激光燒結(jié)樹脂砂薄層燒結(jié)工藝研究

激光燒結(jié)樹脂砂薄層燒結(jié)工藝研究

0影響我國(guó)制造技術(shù)的現(xiàn)代化隨著3d打印技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出了幾種快速原型設(shè)備。但是現(xiàn)在市場(chǎng)上的激光燒結(jié)類型的快速原型設(shè)備價(jià)格仍然較高,影響到在校學(xué)生學(xué)習(xí)先進(jìn)的制造思想并阻礙了我國(guó)制造技術(shù)的現(xiàn)代化。在保證選擇性激光燒結(jié)(SLS)性能的基礎(chǔ),針對(duì)SLS設(shè)備的特點(diǎn),以綜合成本最低為目標(biāo),對(duì)若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究,研制出采用樹脂砂的低成本選擇性激光燒結(jié)機(jī),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)來分析燒結(jié)參數(shù)。1輔助裝置及控制要求我們所設(shè)計(jì)制造的選擇性激光燒結(jié)機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)整機(jī)如圖1所示。該裝置采用鋼絲繩牽引、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)X、Y方向上的運(yùn)動(dòng),同時(shí)為了滿足選擇性激光燒結(jié)工藝的要求,系統(tǒng)還包括Z方向升降活塞及傳動(dòng)裝置、光路系統(tǒng)、二氧化碳激光器等相應(yīng)的輔助裝置。在激光燒結(jié)過程中,采用具有精細(xì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分形曲線的掃描路徑填充薄層平面,對(duì)控制系統(tǒng)提出了較高的要求,具體要求如下:數(shù)控軸系統(tǒng)的反向間隙小,運(yùn)動(dòng)脈沖分辨率高;實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的快速運(yùn)動(dòng)響應(yīng);實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)中X軸、Y軸同步掃描控制;實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)中激光功率控制和激光啟?？刂?。2檢查機(jī)構(gòu)的安裝本系統(tǒng)中X、Y掃描工作臺(tái)采用鋼絲繩牽引的驅(qū)動(dòng)方式:將鋼絲繩纏繞在電機(jī)的聯(lián)接軸上,利用鋼絲繩與軸之間的靜摩擦力來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng),鋼絲繩與軸之間無相對(duì)滑動(dòng),理論上可實(shí)現(xiàn)無傳動(dòng)間隙和反向間隙的驅(qū)動(dòng),工作臺(tái)的X向和Y向的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌選用高精度的直線導(dǎo)軌,重復(fù)定位誤差可控制在0.2μm之內(nèi),摩擦系數(shù)為0.025~0.05。掃描工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。3工作成為系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)鋪粉裝置主要由工作活塞、送粉活塞、兩個(gè)工作缸體、鋪粉滾輪和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。根據(jù)SLS中分層厚度的要求,對(duì)工作活塞的運(yùn)動(dòng)的分辨率和定位精度要求較高,在本系統(tǒng)中,采用齒輪螺紋副來實(shí)現(xiàn)活塞的直線傳動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)仍選用步進(jìn)電機(jī),由電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)齒輪,從而驅(qū)動(dòng)活塞的Z方向的運(yùn)動(dòng)。工作活塞和送粉活塞的運(yùn)動(dòng)配合鋪粉滾輪的運(yùn)動(dòng)構(gòu)成功能完善的鋪粉裝置。鋪粉滾輪是有齒形皮帶傳動(dòng)的,同樣采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。鋪粉裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示。4主從式多處理器為了實(shí)現(xiàn)上述控制功能,本系統(tǒng)中采用了主從式多微處理器控制體系結(jié)構(gòu),其中主機(jī)為PC機(jī),從機(jī)為Atmel公司MCS51系列單片機(jī),系統(tǒng)框圖如圖4所示。5選擇性激光燒脫液5.1cdd-ip的放大觀測(cè)系統(tǒng)本試驗(yàn)的粉末原料采用激光燒結(jié)專用樹脂砂。其成分為石英砂,樹脂等,制作過程中把樹脂包裹在石英砂表面。激光燒結(jié)導(dǎo)致樹脂融化使粉末互相粘結(jié)固化。材料參數(shù)為:密度約為4.7g/cm3,顆粒直徑小于0.1mm。本試驗(yàn)用的CO2激光器JS-A+,最大激光功率為15W,激光光斑直徑為0.2mm。為了研究激光燒結(jié)線寬與激光功率、掃描速度和其它相關(guān)參數(shù)的關(guān)系,需要一套放大觀測(cè)輔助系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光燒結(jié)試驗(yàn)中燒結(jié)成型的薄層組織結(jié)構(gòu)和燒結(jié)線線寬的觀測(cè)。我們自行構(gòu)建了一套基于CCD圖象傳感器的放大觀測(cè)裝置,如圖5所示,該裝置具有以下功能:(1)采用一套光學(xué)系統(tǒng)對(duì)觀測(cè)對(duì)象進(jìn)行放大觀測(cè)。(2)采用臺(tái)灣敏通MTV-53D0CCD成像,直接產(chǎn)生視頻輸出。(3)CCD攝像系統(tǒng)輸出的視頻信號(hào),通過視頻信號(hào)采集卡,將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖像數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī),進(jìn)行存儲(chǔ)并進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理。(4)實(shí)現(xiàn)燒結(jié)線寬的測(cè)量。在確定的放大倍數(shù)下,將CCD圖象的尺寸進(jìn)行標(biāo)定,利用標(biāo)定的尺寸可實(shí)現(xiàn)激光燒結(jié)線寬的測(cè)量。通過試驗(yàn)標(biāo)定:單像素的尺寸為:0.0035(mm/dot).5.2從燒結(jié)型為致密程度為了尋找較為適宜的燒結(jié)條件,將掃描速度和激光功率組合進(jìn)行燒結(jié)試驗(yàn)[10,11,12,13,14,15,16],試驗(yàn)結(jié)果見表1所示,圖6所示為燒結(jié)的圖樣。根據(jù)燒結(jié)成型的致密程度可分為以下幾種:(1)燒結(jié)疏。即樹脂粉末熔化不完全,石英顆粒間連接不緊密,顆粒狀明顯,見圖6中(e)、(f)。(2)燒結(jié)密。即樹脂粉末熔化完全,連接緊密,顆粒狀不明顯,見圖6中(g)、(h)、(i)。過燒現(xiàn)象可分為以下三種:(1)無過燒。樹脂粉末無炭化現(xiàn)象或微少部分炭化,見圖6中(c)、(d)。(2)過燒少。有部分樹脂粉末炭化,見圖6中(b)。(3)過燒。即燒結(jié)線部分樹脂粉末炭化現(xiàn)象非常明顯,見圖6中(a)。5.3燒結(jié)速度和功率從燒結(jié)試驗(yàn)的結(jié)果可以得出以下結(jié)論:(1)激光功率大易于引起過燒現(xiàn)象的產(chǎn)生,樹脂粉末炭化嚴(yán)重,從而導(dǎo)致燒結(jié)線的致密度降低。(2)在激光功率較大時(shí)提高燒結(jié)速度可以減少過燒現(xiàn)象的產(chǎn)生,但由于燒結(jié)速度快,使得燒結(jié)的時(shí)間縮短,燒結(jié)點(diǎn)的溫度變化劇烈程度加大,易產(chǎn)生飛濺,同樣使得燒結(jié)線致密程度降低。(3)激光功率太低,或燒結(jié)速度快,起粘接作用的樹脂粉末熔化不完全