方法,在加工零件之前,还必须预制相应的组件,和 特殊的夹具。传统的自动化加工方法主要适用于大批量的生产.生产的准备时间长。然而,如果生产上只需要少量的甚至是一个零件,通过以上的传统加工方法加工,加工费 用是很高的,而且加工时间也很长,从商业意义上来说,长的生产时间和高的生产费用都是难 以被现代企业所接受。新的加工方法快速制造技术特别适合于制造小批量的

30、特别复杂的零 件。这种方法可以大大降低小批量零件的制造成本,缩短制造周期.这种加工方法使用零件的 计算机模型作为加工文件,只用最简单的最原始的原材料形式(粉末,液体,气体,板材等, 就可加工山复杂的零件,而且加工的费用与时间和制品的复杂程度关系不大。2华中科技大学博士学位论文在人类历史上,制造技术的发展道路是曲折的。远在石器时代,人类就开始有了原始的制 造技术。为了生存的需要,他们必须选择一些东西作为武器和工具.他们首先看到了到处都存 在的石头。但是适合做武器和工具的锋利石头却不多,于是他们将作为原料的石头改变形状, 制做山锋利的刃口,和适合手拿的把柄,这个过程实际上就是原始的制造过程。从那时

31、开始, 人类的制造技术将原料改变形状和性能获得所用的零件技术就不断地发展。但是只有到了铜器和铁器时代,零件制造才包含了真正的制造技术的含义。对于铜和铁原 料,早期的制造手段主要是以成型为主。然而这个时期。木材的加工倒是发展迅速,这可能是 因为木材的切削很容易,精度可以得到一定的保证。加工方式也只是手工方式,由于手工生产 的效率很低,无法进行大批量的生产,所制造的产品也就具有个性化的特色.此时的制造技术 所制造的产品精度很差,而且多只能制造单件使用的产品,很难制造可以装配的零件产品,但 用木材加工的产品却可以装配更复杂的机械,所以在那个时代,木制机械发展很快,创造了很 多精美的作品和艺术品。到了

32、近代,材料科学的发展,能切削铁器和铜器的工具才出现,现代加工和现代企业走上 了快速发展的轨道。大批量生产的管理手段为现代制造技术向高速高精度方向发展提供了保证。 所以以生产批量和生产效率为目标的制造方法不断出现。这个时期生产的产品具有精度高的特 色,但是完全没有了个性化的东西存在,即使是很简单的东西都能找到看起来完全相同的几百 到几十万件。这时期的制造技术比古代的制造技术已经有了很大的进步。这些大大地改善了人 们生活。但是,随着时代的发展,这样的生产方式已经无法满足人们的变化多样的需要。现代 人们的需要趋向于产品的个性化,而且这种需要又是十分多变。所以快速生产多品种小批量的 产品才是未来生产发

33、展的需要。这种需要就是快速成型技术产生的最初动力。但是这种技术只 有在一定的条件下才能变成现实。实际上这个技术远在古代的中国就有了一些雏形。中国的陶 瓷技术实际上就是将材料一点一点地加上去的.但到十九世纪末才有了这个技术的现代雏形, 然而这个技术在过去无法得到发展,主要的原因也是条件不成熟。到了20世纪的中时以后,计3华中科技大学博士学位论文算机技术出现了.计算机技术将人们从复杂的计算工作中解放出来,同时将计算的速度和精度 提高了很多。到了80年代,计算机技术发展到可以在一秒种内完成几千万次的计算,这为快速 成型技术中的大量实时的计算工作提供了条件。同时在70年代出现的激光技术也是快速成型技

34、术的一个重要条件,高可靠性激光器的应用,保证了材料的堆积连接能够快速实施。第三个条 件是数字控制技术的发展,50年代在MIT出现了第一台数字控制加工机床,到了70年代后期. 数字控制技术已经发展得相当完善。最后一个重要技术条件是聚合物材料的发展,高分子材料 的发展是20世纪中材料科学的一件大事,而且聚合物的种类性能还在继续高速地发展。聚合物 的一个重要特性就是加工条件要求较低,可以很容易完成复杂形状的成型。只有到了70年代末 和80年代初,这四个技术条件才发展到一个相当的程度。所以快速成型技术在80年代末产生 了。快速成型的主要技术基本上在80年代末90年代初就定型了、包括sLA技术、sLS技

35、术、 FDM技术、LOM技术、sGc(固体光固化技术和3DP(三维打印技术。q一 4华中科技大学博士学位论文过了传统方法生产的金属零件强度,而且可以生产一般方法不能生产的一些复合金属材料。这 些设备的精度可以达到x平面o.13mm,z向o.4mm,但表面粗造度较高,相当于砂铸的表 面粗造度。Exfrude Hone公司发展了一种基于3DP(三维打印技术的新的金属直接快速成型 系统ProMetaI RTs.300,其工艺特点类似于D1M的快速制模工艺。继1997年山现概念机以来,概念机仍然是快速成型系统的一个重要发展方向,1998年3D 系统公司推出了Actua机的一种改进机型熟喷实体打印机(T

36、hemloJet soI;d Object Pr.nler, 该机型提高了成型速度;而stratasys公司推出了Genisys的改进机型GeniSys xs,该机型有 较大的建造体积(305mmx203mm×203mm.近年来关于RP技术发展还有一些值得注意的方向,如RP系统的专业化,即针对某些特殊 用途而开发的RP系统产品,最主要的产品是strat题ys公司开发的MedModeJer,主要用于一些 医院和医学机构RP技术的基本原理在90年代初期就得到了基本的完善,这些原理包括sLA(光固化、 sLS(粉末烧结、LOM(叠层制造、FDM(溶丝沉积、3Dp(三维打印、S0c(固体光固

37、 化,多年来主要是从这些原理出发,不断地完善系统性能,成型工艺等。几乎没有产生新的快 速成型原理,但是值得一提的是在美国新泽西工学院提出了一种IuFP(快速冰冻成型的快速 成型新方法。该方法使用纯水作为原型材料.用冰点较低的盐水作为支撑材料,通过选区沉积 和快速冰冻而制造原型零件。就上面提到的六种基本技术所形成的产品来看,仍然是基于sLA技术的产品所占的比例最 大,但是1998年以后基于sLA技术的产品所占比例比以前有较大的下降,从现有的资料看, 到2000年为止在全球服务中心中使用的RP系统中,基于sLA技术的占50%左右而1997年之前占6l%例。基于sLs技术的系统2000年的比例(18

38、%比1997年有所增长。同时还有一 个现象值得注意,上述前五种技术以外的产品所占比例却有所下降,这说明RP技术的发展趋 势仍然以这五种技术为主。一一 5华中科技大学博士学位论文目前关于RP成型技术的最引人注目的进步应该属于金属直接快速成型和快速制模,这两 个方面也是RP技术最令人兴奋的用途之一,多年来一直是RP研究人员的重点探讨的论题,但 是强度问题和精度问题也一直是这两种技术走向成熟的障碍,近几年在这两个问题上有所突破a 在金属直接快速成型技术方面的主要成就是LENs技术的商品化,这在前面已经介绍过。另一 个是Extrude Hone公司利用3DP技术直接成型金属零件。这有点类似于DTM公司

39、的快速制模 技术(RapidT001和3D系统公司的KelT00l技术;还有一种直接金属快速成型技术是面向sLs 成型原理的.Rockwell国际公司的DMF技术(direct metal fabrication,该技术与以前的金 属或陶瓷成型工艺不同,是使用低熔点合金与高强度金属一起混合,再用塑料在原材料表面形 成粘结涂层,这样一来在后续加工工序中低熔点金属就可直接在零件的内部浸渗,这样可以改 善零件的物理性能和机械性能其它的如金属的FDM成型和LOM成型也取得了较大的进展。 在快速制模技术方面,近几年发展了两种新的技术,一种是Express T001(快速_;4模,是使用 电极成型方法制造

40、产品级的注射模;另一种是D”amics T001.ng公司的Polysteel(复合钢技 术,该技术可以产生很好的表面光洁度和尺寸精度。尽管快速制模技术有了长足进展,但仍存 在许多问题:1所成型的模具零部件的密度低,低密度的零部件说明其中有较多的空洞和缺陷, 这些空洞和缺陷对模具强度、韧性、耐磨性、表面质量有很大的影响,只有采取特殊的措施和 优化的加工参数,才能得到较高的密度;2加工精度低,加工精度主要与模型精度,加工参数 和材料性能有关,特别是加工参数对提高加工精度有重要的作用:3机械性能较差.快速制造 的模具零部件机械性能主要受材料性能、内部缺陷和残余应力影响:4表面质量较差,表面质 量对

41、塑料注射模有较大的影响.快速制造的模具普遍存在表面质量不高的问题。最近出现了一种利用快速原型来进行金属板材成形的技术,这种技术对于发展快速金属薄 板成形技术是一个良好的开始,将会广泛应用于汽车和电器以及航天航空工业中。在近两年,显微制造技术也是RP技术一个较为活跃的研究方向,在美国的一个研究小组 利用激光cVD技术制造了直径只有lOO微米的高密度零件;另一研究小组则对一新的显微制 造方法进行了研究,该技术有点类似于sGc技术,据说该技术可以制造分子水平的零件,层厚可以达到2微米。 6华中科技大学博士学位论文在提高制品精度方面,近一年多来也取得了许多的进展,DeMontforc大学发展了一种称为

42、 “月牙形光顺”技术(虽然这不是个新概念,主要是针对sLA技术的,可以大大提高其制 品的表面光洁度;同样是为了提高表面光洁度,clemson大学发展了一种旋转的加工平台,这 样的方法可以消除分层制造中的台阶步问题。在工艺控制和软件方面,clemson大学研究了参数曲面的切片问题,通过对参数曲面的切 片,产生参数曲线的分层边界。利用这种参数曲线控制快速成型机。而许多RP系统制造商开 发了许多新的软件包,如stralasys公司开发了对FDM系统的Quickslice 6.O和对Genisys系统 的AutoGen 3.O软件包;HeIisys公司也开发了LOMSIice软件包面向、矾ndows

43、NT4.0的新版本; 同时3D系统公司开发了针对Actua概念机的新的操作软件Allegr02.0l solid concepts公司开 发了soldview 3.0软件包;RP系统由于其成型工艺的特殊性对其材料有特殊的要求,sLA技术要求可光固化的液体 材料,sLs要求颗粒度较小的粉末,FDM要求可熔融的线材。LOM要求易切割的片材.要扩 大RP技术的应用,就必须研究开发多种RP适用的材料,特别是制造领域使用的各种功能零件 材料,发达国家在这方面开展了广泛而深入的研究.而且材料的发展总是和技术的应用紧密联 系在一起的,如用于可视化的目的的RP原型材料,主要是要求有较好的外观质量,并在搬动 过

44、程中不致破碎,对其机械性能则没有过多的要求,而用于快速制模的材料,则要求有较高的 尺寸精度和较高的机械性能等。由于现在RP技术的应用正向直接成型机械零件方面发展,所 以成型材料的发展也是主要表现在这些方面。基于sLA成型技术的材料主要有四大系列:cjbatooJ公司生产的cjbatooJ系列、DuPont 公司的sOMOS系列、Zeneca公司的Stereocol系列和RPC公司(瑞典的RPCure系列。1998年cibat00l公司开发的新品种:用于sLA.3500的cibat00I 5510,这种树脂可以达到较高的成 型速度,和较好的防潮性能,还有较好的成型精度:cibaltool sL.

45、5210,主要用于要求防热、防 湿的环境,如水下作业条件;sOMOs系列也有新品种s0MOs 8120,该材料的性能类似于聚华中科技大学博士学位论文乙烯和聚丙烯,特别适合于制作功能零件,也有很好的防潮防水性能。基于sLs技术的材料主要有:塑料粉末、陶瓷粉末和金属粉末。1998年DTM公司在DMF 材料(金属粉末的烧结成型方面首先作了一些研究,同时还推出了R印idT0012.O,这种材料 的收缩率很小,只有o.2%,而且粉末很细小,所以可以达到很高的精度和表面光洁度,几乎 不需要后续抛光工序。DTM公司还推出了铜.尼龙混合粉末,主要用于制作小批量的注射模具, 由于铜的导热性很好,对于减少注射时间

46、很有利。在塑料材料方面DTM公司也推出了一个新 品种,DuraForm G F,用这种材料生产的零件精度很高,表面光洁度很好。而Eos公司也开发 了一种新的尼龙粉末材料(PA3200GF,类似于DTM的DuraForm GF材料,利用这种材料加 工零件可以产生高精度和很好的表面光洁度。基于FDM技术的成型材料,在1998年,澳大利亚的swmbum工业大学研究了一种金属-塑料复合材料丝;而stratys公司发展了一种特殊的支撑材料一水溶性蜡(用于FDM.3000, 这种材料有利于去除原型的支撑部分。基于3DP技术的成型材料,z.公司也发展了一种石膏基的新材料,这种材料所生产的零件 强度更高。&#

47、167;1.2SLS技术的发展和研究现状激光选区烧结(seIective L船er sintenng简记为sLS技术,最开始是在美国德克萨斯 大学(univers计yofTexAtAustin研究成功的,在sLs成型过程中,首先是将一薄层的粉末 铺在底部,然后在所选的区域内用高能束(如激光束、电子束进行扫描,从而使所扫描区域 发生熔融烧结.而没有经过扫描的粉末就保持松散状态。这样一层一层的粉末不断地经过铺平 和扫描,层与层之间也发生粘结。从而制造一个复杂的零件。对于大多数零件来说,利用这个技术制造的零件强度还没有达到功能零件强度要求,其原 因是多方面的,一方面是原材料本身的强度就不太高。另一方

48、面是成型的零件所达到的密度太 低。实际上目前材料成型的结构性能、几何精度和表面光洁度差是制约这些技术应用的主要原8华中科技大学博士学位论文因。但是这些问题不是快速成型技术中不可解决的问题。现在有许多研究人员正从理论和实验 上为解决这些问题而努力。现在的传统加工技术能够加工出高性能和高精度的零件,这是经过 几百年甚至是几千年的努力而达到的。而快速成型技术(包括sLs技术只有十来年的发展历 史,这个技术与以前的加工技术有着本质的不同,所以无法直接使用关于传统加工方法的知识。 快速制造技术综合了制造科学、材料科学和信息科学等多方面的知识。储料扫描嚣L斗:分二=f=铺粉棍 J /I 蠹件缸 图ll 激

49、光选区烧结成型示意图有许多学者对关于sLs成型技术的基础问题和相应的一些高级技术问题进行了广泛的研 究。关于金属和陶瓷材料的烧结机理已经作了深入的研究.也已经取得了较大的进展【6J。然而, 关于聚合物材料粉末的烧结机理的研究资料则少见,在1945年,一位学者利用两液滴模型说明 了烧结粉末的物质转移的流动机制”,推导了材料烧结速度的公式。随后还有些学者提出了伪 热激活的概念说明非晶体物质在烧结时.分子团扩散决定了非晶体物质烧结的物质转移机 制。这些研究均是利用非晶体的无机物进行的。而有机物特别是高分子有机物,具有与一般非 一一一 9华中科技大学博士学位论文晶体无机物完全不同的一些特征,那么如何理

50、解聚合物粉末烧结的过程,特别是聚合物在烧结 条件下物质是如何发生转移的,则是关系粉末选区激光烧结的一个重要问题。激光选区粉末烧结的定量描述对于合理确定工艺参数和提高加工精度与加工速度是极其 重要的。J.chriStjan NeIson等学者在文献91中在Frenkel的流动模型基础上对双酚一A聚碳酸脂 的激光烧结数学模型给予了描述,在处理扫描激光对粉末层产生的热传递问题时,采用近似方 法将三维问题简化为一维问题,该文还对烧结速度进行了研究,确定了这种材料的一些重要热 性能数据。而cabrjelBugeda则在scherer模型121的基础上,利用有限元方法对三维烧结进 行了模拟¨叫。

51、因为温度场是三维的,所以三维传热模型是三维烧结研究的关键,该研究提供了 一个更加准确的分析。而John D.williarns and carl R.Deckard对于sLS加工参数的选择作了一 般性的论述,对烧结参数对烧结结果如烧结件的性能等的影响作了一些讨论。lall Gibson等 讨论了粉末材料的特性对加工过程的影响和如何根据材料特性选择加工参数,文中还研究了 加工参数对烧结件的机械性能和密度的影响。在激光选区烧结技术中,有很多文献对金属和陶瓷的sLs成型进行了深入的研究,Mukesh Aganvala等研究了金属件的直接激光快速成型技术。讨论了影响金属直接sLs成型过程以及 成型件性

52、能和显微组织的一些问题,更多地研究了镍.青铜粉末的sLs成型问题。 Kamalchi submmanIan等主要讨论了以聚合物作为粘结剂的铝粉末sLs成型问题,提出用短扫描线将 能更有效地利用扫描激光的能量,通过浸渗和高温烧结得到的零件可以达到50%的相对密度, 强度也只有28MPa。与前几种烧结金属的技术不同。B.Van Der Schuemn和J.PKmIh使用大功 率激光器和粉末沉积装置成型金属零件I”l,该技术是使用低熔点金属粉末作为粘结剂,所成型 的金属件不需要再进行浸渗和高温烧结。为了提高成型件的性能,Sum锄等学者讨论了sLsmIP (激光选区烧结/热等静压工艺过程I,这个过程的

53、工作原理是在零件的内部固化的密度达到 或者超过80%的全密度,而同时在边界产生一个不透气的薄壁罐,零件由激光束按照零件的 cAD模型选择地烧结。不象其他的制造过程,sLs,HIP过程只在零件的边界形成一个密度超过 92%的不透气的薄壁,内部的密度只达到80%以上,而不是在整个层上形成全密度,这样加工 的零件在随后的HlP过程中被压结和烧结成全密度的近净形状的零件,最后通过机械加工产生 一 10华中科技大学博士学位论文最后的形状。关于有机粘结剂的热降解问题,Neal K.Vail等研究了陶瓷材料的烧结粘结剂的高温降解。 他们认为粘结剂的强度与成型时的降解有关,文中认为成型时的扫描间隔和环境气氛对

54、粘结剂 的降解量有重要的影响。为了提高成型件的性能和减少烧结收缩,clemson大学的教授D.Miller等011讨论了能量的 传输问题,并且讨论了扫描参数是如何影响零件强度,晟后发展了一个变光斑激光扫描系统。 关于成型零件精度的研究,目前的研究较少。一般认为成型件的精度与烧结的收缩有重要 关系。但是具体的关系和烧结收缩的规律都是值得研究的重要课题.值得关注的是国内关于sLs成型技术的研究也作了许多工作,最开始进行这方面的研究工 作的是南京航空航天大学快速成型技术的研究小组,他们的工作主要是针对覆膜砂进行研究 23242”,得到了一些有价值的结果。但是这些工作和结果对于SLS技术的全面发展是不

55、够的, 随后华中科技大学,北京航空航天大学等研究单位对sLs技术的一些基本问题和关键技术进行 了比较全面的研究126.27-2”。§1.3本课题研究的意义和目的华中科技大学从1991年开始快速成型技术的研究工作以来.先后获得了国家自然科学基 金,国家科技部攻关项目,国家教育部博士点基金.湖北省科技厅重大攻关项目和武汉市科委 重点攻关项目的支持。已经取得了快速成型技术方面的重大成果。为我国国民经济的发展起到 了重要的作用。本课题是国家自然科学基金重点资助项目“金属模具快速原型制造技术的基础 研究”(编号:59635040,国家863,CIMs重大目标产品项目“快速原型制造系统”(编号:

56、 863-511-920.010的重要组成部分。ll华中科技大学博士学位论文从上面关于快速成型技术的发展现状特别是sLs成型技术的发展现状分析发现,尽管sLs 技术发展到今天已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sLs成型件的精度,sLs成型件的精度与许多因素有关,而且影响规律非常复杂,概 括地说有机器的系统误差,成型过程的各种因素引起的误差,模型的误差。这三个方面最复杂 的就是成型过程的工艺误差。虽然工艺误差很复杂,但也可以从几个方面分别进行研究,一个 是加热方面,一个是材料收缩方面.一个是加工工艺参数方面,另一个是冷却。关于SLS成型 中的收缩问题在现有的文献中没有见到深入的研究,但却是sLs成型精度的最重要的影响因素。 关于预加热问题,预加热的温度高低直接影响烧结零件的烧结程度和冷到室温的温降。当 加工时,如果加热器将某一局部区域的材料温度加热到某一较高的温度。而激光扫描后,该局 部扫描区域的温度升高更多,那么这个局部区域的烧结程度就更大。所以预热的均匀化问题和 预热的:艺控制问题也是成型的关键问题。激光作用下塑料粉末的烧结过程和烧结中物质迁移的机制对sLs技术的发展有重要意义, 只有深入了解了塑料粉末在激光作用下的烧结过程和物质迁移机制,才能更有效地研究烧结工 艺,确定最优的工艺参数,开发更