增材制造與3D打印技術(shù)及應(yīng)用課件第4章-粉末材料選擇性激光燒結(jié)增材制造系統(tǒng)

第四章

粉末材料選擇性燒結(jié)增材制造光敏材料選擇性固化增材制造4.1SLS增材制造的原理4.2SLA增材制造成形過(guò)程4.3SLS增材制造的材料及選擇4.4SLS增材制造的優(yōu)缺點(diǎn)4.53DP打印技術(shù)

粉末材料選擇性燒結(jié)增材制造又稱為選區(qū)激光燒結(jié)增材制造，英文名稱SelectiveLaserSintering,簡(jiǎn)稱SLS。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。SLS增材制造是利用粉末材料（金屬粉末或非金屬粉末）在激光下燒結(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非常相象，主要區(qū)別在于所使用的材料及其形狀。4.1SLS增材制造的原理

粉末材料選擇性燒結(jié)增材制造又稱為選區(qū)激光燒結(jié)增材制造，英文名稱SelectiveLaserSintering,簡(jiǎn)稱SLS。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。SLS增材制造是利用粉末材料（金屬粉末或非金屬粉末）在激光下燒結(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非常相象，主要區(qū)別在于所使用的材料及其形狀。4.1SLS增材制造的原理4.1SLS增材制造的原理4-1SLS增材制造的原理圖4.1SLS增材制造的原理SLS增材制造的燒結(jié)機(jī)理可以分為四大類：固相燒結(jié)、化學(xué)燒結(jié)、液相燒結(jié)和部分熔化及完全熔化。雖然把SLS增材制造的燒結(jié)機(jī)理分為了四大類，但是每一種燒結(jié)過(guò)程中，同時(shí)伴隨著其它幾種燒結(jié)的進(jìn)行。1.固相燒結(jié)固相燒結(jié)的溫度范圍是粉末材料的1/2熔點(diǎn)和熔點(diǎn)之間，在這個(gè)過(guò)程中伴隨著各種物理和化學(xué)反應(yīng)，最重要的是形成擴(kuò)散。它發(fā)生在相鄰的粉末之間，這種驅(qū)動(dòng)力會(huì)使較低自由能的粉末之間通過(guò)頸連接起來(lái)。這種燒結(jié)機(jī)理適用于陶瓷粉末和部分金屬粉末。2.化學(xué)粘結(jié)化學(xué)粘結(jié)在現(xiàn)有的激光粉末燒結(jié)中用的較少，但事實(shí)證明它對(duì)于聚合物、金屬及陶瓷材料都是可行的，如在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行鋁粉的燒結(jié)，氮?dú)夂弯X粉發(fā)生反應(yīng)生成氮化鋁來(lái)連接鋁粉，使燒結(jié)不斷繼續(xù)。3.液相燒結(jié)和部分熔化液相燒結(jié)和部分熔化包含一部分粘接劑機(jī)制，即一些粉末材料被熔化而其他部分仍保持固態(tài)。熔化的材料在強(qiáng)烈的毛細(xì)作用力下在固態(tài)粉末顆粒之間迅速擴(kuò)展將它們連接在一起。4.完全熔化

完全熔化適用于通過(guò)高能量的激光，使其作用在金屬粉末上面，可以完全熔化，得到致密的實(shí)體零件，通過(guò)此方法獲得的金屬零件的致密度可以達(dá)到99.9%。4.1SLS增材制造的原理激光掃描系統(tǒng)由激光器、激光器電源、激光掃描系統(tǒng)構(gòu)成。激光器的作用是為燒結(jié)提供能量。一般用于SLS增材制造的激光器有波長(zhǎng)1.06um的CO2激光器和波長(zhǎng)為1.06um的YAG脈沖激光器，其功率在45-200W之間。激光掃描系統(tǒng)的主要功能是將激光能量傳輸?shù)酱庸し勰┍韺?，熔融固化粉末材料形成掃描層面。目前，SLS增材制造主要采用XY直線導(dǎo)軌和振鏡掃描。激光燒結(jié)成形過(guò)程中，為保證較好的燒結(jié)表面質(zhì)量和燒結(jié)精度，一般要求掃描速度在6m/min以上。掃描參數(shù)直接影響燒結(jié)件質(zhì)量。燒結(jié)件的強(qiáng)度主要取決于面內(nèi)強(qiáng)度和層與層之間的粘結(jié)強(qiáng)度，面內(nèi)強(qiáng)度和層間的粘結(jié)又取決于光斑直徑的大小及光點(diǎn)間的距離。此外，內(nèi)應(yīng)力的大小也與掃描間距有關(guān)。掃描方式的不同則會(huì)影響加工強(qiáng)度，內(nèi)應(yīng)力及變形，掃描速度對(duì)成形速度和強(qiáng)度也有一定影響。4.2SLS增材制造的成形過(guò)程陶瓷材料在進(jìn)行選擇性燒結(jié)時(shí)需要加入粘結(jié)劑。常用的陶瓷粉末材料有Al2O3和SiC，粘結(jié)劑主要有無(wú)機(jī)粘結(jié)劑、有機(jī)粘結(jié)劑和金屬粘結(jié)劑等三種。幾種常用的陶瓷粉末燒結(jié)過(guò)程如下：(1)NH4H2PO4助Al2O3的燒結(jié)常溫下NH4H2PO4是固態(tài)粉末晶體，熔點(diǎn)為190℃，Al2O3的熔點(diǎn)很高，為2050℃。NH4H2PO4在熔點(diǎn)以上會(huì)發(fā)生分解，生成P2O5，P2O5會(huì)和Al2O3發(fā)生反應(yīng)，生成AlPO4,AlPO4是一種無(wú)機(jī)粘結(jié)劑，用于粘結(jié)Al2O3陶瓷。NH4H2PO4和Al2O3的配比一般為1：4（質(zhì)量比），Al2O3過(guò)量，大部分Al2O3未發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)生成的AlPO4包圍Al2O3在周圍，將它們粘結(jié)在一起。(2)PMMA助Al2O3的燒結(jié)將Al2O3粉末和PMMA粉末按某一比例均勻混合，控制好激光參數(shù)，使激光束掃描到的區(qū)域內(nèi)PMMA熔化，將Al2O3粉末粘結(jié)在一起。之后，對(duì)激光燒結(jié)的制件進(jìn)行后續(xù)處理以除去PMMA。(3)Al助Al2O3的燒結(jié)將Al與Al2O3以一定比例均勻混合，控制好激光參數(shù)，使激光束掃描到的區(qū)域內(nèi)Al熔化，熔化的Al將Al2O3粉末粘結(jié)在一起。也有一部分Al在激光燒結(jié)過(guò)程中氧化成Al2O3，同時(shí)釋放大量的熱量，這些熱量又促進(jìn)Al2O3熔融、粘結(jié)。這也是一種自蔓延燒結(jié)過(guò)程。4.2SLS增材制造的成形過(guò)程SLS工藝的后處理1.高溫?zé)Y(jié)金屬和陶瓷坯體均可用高溫?zé)Y(jié)的方法進(jìn)行處理。坯體經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后，坯體內(nèi)部孔隙減少，密度、強(qiáng)度增加，性能也得到改善。高溫?zé)Y(jié)后處理后，由于制件內(nèi)部空隙減少會(huì)導(dǎo)致體積收縮，影響制件的尺寸精度。爐內(nèi)溫度梯度不均勻會(huì)造成制件各個(gè)方向收縮不一致而發(fā)生翹曲變形。2.熱等靜壓金屬和陶瓷坯體均可采用熱等靜壓進(jìn)行后處理。熱等靜壓后處理工藝是通過(guò)流體介質(zhì)將高溫和高壓同時(shí)均勻地作用于坯體表面，消除其內(nèi)部氣孔，提高密度和強(qiáng)度，并改善其它性能。使用溫度范圍為0.5Tm～0.7Tm(Tm為金屬或陶瓷的熔點(diǎn))，壓力為147Mpa以下，要求溫度均勻、準(zhǔn)確、波動(dòng)小。熱等靜壓處理包括三個(gè)階段：升溫、保溫和冷卻。采用熱等靜壓后處理方法可以使制件非常致密，這是其它后處理方法難以得到的，但制件的收縮也較大。3.熔浸熔浸是將金屬或陶瓷制件與另一低熔點(diǎn)的金屬接觸或浸埋在液態(tài)金屬內(nèi)，讓液態(tài)金屬填充制件的孔隙，冷卻后得到致密的零件。在熔浸后處理過(guò)程中，制件的致密化過(guò)程不是靠制件本身的收縮，而主要是靠易熔成分從外面補(bǔ)充填滿空隙，所以，經(jīng)過(guò)這種后處理得到的零件致密度高，強(qiáng)度大，基本不產(chǎn)生收縮，尺寸變化小。4.浸漬浸漬后處理和熔浸相似，不同的是浸漬將液態(tài)非金屬物質(zhì)浸入多孔的選擇性激光燒結(jié)坯體的孔隙內(nèi)，經(jīng)過(guò)浸漬后處理的制件尺寸變化很小。4.2SLS增材制造的成形過(guò)程（c）（d）SLS增材制造工藝參數(shù)的影響1.激光能量與掃描速度激光的能量與掃描速度對(duì)SLS增材制造燒結(jié)成形零件的機(jī)械性能有著重要的影響。成形零件的致密度和強(qiáng)度隨著激光輸出能量的加大而增高，隨著掃描速度的增大而變小。低的掃描速度和高的激光能量能達(dá)到較好的燒結(jié)結(jié)果，是因?yàn)樗查g高的能量密度使粉末材料的溫度升高、熔化，導(dǎo)致大量的液相生成，同時(shí)高的溫度也使熔化液相的粘度降低，流動(dòng)性增強(qiáng)，能更好地浸潤(rùn)固相顆粒。2.預(yù)熱溫度與鋪粉層厚無(wú)論燒結(jié)成形金屬、陶瓷以及聚合物等任何材料，粉末的預(yù)熱都能明顯地改善成形制品的性能質(zhì)量。但是預(yù)熱溫度最高不能超過(guò)粉末材料的最低熔點(diǎn)或塑變溫度。薄的鋪粉層能提高燒結(jié)的質(zhì)量，改善制品的致密度。鋪粉層厚是由模型切片的厚度參數(shù)控制的，最小的層厚是由粉末材料的顆粒尺寸大小決定的。但薄的鋪粉層會(huì)使激光能量對(duì)先前燒結(jié)層產(chǎn)生大的影響。3.填充間距對(duì)制件強(qiáng)度的影響隨著填充間距的增大，制件的強(qiáng)度會(huì)降低，精度會(huì)提高一些，但是當(dāng)填充間距較大時(shí)，就會(huì)由于導(dǎo)致輪廓處由于偏移量或多或少，從而導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。4.分層厚度對(duì)制件強(qiáng)度的影響隨著分層厚度的增大，制件的強(qiáng)度降低，精度有所提高（不包括階梯效應(yīng)所產(chǎn)生的誤差），一般為了獲得比較好的制件效果和表面質(zhì)量，通過(guò)選擇小的層厚，降低由階梯效應(yīng)產(chǎn)生的誤差。4.3SLS增材制造的材料及其選擇（c）（d）SLS增材制造對(duì)材料性能的要求由成形原理知，SLS增材制造工藝激光對(duì)材料的作用本質(zhì)上是一種熱作用，所以，從理論上講，所有受熱后能相互粘結(jié)的粉末材料或表面覆有熱塑（固）性粘結(jié)劑的粉末都能作為SLS增材制造的材料。但要真正適合SLS增材制造燒結(jié)，要求粉末材料應(yīng)滿足以下要求：(1)具有良好的燒結(jié)成形性能，即無(wú)需特殊工藝即可快速精確地成形原型。(2)對(duì)直接用作功能零件或模具的原型，其機(jī)械性能和物理性能（強(qiáng)度、剛性、熱穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性及加工性能）要滿足使用要求。(3)當(dāng)原型間接使用時(shí)，要有利于快速、方便的后續(xù)處理和加工工藝。4.3SLS增材制造的材料及其選擇（c）（d）增材制造的材料的種類用于SLS增材制造工藝的材料是各種粉末，如金屬、陶瓷、石蠟以及聚合物的粉末，如尼龍粉、覆裹尼龍的玻璃粉、聚碳酸脂粉、聚酰胺粉、蠟粉、金屬粉（成形后常需進(jìn)行再燒結(jié)和滲銅處理）、覆裹熱凝樹(shù)脂的細(xì)沙、覆蠟陶瓷粉和覆蠟金屬粉等，近年來(lái)更多的采用復(fù)合粉末。4.4SLS增材制造的優(yōu)缺點(diǎn)（c）（d）1.材料范圍廣，開(kāi)發(fā)前景廣闊從理論上講，任何受熱粘結(jié)的粉末都有被用作SLS增材制造成形材料的可能。通過(guò)材料或各類粘結(jié)劑涂層的顆粒制造出適應(yīng)不同需要的任何造型，材料的開(kāi)發(fā)前景非常廣闊。2.制造工藝簡(jiǎn)單，柔性度高在計(jì)算機(jī)的控制下可以方便迅速地制造出傳統(tǒng)加工方法難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜形狀的零件。3.精度高，材料利用率高依賴于使用的材料種類和粒徑、產(chǎn)品的幾何形狀和復(fù)雜程度，SLS增材制造工藝一般能夠達(dá)到工件整體范圍內(nèi)±0.05～2.5mm的公差。當(dāng)粉末粒徑為0.1mm以下時(shí)，成形的原型精度可達(dá)到±1%。粉末材料可以回收利用，利用率近100%。4.料價(jià)格便宜，成本低。所用進(jìn)口材料的價(jià)格為10～132美元/千克，國(guó)產(chǎn)的材料為150～220元/千克。5.應(yīng)用面廣，生產(chǎn)周期短各項(xiàng)高新技術(shù)的集中應(yīng)用使得這種成形方法的生產(chǎn)周期很短。4.53DP打印技術(shù)（c）（d）3DP打印工藝與SLS增材制造工藝類似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金屬粉末。所不同的是材料粉末不是通過(guò)燒結(jié)連接起來(lái)的，而是通過(guò)噴頭用粘接劑（如硅膠）將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接劑粘接的零件強(qiáng)度較低，還須后處理。具體工藝過(guò)程如下：上一層粘結(jié)完畢后，成形缸下降一個(gè)距離（等于層厚：0.013～0.1mm）,供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被鋪粉輥推到成形缸，鋪平并被壓實(shí)。噴頭在計(jì)算機(jī)控制下，按下一建造截面的成形數(shù)據(jù)有選擇地噴射粘結(jié)劑建造層面。鋪粉輥鋪粉時(shí)多余的粉末被集粉裝置收集。如此周而復(fù)始地送粉、鋪粉和噴射粘結(jié)劑，最終完成一個(gè)三維粉體的粘結(jié)。未被噴射粘結(jié)劑的地方為干粉，在成形過(guò)程中起支撐作用，