基于SLS的铸造模型快速制造技术

3D打印技术之SLS（选择性烧结成型法）第一篇：3D打印技术之SLS(选择性烧结成型法)3D打印技术之SLS（选择性烧结成型法）粉末材料选择性烧结（Selected Laser Sintering）粉末材料选择性烧结采用二氧化碳激光器对粉末材料（塑料粉等与粘结剂的混合粉）进行选择性烧结，是一种由离散点一层层堆集成三维实体的快速成型方法。

粉末材料选择性烧结采用二氧化碳激光器对粉末材料（塑料粉、陶瓷与粘结剂的混合粉、金属与粘结剂的混合粉等）进行选择性烧结，是一种由离散点一层层对集成三维实体的工艺方法。

在开始加工之前，先将充有氮气的工作室升温，并保持在粉末的熔点一下。

成型时，送料筒上升，铺粉滚筒移动，先在工作平台上铺一层粉末材料，然后激光束在计算机控制下按照截面轮廓对实心部分所在的粉末进行烧结，使粉末溶化继而形成一层固体轮廓。

第一层烧结完成后，工作台下降一截面层的高度，在铺上一层粉末，进行下一层烧结，如此循环，形成三维的原型零件。

最后经过5-10小时冷却，即可从粉末缸中取出零件。

未经烧结的粉末能承托正在烧结的工件，当烧结工序完成后，取出零件。

粉末材料选择性烧结工艺适合成型中小件，能直接的到塑料、陶瓷或金属零件，零件的翘曲变形比液态光敏树脂选择性固化工艺要小。

但这种工艺仍需对整个截面进行扫描和烧结，加上工作室需要升温和冷却，成型时间较长。

此外，由于受到粉末颗粒大小及激光点的限制，零件的表面一般呈多孔性。

在烧结陶瓷、金属与粘结剂的混合粉并得到原型零件后，须将它置于加热炉中，烧掉其中的粘结剂，并在孔隙中渗入填充物，其后处理复杂。

粉末材料选择性烧结快速原型工艺适合于产品设计的可视化表现和制作功能测试零件。

由于它可采用各种不同成分的金属粉末进行烧结、进行渗铜等后处理，因而其制成的产品可具有与金属零件相近的机械性能，但由于成型表面较粗糙，渗铜等工艺复杂，所以有待进一步提高。

选择性激光烧结（SLS）优点•（1）可以采用多种材料。

基于SLS原型的石膏型熔模精密铸造在零部件开发中的应用作者：王翠芳赵辉孙备来源：《科技创新与应用》2017年第11期摘要：快速成型技术与精密铸造相结合的应用不仅解决了复杂零部件的制造，而且其制造周期短、成本低、应用范围广。

文章通过一种发动机的气门室罩盖样件制造，介绍了基于SLS（激光选区烧结）原型的石膏型熔模精密铸造的工艺流程及铸造过程中出现问题的解决方案。

关键词：快速成型；熔模精密铸造；激光选区烧结1 概述随着汽车工业迅猛的发展，市场竞争愈演愈烈，对于汽车零部件的开发也提出了新的要求，特别是需要重复试验和调整的零件，如发动机气门室罩盖小批量生产，因此新产品的开发对于低成本、快速样件铸造有着迫切的需求。

快速原型制造（Rapid Prototyping，RP）因其快速和经济的特点为零部件快速开发提供技术支撑。

在多种快速成型工艺中，激光选区烧结（Selective Laser Sintering，SLS）由于烧结原材料选择范围广泛，多余材料易于清理，工艺及操作集成化、简单化和自动化，而且可烧结结构复杂的样件，应用较为广泛。

本文通过一种发动机气门室罩盖的快速成型样件的制造为例，介绍基于SLS的石膏型熔模铸造的工艺流程以及在铸造中出现的问题及其解决方案。

2 基于SLS的石膏型熔模铸造工艺流程基于SLS的石膏型熔模精密铸造是将快速成型技术与精密铸造相结合的一种快速、经济制造零件样件技术。

其工艺流程如下：2.1 SLS三维实体模型制造激光选区烧结系统是通过Creo软件绘制零件的三维实体造型，将三维实体造型转换为快速成型领域最常用的STL格式，它采用大量的三角形面网来逼近三维实体表面，分辨率越高，越接近理想实体造型表面，但会影响电脑对数据的处理速度，应合理选择分辨率，通过STL网格模型所提供的几何信息，切片软件对零件模型进行分层切片，得到一定厚度的封闭切片，激光选区烧结系统的激光束在计算机的控制下，根据切片中的轮廓信息，有选择性的烧结PS（Polystyrene，聚苯乙烯）粉末材料，从而还原各封闭切片的实体轮廓，本层面烧结完成后，工作台下降一个层面，铺上新的粉末，按照上面方法进行下个层面的烧结，如此反复，逐步堆积成SLS三维实体模型，可通过软件对零件分层厚度、激光功率、扫描间距、扫描速度进行设置，得到最佳的工艺参数。

快速成型铸造技术快速成型与铸造相结合的产物是快速铸造技术简称QC，这种快速铸造使得多种材料、任何形状复杂、内部结构精细的铸件都能生产出来，产品开发周期短、精度高，大大地提高了企业获取订单的竞争力，快速成型为实现铸造的短周期、多品种、低成本、高精度提供了一个快速响应技术，显示出了强大的生命力和巨大的应用潜力。

1. 直接铸造法直接铸造法主要是指由RP技术直接一步成形铸造用的型壳、型芯，型壳、型芯经处理后，即可进行金属浇注，铸造出金属零件。

由于从原型到金属零件不经过造型转化，故称直接铸造法。

该类工艺方法一般用于单件、复杂零件的制造。

2.直接壳型铸造直接壳型铸造是利用SLS激光快速成型，技术对以反应性树脂包覆的陶瓷粉进行烧结，可以一步制成铸造用的型壳、型芯的方法。

在CAD环境中，直接将零件模样转换为壳型，再配以浇注系统。

型壳的厚度可取5～10mm，烧结过程中，非零件部分进行烧结，零件部分仍是粉末。

烧结完成后将粉末倒出，再经固化处理就获得铸造用的型壳，进行浇注后即可制得金属零件。

用此方法，省去传统精密铸造多种工艺过程，是传统铸造的重大变革。

它的最大优点是速度快，不需要任何模具，甚至不需画图，设计工程师通过计算机网络将资料送到铸造车间的系统中便可完成型壳的设计与制作。

该工艺的不足之处主要是零件表面粗糙度值较高。

其关键技术是型壳厚度、型壳表面粗糙度及固化处理工艺。

近几年开发研制的激光快速自动成形系统，还可以利用铸造覆膜砂直接进行SLS激光快速成型技术，制作铸造壳型和壳芯，使这一技术在铸造上的应用得到更进一步的发展。

3.直接制模铸造直接制模铸造缩写为DSPC，其成形方法不是采用激光进行选择性烧结，而是采用粘结剂进行选择性粘接。

把CAD模型转换成模壳，然后以类似于熔模铸造的工艺，制造出金属零件。

从设计到成品零件出厂前后只要10天，是金属零件设计和制造上的一个突破。

直接制模铸造来源于三维印刷快速成形技术。

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激光快速成型（SLS）技术在汽车领域的应用湖南华曙公司采用的选择性粉末激光烧结（SLS）技术是行业领先的柔性智能制造技术，广泛服务于汽车制造、飞机工程、消费电子、精密传感等诸多领域。

快速制造（RM）激光装备欧美等国07年一年新增近2000台，制成产品已经大量出现在飞机、汽车、大型仪器、仪表等领域，由于不需要模具，从CAD文件到产品可在15小时之内出货，对我们这个传统的制造业大国产生了强烈的冲击，庞大的市场需求与国产设备的极缺造成的反差，无论是激光装备国产化市场还是产品市场都给我们留出了宝贵的市场机遇。

我们项目正是在国内批量制造RM设备并承接RM产品制造服务，并力争建成全国领先的产业集群，国家工程技术中心。

汽车设计和塑胶件批量制造中应用汽车外形及内饰件的设计、改型、装配试验，发动机、汽缸头等复杂外型的试制。

作为设计验证和评估的手段，激光快速成型已经用于国内外汽车产业中，●例如美国克莱斯勒公司已制造车身模型，将其放在高速风洞中进行空气动力学试验分析，取得了令人满意的效果，大大节约了试验费用。

●汽车发动机进气管内腔形状是由十分复杂的自由曲面构成的，它对提高进气效率、燃烧过程有十分重要的影响。

设计过程中，需要对不同的进气管方案做气道试验，传统的方法是用手工方法加工出由几十个截面来描述的气管木模或石膏模，再用砂模铸造进气管，加工中，木模工对图纸的理解和本身的技术水平常导致零件与设计意图的偏离，有时这种误差的影响是显著的。

使用数控加工虽然能较好地反映出设计意图，但其准备时间长，特别是几何形状复杂时更是如此。

英国Rover公司使用激光快速成型技术生产进气管的外模及内腔模，取得了令人满意的效果。

●在汽车模具制造中应用本激光快速成型技术，能烧结蜡、聚碳酸酯、尼龙、金属等各种材料。

用该系统制造的钢铜合金注塑模具，可注塑5万件工件。

也可以结合其他技术来制作钢质模具，实现金属模的快速制造。

或者直接制造出复形精度较高的EDM电极，用于注塑模、锻模、压铸等钢制模具型腔的加工。

SLS激光快速成型工艺参数及其应用湖南华曙高科快速模型给大家分析下SLS激光快速成型的工艺参数及其应用，先谈谈工艺参数方面，烧结工艺参数对精度和强度的影响是很大的。

主要包括激光功率、扫描速度、烧结间距和单层层厚等，此外，预热也是SLS工艺的一个重要环节。

SLS激光快速成型的工艺参数可以分为以下几点：（1）激光功率。

随着功率增加，尺寸误差向正方向增大，且厚度方向的增大要比宽度方向的尺寸误差大，主要是由于对于波长一定的激光，其光斑直径是固定的。

此外，功率增加强度也会随着增大，但过大会加剧固化收缩引起的翘曲变形，所以要综合选用激光和烧结工艺参数（2）扫描速度。

当扫描速度增大时，尺寸误差向负误差方向减小，强度减小。

（3）烧结间距。

随着扫描间距的增大尺寸误差向负误差方向减小，同时强度减小。

扫描间距越小，单位面积上能量密度越大，熔化越充分，强度越高。

重叠部分越大，温度会升高，使更多的粉末烧结在一起，使误差向正方向增大。

间距越大，强度降低。

同时影响效率，应综合考虑。

（4）单层层厚。

随着单层层厚增加，强度减小，尺寸误差向负方向减小。

层厚增加，粘结牢固程度减弱，容易剥离，强度降低，且要熔化的粉末增加向外传递的热量减少，使尺寸误差向负方向减小，由于影响效率应综合考虑。

此外，预热是一个重要环节，没预热或是不均匀将会使成型时间增加，成型零件性能和精度降低。

经过预热可减少烧结时的热应力，防止其产生翘曲和变形，提高精度。

快速成型中的SLS选择性激光烧结工艺的应用：（1）直接制作快速模具。

SLS工艺可用不同的材料制造不同用途的模具，可直接烧结金属模具和陶瓷模具，用作注塑、压铸、挤塑等塑料成型模具及钣金成型模。

（2）复杂金属零件的快速无模具铸造。

将SLS激光快速成型技术与精密铸造工艺结合起来，特别适宜具有复杂形状的金属功能零件整体制造。

（3）内燃机进气管模型。

用SLS工艺制造的进气管模型可直接与相关零部件安装，进行功能验证，快速检测其运行效果进行针对性的改进以达到设计要求。

激光快速成型技术原理特点及工艺方法快速成型技术是近年来制造技术领域的一次重大突破和革命性的发展，激光快速成型技术是其必不可少的重要组成部分。

今天由湖南华曙高科专业人员分析激光快速成型技术原理特点及工艺方法。

八十年代后期发展起来的快速成型是基于分层技术、堆积成型，直接根据CAD模型快速生产样件或零件的先进制造成组技术总称。

ＲＰ技术综合了激光、CAD\CAM、计算机辅助设计与制造、光化学、新型材料等科学技术的研究成果，不需任何机械加工设备即可快速精确地制造复杂形状的物体,它不同于传统的去除成型、拼合成型及受迫成型等加工方法，它是利用材料累加法直接制造金属及各种复合材料零件。

常用的RP工艺有四种：1）立体光刻又称液料光固化2）选择性激光烧结3）熔丝沉积4）分层实体制造等。

其中，立体光刻是精度最高和应用最广的一种快速成型工艺。

以激光作为加工能源的激光快速成型是快速成型技术的重要组成部分，它集成了ＣＡＤ技术、激光技术和材料科学等现代科技成果。

激光快速成型原理是用ＣＡＤ生成的三维实体模型。

快速制造出的模型或样件可直接用于新产品设计验证、功能验证、工程分析、市场订货及企业决策等，缩短新产品开发周期，降低研发成本，提高企业竞争力。

激光快速成型技术主要特点可分为三种：1）制造速度快，成本低，节约了时间和成本，为传统的制造方法添增了新的活力。

实习自由制造，产品制造过程以及产品造价几乎和产品的复杂性和批量无关。

2）采用非接触的加工模式，没有传统加工的残余力问题，工具的更新问题，无切割、噪声等，有利于保护环境。

3）可实现快速铸造，快速模具制造，特别适用于新品的开发和单件零件的生产。

湖南华曙高科简单的介绍激光快速成型技术的工艺方法，其实，激光快速成型技术包括很多种工艺方法，其中相对成熟的有立体光固、选择性激光烧结、分层实体制造、激光熔覆成形、激光近形制造等。

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- 64 -工 业 技 术０　引言选择性激光烧结快速成形（Selective Laser Sintering Rapid Prototyping，SLS）技术材料选择广泛，正在迅速发展，并得到了越来越多的关注[1]。

SLS 技术与其他快速成型的制作过程相同，都采用离散堆叠成型原理，使用Nd：YAG 激光发射器作为光源，利用切片中的二维信息，通过计算机来控制激光束，调整合适的激光密度，全部烧结后，除去多余的粉末，进行一系列研磨处理后得到零件。

该技术将CAD 技术、数字控制加工、激光和材料技术相结合，缩短了产品设计制造周期，降低了开发成本，提高了产品竞争力。

由于SLS 工艺具有许多优点，例如粉末材料选择广泛，其制造工艺相对简单，具有无支撑结构以及零件直接烧结等特点，因此其发展最为迅速，已成为最成功和商业化的快速成型方法之一[2-3]。

１　ＳＬＳ技术原理１．１　ＳＬＳ技术的成形工艺原理图1是SLS 技术制造工艺的原理。

首先，建立CAD 模型，并转化为STL格式，利用分层软件对CAD 模型进行切片，获得各加工层的数据信息，在计算机的控制下，根据层面信息调整激光束进行扫描，使粉末烧结固化，重复该过程，直到得到三维实体[4]。

图1 SLS 技术的成形工艺原理１．２　ＳＬＳ快速成形技术工艺流程SLS 快速成形技术工艺，具体流程如图2所示。

１．２．１建立ＣＡＤ模型采用Pro/E，UG 等三维CAD 软件建立3D 实体模型，并以STL 格式输出。

图2 SLS 快速成形工艺流程图１．２．２　分层处理目前，SLS 所支持的文件格式为STL，采用分层软件在Z 方向进行分层处理，得到分层截面，并将该层面信息转化为激光扫描时的轨迹。

１．２．３　烧结成形扫描之前，先将成型缸下降一定厚度，然后使供粉缸升高一定的高度，铺粉辊从左边压到成型缸上。

激光扫描第1层横截面及轮廓信息，激光扫描的粉末会在高温下迅速熔化并相互黏接；烧结完第一层后，铺粉，进行第2层激光扫描，如此重复直到烧结完成。