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快速成型制造工艺:选择性激光烧结成型工艺

日期: 2019-11-25
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选择性激光烧结工艺(Selective Laser Sintering,简称SLS)又称为选区激光烧结,由美国德克萨斯大学奥汀分校的C. R. Dechard于1989年研制成功。该方法已被美国DTM公司商品化。于1992年开发了基于SLS的商业成型机(Sinterstation)。十几年来,DTM公司在SLS领域做了大量的研究工作。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、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形。SLS的原理与SLA十分相象,主要区别在于所使用的材料及其形状。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。这是该项技术的主要优点之一,因为理论上任何可熔的粉末都可以用来制造模型,这样的模型可以用作真实的原型制件。 


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,控制系统控制激光束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,不必象SLA和FDM工艺那样另行生成支撑工艺结构。


快速成型制造工艺:选择性激光烧结成型工艺


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。


快速成型制造工艺:选择性激光烧结成型工艺


二 、选择性激光烧结工艺的特点 


选择性激光烧结工艺和其它快速成型工艺相比,具有较多的优点:


可直接制作金属制品


在目前广泛应用的几种快速原型工艺方法中,唯有SLS方法可直接烧结制作金属材质的原型,这是SLS工艺的独特优点。


可采用多种材料


从原理上说,这种方法可采用加热时粘度降低的任何粉末材料,通过材料或各类含粘结剂的涂层颗粒制造出任何造型,适应不同的需要。  


制造工艺比较简单 


由于可用多种材料,选择性激光烧结工艺按采用的原料不同可以直接生产复杂形状的原型、型腔模三维构件或部件及工具。例如,制造概念原型,可安装为最终产品模型的概念原型,蜡模铸造模型及其它少量母模,直接制造金属注塑模等。 


无需支撑结构


和LOM工艺一样,SLS工艺也无需设计和需要支撑结构,叠层过程中出现的悬空层面可直接由未烧结的粉末来实现支撑。  


材料利用率高


由于SLS工艺过程不需要支撑结构,也不象LOM工艺那样出现许多工艺废料,也不需要制作基底支撑,所以该工艺方法在常见的几种快速原型工艺中材料利用率是最高的,材料的利用率基本可以认为是100%。SLS工艺中的多数粉末的价格较便宜,所以SLS模型的成本相比较来看也是较低的。


但是,选择性激光烧结工艺的缺点也比较突出,具体如下:


原型表面粗糙


由于SLS工艺的原材料是粉状的,原型的建造是由材料粉层经过加热熔化而实现逐层粘接的,因此,原型表面严格讲是粉粒状的,因而表面质量不高。


烧结过程挥发异味


SLS工艺中的粉层粘接是需要激光能源使其加热而达到熔化状态,高分子材料或者粉粒在激光烧结熔化时一般要挥发异味气体。


有时需要比较复杂的辅助工艺


SLS技术视所用的材料而异,有时需要比较复杂的辅助工艺过程。以聚酰胺粉末烧结为例,为避免激光扫描烧结过程中材料因高温起火燃烧,必须在机器的工作空间充入阻燃气体,一般为氮气。为了使粉状材料可靠地烧结,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,这个预热过程常常需要数小时。造型工作完成后,为了除去工件表面沾粘的浮粉,需要使用软刷和压缩空气,而这一步骤必须在闭封空间中完成以免造成粉尘污染。


三、选择性激光烧结工艺


选择性激光烧结工艺使用的材料一般有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。材料不同,其具体的烧结工艺也有所不同。


(一)高分子粉末材料烧结工艺


和其他快速原型工艺方法一样,高分子粉末材料激光烧结快速原型制造工艺过程同样分为前处理、粉层烧结叠加以及后处理过程三个阶段。下面以某一铸件的SLS原型在HRPS-IVB设备上的制作为例,介绍具体的工艺过程。


前处理


前处理阶段主要完成模型的三维CAD造型并经STL数据转换后输入到粉末激光烧结快速原型系统中。右图给出的是某个铸件的CAD模型。


快速成型制造工艺:选择性激光烧结成型工艺

某铸件的CAD模型


粉层激光烧结叠加


在叠层加工阶段,设备根据原型的结构特点,在设定的建造参数下,自动完成原型的逐层粉末烧结叠加过程。与LOM和SLA工艺相比较而言,SLS工艺中成形区域温度的控制是比较重要的。 

快速成型制造工艺:选择性激光烧结成型工艺


原型方位确定后的加工状态


然后设定建造工艺参数,如层厚、激光扫描速度和扫描方式、激光功率、烧结间距等。当成形区域的温度达到预定值时,便可以启动制作了。


在制作过程中,为确保制件烧结质量,减少翘曲变形,应根据截面变化相应的调整粉料预热的温度。


当所有叠层自动烧结叠加完毕后,需要将原型在成型缸中缓慢冷却至40℃以下,取出原型并进行后处理。 


后处理


高分子粉末材料烧结件的后处理工艺主要有渗树脂和渗蜡两种。当原型件主要用于融模铸造的消失型时,需要进行渗蜡处理。当原型件为了提高强硬性指标时,需要进行渗树脂处理。


激光烧结后的PS原型件,强度很弱,需要根据使用要求进行渗蜡或渗树脂等进行补强处理。由于该原型用于熔模铸造,所以进行渗蜡处理。渗蜡后的该铸件原型如图所示。 


快速成型制造工艺:选择性激光烧结成型工艺

某铸件经过渗蜡处理的SLS原型


以高分子粉末为基底的烧结件力学性能较差,作为原型件一般需对烧结件进行树脂增强。在树脂涂料中,环氧树脂的收缩率较小,可以较好地保持烧结原型件的尺寸精度,提高高分子粉末烧结件的适用范围。 


后处理后力学性能得到了显著提高 


渗树脂后,烧结件的硬度(HD)由51提高到73左右,抗冲性能约为未处理件的1.9~2.7倍,未经树脂处理的原烧结制件的最大压力26.894MPa,经不同环氧树脂体系处理烧结制件的最大受压为47.207~67.137MPa。处理过后的抗压能力约为之前的1.8~2.5倍。 


(二)金属零件间接烧结工艺 


在广泛应用的几种快速原型技术方法中,只有SLS工艺可以直接或间接的烧结金属粉末来制作金属材质的原型或零件。金属零件间接烧结工艺使用的材料为混合有树脂材料的金属粉末材料,SLS工艺主要实现包裹在金属粉粒表面树脂材料的粘接。基于SLS方法间接金属零件的制造工艺过程如图所示。由图中可知,整个工艺过程主要分三个阶段:一是SLS原型件(“绿件”)的制作,二是粉末烧结件(“褐件”)的制作,三是金属溶渗后处理。 


快速成型制造工艺:选择性激光烧结成型工艺

基于SLS工艺的金属零件间接制造工艺过程


原型制作关键技术


(1)选用合理的粉末配比:环氧树脂与金属粉末的比例一般控制在1:5与1:3之间 


(2)加工工艺参数匹配:粉末材料的物性、扫描间隔、扫描层厚、激光功率以及扫描速度等 


褐件制作关键技术


烧结温度和时间:烧结温度应控制在合理范围内,而且烧结时间应适宜


熔渗阶段关键技术


选用合适的熔渗材料及工艺:渗入金属必须比“褐件”中金属的熔点低


实例


采用金属铁粉末、环氧树脂粉末、固化剂粉末混合,其体积比为67%、16%、17%;在激光功率40W下,取扫描速度170mm/s,扫描间隔在0.2mm左右,扫描层厚为0.25mm时烧结。后处理二次烧结时,控制温度在800℃,保温1h;三次烧结时温度1080℃,保温40min;熔渗铜时温度1120℃,熔渗时间40min。所成型的金属齿轮零件如图所示。 


快速成型制造工艺:选择性激光烧结成型工艺

金属齿轮零件


(三)金属零件直接烧结工艺 


金属零件直接烧结工艺采用的材料是纯粹的金属粉末,是采用SLS工艺中的激光能源对金属粉末直接烧结,使其融化,实现叠层的堆积。其工艺流程如图所示。


金属零件直接烧结成型过程较间接金属零件制作过程明显缩短,无需间接烧结时复杂的后处理阶段。但必须有较大功率的激光器,以保证直接烧结过程中金属粉末的直接熔化。因而,直接烧结中激光参数的选择,被烧结金属粉末材料的熔凝过程及控制是烧结成型中的关键。 


快速成型制造工艺:选择性激光烧结成型工艺

基于SLS工艺的金属零件直接制造工艺流程


(四)、陶瓷粉末烧结工艺 


陶瓷粉末材料的选择性激光烧结工艺需要在粉末中加入粘结剂。目前所用的纯陶瓷粉末原料主要有Al2O3和SiC,而粘接剂有无机粘接剂、有机粘接剂和金属粘接剂等三种。


四、选择性激光烧结工艺参数 


在选择性激光烧结的过程中,通过CO2激光器放出的热量使粉末材料加热熔化后一层层地叠加组成一个三维物体。激光束在计算机的控制下,通过扫描器以一定的速度和能量密度按分层面的二维数据扫描。激光束扫描之处,粉末烧结成一定厚度的实体片层,未扫描的地方仍保持松散的粉末状。根据物体截面层的厚度而升降工作台,铺粉滚筒再次将粉铺平后,开始新一层的扫描。然后激光束又照射这层被选定的区域使其牢固地粘结在前一层上。如此重复直到整个制件成型完毕。 


烧结工艺参数,如激光功率、扫描速度和方向及间距、烧结温度、烧结时间以及层厚度等对层与层之间的粘接、烧结体的收缩变形、翘曲变形甚至开裂都会产生很大的影响。 


激光功率


(1)激光功率的增加,尺寸误差向正方向增大 

(2)激光功率增加时,强度也随着增大

(3)激光功率过大会加剧因熔固收缩而导致的制件翘曲变形


因此应综合考虑上述影响而选择适宜的烧结激光功率


扫描速度 


(1)扫描速度增加,尺寸误差向负误差的方向减小 

(2)扫描速度增加,烧结制件强度减小 


所以也应综合考虑上述影响而选择适宜的扫描速度


烧结间距 


(1)烧结间距增加,尺寸误差向负误差方向减小 

(2)烧结间距增加,烧结制件强度减小

(3)烧结间距增加,成型效率提高


所以也应综合考虑上述影响而选择适宜的扫描间距


单层层厚


(1)单层层厚增加,尺寸误差向负误差方向减小 

(2)单层层厚增加,烧结制件强度减小

(3)单层厚度增加,成型效率提高


所以也应综合考虑上述影响而选择适宜的单层厚度


五、选择性激光烧结工艺的应用 


1、直接制作快速模具 


SLS工艺可以选择不同的材料粉末制造不同用途的模具,用SLS法可直接烧结金属模具和陶瓷模具,用作注塑、压铸、挤塑等塑料成型模及钣金成形模。DTM公司用Rapid ToolTM专利技术,在SLS系统Sinterstation2000上将Rapidsteel粉末(钢质微粒外包裹一层聚酯)进行激光烧结得到模具后放在聚合物的溶液中浸泡一定时间,然后放入加热炉中加热使聚合物蒸发,接着进行渗铜,出炉后打磨并嵌入模架内即可。下图给出了采用上述工艺制作的高尔夫球头的模具及产品。 


快速成型制造工艺:选择性激光烧结成型工艺

采用SLS工艺制作高尔夫球头模具及产品


2、复杂金属零件的快速无模具铸造 


将SLS激光快速成型技术与精密铸造工艺结合起来,特别适宜具有复杂形状的金属功能零件整体制造。在新产品试制和零件的单件小批量生产中,不需复杂工装及模具,可大大提高制造速度,并降低制造成本。下图给出了若干由快速无模具铸造方法制作的产品。 


快速成型制造工艺:选择性激光烧结成型工艺

由快速无模具铸造方法制作的产品


3、内燃机进气管模型


采用SLS工艺快速制造内燃机进气管模型,如下图所示,可以直接与相关零部件安装,进行功能验证,快速检测内燃机运行效果以评价设计的优劣,然后进行针对性的改进以达到内燃机进气管产品的设计要求。

快速成型制造工艺:选择性激光烧结成型工艺

快速成型制造工艺:选择性激光烧结成型工艺


采用SLS工艺制作的内燃机进气管模型



END


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