选择性激光烧结原理和特点选择性激光烧结原理和特点

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选择性激光烧结技术

（一）

《快速成型技术与应用》本节知识点选择性激光烧结技术的基本原理1选择性激光烧结技术的设备2选择性激光烧结技术的特点4选择性激光烧结技术的材料5选择性激光烧结技术的精度6选择性激光烧结技术的工艺过程31.掌握选择性激光烧结技术的工艺原理。2.掌握选择性激光烧结技术工艺过程。重点1.选择性激光烧结技术的工艺特点。2.选择性激光烧结技术的应用领域与发展方向。学习重点与难点难点

选择性激光烧结工艺(SelectiveLaserSintering，SLS)又称为选区激光烧结技术，该方法最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年提出的，稍后组建了DTM公司，于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领域做了大量的研究工作，并取得了丰硕成果。德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作，并开发了相应的系列成型设备。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果和系列的商品化设备。

SLS工艺是利用粉末材料（金属粉末或非金属粉末）在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成型。SLS的原理与SLA十分相似，主要区别在于所使用的材料及其性状不同。SLA所用的材料是液态的紫外光敏可凝固树脂，而SLS则使用粉状的材料。

第四章选择性激光烧结成型工艺选择性激光烧结（SLS）一、

选择性激光烧结工艺的基本原理

选择性激光烧结加工过程是采用铺粉辊将一层粉末材料平铺在已成形零件的上表面，并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度（材料熔融温度以下2℃～3℃），控制系统控制CO2激光器按照该层的截面轮廓在粉层上扫描，使粉末的温度升至熔化点，进行烧结并与下面已成形的部分实现粘接。当一层截面烧结完后，工作台下降一个层的厚度，铺料辊又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的烧结，直至完成整个模型。在成型过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂部分起着支撑作用，不必像SLA和FDM工艺那样另行生成支撑工艺结构。

选择性激光烧结技术的打印工作过程加热材料接近熔点平台下移一层高度激光束沿轮廓烧结滚筒均匀铺材料粉

当实体构建完成并在原型部分充分冷却后，粉末块会上升到初始的位置，将其拿出并放置到后处理工作台上，用刷子小心刷去表面粉末露出加工件部分，其余残留的粉末可用压缩空气除去。

选择性激光烧结系统的基本组成一、

选择性激光烧结工艺的基本原理

选择性激光烧结具体过程高分子材料的SLS成形的具体物理过程可描述如下：当高强度的激光在计算机的控制下扫描粉床时，被扫描的区域吸收了激光的能量，该区域粉末颗粒的温度上升，当温度上升到粉末材料的软化点或熔点时，粉末材料的流动使得颗粒之间形成了烧结径（一般在材料熔点的0.25~0.75），进而发生凝聚，烧结径的形成及粉末颗粒凝聚的过程被称为烧结。当激光经过后，扫描区域的热量由于向粉床下传导以及表面上的对流和辐射而逐渐消失，温度随之下降，粉末颗粒也随之固化，被扫描区域的颗粒相互黏接形成单层轮廓。二、选择性激光烧结设备（1）CO2激光器（2）激光振镜扫描系统（3）粉末传送系统（4）成型腔（5）气体保护系统1.核心器件（1）CO2激光器SLS设备采用的CO2激光器，波长为10600nm，激光束光斑直径为0.4nm。激光器中，主要的工作物质由CO2，N2，He三种气体组成，其中CO2是产生激光辐射的气体、N2及He为助性气体。CO2散光器的激发条件：放电管中，通常输入几十毫安或几百毫安的直流电流。放电时，放电管中的混合气体内的N2分于由于受到电子的撞击而被激发起来，这时受到激发的N2分子便和CO2分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，CO2分子从低能跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。扫描系统SLS振镜扫描系统与LOM激光振镜扫描系统类似，由XY光学扫描头，电子驱动放大器和光学反射镜片组成。电脑控制器提供的信号通过驱动放大电路驱动光学扫描头，从而在XY平面控制激光束的偏转。（2）激光振镜扫描系统激光进行粉末、成形的封闭腔体，要由工作缸和送粉缸等组成。缸体可以沿Z轴上下移动。（4）成型腔成型腔结构SLS设备中，送粉通常采用两种方式，

一种是粉缸送粉方式，即通过送粉缸的升降完成粉末的供给；

另一种是上落粉方式，即将粉末置于机器上方的容器内，通过物末的自由下落完成粉末的供给。

铺粉系统也有铺粉辊和刮刀两种方式。（3）粉末传送系统粉料送粉、铺粉辊上落粉、刮刀(5)气体保护系统在成形前通入成形腔内的惰性气体（一般为N2或Ar），可以减少成形材料的氧化降解，促进工作台面温度场的均匀性。(6)预热系统

在SLS成形过程中，为了使粉状材料可靠地烧结，减小SLS制件的翘曲变形，必须将机器的整个工作空间内直接参与造型工作的所有机件以及所使用的粉状材料预先加热到规定的温度，这个温度称为预热温度。预热温度应接近熔融开始温度但要低于熔点2-3℃。预热过程常常需要数小时。因而，在SLS成形过程中，一般来说，SLS制件的翘曲变形随预热温度的升高而降低，但是预热温度不能太高，否则达到结块温度时，粉末颗粒会发生黏结、结块而失去流动性，造成铺粉困难，使成形过程终止。

研究选择性激光烧结（SLS）设备工艺的单位有美国的DTM公司、3DSystems公司、德国的EOS公司以及国内的北京隆源公司和华中科技大学等。下图是DTM公司的Sinterstation2500和2500Plus机型，如图所示。其中2500Plus机型的成型体积比过去增加了10%，同时通过对加热系统的优化，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型设备DTM公司的Sinterstation2500Plus机型DTM公司的Sinterstation2500机型HRPS-IIIA激光粉末烧结快速成型机

华中科技大学的HRPS-III激光粉末烧结系统，如下图所示。它在硬件和软件方面有着自己先进的特点。（1）硬件方面

扫描系统采用国际著名公司的振镜式动态聚焦系统，具有高速度和高精度的特点激光器采用美国CO2激光器，具有稳定性好、可靠性高、模式好、寿命长、功率稳定、可更换气体、性能价格比高等特点，并配以全封闭恒温水循环冷却系统新型送粉系统可使烧结辅助时间大大减少排烟除尘系统及时充分地排除烟尘，防止烟尘对烧结过程和工作环境的影响工作腔结构全封闭式，防止粉尘和高温对设备关键元器件的影响

切片模块具有HRPS-STL(基于STL文件)和HRPS-PDSLice（基于直接切片文件，由用户选用）两种模块

数据处理具有STL文件识别及重新编码，容错及数据过滤切片，STL文件可视化，原型制作实时动态仿真等功能工艺规划具有多种材料烧结工艺模块（包括烧结参数、扫描方式和成型方向等）

安全监控设备和烧结过程故障自动诊断，故障自动停机保护（2）软件方面

独自开发的功能强大的HRPS’2002软件，有如下特点：HRPM-II金属粉末熔化快速成型机

华中科技大学（武汉滨湖机电技术产业有限公司）开发了金属粉末熔化快速成型系统，目前推出了HRPM-I和HRPM-II两种型号。该设备可直接制作各种复杂精细结构的金属件及具有随形冷却水道的注塑模、压铸模等金属模具，材料利用率高。国内外部分选择性激光烧结快速成型设备一览表

选择性激光烧结技术成形全过程可以归纳为前处理、激光烧结成型、后处理3个主要步骤。三维建模&

逆向工程生成STL文件成型后处理产品三、选择性激光烧结技术的工艺流程1.前处理前处理

STL文件

切片处理数字三维模型软件设计逆向工程2.激光烧结成形激光烧结成形原型制作设置工艺参数扫描速度激光功率粉末类型烧结间距铺粉厚度注：SLS原型的制作中无需加额外支撑，因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。3.后处理后处理提高强硬度处理比如热处理等表面质量处理去毛刺、抛光等余料去除未烧结的粉末练习1.（）又称为选择性激光烧结。A.SLAB.FDMC.SLSD.3DP2.烧结工艺参数对成形精度有决定性的影响，其中包括

，

，粉末类型，

，单层铺粉厚度等。烧结间距扫描速度激光功率本节课内容回顾1.选择性激光烧结的原理？2.选择性激光烧结需要添加支撑吗？为什么？3.SLS设备中，送粉通常采用两种方式（粉缸送粉）和（上落粉）。4.成形腔内的惰性气体一般为（氮气N2

）或（氩气Ar

）5.选择性激光烧结技术为什么要预热？1.选择性激光烧结的原理？

采

用铺粉辊将一层粉末材料平铺在已成形零件的上表面，并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度（材料熔融温度以下2℃～3℃），控制系统控制CO2激光器按照该层的截面轮廓在粉层上扫描，使粉末的温度升至熔化点，进行烧结并与下面已成形的部分实现粘接。当一层截面烧结完后，工作台下降一个层的厚度，铺料辊又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的烧结，直至完成整个模型。2.选择性激光烧结需要添加支撑吗？为什么？