激光烧结工艺的发展

激光烧结工艺的发展

0重组制造工艺typ技术随着世界经济竞争的全球化，制造行业越来越多地转向市场，提高其竞争力。20世纪80年代末出现的快速成型(RapidPrototyping,RP)技术较好地满足了这一需要。RP技术是对一系列逐层零件制造工艺的统称,它使用近乎全自动化的工艺直接从CAD文件生产所需要的模型或模具,可以显著减少产品原型的开发时间和成本。由于可以将更多的时间用于产品的设计和优化,及早发现和更正设计中的错误,因而RP技术还可以极大提高产品的质量。选择性激光烧结(SelectiveLaserSintering,SLS)工艺作为激光在RP领域中的典型应用,本文对其工艺原理、实际应用和发展方向进行了详细介绍。1sls生产设备SLS工艺最初由美国德克萨斯大学奥斯汀分校(UniversityofTexasatAustin)的CarlDeckard于1989年在其硕士论文中提出,后美国DTM公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备SinterStation。完整的SLS工艺由CAD系统与RP系统组成,两系统间的数据传输过程见图1所示。要构造的原型最初由3D-CAD模型表示,模型可以用软件(如AutoCAD等)虚拟生成,也可以通过3D传感器(如声、光数字仪)、医学图像数据或其它3D数据源生成。CAD模型不能够直接被RP系统所利用,必须先转换为立体光刻固化成型(Stereolithography,STL)方法所用的格式。STL是RP最早采用的一种制造方法,它利用许多三角平面来表示三维的平面,这一格式现已成为RP工业的标准。生成的STL文件利用预处理程序调整模型的尺寸、位置和方向,然后将其分切成许多厚度为0.05～0.7mm的截面,RP系统按所切截面逐层制造后即可得到所需原型。SLS工艺的RP系统工作原理如图2所示。整个工艺装置由粉末缸(PowderCylinder)和模型缸(ModelCylinder)组成,工作时粉末缸活塞(送粉活塞)上升,由铺粉辊将粉末在模型缸活塞(工作活塞)上均匀铺上一层,计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹,有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。在烧结之前,整个工作台被加热至稍低于粉末熔化温度,以减少热变形,并利于与前一层面的结合。粉末完成一层后,工作活塞下降一个层厚,铺粉系统铺设新粉,控制激光束扫描烧结新层。如此循环往复,层层叠加,就得到三维零件。由于SLS采用上述工艺,使得SLS成为一种可加工材料非常广泛的RP技术。从理论上来说,任何受热后能够粘结的粉末都可以用作SLS的原材料,如塑料、石蜡、金属、陶瓷等。早期SLS主要使用的是塑料粉末,由于显而易见的原因,科技工作者近几年对金属和陶瓷粉末的烧结工艺投入了较大的研究精力。此外,由于烧结或未烧结的下层粉末自然成为上层的支撑,因此SLS具有自支撑性能,可制造任意复杂的形体,这也是许多RP技术所不具备的。下面简要介绍一下塑料、金属和陶瓷粉末SLS工艺各自的特点。1.1塑料粉末尼龙、聚苯乙烯、聚碳酸酯等都可作为塑料粉末的原料。塑料粉末的SLS—般均为直接激光烧结,烧结后的零件不作后续处理。1.2金属组合烧结法金属粉末的SLS烧结主要有三种方法,分别是直接法、间接法和双组元法。(1)直接法又称为“单组元固态烧结”(single-componentsolid-statesintering)法,金属粉末为单一的金属组元。激光束将粉末加热至稍低于熔化温度,粉末之间的接触区域发生粘结,烧结的驱动力为粉末颗粒表面自由能的降低。直接法得到的零件再经热等静压(HIP)处理,可使零件的最终相对密度达99.9%,但直接法的主要缺点是工作速度慢。(2)间接法金属粉末实际上是一种金属组元与有机粘结剂的混合物,有机粘结剂的含量约为1wt%。由于有机材料的红外光吸收率高、熔点低,因而激光烧结过程中,有机粘结剂熔化,将金属颗粒粘结起来。烧结后的零件孔隙率约达45%,强度也不是很高,需要进一步加工。一般的后续加工工艺为脱脂(～300℃)→高温焙烧(>700℃)→金属熔浸(如铜)。间接法的优点是烧结速度快,但主要缺点是工艺周期长,零件尺寸收缩大,精度难以保证。(3)双组元法为了消除间接法的缺点,用一低熔点金属粉末替代有机粘结剂,即为双组元法。这时的金属粉末由高熔点(熔点为T2)金属粉末(结构金属)和低熔点(熔点为T1)金属粉末(粘结金属)混合而成。表1列出了典型的金属组合。烧结时激光将粉末升温至两金属熔点之间的某一温度(T1<T<T2),使粘结金属熔化,并在表面张力的作用下填充于结构金属的孔隙,从而将结构金属粉末粘结在一起。为了更好地降低孔隙率,粘结金属的颗粒尺寸必须比结构金属的小,这样可以使小颗粒熔化后更好地润湿大颗粒,填充颗粒间的孔隙,提高烧结体的致密度。此外,激光功率对烧结质量也有较大影响。如果激光功率过小,会使粘结金属熔化不充分,导致烧结体的残余孔隙过多;反之,如果功率太高,则又会生成过多的金属液,使烧结体发生变形。因此对双组元法而言,最佳的激光功率和颗粒粒径比是获得良好烧结结构的基本条件。双组元法烧结后的零件机械强度较低,需进行后续处理(如液相烧结)。经液相烧结的零件相对密度可>80%,零件的机械强度也很高。上述介绍的三种金属SLS方法中,一般将直接法和双组元法统称为“直接SLS”(directSLS),而将间接法对应地称为“间接SLS”(indirectSLS)。由于直接SLS可以显著缩短工艺周期,因而近几年来,直接SLS在金属SLS中所占比重明显上升。由于金属粉末的SLS温度较高,为了防止金属粉末氧化,SLS时必须将金属粉末封闭在充有保护气体的容器中,如图3所示。保护气体有氮气、氢气、氩气及其混合气体。烧结的金属不同,要求的保护气体也不同。1.3acrafter入产品的原包装al2o3,pmma陶瓷粉末在进行SLS时要在粉末中加入粘结剂,粘结剂主要有三种,即无机粘结剂、有机粘结剂和金属粘结剂。。下面以常用的Al2O3陶瓷粉末为例进行介绍。Al2O3所使用的无机粘结剂有磷酸二氢铵(NH4H2PO4),有机粘结剂有聚甲基丙烯酸甲酯(PolymethylMethacrylate,PMMA),金属粘结剂有Al粉。(1)Al2O3+NH4H2PO4常温下NH4H2PO4是固态粉末晶体,熔点为190℃,Al2O3的熔点很高,为2050℃。在对Al2O3和NH4H2PO4进行SLS时,先将两者按一定比例混合均匀(一般是4:1的重量比),再控制好激光参数,使激光扫描到的部位的温度高于190℃,NH4H2PO4在其熔点以上会发生分解:生成的P2O5会和Al2O3发生反应生成AlPO4,包覆在未反应的Al2O3周围,从而将Al2O3陶瓷粘结在一起,反应式如下:将Al2O3粉末和PMMA粉未按一定比例混合均匀,控制好激光参数,使扫描部位的PMMA熔化后将Al2O3粘结在一起。在对烧结零件的后续处理中再去除PMMA。(3)Al2O3+Al与Al2O3+PMMA类似,将Al2O3粉末和Al粉按一定比例混合均匀,控制好激光参数,使扫描部位的A1熔化后将Al2O3粘结在一起。2基于sls的模具制造SLS工艺已经成功应用于汽车、造船、航天、航空、通讯、微机电系统、建筑、医疗、考古等诸多行业,为许多传统产业带来了信息化的气息。概括地说,SLS工艺可以应用于以下场合:(1)模型直观化●快速制造原型,提高产品的设计质量;●使客户获得直观的零件模型;●制造教学、试验用复杂模型。(2)制造功能部件●制造传统工艺无法加工的具有复杂内部形状的零件;●用逆向工程方法制造具有严格形状要求的部件,如移植骨等。(3)模具制造●将SLS制造的零件直接作为模具使用,如间接法烧结的金属或陶瓷零件;●将SLS制造的零件间接作为模具使用,如使用低熔点材料石蜡等制造熔模铸造用模●制造砂型铸造用模。下面介绍一些SLS工艺实际应用的典型例子。2.1适用于海淡工程的新型燃油控制系统快速模具制造(RapidTooling,简称RT)近几年来在国内外迅速发展,它是一项制造周期短、成本低的制模技术。RT与RP相结合,具有技术先进、成本低、周期短等优点。RT一般分为间接制模和直接制模两种方法。SLS工艺在这两种方法中都有很好的应用。由于SLS可以制造形状复杂的零件,因此非常适合应用在间接制模法的熔模铸造和沙型铸造中。熔模铸造用的材料有石蜡、聚碳酸酯等。文献介绍了WoodwardGovernorCompany为波音777客机开发GE90发动机新型燃油控制系统的例子。该系统由铝A356-T6材料铸造。铸模的尺寸巨大、形状复杂,制造非常困难,需要制作60个独立的型芯,每个型芯的尺寸为430×350×305mm,用传统方法根本无法在规定时间内完成任务。最终WGC公司利用DTM的新型砂型铸造工艺,在SinterStation上使用SandForm材料制造出了合格的铸模。直接制模法是一种极具开发前景的制模方法。由于SLS能够对金属粉末进行加工,因而在直接制造金属模具上具有独特的优势。一般是利用间接法激光烧结金属粉末,再抛光型腔表面和型芯面,加上浇注系统和冷却系统,构成注塑模具。德国EOS公司开发的EOSINTM系统有所不同,可以直接对未经预热的金属粉末进行激光烧结。它所采用的是双组元烧结法。金属混合物由不同熔点的金属成分以一定配比构成,能够在烧结过程中相互补偿体积的变化,使全部粉末的收缩率小到可以忽略不计,不会因内部应力而引起应变变形,从而使制件精度得到了保证。另外,这种混合物主要成分的粒度仅为50μm左右,也有助于提高表面质量。最终形成的材料性能可与铝相比,并可通过将低熔点金属渗入内部的方法使模具材料更致密。EOS公司所开发的这种方法可用于制作注塑模具,也可直接制作薄壁且形状复杂的金属零件。2.2创设原型cad模型逆向工程(ReverseEngineering)是在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下,按照现有零件的模型(称为零件原型),利用各种数字化技术及CAD技术重新构造原型CAD模型的过程。RE与RP的结合是现代重要的机械设计和制造于段。文献报道了BurkhardSchillinger等利用CT对零件无损造影后,获得零件的3D-CAD数据,再利用SLS工艺获得零件的复制件。2.3基于sls的骨折治疗SLS工艺烧结的零件具有很高的孔隙率,非常适于人工骨的制造。N.K.Vail等对SLS工艺制备人工骨进行了研究。先将由Ca(H2PO4)2和CaHPO4组成的混合粉末发生反应,生成钙磷比(Ca/P)为0.9的骨质材料:利用SLS工艺将骨质材料和MMA、nBMA、KCl等组成的粘结剂制成具有特定孔隙率的人工骨,然后移植到狗的下颚骨中,每4个星期造影一次,结果显示人工骨的生物相容性良好,并能被肌体吸收。文献报告了南非比勒托尼亚大学(UniversityofPretoria)等机构的颅骨整形专家通过远程网络系统利用SLS工艺为一个3岁男孩进行颅骨整形手术的例子。在手术之前,这名男孩的颅骨信息经扫描后输入计算机,然后再利用DTM公司的SLS工艺制作出颅骨模型,医生在模型上进行手术设计,以获得最佳的手术方案。实际进行的8h的手术非常成功。3sls制造工艺尽管SLS工艺在过去十年中飞速发展,获得了良好的应用效果,但毕竟是一个比较新的发展领域,还存在以下缺点:①SLS系统的速度、精度和可靠性还不能完全满足要求;②零件的表面光洁度还