第二章 快速成型制造工艺III.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,,,*,第四节,选择性激光烧结成型工艺,,模具工程技术研究中心,METRC,选择性激光烧结工艺(,S,elective,L,aser,S,intering，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（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。

ξ2,,快速成型制造工艺,,模具工程技术研究中心,METRC,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ξ2,,快速成型制造工艺,,模具工程技术研究中心,METRC,ξ2,,快速成型制造工艺,,模具工程技术研究中心,METRC,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,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ξ2,,快速成型制造工艺,,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模具工程技术研究中心,METRC,,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ξ2,,快速成型制造工艺,,模具工程技术研究中心,METRC,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模型某铸件的CAD模型,,ξ2,,快速成型制造工艺,,模具工程技术研究中心,METRC,,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原型方位确定后的加工状态,,ξ2,,快速成型制造工艺,,模具工程技术研究中心,METRC,,,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某铸件经过渗蜡处理的SLS原型,,后处理,,,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。

ξ2,,快速成型制造工艺,,模具工程技术研究中心,METRC,（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基于SLS工艺的金属零件间接制造工艺过程,,ξ2,,快速成型制造工艺,,模具工程技术研究中心,METRC,,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,ξ2,,快速成型制造工艺,,模具工程,技,技术研究,中,中心,METRC,实例,采用金属,铁,铁粉末、,环,环氧树脂,粉,粉末、固,化,化剂粉末,混,混合，其,体,体积比为67%、16%、17%；,在,在激光功,率,率40W,下,下，取扫,描,描速度170mm/s，扫,描,描间隔在0.2mm左右，,扫,扫描层厚,为,为0.25mm时,烧,烧结。

后,处,处理二次,烧,烧结时，,控,控制温度,在,在800,℃,℃，保温1h；三,次,次烧结时,温,温度1080℃，,保,保温40min；,熔,熔渗铜时,温,温度1120℃，,熔,熔渗时间40min所成,型,型的金属,齿,齿轮零件,如,如图所示,金属齿轮,零,零件,ξ2,快速成型,制,制造工艺,,模具工程,技,技术研究,中,中心,METRC,（三）金,属,属零件直,接,接烧结工,艺,艺,,金属零件,直,直接烧结,工,工艺采用,的,的材料是,纯,纯粹的金,属,属粉末，,是,是采用SLS工艺,中,中的激光,能,能源对金,属,属粉末直,接,接烧结，,使,使其融化,，,，实现叠,层,层的堆积,其工艺,流,流程如图,所,所示金属零件,直,直接烧结,成,成型过程,较,较间接金,属,属零件制,作,作过程明,显,显缩短，,无,无需间接,烧,烧结时复,杂,杂的后处,理,理阶段但,但必须有,较,较大功率,的,的激光器,，,，以保证,直,直接烧结,过,过程中金,属,属粉末的,直,直接熔化,因而，,直,直接烧结,中,中激光参,数,数的选择,，,，被烧结,金,金属粉末,材,材料的熔,凝,凝过程及,控,控制是烧,结,结成型中,的,的关键。

基于SLS工艺的,金,金属零件,直,直接制造,工,工艺流程,ξ2,快速成型,制,制造工艺,,模具工程,技,技术研究,中,中心,METRC,四、陶瓷,粉,粉末烧结,工,工艺,,陶瓷粉末,材,材料的选,择,择性激光,烧,烧结工艺,需,需要在粉,末,末中加入,粘,粘结剂目,目前所用,的,的纯陶瓷,粉,粉末原料,主,主要有Al2O3,和,和SiC,，,，而粘接,剂,剂有无机,粘,粘接剂、,有,有机粘接,剂,剂和金属,粘,粘接剂等,三,三种ξ2,快速成型,制,制造工艺,,模具工程,技,技术研究,中,中心,METRC,四、高分,子,子粉末烧,结,结件的后,处,处理,高分子粉,末,末材料烧,结,结件的后,处,处理工艺,主,主要有,渗树脂,和,渗蜡,两种当,原,原型件主,要,要用于融,模,模铸造的,消,消失型时,，,，需要进,行,行渗蜡处,理,理当原,型,型件为了,提,提高强硬,性,性指标时,，,，需要进,行,行渗树脂,处,处理以高分子,粉,粉末为基,底,底的烧结,件,件力学性,能,能较差，,作,作为原型,件,件一般需,对,对烧结件,进,进行树脂,增,增强在,树,树脂涂料,中,中，环氧,树,树脂的收,缩,缩率较小,，,，可以较,好,好地保持,烧,烧结原型,件,件的尺寸,精,精度，提,高,高高分子,粉,粉末烧结,件,件的适用,范,范围。

※,后处理后,力,力学性能,得,得到了显,著,著提高,渗树脂后,，,，烧结件,的,的硬度（HD）由51提高,到,到73左,右,右，抗冲,性,性能约为,未,未处理件,的,的1.9~2.7,倍,倍，未经,树,树脂处理,的,的原烧结,制,制件的最,大,大压力26.894MPa,，,，经不同,环,环氧树脂,体,体系处理,烧,烧结制件,的,的最大受,压,压为47.207,～,～67.137MPa处,理,理过后的,抗,抗压能力,约,约为之前,的,的1.8,～,～2.5,倍,倍ξ2,快速成型,制,制造工艺,,模具工程,技,技术研究,中,中心,METRC,五、,选择性激,光,光烧结工,艺,艺参数,在选择性,激,激光烧结,的,的过程中,，,，通过CO,2,激光器放,出,出的热量,使,使粉末材,料,料加热熔,化,化后一层,层,层地叠加,组,组成一个,三,三维物体,激光束,在,在计算机,的,的控制下,，,，通过扫,描,描器以一,定,定的速度,和,和能量密,度,度按分层,面,面的二维,数,数据扫描,激光束,扫,扫描之处,，,，粉末烧,结,结成一定,厚,厚度的实,体,体片层，,未,未扫描的,地,地方仍保,持,持松散的,粉,粉末状。

根,根据物体,截,截面层的,厚,厚度而升,降,降工作台,，,，铺粉滚,筒,筒再次将,粉,粉铺平后,，,，开始新,一,一层的扫,描,描然后,激,激光束又,照,照射这层,被,被选定的,区,区域使其,牢,牢固地粘,结,结在前一,层,层上如,此,此重复直,到,到整个制,件,件成型完,毕,毕烧结工艺,参,参数,，如激光功率、扫描速度,和,和方向及间距、烧结温度、烧结时间以及层厚度等对层,与,与层之间,的,的粘接、,烧,烧结体的,收,收缩变形,、,、翘曲变,形,形甚至开,裂,裂都会产,生,生很大的,影,影响ξ2,快速成型,制,制造工艺,,模具工程,技,技术研究,中,中心,METRC,,激光功率,（1）激,光,光功率的,增,增加，尺,寸,寸误差向,正,正方向增,大,大,（2）激,光,光功率增,加,加时，强,度,度也随着,增,增大,（3）激,光,光功率过,大,大会加剧,因,因熔固收,缩,缩而导致,的,的制件翘,曲,曲变形,因此应综,合,合考虑上,述,述影响而,选,选择适宜,的,的烧结激,光,光功率,,扫描速度,（1）扫,描,描速度增,加,加，尺寸,误,误差向负,误,误差的方,向,向减小,（2）扫,描,描速度增,加,加，烧结,制,制件强度,减,减小,所以也应,综,综合考虑,上,上述影响,而,而选择适,宜,宜的扫描,速,速度,,烧结间距,（1）烧,结,结间距增,加,加，尺寸,误,误差向负,误,误差方向,减,减小,（2）烧,结,结间距增,加,加，烧结,制,制件强度,减,减小,（3）烧,结,结间距增,加,加，成型,效,效率提高,所以也应,综,综合考虑,上,上述影响,而,而选择适,宜,宜的扫描,间,间距,,单层层厚,（1）单,层,层层厚增,加,加，尺寸,误,误差向负,误,误差方向,减,减小,（2）单,层,层层厚增,加,加，烧结,制,制件强度,减,减小,（3）单,层,层厚度增,加,加，成型,效,效率提高,所以也应,综,综合考虑,上,上述影响,而,而选择适,宜,宜的单层,厚,厚度,ξ2,快速成型,制,制造工艺,,模具工程,技,技术研究,中,中心,METRC,六、选择,性,性激光烧,结,结工艺的,应,应用,１、直接,制,制作快速,模,模具,SLS,工艺可以,选,选择不同,的,的材料粉,末,末制造不,同,同用途的,模,模具，用,SLS,法可直接,烧,烧结金属,模,模具和陶,瓷,瓷模具，,用,用作注塑,、,、压铸、,挤,挤塑等塑,料,料成型模,及,及钣金成,形,形模。

DTM,公司用,Rapid Tool™,专利技术,，,，在,SLS,系统,Sinterstation2000,上将,Rapidsteel,粉末（钢,质,质微粒外,包,包裹一层,聚,聚酯）进,行,行激光烧,结,结得到模,具,具后放在,聚,聚合物的,溶,溶液中浸,泡,泡一定时,间,间，然后,放,放入加热,炉,炉中加热,使,使聚合物,蒸,蒸发，接,着,着进行渗,铜,铜，出炉,后,后打磨并,嵌,嵌入模架,内,内即可下,下图给出,了,了采用上,述,述工艺制,作,作的高尔,夫,夫球头的,模,模具及产,品,品采用,SLS,工艺制作,高,高尔夫球,头,头模具及,产,产品,ξ2,快速成型,制,制造工艺,,模具工程,技,技术研究,中,中心,METRC,２、复杂,金,金属零件,的,的快速无,模,模具铸造,将,SLS,激光快速,成,成型技术,与,与精密铸,造,造工艺结,合,合起来，,特,特别适宜,具,具有复杂,形,形状的金,属,属功能零,件,件整体制,造,造在新,产,产品试制,和,和零件的,单,单件小批,量,量生产中,，,，不需复,杂,杂工装及,模,模具，可,大,大大提高,制,制造速度,，,，并降低,制,制造成本,。

下图给,出,出了若干,由,由快速无,模,模具铸造,方,方法制作,的,的产品由快速无,模,模具铸造,方,方法制作,的,的产品,ξ2,快速成型,制,制造工艺,,模具工程,技,技术研究,中,中心,METRC,３、内燃,机,机进气管,模,模型,采用,SLS,工艺快速,制,制造内燃,机,机进气管,模,模型，如,下,下图所示,，,，可以直,接,接与相关,零,零部件安,装,装，进行,功,功能验证,，,，快速检,测,测内燃机,运,运行效果,以,以评价设,计,计的优劣,，,，然后进,行,行针对性,的,的改进以,达,达到内燃,机,机进气管,产,产品的设,计,计要求采用SLS工艺制,作,作的内燃,机,机进气管,模,模型,ξ2,快速成型,制,制造工艺,,模具工程,技,技术研究,中,中心,METRC,ξ2,快速成型,制,制造工艺,,模具工程,技,技术研究,中,中心,METRC,思考题（3）,1、叙述,选,选择性激,光,光烧结快,速,速原型工,艺,艺的基本,原,原理2、选择,性,性激光烧,结,结工艺的,特,特点有哪,些,些？,3、叙述,高,高分子粉,末,末材料的,烧,烧结工艺,过,过程4、简述,金,金属粉末,材,材料间接,烧,烧结工艺,过,过程。

5、简述,金,金属粉末,材,材料直接,烧,烧结工艺,过,过程6、高分,子,子材料粉,末,末激光烧,结,结原型的,后,后处理一,般,般有哪两,种,种方式？,各,各自面向,的,的用途是,什,什么？,7、粉末,激,激光烧结,快,快速原型,工,工艺中的,烧,烧结工艺,参,参数主要,有,有哪些？,它,它们是如,何,何影响原,型,型尺寸和,性,性能的？,ξ2,快速成型,制,制造工艺,,。