第四章 选择性激光烧结SLS

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但如果扫描间距太小 （h<< ε)时，总的激 光能量太大，会引起 烧结深度减小．进而 使零件翘曲变形。可 见当扫描间隔过小时，
烧结深度反而下降，
如图所示。
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（4）激光扫描方式的影响 a.平行扫描 平行扫描是一种常见的的扫描 方式，它要么是平行长边扫描， 要么是平行短边扫描。但 常用 的扫描路径有很大缺陷，原型 尺寸有多大，同一方向的扫描 线就得有多长这不利于扫描过 程中制件沿扫描方向的自由收 缩。实践发现，沿扫描方向的 残余应力最大。
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3、高精度。依赖于使用的材料种类和粒径、产品的几何 形状和复杂程度，这种工艺一般能够达到全工件范围内 ±(0. 05—2.5)mm的公差。当粉末粒径为0.1mm以下时， 成型后的原型精度可达±1%。 4、成本较低。可制备复杂形状零件，但成型速度较慢， 由于粉体铺层密度低导致精度较低和强度较低。
四、SLS方法常用的材料
选域激光烧结技术常用原材料是塑料、蜡、陶瓷、金属 以及它们的复合物的粉体。用蜡可做精密铸造蜡模．用 热塑性塑料可做消失模，用陶瓷可做铸造型壳、型芯和 陶瓷件，用金属可做金属件。目前大多数选域激光烧结 技术研究集中在生产金属零件上。
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五、系统组成
1、激光切割系统组成与工作参数 （1）激光器的选择 （2）激光功率密度和扫描速度 （3）激光束扫描间距 （4）激光扫描方式的影响 2、控制系统
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b.分形路径扫描 分形结构是一种具有自相似 性的图形，可以采用几级图 形作为扫描路径。分形扫报 路径都是小折线，激光束扫 描方向不断改变，使得刚刚 烧结的部分沿扫描方向能够 自由收缩。能有效降低薄层 中的残余拉应力，有望提高 烧结件的力学强度。
2、控制系统
选域激光烧结制造系统主要由数据处理和成型执行机构 两大部分组成。数据处理部分包括三维CAD模型构建加 工轨迹的离散过程软件，并内高性能计算机处理，成型 执行机构部分根据离散化后的信息由数控设备来完成执 行和控制加工过程。
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（2）陶瓷粉末的烧结 陶瓷材料的选域激光烧结需要在粉末中加人粘结剂。目 前所用的纯陶瓷粉末原料主要有A12O3、和SiC，而粘结 剂有无机粘结剂、有机粘结剂和金属粘结剂等三种。 （3）塑料粉末的烧结 塑料粉末的选域激光烧结均为直接激光烧结，烧结好的 制件一般不必进行后续处理。采用一次烧结成型，将粉 末预热至稍低于其熔点，然后控制激光束来加热粉末， 使其达到“烧结温度”，从而把粉末材料烧结在一起。
பைடு நூலகம்19
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（b）图（ h< β ，但h> ε(ε为激光束半径)） 当h< β ，但h> ε(ε为激光束半径) 时，扫描线大部分重叠。此时相邻区 域的激光能量可以使该区域的粉末烧 结但此时激光总能量的分布呈现波峰 波谷，能量分布不均匀，使得扮未的 烧结深度不一致，烧结的零件密度也 不均匀。
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（c）图（ h< ε） 当h< ε时；扫描线的激光能量叠 加后，分布基本上是均匀的，此 时粉末烧结深度一致，烧结的零 件密度均匀。
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（2）热等静压 热等静压后处理工艺是通过流体介质将高温和高压同 时均匀地作用于坯体表面，消除其内部气孔，提高密度 和强度，并改善其他性能。热等静压处理可使制件非常 致密，这是其他后处理方法难以达到的，但制件的收缩 也较大。
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（3）熔浸 熔浸是将金属或陶瓷制件与另一种低熔点的液体金属接 触或浸埋在液态金属内，让金属填充制件内部的孔隙， 冷却后得到致密的零件。熔浸过程依靠金属液在毛细管 力作用下湿润零件．液态金属沿着颗粒间孔隙流动，直 到完全填充孔隙为止。 前两种处理方法，虽然能够提高制件的密度。但也会引 起制件较大的收缩和变形。为获得足够的强度(或密度) ，又希望收缩和变形很少，可采用熔浸的方法对选域激 光烧结的坯体进行后处理。
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1、激光切割系统组成与工作参数
（1）激光器的选择 目前用于固态粉末烧结的激光器主要有两种：CO2激光 器和Nd：YAG激光器。 CO2 激光器的波长为10.6μm， Nd：YAG激光器的波长为1．06μm。对于陶瓷、金属 和塑料等三种主要的固态粉未来说，选用何种激光器取 决于固态粉末材料对激光束的吸收情况，一般金属粉末 烧结选用Nd：YAG激光器，而不选用CO2激光器，因为 金属粉末对CO2激光器发出的激光反射率比Nd：YAG激 光器所发出激光的反射率大得多，如图所示。
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b. 金属混合粉末 主要是两种金属的混合粉末，其中一种粉末具有较低 的熔点．另一种粉末的熔点较高。例如青铜粉和镍粉的 混合粉。先将金属混合粉末预热到某—温度．再用激光 束进行扫描，使低熔点的金属粉末熔化(如青铜粉)，从而 将难熔的镍粉粘结在一起。烧结好的制件再经液相烧结 后处理，可使最后制件的相对密度达到82%。
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（4）浸渍 浸渍和熔浸相似，所不同的是浸渍是将液态非金属物质 浸人多孔的选域激光烧结坯体的孔隙内。和熔浸相似， 经过浸渍处理的制件尺寸变化很小。 在后处理中，要控制浸渍后坯体零件的干燥过程。干燥 过程中温度、湿度、气流等对干燥后坏体的质量有很大 的影响。干燥过程控制不好，会导致坯体开裂，严重影 响零件的质量。
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主要功能： （1）从CAD模型生成符合快速成型工艺特点的数控代码 信息； （2）对成型情况进行监控并接受运动参数的反馈，必要 时通过子机对快速成型设备的运动状态进行干涉； （3）实现人机交互，提供真实感的原型三维CAD模型显 示和运动轨迹实时显示； （4）提供可选加工参数询问．满足不同材料和加丁工艺 的要求进行成型运动控制，即机电一体运动控制。
六、工艺步骤
1、粉末原料的烧结工艺 2、烧结件的后处理
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1、粉末原料的烧结工艺
（1）金属粉末的烧结 用于选域激光烧结的金属粉末主要有三种：单一金属粉 末、金属混合粉、金属粉加有机物粉末等。相应地，金 属粉末的选域激光烧结也有三种方法。 a. 单一成分金属粉末的烧结 例如铁粉。先将铁粉预热到一定温度，再用激光束扫 描、烧结。烧结好的制件经热等静压处理，可使最后零 件的相对密度达到99．9%。
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结后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获得 原型或零件。选域激光烧结技术造型速度快，—般制品， 仅需1—2天即可完成。
二、工艺原理
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其工艺过程是，用红外线板将粉末材料加热至恰好低于 烧结点的某一温度，然后用计算机控制激光束，按原型 或零件的截面形状扫描平台上的粉末材料，使其受热熔 化或烧结。继而平台下降一个层厚，用热辊将粉末材料 均匀地分布在前一个烧结层上，再用激光烧结。如此反
2、烧结件的后处理
金属或陶瓷粉末(或混合体粉末)经过选域激光 烧结后只形成了原型或零件的坯体，这种坯体还 需要进行后处理以进一步提高其力学性能和热学 性能。坯体的后处理方法有多种，如高温烧结、 热等静压烧结、熔浸和浸渍等。根据不同材料坯 体和不同的性能要求，可以采用不同的后处理方 法。
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（1）高温烧结 金属和陶瓷坯体均可用高混烧结的方法进行处理。经高 温烧结后，坯体内部孔隙减少，密度、强度增加，其他 性能也得到改善。 注意：虽然高温烧结后制件密度、强度增加，但是由于 内部孔隙减少会导致体积收缩，影响制件的尺寸精度。 同时，在高温烧结后处理中，要尽量保持炉内温度梯度 均匀分布。由于炉内温度梯度分布不均匀，可能造成制 件各个方向的收缩不一致，使制件翘曲变形，在应力集 中点还会使制件产生裂纹和分层。
七、应用
1、直接制造零件原型 2、直接制作铸造熔模 用选域激光烧结直接制作铸造熔模，无需传统压型就能 生产出精铸件，对未定型产品试制过程中样件的制作有 特殊的意义。 3、 翻制蜡模压型 传统的制备精铸蜡模压型的方法是用原型翻制硅胶模或 树脂模．但是复杂原型制造是一个难题。如果用原件直 接翻制，又无法解决收缩率问题。用快速原型制造技术 制备原型不仅具有快速、不受复杂程度影响，而且原型 尺寸修改容易。
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（3）激光束扫描间距 激光扫描间距是指相邻两激光扫描行之间的距离。激光 扫描间距的大小影响输结粉末的总能量的分布，并对粉 末的烧结质量有重要影响。
分析
（a）图（ h大于激光束直径β）
当扫描间距h大于激光束直径β时， 扫描线彼此分离或小部分重叠， 其相邻区域总的激光能量小于粉 末烧结需要的能量，不能使相邻 区域的粉末烧结。
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4、直接制作压型或模具的熔模 这种方法需要根据零件CAD模型产生模具的CAD模型数 据，建立压型的实体模型，然后用树脂粉料直接压制蜡 型或砂型。也可以直接成型模具的熔模，通过精密铸造 形成模具的毛坯，再经过简单的机械加工和适当的表面 处理得到金属模具。
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（5）直接制作铸造型壳 首先在CAD环境中．将设计好的零件三维实体模型制 成零件的反型，设计相应的浇冒口系统并经过适当的处 理，即得到型壳的CAD图形。在烧结过程中，型壳部分 成为烧结实体，零件部分仍是末烧结的粉末。烧结完成 后，将壳体内部的粉末清除。再在一定温度下使烧结过 程中未完全固化的树脂充分固化，就得到铸造用的型壳
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陶瓷粉末的烧结也选用Nd：YAG激光器。塑料粉末如聚 碳酸酯的烧结可用C02激光器，因为聚碳酸酯在5.0—11.0 μm波长范围内具有很高的吸收率。
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（2） 激光功率密度和扫描速度 激光功率密度由激光功率和光斑大小决定。在固态粉末 选域激光烧结中，激光功率密度和扫描速度决定了激光 能对粉末的加热温度和时间。 a.如果激光功率密度低而扫描速度快 粉末不能烧结，制造出的原型或零件强度低或根本不能 成型。 b.如果激光功率密度太高而扫描速度又很低 会引起粉末汽化，烧结密度不仅不会增加，还会使烧结 表而凹凸不平，影响颗粒之间、层与层之间的连结。
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c. 金属粉末与有机粘结剂粉末的混合体 将金属粉末与有机粘结剂粉末按一定比例均匀混合， 激光束扫描后使有机粘结剂熔化，熔化的有机粘结剂将 金属粉末粘结在一 起。如铜料和有机玻璃粉。烧结好的 制件再经高温后续处理，一方面去除制件中的有机粘结 剂，另一方面提高制件的力学强度和耐热强度，并增加 制件内部组织和性能的均匀性。
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因此，不合适的激光功率密度和扫描速度会使零件内部 组织和性能不均匀，影响零件质量。这个问题在激光烧 结塑料粉末时表现更为突出：下图表示了激光烧结聚碳 酸酯时，激光功率和扫描速度对烧结深度的影响。
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由上述分析可知：当激光功率小而扫描速度高时，粉末加 热温度低、时间短，烧结深度小；当激光功率大而扫描速 度低时，聚碳酸能发生汽化、消融，烧结深度也减小。适 当配合激光功率和扫描速度，可使烧结深度达到最大值。
直接制作铸造熔模图例
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八、选域激光烧结制造设备市场概况
复，逐层烧结成型。这种工艺与立体印刷成型(SLA)基本
相同。
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SLS原理动画效果
三、选域激光烧结的特点
1、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,包括热塑 料、金属和陶瓷的新材料。
2、制造工艺比较简单。由于可用多种材料，选域激光烧 结工艺按采用的原料不同可以直接生产复杂形状的原型 型模、三维构件或部件及工具，能广泛适应设计和变化 等。例如，制造概念原型；蜡模铸造模型及其他少量母 模生产；直接制造金属注塑模等。
快速制造技术
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王志伟
湖北工业大学 机械工程学院 2011年3月
第四章 选择性激光烧结SLS
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一、 概念 二、工艺原理 三、 选域激光烧结的特点 四、 SLS方法常用的材料 五、 系统组成 六、 工艺步骤 七、 应用 八、 选域激光烧结制造设备市场概况
一、概念
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选域激光烧结(Selected Laser Sintering)，借助精确引导 激光束使材料粉末烧结或熔融后凝固形成三维原型或制 件。即成型机按照计算机输出的原型分层轮廓．采用激 光束在指定路径上有选择性地扫描并熔融工作台上很薄 (100—200p m)且均匀铺层的材料粉末。由分层图形所选 择的扫描区域内的粉末被激光束熔融，连结在一起，而 未在该区域内的粉末仍然是松散的。当一层扫描完毕， 向上(或下)移动工作台，控制完成新—层烧结：全部烧