第四章-選擇性激光燒結(jié)成型工藝ppt課件

.,快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用,機械工業(yè)出版社（第三版）,第四章選擇性激光燒結(jié)成型工藝,.,選擇性激光燒結(jié)工藝(SelectiveLaserSintering，SLS)又稱為選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)，該方法最初是由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C.R.Dechard于1989年提出的，稍后組建了DTM公司，于1992年開發(fā)了基于SLS的商業(yè)成型機(Sinterstation)。20年來，奧斯汀分校和DTM公司在SLS領(lǐng)域做了大量的研究工作，并取得了豐碩成果。德國的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。國內(nèi)華中科技大學(xué)（武漢濱湖機電產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司）、南京航空航天大學(xué)、中北大學(xué)和北京隆源自動成型有限公司等,也取得了許多重大成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，在計算機控制下層層堆積成型。SLS的原理與SLA十分相似，主要區(qū)別在于所使用的材料及其性狀不同。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。,第四章選擇性激光燒結(jié)成型工藝,.,1,選擇性激光燒結(jié)工藝的基本原理和特點,2,3,選擇性激光燒結(jié)工藝過程,4,高分子粉末燒結(jié)件的后處理,6,6,選擇性激光燒結(jié)快速成型材料及設(shè)備,第四章選擇性激光燒結(jié)成型工藝,5,選擇性激光燒結(jié)工藝參數(shù),.,選擇性激光燒結(jié)加工過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結(jié)點的某一溫度，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，進行燒結(jié)并與下面已成形的部分實現(xiàn)粘接。當(dāng)一層截面燒結(jié)完后，工作臺下降一個層的厚度，鋪料輥又在上面,鋪上一層均勻密實的粉末，進行新一層截面的燒結(jié)，如此反復(fù)，直至完成整個模型。在成型過程中，未經(jīng)燒結(jié)的粉末對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)。,第一節(jié)選擇性激光燒結(jié)工藝的基本原理和特點,圖4-1選擇性激光燒結(jié)工藝原理圖,1.選擇性激光燒結(jié)工藝的基本原理,.,當(dāng)實體構(gòu)建完成并在原型部分充分冷卻后，粉末塊會上升到初始的位置，將其拿出并放置到后處理工作臺上，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。,圖4-2選擇性激光燒結(jié)系統(tǒng)的基本組成,第一節(jié)選擇性激光燒結(jié)工藝的基本原理和特點,.,可直接制作金屬制品可采用多種材料無需支撐結(jié)構(gòu)制造工藝比較簡單材料利用率高,優(yōu)點：,2.選擇性激光燒結(jié)工藝的特點,缺點：,原型表面粗糙燒結(jié)過程揮發(fā)異味有時需要比較復(fù)雜的輔助工藝,第一節(jié)選擇性激光燒結(jié)工藝的基本原理和特點,.,1,選擇性激光燒結(jié)工藝的基本原理和特點,2,3,選擇性激光燒結(jié)工藝過程,4,高分子粉末燒結(jié)件的后處理,6,6,選擇性激光燒結(jié)快速成型材料及設(shè)備,第四章選擇性激光燒結(jié)成型工藝,5,選擇性激光燒結(jié)工藝參數(shù),.,第二節(jié)選擇性激光燒結(jié)的材料及設(shè)備,SLS工藝材料適應(yīng)面廣，不僅能制造塑料零件，還能制造陶瓷、石蠟等材料的零件。特別是可以直接制造金屬零件，這使SLS工藝頗具吸引力。,用于SLS工藝的材料是各類粉末，包括金屬、陶瓷、石蠟以及聚合物的粉末，工程上一般采用粒度的大小來劃分顆粒等級，如右表所示。SLS工藝采用的粉末粒度一般在50125m之間。,表4-1工程上粉體的等級及相應(yīng)的粒度范圍,1.選擇性激光燒結(jié)快速成型材料,.,間接SLS用的復(fù)合粉末通常有兩種混合形式：粘結(jié)劑粉末與金屬或陶瓷粉末按一定比例機械混合；把金屬或陶瓷粉末放到粘結(jié)劑稀釋液中，制取具有粘結(jié)劑包裹的金屬或陶瓷粉末。實踐表明，采用粘結(jié)劑包裹的粉末的制備雖然復(fù)雜，但燒結(jié)效果較機械混合的粉末好。近年來，已經(jīng)開發(fā)并被應(yīng)用于SLS粉末激光燒結(jié)快速原型制作的材料種類如表4-2所示。,表4-2常用的SLS工藝的材料,第二節(jié)選擇性激光燒結(jié)的材料及設(shè)備,.,表4-3DTM公司開發(fā)的部分SLS用成型材料,第二節(jié)選擇性激光燒結(jié)的材料及設(shè)備,美國DTM公司開發(fā)的粉末材料：在SLS領(lǐng)域，以DTM公司所開發(fā)的成型材料類別較多，最具代表性，其已商品化的SLS用成型材料產(chǎn)品見表4-3，其中部分高分子材料粉末的具體型號及其指標(biāo)與性能如表4-4所示，部分金屬粉末及樹脂砂粉末的物理與力學(xué)性能如表4-5所示。,.,表4-4部分DuraForm系列粉末材料及性能,第二節(jié)選擇性激光燒結(jié)的材料及設(shè)備,.,表4-5DTM公司開發(fā)的部分金屬粉末及樹脂砂材料及性能,第二節(jié)選擇性激光燒結(jié)的材料及設(shè)備,.,第二節(jié)選擇性激光燒結(jié)的材料及設(shè)備,表4-6EOS公司開發(fā)的部分粉末材料及性能,德國EOS公司開發(fā)的系列粉末燒結(jié)材料:粉末燒結(jié)快速成型設(shè)備著名開發(fā)商德國EOS公司也開發(fā)了系列粉末燒結(jié)材料，其型號及性能等如表4-6所示。,.,表4-7國內(nèi)各單位開發(fā)的SLS用成型材料,第二節(jié)選擇性激光燒結(jié)的材料及設(shè)備,國內(nèi)開發(fā)的SLS材料：國內(nèi)幾家主要快速成型技術(shù)研究單位研制的成型材料見表4-7。,.,研究選擇性激光燒結(jié)（SLS）設(shè)備工藝的單位有美國的DTM公司、3DSystems公司、德國的EOS公司以及國內(nèi)的北京隆源公司和華中科技大學(xué)等。下圖是DTM公司的Sinterstation2500和2500Plus機型，如圖所示。其中2500Plus機型的成型體積比過去增加了10%，同時通過對加熱系統(tǒng)的優(yōu)化，減少了輔助時間，提高了成型速度。,2.選擇性激光燒結(jié)快速成型設(shè)備,圖4-4DTM公司的Sinterstation2500Plus機型,圖4-3DTM公司的Sinterstation2500機型,第二節(jié)選擇性激光燒結(jié)的材料及設(shè)備,.,圖4-5HRPS-IIIA激光粉末燒結(jié)快速成型機,華中科技大學(xué)的HRPS-III激光粉末燒結(jié)系統(tǒng),如下圖所示。它在硬件和軟件方面有著自己先進的特點。,第二節(jié)選擇性激光燒結(jié)的材料及設(shè)備,.,（1）硬件方面,第二節(jié)選擇性激光燒結(jié)的材料及設(shè)備,.,（2）軟件方面獨自開發(fā)的功能強大的HRPS2002軟件，有如下特點：,第二節(jié)選擇性激光燒結(jié)的材料及設(shè)備,.,第二節(jié)選擇性激光燒結(jié)的材料及設(shè)備,圖4-6HRPM-II金屬粉末熔化快速成型機,華中科技大學(xué)（武漢濱湖機電技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司）開發(fā)了金屬粉末熔化快速成型系統(tǒng)，目前推出了HRPM-I和HRPM-II兩種型號。該設(shè)備可直接制作各種復(fù)雜精細結(jié)構(gòu)的金屬件及具有隨形冷卻水道的注塑模、壓鑄模等金屬模具，材料利用率高。圖4-6為HRPM-II金屬粉末熔化快速成型機。,.,表4-8國內(nèi)外部分選擇性激光燒結(jié)快速成型設(shè)備一覽表,第二節(jié)選擇性激光燒結(jié)的材料及設(shè)備,.,1,選擇性激光燒結(jié)工藝的基本原理和特點,2,3,選擇性激光燒結(jié)工藝過程,4,高分子粉末燒結(jié)件的后處理,6,6,選擇性激光燒結(jié)快速成型材料及設(shè)備,第四章選擇性激光燒結(jié)成型工藝,5,選擇性激光燒結(jié)工藝參數(shù),.,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。,1.高分子粉末材料燒結(jié)工藝高分子粉末材料激光燒結(jié)快速原型制造工藝過程同樣分為前處理、粉層燒結(jié)疊加以及后處理過程三個階段。下面以某一鑄件的SLS原型在HRPS-IVB設(shè)備上的制作為例，介紹具體的工藝過程。,第三節(jié)選擇性激光燒結(jié)工藝過程,.,（1）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。右圖是某個鑄件的CAD模型。,圖4-7某鑄件的CAD模型,第三節(jié)選擇性激光燒結(jié)工藝過程,.,（2）粉層激光燒結(jié)疊加,圖4-8原型方位確定后的加工狀態(tài),首先對成型空間進行預(yù)熱。對于PS高分子材料，一般需要預(yù)熱到100左右。在預(yù)熱階段，根據(jù)原型結(jié)構(gòu)的特點進行制作方位的確定，當(dāng)擺放方位確定后，將狀態(tài)設(shè)置為加工狀態(tài)，如下圖所示。,第三節(jié)選擇性激光燒結(jié)工藝過程,然后設(shè)定建造工藝參數(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)域的溫度達到預(yù)定值時，便可以啟動制作了。在制作過程中，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。所有疊層自動燒結(jié)疊加完畢后，需要將原型在成型缸中緩慢冷卻至40以下，取出原型并進行后處理。,.,圖4-9某鑄件經(jīng)過滲蠟處理的SLS原型,（3）后處理激光燒結(jié)后的PS原型件，強度很弱，需要根據(jù)使用要求進行滲蠟或滲樹脂等進行補強處理。由于該原型用于熔模鑄造，所以進行滲蠟處理。滲蠟后的該鑄件原型如圖所示。,第三節(jié)選擇性激光燒結(jié)工藝過程,.,2.金屬零件間接燒結(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工藝主要實現(xiàn)包裹在金屬粉粒表面樹脂材料的粘接。其工藝過程如右圖所示。由圖中可知，整個工藝過程主要分三個階段：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。,圖4-10基于SLS工藝的金屬零件間接制造工藝過程,第三節(jié)選擇性激光燒結(jié)工藝過程,.,1、原型件制作關(guān)鍵技術(shù)選用合理的粉末配比：環(huán)氧樹脂與金屬粉末的比例一般控制在1：5與1：3之間。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。,2、褐件制作關(guān)鍵技術(shù)燒結(jié)溫度和時間：燒結(jié)溫度應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，而且燒結(jié)時間應(yīng)適宜。,3、金屬熔滲階段關(guān)鍵技術(shù)選用合適的熔滲材料及工藝：滲入金屬必須比“褐件”中金屬的熔點低。,第三節(jié)選擇性激光燒結(jié)工藝過程,金屬零件間接燒結(jié)工藝過程中的關(guān)鍵技術(shù)：,.,實例：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，取掃描速度170mm/s，掃描間隔在0.2mm左右，掃描層厚為0.25mm時燒結(jié)。后處理二次燒結(jié)時，控制溫度在800，保溫1h；三次燒結(jié)時溫度1080，保溫40min；熔滲銅時溫度1120，熔滲時間40min。所成型的金屬齒輪零件如圖所示。,圖4-11金屬齒輪零件,第三節(jié)選擇性激光燒結(jié)工藝過程,.,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金屬粉末直接燒結(jié)，使其融化，實現(xiàn)疊層的堆積。其工藝流程如圖所示。金屬零件直接燒結(jié)成型過程較間接金屬零件制作過程明顯縮短，無需間接燒結(jié)時復(fù)雜的后處理階段。但必須有較大功率的激光器，以保證直接燒結(jié)過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程及控制是燒結(jié)成型中的關(guān)鍵。,圖4-12基于SLS工藝的金屬零件直接制造工藝流程,3.金屬零件直接燒結(jié)工藝,第三節(jié)選擇性激光燒結(jié)工藝過程,.,4.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，而粘接劑有無機粘接劑、有機粘接劑和金屬粘接劑等三種。當(dāng)材料是陶瓷粉末時，可以直接燒結(jié)鑄造用的殼形來生產(chǎn)各類鑄件，甚至是復(fù)雜的金屬零件。陶瓷粉末燒結(jié)制件的精度由激光燒結(jié)時的精度和后續(xù)處理時的精度決定。在激光燒結(jié)過程中，粉末燒結(jié)收縮率、燒結(jié)時間、光強、掃描點間距和掃描線行間距對陶瓷制件坯體的精度有很大影響。另外，光斑的大小和粉末粒徑直接影響陶瓷制件的精度和表面粗糙度。后續(xù)處理（焙燒）時產(chǎn)生的收縮和變形也會影響陶瓷制件的精度。,第三節(jié)選擇性激光燒結(jié)工藝過程,.,1,選擇性激光燒結(jié)工藝的基本原理和特點,2,3,選擇性激光燒結(jié)工藝過程,4,高分子粉末燒結(jié)件的后處理,6,6,選擇性激光燒結(jié)快速成型材料及設(shè)備,第四章選擇性激光燒結(jié)成型工藝,5,選擇性激光燒結(jié)工藝參數(shù),.,高分子粉末材料燒結(jié)件的后處理工藝主要有滲樹脂和滲蠟兩種。當(dāng)原型件主要用于熔模鑄造的消失型時，需要進行滲蠟處理。當(dāng)原型件為了提高強硬性指標(biāo)時，需要進行滲樹脂處理。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燒結(jié)件進行樹脂增強。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。,第四節(jié)高分子粉末燒結(jié)件的后處理,.,影響后處理的因素：,a)未經(jīng)處理的PS原型件b)經(jīng)過滲樹脂后的PS原型件圖4-14PS材料SLS原型處理前后的斷面SEM照片,第四節(jié)高分子粉末燒結(jié)件的后處理,從斷面的SEM照片可以看出，未經(jīng)處理的燒結(jié)件的微粒間除熔融粘連外，有大量的空隙存在；而經(jīng)樹脂處理后的燒結(jié)件，樹脂填充了大量的空隙，燒結(jié)件的強度和抗沖能力都大大提高了。,（一）收縮精度的影響,.,（二）力學(xué)性能的影響塑料硬度是表示抵抗其他較硬物體的壓入性能，是材料軟硬程度有條件性的定量反映。燒結(jié)后的材料表面有一定的硬度，浸漬后，燒結(jié)件的HD由51提高到73左右，硬度有了顯著的改善。沖擊性能對復(fù)合材料的宏觀缺陷和微觀結(jié)構(gòu)上的差異十分敏感。經(jīng)樹脂處理后的燒結(jié)件的抗沖擊性能得到了改善，抗沖性能約為未處理件的1.92.7倍，可以經(jīng)受實際組裝測試高速沖擊狀態(tài)下對斷裂的抵抗能力。未經(jīng)樹脂處理的原燒結(jié)制件的最大壓力為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47.20767.137MPa。處理過后的抗壓能力約為之前的1.82.5倍。經(jīng)樹脂處理后，燒結(jié)制件所能承受的拉伸荷載成倍地增加。燒結(jié)原型件的微粒間除熔融粘連外，亦有大量的空隙存在；而經(jīng)樹脂處理后的燒結(jié)件，樹脂填充了大量的空隙，燒結(jié)件的抗沖能力提高。,.,1,選擇性激光燒結(jié)工藝的基本原理和特點,2,3,選擇性激光燒結(jié)工藝過程,4,高分子粉末燒結(jié)件的后處理,6,6,選擇性激光燒結(jié)快速成型材料及設(shè)備,第四章選擇性激光燒結(jié)成型工藝,5,選擇性激光燒結(jié)工藝參數(shù),.,第五節(jié)選擇性激光燒結(jié)工藝參數(shù),在選擇性激光燒結(jié)的過程中，通過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三維物體。激光束在計算機的控制下，通過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，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)直到整個制件成型完畢。影響SLS成型精度的因素很多，例如SLS設(shè)備精度誤差、CAD模型切片誤差、掃描方式、粉末顆粒、環(huán)境溫度、激光功率、掃描速度、掃描間距、單層層厚等。燒結(jié)工藝參數(shù)對精度和強度的影響是很大的。激光和燒結(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)時間以及層厚度等對層與層之間的粘接、燒結(jié)體的收縮變形、翹曲變形甚至開裂都會產(chǎn)生影響。,.,（1）激光功率激光功率的增加，尺寸誤差向正方向增大激光功率增加時，強度也隨著增大激光功率過大會加劇因熔固收縮而導(dǎo)致的制件翹曲變形,（2）掃描速度掃描速度增加，尺寸誤差向負誤差的方向減小掃描速度增加，燒結(jié)制件強度減小,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,所以也應(yīng)綜合考慮上述影響而選擇適宜的掃描速度,第五節(jié)選擇性激光燒結(jié)工藝參數(shù),.,（3）燒結(jié)間距燒結(jié)間距增加，尺寸誤差向負誤差方向減小燒結(jié)間距增加，燒結(jié)制件強度減小燒結(jié)間距增加，成型效率提高,（4）單層層厚單層層厚增加，尺寸誤差向負誤差方向減小單層層厚增加，燒結(jié)制件強度減小單層厚度增加，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掃描間距,所以也應(yīng)綜合考慮上述影響而選擇適宜的單層厚度,第五節(jié)選擇性激光燒結(jié)工藝參數(shù),.,此外，預(yù)熱是SLS工藝中的一個重要環(huán)節(jié)，沒有預(yù)熱，或者預(yù)熱溫度不均勻，將會使成型時間增加，所成型零件的性能低和質(zhì)量差，零件精度差，或使燒結(jié)過程完全不能進行。對粉末材料進行預(yù)熱，可以減小因燒結(jié)成型時受熱在工件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，防止其產(chǎn)生翹曲和變形，提高成型精度?？偟膩碚f，工藝參數(shù)的選取在保證制件的正常制作的基礎(chǔ)上，盡可能采用較大的工藝參數(shù)，以提高加工效率。,第五節(jié)選擇性激光燒結(jié)工藝參數(shù),.,選擇性激光燒結(jié)工藝應(yīng)用示例,、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。,采用SLS工藝制作的高爾夫球頭模具及產(chǎn)品,.,、復(fù)雜金屬零件的快速