选择性激光熔化激光快速成型铺粉装置设计

选择性激光烧结成型技术的研究与应用摘要：介绍了选择性激光烧结成型技术的基本原理、工艺过程和特点，阐述了激光烧结技术的材料和设备的选择，列举了激光烧结技术在各个领域特别是模具制造领域的应用，并且分析了现有技术中存在的问题以及前景的展望。

关键词：快速成型；选择型激光烧结（SLS）；模具制造1.引言快速原型技术（Rapid Prototyping，PR）是一种涉及多学科的新型综合制造技术。

它是借助计算机、激光、精密传动和数控技术等现代手段，根据在计算机上构造的三位模型，能在很短时间内直接制造产品模型或样品。

快速原型技术改善了设计过程中的人机交流，缩短了产品开发的周期，加快了产品的更新换代速度，降低了企业投资新产品的成本和风险。

选择性激光烧结机技术（Selective Laser Sintering，SLS）作为快速原型技术的常用工艺，是利用粉末材料在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成型。

与其他快速成型工艺相比，其最大的独特性是能够直接制作金属制品，而且其工艺比较简单、精度高、无需支撑结构、材料利用率高。

本文主要介绍选择型激光烧结成型技术的基本原理、工艺特点、材料设备选择以及应用等内容。

2.选择性激光烧结技术（SLS）2.1选择性激光烧机技术（SLS）的基本原理和工艺过程选择性激光烧机技术（SLS）工艺是一种基于离散-堆积思想的加工过程，其成形过程可分为在计算机上的离散过程和在成形机上的堆积过程，简单描述如下：（1）离散过程。

首先用CAD软件，根据产品的要求设计出零件的三维模型，然后对三维模型进行表面网格处理，常用一系列相连三角形平面来逼近自由曲面，形成经过近似处理的三维CAD模型文件。

然后根据工艺要求，按一定的规则和精度要求，将CAD模型离散为一系列的单元，通常是由Z向离散为一系列层面，称之为切片。

然后将切片的轮廓线转化成激光的扫描轨迹。

（2）堆积过程。

首先，铺粉滚筒移至最左边，在加工区域内用滚筒均匀地铺上一层热塑性粉状材料，然后根据扫描轨迹，用激光在粉末材料表面绘出所加工的截面形状，热量使粉末材料熔化并在接合处与旧层粘接。

17工业技术1　选择性激光烧结铺粉概述 选择性激光烧结工艺英文名称为Selective Laser Sintering，简称为SLS，该工艺技术最初是由美国人C. R. Dechard 提出的，并于上世纪90年代初开发了成型机。

选择性激光烧结工艺的工作原理是非金属或者金属粉末在激光的照射下，并在计算机的辅助下完成堆积成型，目前选择性激光烧结铺粉工艺在工业上的应用很广，并在人们的日常生活中发挥了重要的作用。

2　选择性激光烧结工艺的基本原理和特点 （1）选择性激光烧结工艺基本原理。

选择性激光器烧结工艺的基本原理是对粉末材料济宁固化和烧结，首先，将粉末材料用辊筒或者刮板平均铺在成型的零件表面，之后慢慢升温，当温度升高至接近其熔点时，借助计算机辅助软件的设计，将激光在粉末表面进行扫面，并逐渐升温至其熔点，进行烧结铺粉连接。

当表面上的一层粉末烧结铺粉完成后，工作台下降一个层的厚度，按照上述工艺流程继续进行下一个层面的烧结铺粉过程，该过程反复进行，直至整个零件完成烧结铺粉，选择性激光烧结工艺基本原理图如下图1所示。

选择性激光烧结铺粉工艺分析张　俏（湖南有色金属职业技术学院,湖南 株洲 412000）摘　要：近年来，选择性激光烧结铺粉工艺技术逐渐进入大众视野，其本质是一种增材制造的先进工艺技术，在借助计算机辅助计算下能够更加精密、高效地加工各种精密零价，本文对选择性激光烧结铺粉工艺概述、原理特点、制造工艺及其应用方面探讨了探讨。

关键词：选择性；激光；烧结；铺粉工艺DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2019.20.016程后处理。

下面以某一铸件的SLS 原型制作工艺为例简单介绍其制作工艺过程。

1）前处理。

前处理主要是对工艺参数和工艺流程的准备，首先利用CAD 建造一个三维的模型图，之后将该成型的CAD 三维造型经过STL 数据终端传输到快速成型系统中。

2）粉层激光烧结叠加。

第二个过程是分层在成型零件表面上的烧结叠加，该过程首先是预热一下成型空间，尤其是高分子材料，其预热温度一般需要达到100℃。

选择性激光烧结快速成形技术摘要：选择性激光烧结快速成形(Selective Laser Sintering Rapid Prototyping)技术使用固体粉末材料，该材料在激光的照射下，能吸收能量。

发生熔融固化，从而完成层信息的成型。

这种方法适用的材料范围广(适用于聚合物、铸造用蜡、金属或陶瓷粉末)，特别是在金属和陶瓷材料的成型方面具有独特的优点，有着制造工艺简单，柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜，成本低、材料利用率高，成型速度快等特点。

本文就SLS的原理，优点，以及使用材料的发展做了简要概括，并对金属粉末的进行了重点讨论。

关键字：SLS，原理，材料，金属粉末目录前言 (1)1 选择性激光烧结快速成形技术的应用 (1)2 选择性激光烧结快速成形技术原理 (2)2.1 基本工作原理 (2)2.2 SLS快速成形技术工艺流程 (4)2.3 SLS烧结机理 (4)3SLS技术的特点 (5)4 中北大学SLS方面的成果 (6)5 选择性激光烧结用原材料 (6)5.1 金属材料 (7)5.2 聚合物材料 (8)5.3 陶瓷材料 (8)5.4 新型SLS原料的研制-木塑复合材料 (8)6 金属粉末选择性激光烧结(SLS)技术 (8)6.1 间接法 (9)6.2 直接法 (10)6.3 金属粉末SLS存在的问题 (11)6.4 金属粉末SLS发展趋势 (12)总结 (12)参考文献 (14)前言选择性激光烧结快速成形(Selective Laser Sintering Rapid Prototyping)技术(简称SLS技术)1989年由美国C.R Decard申请专利，DTM公司推向市场，之后因为具有成型材料选择范围宽、应用领域广的突出优点，得到了迅速的发展，受到越来越多的重视。

选择性激光烧结(SLS)也可被称为选区激光烧结，它跟其它的快速成型工艺一样，加工原理也是离散-堆积成型原理。

其以Nd:YAG或CO2激光发射器为加工能源，利用计算机来控制激光束对加工材料（包括高分子材料、金属粉末、预合金粉末材料及纳米材料等）按设定的速度并调整合适的激光能量密度并根据切片截面轮廓的二维数据信息进行烧结，层层堆积，全部烧结完后去掉周围多余的粉末, 再对烧结件进行打磨、烘干等一系列后处理操作便可以获得零件。

华南理工大学学报(自然科学版)第35卷第3期Journa l o f South C hina U niversity o f Techno l o g yV o.l 35 N o.32007年3月(N atura l Science Editi o n)M arch 2007文章编号:1000-565X (2007)03-0022-06收稿日期:2006-02-20*基金项目:广东省科技攻关项目(2004A 10403004) 作者简介:吴伟辉(1979-),男,博士生,主要从事材料激光成型及合成研究.E-m a i:l wuw ei hui_068@163.co m选区激光熔化快速成型过程分析*吴伟辉 杨永强 来克娴(华南理工大学机械工程学院,广东广州510640)摘 要:分析了选区激光熔化的成型过程及成型机理,归纳了该工艺的技术特征,推导了温升与加工参数间的解析关系式,并据此优化了选区激光熔化快速成型的工艺.采用Cu -P 合金对成型工艺进行了实验验证,分析了扫描速度及激光功率对成型质量的影响,探讨了球化的成因及消除方法.结果表明,通过合理配置扫描速度、扫描间距、激光功率等加工参数,可以直接成型具有高致密性的金属零件.关键词:选区激光熔化;快速成型;金属零件;成型过程中图分类号:TG 665 文献标识码:A当前,快速成型技术正向直接制造金属零件的方向发展[1-2].选区激光熔化便是新出现的一种能直接成型高致密、高精度金属零件的快速成型技术.相对于目前常用来成型金属件的选区激光烧结技术,选区激光熔化技术克服了选区激光烧结技术不能采用纯金属粉末、成型致密性及力学性能差、后处理工艺复杂的缺点,采用的材料能扩展到多种纯金属或合金材料(如不锈钢、工具钢、钛合金等),成型件相对密度接近或达到100%,总体力学性能比采用铸造方法制成的金属件更为优异,尺寸精度及表面粗糙度好,仅需或无需简单后处理(如喷砂、抛光等)即可直接投入实际使用[3-7].目前,该技术在国外已得到了广泛重视,德国、日本、美国等国在这项技术上已取得了重大突破.但在我国,该技术的研究仍处于起步阶段[2,5,7].有鉴于此,文中分析了选区激光熔化快速成型的机理,归纳了其技术特征,并针对该技术中的难点展开了试验研究.1 选区激光熔化快速成型的工作原理选区激光熔化的工作原理[8-10]如图1所示.将所设计的三维模型进行切片离散及扫描路径规划,得到可控制激光束扫描的切片轮廓信息.随后,计算机逐层调入切片轮廓信息,通过扫描振镜,控制激光束选择性地熔化金属粉末,逐层堆积成与模型相同的三维实体.由于金属材料在熔化过程中易发生氧化,造成成型失败,因此,选区激光熔化过程在通有保护气体的密封成型室中进行.图1 选区激光熔化快速成型系统示意图F i g .1 Schem ati c diag ram o f rapi d proto typ i ng syste m w it h se -lecti v e lase r m elti ng2 选区激光熔化快速成型过程分析2.1 成型过程中的温升及影响温升的参数为得到致密的组织,选区激光熔化快速成型过程中,要求完全熔化选区内的金属粉末.金属粉末熔化与否取决于金属粉末的温升$T.为方便讨论,文中进行了以下假设:(1)聚焦后的光斑形状为圆形,且功率分布均匀;(2)如图2所示,以图中最大的、面积为A 的圆表示激光斑点的大小,光斑内平行于x 轴的直线上有一与激光光斑圆边相切的面积为d A (d A <<A )的区域,设激光照射到该区域上的能量全部被吸收,并全部用来使垂直于该区域的、深度为E 的小圆柱升温.图2 扫描过程中激光光斑的移动F ig .2 M ovem ent o f l aser spo t during t he scann i ng若激光扫描方向平行于x 轴,则面积为d A 的区域受激光照射的时间为t =D cos Hv, 0[H [180b .照射到面积为d A 的区域的能量为Q =4P pD2@d A @D cos H v =4P d A cos H pD v .以面积为d A 的区域为上表面,则深度为E 的小圆柱的平均温升可近似表示为$T =Q d m c p =Q Q d Vc p =4P d A cos HpDv Q d A E c p =4P cos HpDv Q E c p(1)式中,D 为激光聚焦光斑直径,v 为激光光斑扫描速度,P 为激光功率,c p 为材料比定压热容,Q 为粉末密度,m 为小圆柱的质量.由于激光光斑以速度v 向右扫描,当d A 趋近于无穷小时,可认为d A 代表了激光扫描经过的粉末区的任何一个点.因此,根据式(1)可以得到激光扫描经过任一点的温升与加工参数的关系.在成型过程中,激光光斑不断移动,要使粉末层上某一点达到熔点,粉末必须在激光作用时间内快速升温.由式(1)可知,可采取以下途径:(1)提高激光功率P;(2)降低扫描速度v ;(3)减小激光聚焦光斑直径D.在成型过程中,随粉末温升的不同,会相继出现固相烧结、液相烧结、熔化、汽化和等离子化等工作阶段[11-12].选区激光熔化快速成型过程可能发生熔化、汽化和等离子化3个成型阶段,成型中要求必须熔化扫描经过的金属粉末.2.2 成型难点分析选区激光熔化快速成型工艺的实现十分困难,其主要原因在于:(1)大多数金属的熔点都很高,要在选区内完全熔化金属材料,必须在成型过程中提供足够的能量,这要求激光束必须有足够高的功率密度;(2)金属材料在成型过程中,容易因液态金属表面张力而产生球化现象,导致表面凹凸不平,甚至无法成型;(3)金属材料的热传导率高,在成型过程中易产生大的温度梯度,使液态金属凝固后产生大的残余应力,导致成型件变形、断裂.2.3 成型工艺优化为在激光扫描过程中完全熔化选区内的金属粉末,要求扫描过程能使扫描所经过的金属粉末迅速升温并达到熔点以上的温度.如上所述,要快速升温,可采取提高激光功率、降低扫描速度和减小激光聚焦光斑直径3种方法.提高激光功率虽然可以使粉末快速升温,但热影响区也会相应增大,使成型件的变形量增大,不利于提高成型精度,甚至可能使成型件发生断裂,导致成型失败.降低扫描速度也不可行.这是因为,扫描速度过低会导致扫描的热影响区增大,不利于提高成型精度,而且过低的扫描速度(如每秒几十毫米)会使成型效率大大降低,从而失去了该技术的商业价值.有鉴于此,研究中采用减小激光聚焦光斑的方法来使粉末快速升温.同时,为提高成型精度和成型效率,还采用了功率不大于200W 的中低功率激光器,以快速扫描的方式成型.激光聚焦光斑直径的大小主要取决于激光的光束质量.光束质量越好(即光束质量因子越接近1),光束的聚焦性能就越好.选区激光熔化快速成型中要求选用具有良好光束质量的激光器[13].3 实验验证3.1 成型设备与实验条件采用以华南理工大学为主研制的激光选区熔化快速成型样机DM i eta l 240作为工艺试验平台.该设备的技术指标见表1.23第3期吴伟辉等:选区激光熔化快速成型过程分析表1 快速成型样机的技术指标T able 1 T echn i ca l i ndex es of rap i d proto t yp i ng m ach i ne名称指标激光器类型连续式半导体泵浦Nd :YAG 激光器激光器光束质量因子约等于2激光器平均输出功率100W 激光器最大输出功率200W 激光波长1.06L m 聚焦透镜焦距500mm 最大成型速度3m /s 激光聚焦光斑直径100L m额定成型尺寸80mm @80mm @50mm实验材料为铜磷合金,颗粒大小为75L m,呈球形分布.成型过程中采用氩气进行局部保护.在进行扫描速度、扫描功率对比实验时,采用在粉末上直接成型一层的方法.三维金属实体堆积成型在A3钢基板上进行,成型后的组织采用200倍显微镜观察.3.2 单层熔化成型实验3.2.1 扫描速度对成型质量的影响图3是不同扫描速度下的单层熔化成型试样.由图3可见,在低的扫描速度下,试样表面相当粗糙,熔池沿扫描方向分裂成多个椭圆形长条,扫描速度越低,分裂越严重.图3 扫描速度对球化的影响F i g.3Infl uence o f scann i ng speed on balli ng激光功率:100W;材料:C u -P 合金分析认为,金属在从熔化到凝固的过程中发生了球化.球化是由于熔化的金属材料不能润湿下层的基础,液体上的表面张力试图将金属材料变成球体而引起的.如图4(a)如示,如果液体材料与固体材料不能完全润湿,则刚开始时,固-液-气三界面处于不平衡状态,液面将会作相应调整,最终与固体表面以一个接触角H c 相交(如图4(b)所示).图4 选区激光熔化过程中发生球化的示意图F i g .4 Ske tch of ba lli ng in se l ective l ase r m elting pro cess角H c 的大小符合杨氏方程,但是杨氏方程所表述的是平衡状态下的熔池状态,实际熔池从初态到终态的变化由界面间所做的粘附功决定[14].以C sl、C sv 和C lv 分别表示固-液、固-气和液-气界面的表面张力,若粘附功$G =C sl -C sv >0,则液体不能润湿固体,液态金属出现向球形收缩、使表面积达到最小的趋势,这时就发生了球化现象.粘附功越大,发生球化的趋势越明显,当$G =C sl +C lv -C sv >0时,液态金属就会完全收缩成一个球.球化过程需要一定的时间,如果金属的冷却速度大于球化速度,则会大大消除球化现象.基于这一思路,文中考察了不同扫描速度下的球化情况.由图3(b)、3(c)和3(d)可以看出,随着扫描速度的提高,球化现象大大减少.分析认为:当扫描速度增幅不大时,球化程度的降低主要是由熔化量的减少引起的;当扫描速度增加到较大值时,冷却速度渐24华南理工大学学报(自然科学版)第35卷渐赶上球化速度,熔池来不及完成球化过程就凝固了下来,使球化现象进一步减少.当扫描速度达到1m /s 时,球化对成型表面质量的影响就变得很微弱了.图3(a)表明,沿激光扫描方向发生的球化最为明显,试样表面形成了很多凹坑,而在水平方向几乎看不出球化.这是由于激光扫过粉末时,铺粉厚度相当于无穷大,扫描速度又低,使激光束在某点粉末上停留的时间过久,金属粉末吸收的能量过大,将该点周边的粉末相继吸进熔池,熔液受表面张力作用收缩成椭圆状.当激光束移动到下一个位置时,该处粉末量不足,就形成凹坑[15].在水平方向,由于相邻两扫描线间会发生部分重熔,因此在该方向几乎看不到球化现象(如图4(d)所示).但如果重熔量过多,会有部分熔液填补到凹坑中,形成网状凝固区域(见图3(a)中间部分).在相同激光功率下,采用很高的扫描速度,由于激光聚焦光斑直径很小,若扫描间距太大,会使相邻扫描线间无法连接.因此,成型过程中扫描速度与扫描间距要合理搭配.在分析扫描速度对成型的影响时,分别采用了011和0105mm 的扫描间距.图5所示为扫描速度对熔化深度的影响.由图5可知,随着扫描速度的增大,熔化深度以近似二次曲线的方式减小.在扫描速度相同的情况下,扫描间距小时熔化深度反而大.这是因为,在小的扫描间距下,相同面积区域激光经过的次数更多,使得热影响区更大,因此熔化深度也更大.图5 扫描速度与熔化深度的关系F i g.5 R elati onship bet w een scann i ng speed and m e lti ng dep t h激光功率:100W;材料:C u -P 合金在确定的激光功率与扫描间距下,一定的扫描速度对应着一定的熔化深度.因此,在成型过程中,设置铺粉厚度时要考虑扫描速度与扫描间距的配合,这样才能保证扫描过程不会出现因熔化深度不够而导致的断层现象.上述熔化深度是在粉层上实验所得到的数据.如果进行多层成型,由于粉末会铺在已成型好的实体上,而熔化固体比熔化粉末要消耗更多的能量,因此熔化深度会比直接在粉末上成型时小.3.2.2 激光功率对成型质量的影响图6所示为激光功率对成型质量的影响.由图6可知,当激光功率较低时,试样表面平滑,球化痕迹不明显.随着激光功率的增加,各道扫描熔化线凝固后渐渐收缩成一串串的球化珠,且功率越大球化珠直径越大,扫描熔化线断裂数越多.分析认为:激光功率增加会增大熔化的金属量,使得熔池表面积增大,这一方面使冷却凝固时间更长,有更充足的时间形成球化珠,另一方面,大的熔池固-液界面的表面张力C sl (见图4)也相对较大,使得熔液球化的趋势更明显.因此,出现了球化现象随激光功率增大而加剧的情况.图6 激光功率对成型质量的影响F i g .6Infl uence o f l ase r po w er on m olding qua lity扫描速度:015m /s ;扫描间距:0104mm;材料:Cu -P 合金由图6(c)和6(d)也可知,若激光功率太大,熔池表面积增大且冷却时间减慢,使球化更为严重,球化形成的不平坦表面也使熔液在未冷却前四处流淌,凝固后形成了很不规则的粗糙表面.因此,在不改变扫描速度的情况下,表面球化现象随激光功率的增加而更趋严重,表面质量更差.这不但会降低成型的精度,而且成型表面的凹凸不平在成型件中造成了大量的孔洞,使得成型件的致密性降低.因此,采用不改变扫描速度仅增加激光功率25第3期吴伟辉等:选区激光熔化快速成型过程分析的办法是不能得到良好的成型质量的.对比图3和图6还可发现,改变激光功率所引起的球化现象不如改变扫描速度的显著.因此,消除球化现象主要靠在成型过程中调整扫描速度来实现.3.3 三维致密金属零件堆积实验根据上述分析结果,对加工参数进行合理调配,按表2所列基本参数成型了一个三维金属零件.表2 加工参数表T ab l e 2 P rocessi ng para m ete rs参数名称参数值首层扫描速度0.2m /s 首层激光功率120W 第2~25层扫描速度0.7m /s 第2~25层激光功率75W 扫描间距0.05mm 铺粉厚度0.25mm 聚焦光斑直径约100L m由于基板为A3钢,与成型材料不是同种材料,且成型过程没有预热,因此,在成型首层时,采用了120W 的激光功率,以012m /s 的扫描速度成型,以保证首层与基板牢固结合,为后续各层的成型打下稳固的基础.为减小热影响区,后续各层采用的激光功率减小到75W.图7(a)为所成型零件的外观图.对比零件尺寸与模型尺寸发现,尺寸精度控制在?015mm 范围内,且零件形状完好,没有发生变形、断裂等现象.但由于铺粉厚度较大,为保证熔化深度,扫描速度未能达到上述分析的理想值,零件表面仍有少许球化现象.图7(b)为所成型零件的多层断面显微照片.该照片显示了多个图层,相邻两层间完全冶金结合,除有少许气孔和因夹渣而形成的孔隙外,绝大部分区域组织致密.通过估算孔洞面积占整体面积的比例,确定零件的相对密度为95%.4 结论(1)选区激光熔化快速成型过程中,应采用具有良好光束质量的中低功率激光器,以减小激光光斑的直径,实现快速升温.(2)单层熔化成型实验表明,提高扫描速度可以有效克服球化现象,但扫描速度太快会降低熔化深度.此外,小的扫描间距也有利于提高熔化深度.因此,在选区激光熔化过程中应当合理配置扫描速度和扫描间距.图7 所成型的致密金属零件F i g.7 H i gh -density m eta l pa rt fabricated by SLM材料:C u -P 合金(3)在单层熔化成型过程中,增加激光功率会使球化现象加剧,降低成型的致密性,但改变激光功率不如改变扫描速度引起的球化现象显著.(4)采用75W (首层为120W )的激光功率、以017m /s(首层为012m /s)的扫描速度成型了一个三维金属实体.分析发现,该实体相对密度达95%,相邻两层完全冶金结合,尺寸精度控制在?015mm 范围内.表明选区激光熔化工艺可直接成型出具有高致密性的金属零件.参考文献:[1] 王广春,赵国群.快速成型与快速模具制造技术及其应用[M ].北京:机械工业出版社,2004:1-10.[2] 冯涛.李志刚.快速成型与快速制模技术的最新发展)))Euro M o l d .2003考察报告[J].模具工业,2004,278(4):3-5.Feng T ao ,L i Zh-i gang .The 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Eng i neering ,South Chi na U niv .o f T ech .,Guangzhou 510640,G uangdong ,Chi na)Abst ract :The process and m ec hanis m of a rapid prototyping m ethod ,na m e l y ,se lective laser m e lting ,were ana -l y zed .The characteristics of th is m ethod w ere then su mm ed up and a m at h e m atica l expressi o n w as deduced to descr i b e the relationsh i p bet w een the te m perature rise and the processi n g para m eters .M oreover ,the proposed ex -pressi o n w as used to op ti m ize the rap i d prototyping process .Experi m entsw ere fina lly conducted to verify the proto -typing process w ith Cu -P alloy as the m ateria,l by w hich the i n fl u ences o f the scann i n g speed and t h e l a ser po w er on the m o l d i n g qua lity ,the reasons fo r m eta l ba lli n g and the m ethods to avo i d balli n g w ere discussed.The results i n dica te tha,t by reasonab l y ad j u sting the pr ocessi n g para m eters ,such as the scanning speed ,the scanning space and the laser po w er ,m etal parts w ith high density can be directly fabricated .K ey w ords :selective laser m e lti n g ;rapid pro totyp i n g ;m eta l par;t prototyping process27第3期吴伟辉等:选区激光熔化快速成型过程分析。

目录中文摘要 (3)Abstract (4)1绪论 (5)1.1课题来源 (5)1.2研究目的和意义 (6)1.3选择性激光烧结概述 (7)1.4 SLS技术的发展历程和现状 (9)1.5 SLS铺粉装置的目前现状 (10)1.6本章小结 (12)2选择性激光烧结的铺粉装置的设计 (13)2.1铺粉装置的总体设计 (13)2.2铺粉装置的第一种方案 (13)2.3铺粉装置的第二种方案 (15)2.4方案的比较及最终选择 (16)2.5设计方案的设计要求 (16)2.6本章小结 (17)3 铺粉装置的结构设计 (18)3.1主机 (18)3.2成型工作缸 (18)3.3丝杠设计 (18)3.4 齿轮的设计 (27)3.5步进电机设计 (31)3.6废料回收缸 (33)3.7铺粉滚筒装置 (33)3.8送料工作缸 (34)3.9激光器 (34)3.10振镜式动态聚焦扫描系统 (34)3.11机身与机壳 (36)4 总结 (37)5 致谢 (38)6 参考文献 (39)7 附录 (40)选择性激光烧结铺粉装置设计摘要：近年来，集中先进的激光技术，粉体技术和计算机控制技术的选择性激光烧结（Selective Laser Sintering,简称SLS)工艺日渐成熟，SLS无需模具就可将金属和非金属粉末直接逐层烧结成近净形致密零件，具有成形灵活性强，周期短，原料广泛等特点，在汽车，造船，机械，航空与航天等诸多领域逐渐得到广泛应用，成为当前成形技术中的一个研究热点和几句发展潜力的前沿技术。

为了分析铺粉精度对选择性激光烧结成型质量的影响，设计一种新型的铺粉装置。

介绍该铺粉装置的工作原理，结构组成，设计要点。

关键词：选择性激光烧结；粉末；快速成形；铺粉装置；铺粉精度Design of Spreading Powder Device of Selective Laser Sintering Rapid Prototyping MachineAbstract: Slective Laser sintering(SLS),integrated the technologies of laser,powder and computer-aided design become more and more mature in the past ten years. The SLS can be used to sinter metal and nonmetal powders directly into full-densified and near-net shaped products.Because of having the merits of good flexibility,short production periods broad raw materials and so on,the SLS is now widely applied in many fields,such as automobile,shipbuilding, spacefight and aviation industry,and is considered as the technology in advance position.Precision of powder-laying is an important factor affecting selective laser sintering forming quality.A new kind of spreading powder device was designed.The working principles,structure constitution and design points were intrduced.Keywords:Selective laser sintering; powder; rapid shaping; spreading powder device;accuracy of powder-laying1 绪论1.1 课题来源在机械制造业，长期以来采用的加工方法是减材制造法，即用刀具从较大的毛坯上逐步切除无用材料来制作工件的方法，传统的车、铣、刨、钻、磨等切削加工方法，以及现代的电火花成形与激光切割都属于减材制造法。

•近年来诞生了选择性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）金属粉末的快速成型技术，用它能直接成型出接近完全致密度的金属零件。

SLM技术克服了选择性激光烧结（Selective Laser Sintering。

SLS）技术制造金属零件工艺过程复杂的困扰。

用SLS技术制造金属零件的方法主要有：（1）熔模铸造法：首先采用SLS技术成型高聚物（聚碳酸酯PC、聚苯乙烯PS等）原型零件，然后利用高聚物的热降解性，采用铸造技术成型金属零件。

（2）砂型铸造法：首先利用覆膜砂成型零件型腔和砂芯（即直接制造砂型），然后浇铸出金属零件。

（3）选择性激光间接烧结原型件法：高分子与金属的混合粉末或高分子包覆金属粉末经SLS成型，经脱脂、高温烧结、浸渍等工艺成型金属零件。

（4）选择性激光直接烧结金属原型件法：首先将低熔点金属与高熔点金属粉末混合，其中低熔点金属粉末在成形过程中主要起粘结剂作用。

然后利用SLS技术成型金属零件；最后对零件后处理，包括浸渍低熔点金属、高温烧结、热等静压（Hotisostat ic Pressing，HIP）。

这些方法所制造的金属零件机械性能受低型工艺过程的影响因素比较多。

为此，德国Fraunhofer激光器研究所（Fraunhofer Inst itu te for LaserTechnology，ILT）最早提出了直接制造金属零件的SLM技术。

选择性激光熔化技术的基本原理SLM技术是利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成型的一种技术。

为了完全熔化金属粉末，要求激光能量密度超过106W／Cm2。

目前用SLM技术的激光器主要有Nd-YAG激光器、Co2激光器、光纤（Fiber）激光器。

这些激光器产生的激光波长分别为1064nm、10640nm、1090nm。

金属粉末对1064nm等较短波长激光的吸收率比较高，而对10640nm等较长波长激光的吸收率较低。

选择性激光烧结快速成型机铺粉系统的研究选择性激光烧结快速成型（Selective Laser Sintering, SLS）技术是一种先进的制造技术，能够实现快速、精确的三维打印。

它通过使用激光束将粉末材料逐层烧结，从而实现零件的快速制造。

铺粉系统是SLS快速成型机中至关重要的组成部分，因为它直接影响着零件的质量和精度。

铺粉系统的主要功能是将粉末均匀地铺设在工作台上，以便激光束可以准确地烧结。

在实际操作中，铺粉系统必须满足以下几个方面的要求：粉末均匀性、粉末厚度的控制、粉末对流的消除、铺粉速度的快慢和铺粉的稳定性。

首先，粉末均匀性是铺粉系统必须解决的首要问题。

粉末的均匀性直接影响着零件的表面质量和尺寸精度。

如果粉末铺设不均匀，烧结过程中就会出现不均匀的热点和冷点，从而导致零件的形状偏差和质量问题。

因此，铺粉系统需要设计合理的铺粉机构，以确保粉末能够均匀地分布在工作台上。

其次，铺粉系统需要能够精确地控制粉末的厚度。

粉末的厚度直接决定着成品零件的尺寸和形状。

如果粉末厚度过小，烧结过程中就会出现不完整烧结的问题；如果粉末厚度过大，烧结过程中就会出现过烧结的问题，导致零件表面粗糙。

因此，铺粉系统需要有一套精确的控制机制，以实现粉末厚度的准确控制。

另外，粉末对流是一个需要被注意的问题。

在铺粉的过程中，粉末往往会出现对流现象，导致粉末在工作台上的分布不均匀。

这种不均匀分布会影响零件的质量和精度。

因此，铺粉系统需要设计合理的铺粉机构，并采取适当的手段来消除对流现象。

铺粉速度是铺粉系统的另一个重要指标。

快速成型技术的优势在于其快速性，因此铺粉系统的铺粉速度要求较高。

如果铺粉速度太慢，将会大大延长成品制造的时间；如果铺粉速度太快，会导致粉末无法均匀铺设，从而影响零件的质量。

铺粉系统需要根据工艺要求，设计合适的铺粉速度。

最后，铺粉系统的稳定性也是一个需要关注的问题。

在SLS快速成型过程中，铺粉系统需要保持稳定的工作状态，以确保粉末能够均匀地铺设在工作台上。

选择性激光熔化3D 打印装备 （Selective Laser Melting, SLM ）功能特色（Function and Feature ）选择性激光熔化（Selective Laser Melting, SLM ）3D 打印技术利用较小功率激光直接熔化单质或合金金属粉末材料，在无需刀具和模具条件下成形出任意复杂结构和接近100%致密度的金属零件或模具。

该技术利用粉末材料叠层成形，材料利用率超过了90%，特别适合于钛合金、镍合金等贵重和难加工金属的成形制造。

在航空航天、生物医疗、模具等领域具有广泛的应用前景。

SLM 装备(Equipment)华中科技大学自行研制的HRPM 型SLM 3D 打印装备规格指标(Specifications)500W 光纤激光熔化成形系统500W optical fiber laser meltingsystems200W 光纤激光熔化成形系统 200W optical fiber laser meltingsystems应用领域——航空航天难加工材料直接制造航空航天的关键零部件服役于高速、高载及极端温度等特殊环境，有特殊的性能要求，通常采用镍和钛合金等难加工贵重材料。

机加工性差，且材料浪费严重；铸锻工艺也十分难以控制，特别是对于复杂结构其模具设计和制造成本高，周期长。

SLM工艺可在短流程内将设计变为实物，且不受结构复杂度的限制。

采用合理的成形工艺可成形出近全致密的镍和钛合金零件，用于设计初期的结构优化十分有效；配以相应的热处理工艺，也可直接作为功能零件使用。

SLM成形的传统工艺无法或难以制造的栅格和蜂窝孔状等轻量化结构零件尺寸：外围尺寸200mm以内，最小壁厚0.1mm，微孔1mm以内，成形时间：数小时SLM成形的镍基高温合金叶盘零件（左：SLM成形表面；右：机加工表面）零件尺寸：直径120mm，成形时间五天SLM成形的不锈钢空心叶片（小孔及内部冷却栅格结构一次整体成形）零件尺寸：外围最大尺寸140mm，内空直径0.3mm，成形时间约一周。

选区激光熔化成形的操作流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。

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3基金项目:华中科技大学博士后基金(项目编号:20070024)　国家科技型中小企业创新基金资助项目(项目编号:05C26214201059)收稿日期:2008201214　第28卷第2期 应　用　激　光Vol.28,No.22008年4月A P PL I ED LAS ERApril 2008316L 不锈钢粉末选择性激光熔化快速成形的工艺研究3付立定,　史玉升,　章文献,　刘锦辉,　鲁中良(华中科技大学材料成形及模具技术国家重点实验室,湖北武汉430074)提要　采用正交实验方法优化316L 不锈钢粉末的选择性激光熔化快速成形工艺,并对试样密度、表面形貌和微观组织进行了分析。

正交实验表明,用316L 不锈钢粉末在HRPM 2Ⅱ设备直接熔化成形可获得达到致密度较高的试样,试样致密度达80.0%。

优化后的工艺参数为激光功率95W 、扫描速度70mm/s 、扫描间距0.06mm ,使用该优化参数制得了复杂曲面和网格零件。

关键词　选择性激光熔化;　正交实验;　不锈钢;　致密度The Process R esearch of 316L Stainless Steel in Selective Laser MeltingFu Liding ,　Shi Yusheng ,　Zhang Wenxian ,　Liu Jinhui ,　L u Zhongliang(S tate Key L aboratory of M aterial Processing and Die &Moul d Technology ,H uaz hong Universit yof Science and Technology ,W uhan ,H ubei 430074,China )Abstract Optimized the processing parameters in selective laser melting of 316L stainless steel ing crossing experi 2ment to analyse the effect to part density of various parameters selected such as laser power (p ),scan speed (v ),scan spacing (d ).The experimental results indicated that laser power affects the density more than the others.They got the metallurgic part of 80.0%density using the optimized parameter of p =95w ,v =70mm/s ,d =0.06mm.Then got complex surfaces and girding parts in this parameter.In the microscope it showed that the microstructure is austenite and ferrite.K ey w ords Selective laser melting ;　crossing experiment ;　stainless steel ;　density1　引言选择性激光熔化(Selective Laser Melting ,SL M )是一种新型激光快速制造技术,它基于分层———叠加堆积原理,实现金属零件的快速制造,能够获得致密度近乎100%、机械性能与锻造工艺相当的零件[1-3]。