第二章 快速成型制造工藝--III

1、第四節(jié)選擇性激光燒結(jié)成型工藝 模具工程技術(shù)研究中心 METRC 選擇性激光燒結(jié)工藝(Selective Laser Sintering，簡(jiǎn)稱SLS)又稱為選區(qū)激光燒結(jié)，由美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧汀分校的C. R. Dechard于1989年研制成功。該方法已被美國(guó)DTM公司商品化。于1992年開發(fā)了基于SLS的商業(yè)成型機(jī)(Sinterstation)。十幾年來(lái)，DTM公司在SLS領(lǐng)域做了大量的研究工作。德國(guó)的EOS公司在這一領(lǐng)域也做了很多研究工作，并開發(fā)了相應(yīng)的系列成型設(shè)備。 國(guó)內(nèi)華中科技大學(xué)（武漢濱湖機(jī)電產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司）、南京航空航天大學(xué)、中北大學(xué)和北京隆源自動(dòng)成型有限公司等，也取得了許多重大成

2、果和系列的商品化設(shè)備。 SLS工藝是利用粉末材料（金屬粉末或非金屬粉末）在激光照射下燒結(jié)的原理，在計(jì)算機(jī)控制下層層堆積成形。SLS的原理與SLA十分相象，主要區(qū)別在于所使用的材料及其形狀。SLA所用的材料是液態(tài)的紫外光敏可凝固樹脂，而SLS則使用粉狀的材料。這是該項(xiàng)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)之一，因?yàn)槔碚撋先魏慰扇鄣姆勰┒伎梢杂脕?lái)制造模型，這樣的模型可以用作真實(shí)的原型制件。 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC一、一、 選擇性激光燒結(jié)工藝的基本原理選擇性激光燒結(jié)工藝的基本原理 選擇性激光燒結(jié)加工過(guò)程是采用鋪粉輥將一層粉末材料平鋪在已成形零件的上表面，并加熱至恰好低于該粉末燒

3、結(jié)點(diǎn)的某一溫度，控制系統(tǒng)控制激光束按照該層的截面輪廓在粉層上掃描，使粉末的溫度升至熔化點(diǎn)，進(jìn)行燒結(jié)并與下面已成形的部分實(shí)現(xiàn)粘接。當(dāng)一層截面燒結(jié)完后，工作臺(tái)下降一個(gè)層的厚度，鋪料輥又在上面鋪上一層均勻密實(shí)的粉末，進(jìn)行新一層截面的燒結(jié)，直至完成整個(gè)模型。在成型過(guò)程中，未經(jīng)燒結(jié)的粉末對(duì)模型的空腔和懸臂部分起著支撐作用，不必象SLA和FDM工藝那樣另行生成支撐工藝結(jié)構(gòu)。 當(dāng)實(shí)體構(gòu)建完成并在原型部分充分冷卻后，粉末塊會(huì)上升到初始的位置，將其拿出并放置到工作臺(tái)上，用刷子小心刷去表面粉末露出加工件部分，其余殘留的粉末可用壓縮空氣除去。 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC2

4、快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC二二 、選擇性激光燒結(jié)工藝的特點(diǎn)、選擇性激光燒結(jié)工藝的特點(diǎn) 選擇性激光燒結(jié)工藝和其它快速成型工藝相比，具有較多的優(yōu)點(diǎn)：可采用多種材料從原理上說(shuō)，這種方法可采用加熱時(shí)粘度降低的任何粉末材料，通過(guò)材料或各類含粘結(jié)劑的涂層顆粒制造出任何造型，適應(yīng)不同的需要。 制造工藝比較簡(jiǎn)單 由于可用多種材料，選擇性激光燒結(jié)工藝按采用的原料不同可以直接生產(chǎn)復(fù)雜形狀的原型、型腔模三維構(gòu)件或部件及工具。例如，制造概念原型，可安裝為最終產(chǎn)品模型的概念原型，蠟?zāi)ｈT造模型及其它少量母模，直接制造金屬注塑模等。 可直接制作金屬制品在目前廣泛應(yīng)用的幾種快速原型工藝方

5、法中，唯有SLS方法可直接燒結(jié)制作金屬材質(zhì)的原型，這是SLS工藝的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝無(wú)需支撐結(jié)構(gòu) 和LOM工藝一樣，SLS工藝也無(wú)需設(shè)計(jì)和需要支撐結(jié)構(gòu)，疊層過(guò)程中出現(xiàn)的懸空層面可直接由未燒結(jié)的粉末來(lái)實(shí)現(xiàn)支撐。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC材料利用率高 由于SLS工藝過(guò)程不需要支撐結(jié)構(gòu)，也不象LOM工藝那樣出現(xiàn)許多工藝廢料，也不需要制作基底支撐，所以該工藝方法在常見(jiàn)的幾種快速原型工藝中材料利用率是最高的，材料的利用率基本可以認(rèn)為是100。SLS工藝中的多數(shù)粉末的價(jià)格較便宜，所以SLS模型的成本相比較來(lái)看也是較低的。 但是，選擇性激光燒結(jié)工藝的缺點(diǎn)也比較突出，具體如

6、下： 原型表面粗糙 由于SLS工藝的原材料是粉狀的，原型的建造是由材料粉層經(jīng)過(guò)加熱熔化而實(shí)現(xiàn)逐層粘接的，因此，原型表面嚴(yán)格講是粉粒狀的，因而表面質(zhì)量不高。 燒結(jié)過(guò)程揮發(fā)異味 SLS工藝中的粉層粘接是需要激光能源使其加熱而達(dá)到熔化狀態(tài)，高分子材料或者粉粒在激光燒結(jié)熔化時(shí)一般要揮發(fā)異味氣體。 有時(shí)需要比較復(fù)雜的輔助工藝 SLS技術(shù)視所用的材料而異，有時(shí)需要比較復(fù)雜的輔助工藝過(guò)程。以聚酰胺粉末燒結(jié)為例，為避免激光掃描燒結(jié)過(guò)程中材料因高溫起火燃燒，必須在機(jī)器的工作空間充入阻燃?xì)怏w，一般為氮?dú)?。為了使粉狀材料可靠地?zé)Y(jié)，必須將機(jī)器的整個(gè)工作空間內(nèi)直接參與造型工作的所有機(jī)件以及所使用的粉狀材料預(yù)先加熱到規(guī)

7、定的溫度，這個(gè)預(yù)熱過(guò)程常常需要數(shù)小時(shí)。造型工作完成后，為了除去工件表面沾粘的浮粉，需要使用軟刷和壓縮空氣，而這一步驟必須在閉封空間中完成以免造成粉塵污染。 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC三、選擇性激光燒結(jié)工藝三、選擇性激光燒結(jié)工藝選擇性激光燒結(jié)工藝使用的材料一般有石蠟、高分子、金屬、陶瓷粉末和它們的復(fù)合粉末材料。材料不同，其具體的燒結(jié)工藝也有所不同。 （一）高分子粉末材料燒結(jié)工藝（一）高分子粉末材料燒結(jié)工藝 和其他快速原型工藝方法一樣，高分子粉末材料激光燒結(jié)快速原型制造工藝過(guò)程同樣分為前處理、粉層燒結(jié)疊加以及后處理過(guò)程三個(gè)階段。下面以某一鑄件的SLS原型在

8、HRPS-IVB設(shè)備上的制作為例，介紹具體的工藝過(guò)程。 前處理前處理 前處理階段主要完成模型的三維CAD造型并經(jīng)STL數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后輸入到粉末激光燒結(jié)快速原型系統(tǒng)中。右圖給出的是某個(gè)鑄件的CAD模型。 某鑄件的CAD模型 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC粉層激光燒結(jié)疊加粉層激光燒結(jié)疊加在疊層加工階段，設(shè)備根據(jù)原型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在設(shè)定的建造參數(shù)下，自動(dòng)完成原型的逐層粉末燒結(jié)疊加過(guò)程。與LOM和SLA工藝相比較而言，SLS工藝中成形區(qū)域溫度的控制是比較重要的。 原型方位確定后的加工狀態(tài) 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC然后設(shè)定建造工

9、藝參數(shù)，如層厚、激光掃描速度和掃描方式、激光功率、燒結(jié)間距等。當(dāng)成形區(qū)域的溫度達(dá)到預(yù)定值時(shí)，便可以啟動(dòng)制作了。 在制作過(guò)程中，為確保制件燒結(jié)質(zhì)量，減少翹曲變形，應(yīng)根據(jù)截面變化相應(yīng)的調(diào)整粉料預(yù)熱的溫度。 當(dāng)所有疊層自動(dòng)燒結(jié)疊加完畢后，需要將原型在成型缸中緩慢冷卻至40以下，取出原型并進(jìn)行后處理。 某鑄件經(jīng)過(guò)滲蠟處理的SLS原型后處理后處理激光燒結(jié)后的PS原型件，強(qiáng)度很弱，需要根據(jù)使用要求進(jìn)行滲蠟或滲樹脂等進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。由于該原型用于熔模鑄造，所以進(jìn)行滲蠟處理。滲蠟后的該鑄件原型如圖所示。 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC（二）金屬零件間接燒結(jié)工藝（二）金屬零件

10、間接燒結(jié)工藝 在廣泛應(yīng)用的幾種快速原型技術(shù)方法中，只有SLS工藝可以直接或間接的燒結(jié)金屬粉末來(lái)制作金屬材質(zhì)的原型或零件。金屬零件間接燒結(jié)工藝使用的材料為混合有樹脂材料的金屬粉末材料，SLS工藝主要實(shí)現(xiàn)包裹在金屬粉粒表面樹脂材料的粘接?；赟LS方法間接金屬零件的制造工藝過(guò)程如圖所示。由圖中可知，整個(gè)工藝過(guò)程主要分三個(gè)階段：一是SLS原型件（“綠件”）的制作，二是粉末燒結(jié)件（“褐件”）的制作，三是金屬溶滲后處理。 基于SLS工藝的金屬零件間接制造工藝過(guò)程 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC原型制作關(guān)鍵技術(shù)原型制作關(guān)鍵技術(shù)（1 1）選用合理的粉末配比：）選用合理的

11、粉末配比：環(huán)氧樹脂與金屬粉末的比例一般控制在1 1：5 5與1 1：3 3之間 （2 2）加工工藝參數(shù)匹配：）加工工藝參數(shù)匹配：粉末材料的物性、掃描間隔、掃描層厚、激光功率以及掃描速度等 褐件制作關(guān)鍵技術(shù)褐件制作關(guān)鍵技術(shù) 燒結(jié)溫度和時(shí)間：燒結(jié)溫度和時(shí)間：燒結(jié)溫度應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，而且燒結(jié)時(shí)間應(yīng)適宜熔滲階段關(guān)鍵技術(shù)熔滲階段關(guān)鍵技術(shù)選用合適的熔滲材料及工藝：選用合適的熔滲材料及工藝：滲入金屬必須比“褐件”中金屬的熔點(diǎn)低2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC實(shí)例實(shí)例 采用金屬鐵粉末、環(huán)氧樹脂粉末、固化劑粉末混合，其體積比為67%、16%、17%；在激光功率40W下，取

12、掃描速度170mm/s，掃描間隔在0.2mm左右，掃描層厚為0.25mm時(shí)燒結(jié)。后處理二次燒結(jié)時(shí)，控制溫度在800，保溫1h；三次燒結(jié)時(shí)溫度1080，保溫40min；熔滲銅時(shí)溫度1120，熔滲時(shí)間40min。所成型的金屬齒輪零件如圖所示。 金屬齒輪零件 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC（三）金屬零件直接燒結(jié)工藝（三）金屬零件直接燒結(jié)工藝 金屬零件直接燒結(jié)工藝采用的材料是純粹的金屬粉末，是采用SLS工藝中的激光能源對(duì)金屬粉末直接燒結(jié)，使其融化，實(shí)現(xiàn)疊層的堆積。其工藝流程如圖所示。金屬零件直接燒結(jié)成型過(guò)程較間接金屬零件制作過(guò)程明顯縮短，無(wú)需間接燒結(jié)時(shí)復(fù)雜的后處理

13、階段。但必須有較大功率的激光器，以保證直接燒結(jié)過(guò)程中金屬粉末的直接熔化。因而，直接燒結(jié)中激光參數(shù)的選擇，被燒結(jié)金屬粉末材料的熔凝過(guò)程及控制是燒結(jié)成型中的關(guān)鍵。 基于SLS工藝的金屬零件直接制造工藝流程2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC四、陶瓷粉末燒結(jié)工藝四、陶瓷粉末燒結(jié)工藝 陶瓷粉末材料的選擇性激光燒結(jié)工藝需要在粉末中加入粘結(jié)劑。目前所用的純陶瓷粉末原料主要有Al2O3和SiC，而粘接劑有無(wú)機(jī)粘接劑、有機(jī)粘接劑和金屬粘接劑等三種。2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC四、高分子粉末燒結(jié)件的后處理四、高分子粉末燒結(jié)件的后處理 高分子

14、粉末材料燒結(jié)件的后處理工藝主要有滲樹脂滲樹脂和滲蠟滲蠟兩種。當(dāng)原型件主要用于融模鑄造的消失型時(shí)，需要進(jìn)行滲蠟處理。當(dāng)原型件為了提高強(qiáng)硬性指標(biāo)時(shí)，需要進(jìn)行滲樹脂處理。 以高分子粉末為基底的燒結(jié)件力學(xué)性能較差，作為原型件一般需對(duì)燒結(jié)件進(jìn)行樹脂增強(qiáng)。在樹脂涂料中，環(huán)氧樹脂的收縮率較小，可以較好地保持燒結(jié)原型件的尺寸精度，提高高分子粉末燒結(jié)件的適用范圍。 后處理后力學(xué)性能得到了顯著提高后處理后力學(xué)性能得到了顯著提高 滲樹脂后，燒結(jié)件的硬度（HD）由51提高到73左右，抗沖性能約為未處理件的1.92.7倍，未經(jīng)樹脂處理的原燒結(jié)制件的最大壓力26.894MPa，經(jīng)不同環(huán)氧樹脂體系處理燒結(jié)制件的最大受壓為4

15、7.20767.137MPa。處理過(guò)后的抗壓能力約為之前的1.82.5倍。 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC五、五、選擇性激光燒結(jié)工藝參數(shù)選擇性激光燒結(jié)工藝參數(shù) 在選擇性激光燒結(jié)的過(guò)程中，通過(guò)CO2激光器放出的熱量使粉末材料加熱熔化后一層層地疊加組成一個(gè)三維物體。激光束在計(jì)算機(jī)的控制下，通過(guò)掃描器以一定的速度和能量密度按分層面的二維數(shù)據(jù)掃描。激光束掃描之處，粉末燒結(jié)成一定厚度的實(shí)體片層，未掃描的地方仍保持松散的粉末狀。根據(jù)物體截面層的厚度而升降工作臺(tái)，鋪粉滾筒再次將粉鋪平后，開始新一層的掃描。然后激光束又照射這層被選定的區(qū)域使其牢固地粘結(jié)在前一層上。如此重復(fù)

16、直到整個(gè)制件成型完畢。 燒結(jié)工藝參數(shù)燒結(jié)工藝參數(shù)，如激光功率、掃描速度和方向及間距、燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間以及層厚度等對(duì)層與層之間的粘接、燒結(jié)體的收縮變形、翹曲變形甚至開裂都會(huì)產(chǎn)生很大的影響。 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC激光功率激光功率（1 1）激光功率的增加，尺寸誤差向正方向增大）激光功率的增加，尺寸誤差向正方向增大 （2 2）激光功率增加時(shí)，強(qiáng)度也隨著增大）激光功率增加時(shí)，強(qiáng)度也隨著增大（3 3）激光功率過(guò)大會(huì)加劇因熔固收縮而導(dǎo)致的制件翹曲變形）激光功率過(guò)大會(huì)加劇因熔固收縮而導(dǎo)致的制件翹曲變形 因此應(yīng)綜合考慮上述影響而選擇適宜的燒結(jié)激光功率因此應(yīng)綜合考

17、慮上述影響而選擇適宜的燒結(jié)激光功率掃描速度掃描速度 （1 1）掃描速度增加，尺寸誤差向負(fù)誤差的方向減小）掃描速度增加，尺寸誤差向負(fù)誤差的方向減小 （2 2）掃描速度增加，燒結(jié)制件強(qiáng)度減?。呙杷俣仍黾?，燒結(jié)制件強(qiáng)度減小 所以也應(yīng)綜合考慮上述影響而選擇適宜的掃描速度所以也應(yīng)綜合考慮上述影響而選擇適宜的掃描速度燒結(jié)間距燒結(jié)間距 （1 1）燒結(jié)間距增加，尺寸誤差向負(fù)誤差方向減?。Y(jié)間距增加，尺寸誤差向負(fù)誤差方向減小 （2 2）燒結(jié)間距增加，燒結(jié)制件強(qiáng)度減?。Y(jié)間距增加，燒結(jié)制件強(qiáng)度減小 （3 3）燒結(jié)間距增加，成型效率提高）燒結(jié)間距增加，成型效率提高 所以也應(yīng)綜合考慮上述影響而選擇適宜的掃描間距

18、所以也應(yīng)綜合考慮上述影響而選擇適宜的掃描間距單層層厚單層層厚 （1 1）單層層厚增加，尺寸誤差向負(fù)誤差方向減?。﹩螌訉雍裨黾?，尺寸誤差向負(fù)誤差方向減小 （2 2）單層層厚增加，燒結(jié)制件強(qiáng)度減小）單層層厚增加，燒結(jié)制件強(qiáng)度減小 （3 3）單層厚度增加，成型效率提高）單層厚度增加，成型效率提高 所以也應(yīng)綜合考慮上述影響而選擇適宜的單層厚度所以也應(yīng)綜合考慮上述影響而選擇適宜的單層厚度2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC六、選擇性激光燒結(jié)工藝的應(yīng)用六、選擇性激光燒結(jié)工藝的應(yīng)用 、直接制作快速模具 SLS工藝可以選擇不同的材料粉末制造不同用途的模具，用SLS法可直接燒結(jié)金屬模具和陶瓷模具，用作注塑、壓鑄、擠塑等塑料成型模及鈑金成形模。DTM公司用Rapid Tool專利技術(shù)，在SLS系統(tǒng)Sinterstation2000上將Rapidsteel粉末（鋼質(zhì)微粒外包裹一層聚酯）進(jìn)行激光燒結(jié)得到模具后放在聚合物的溶液中浸泡一定時(shí)間，然后放入加熱爐中加熱使聚合物蒸發(fā)，接著進(jìn)行滲銅，出爐后打磨并嵌入模架內(nèi)即可。下圖給出了采用上述工藝制作的高爾夫球頭的模具及產(chǎn)品。 采用采用SLS工藝制作高爾夫球頭模具及產(chǎn)品工藝制作高爾夫球頭模具及產(chǎn)品 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具