选择性激光烧结成型工艺

图4-3 DTM公司的Sinterstation2500机型
图4-4
DTM公司的Sinterstation2500 Plus机型
华中科技大学的HRPS-III激光粉末烧结系统,如下图所示。 它在硬件和软件方面有着自己先进的特点。
图4-5 HRPS-IIIA激光粉末烧结快速成型机
（1）硬件方面
扫描系统
4.2 选择性激光烧结快速成型材料及设备 2.选择性激光烧结快速成型设备
研究单位有美国的DTM公司、3D Systems公司、德国的EOS公司以及国 内的北京隆源公司和华中科技大学等。下图是DTM公司的Sinterstation 2500和2500Plus机型，如图所示。其中2500Plus机型的成型体积比过去 增加了10%，同时通过对加热系统的优化，减少了辅助时间，提高了成 型速度。
前处理
成型
后处理
4.3 选择性激光烧结工艺过程
（1）前处理
主要完成模型的三维 CAD 造型， 并经STL数据转换后输入到粉末激 光烧结快速原型系统中。 右图是某个铸件的CAD模型。
图4-7 某铸件的CAD模型
（2）粉层激光烧结叠加
首先对成型空间进行预热。对于 PS高分子材料，一般需要预热到 100 ℃左 右。在预热阶段，根据原型结构的特点进行制作方位的确定，当摆放方位 确定后，将状态设置为加工状态，如下图所示。 然后设定建造工艺参数，如层厚、 激光扫描速度和扫描方式、激光 功率、烧结间距等。当成形区域 的温度达到预定值时，便可以启 动制作了。 在制作过程中，为确保制件 烧结质量，减少翘曲变形，应根 据截面变化相应的调整粉料预热 的温度。 所有叠层自动烧结叠加完毕 后，需要将原型在成型缸中缓慢 冷却至 40 ℃以下，取出原型并进 行后处理。
表4-2 常用的SLS工艺的材料
美国DTM公司开发的粉末材料：
在SLS领域，以DTM公司所开发的成型材料类别较多，最具代表性， 其已商品化的SLS用成型材料产品见表4-3，其中部分高分子材料粉 末的具体型号及其指标与性能如表4-4所示，部分金属粉末及树脂砂 粉末的物理与力学性能如表4-5所示。
表4-3 DTM公司开发的部分SLS用成型材料
图4-11 金属齿轮零件
3. 金属零件直接烧结工艺
金属零件直接烧结工艺采用的材料是 纯粹的金属粉末，是采用 SLS 工艺中 的激光能源对金属粉末直接烧结，使 其融化，实现叠层的堆积。其工艺流 程如图所示。 金属零件直接烧结成型过程较间接金 属零件制作过程明显缩短，无需间接 烧结时复杂的后处理阶段。但必须有 较大功率的激光器，以保证直接烧结 过程中金属粉末的直接熔化。因而， 直接烧结中激光参数的选择，被烧结 金属粉末材料的熔凝过程及控制是烧 结成型中的关键。
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选择性激光烧结工艺的基本原理和特点 选择性激光烧结快速成型材料及设备 选择性激光烧结工艺过程 高分子粉末烧结件的后处理 选择性激光烧结工艺参数
4.1 选择性激光烧结工艺的基本原理和特点
1.SLS的基本原理 ：采用激光器对粉末状材料进行烧结和固化。
首先 ，在工作台上用刮板或辊筒
一层粉末材料平铺在已成型零件的 上表面， 再 将其加热至略低于其 熔化温度， 然后 在计算机的控制 下，激光束按照事先设定好的截面 轮廓，在粉层上扫描，并使粉末的 温度升至熔化点，进行烧结并与下 面已成形的部分实现粘接。当一层 截面烧结完后，工作台下降一个层 的厚度，铺料辊又在上面铺上一层
4.3 选择性激光烧结工艺过程
(P85)实例： 采用金属铁粉末、环氧树脂粉末、固化剂粉末混合，其体积 比为 67% 、 16% 、 17% ；在激光功率 40W 下，取扫描速度 170mm/s，扫描间隔在0.2mm左右，扫描层厚为0.25mm时烧 结。后处理二次烧结时，控制温度在 800℃，保温1h；三次 烧结时温度1080℃，保温40min；熔渗铜时温度1120℃，熔 渗时间40min。所成型的金属齿轮零件如图所示。
（2）软件方面
独自开发的功能强大的HRPS’2002软件，有如下特点：
切片模块 数据处理
工艺规划 安全监控
具有HRPS-STL(基于STL文件)和HRPS-PDSLice（基于直接切片文 件，由用户选用）两种模块 具有STL文件识别及重新编码，容错及数据过滤切片，STL文件可 视化，原型制作实时动态仿真等功能
图4-1 选择性激光烧结工艺原理图
均匀密实的粉末，进行新一层截面的烧结，如此反复，直至完成整个模型。 在成型过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂部分起着支撑作用， 不必象SLA和FDM工艺那样另行生成支撑工艺结构。
2.SLS快速成型系统的基本组成
(1) 主机 ：机身与机壳、
加热装置、成型工作缸、 振镜式动态聚焦扫描系统、 废料桶、送料工作缸、铺 粉辊装置、激光器等。
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选择性激光烧结工艺的基本原理和特点 选择性激光烧结快速成型材料及设备 选择性激光烧结工艺过程 高分子粉末烧结件的后处理 选择性激光烧结工艺参数
4.4 高分子粉末烧结件的后处理
高分子粉末材料烧结件的后处理工艺主要有渗树脂和渗蜡 两种。当原型件主要用于熔模铸造的消失型时，需要进行 渗蜡处理。当原型件为了提高强硬性指标时，需要进行渗 树脂处理。
具有多种材料烧结工艺模块（包括烧结参数、扫描方式和成型方 向等）
设备和烧结过程故障自动诊断，故障自动停机保护
华中科技大学 （武汉滨湖机电技术 产业有限公司）开发 了金属粉末熔化快速 成型系统，目前推出 了HRPM-I和HRPMII两种型号。该设备可 直接制作各种复杂精 细结构的金属件及具 有随形冷却水道的注 塑模、压铸模等金属 模具，材料利用率高。 图4-6为HRPM-II金属 粉末熔化快速成型机。
图4-12 基于SLS工艺的金属零件直接制 造工艺流程
4. 陶瓷粉末烧结工艺
陶瓷粉末材料的选择性激光烧结工艺需要在粉末中加入粘结剂。目 前所用的纯陶瓷粉末原料主要有Al2O3和SiC，而粘接剂有无机粘接 剂、有机粘接剂和金属粘接剂等三种。 当材料是陶瓷粉末时，可以直接烧结铸造用的壳形来生产各类铸件， 甚至是复杂的金属零件。
采用国际著名公司的振镜式动态聚焦系统，具有高速度和高精 度的特点
采用美国CO2激光器，具有稳定性好、可靠性高、模式好、寿 命长、功率稳定、可更换气体、性能价格比高等特点，并配以 全封闭恒温水循环冷却系统
激光器
新型送粉系统 可使烧结辅助时间大大减少
排烟除尘系统 及时充分地排除烟尘，防止烟尘对烧结过程和工作环境的影响 工作腔结构 全封闭式，防止粉尘和高温对设备关键元器件的影响
陶瓷粉末烧结制件的精度由激光烧结时的精度和后续处理时的精度 决定。在激光烧结过程中，粉末烧结收缩率、烧结时间、光强、扫 描点间距和扫描线行间距对陶瓷制件坯体的精度有很大影响。另外， 光斑的大小和粉末粒径直接影响陶瓷制件的精度和表面粗糙度。后 续处理（焙烧）时产生的收缩和变形也会影响陶瓷制件的精度。
第4章 择性激光烧结成型工艺
2. 金属零件间接烧结工艺
在广泛应用的几种快速原型技术方法 中，只有 SLS 工艺可以直接或间接的 烧结金属粉末来制作金属材质的原型 或零件。金属零件间接烧结工艺使用 的材料为混合有树脂材料的金属粉末 材料， SLS 工艺主要实现包裹在金属 粉粒表面树脂材料的粘接。其工艺过 程如右图所示。由图中可知，整个工 艺过程主要分三个阶段：一是 SLS 原 型件（“绿件”）的制作，二是粉末 烧结件（“褐件”）的制作，三是金 属溶渗后处理。
以高分子粉末为基底的烧结件力学性能较差，作为原型件 一般需对烧结件进行树脂增强。在树脂涂料中，环氧树脂 的收缩率较小，可以较好地保持烧结原型件的尺寸精度， 提高高分子粉末烧结件的适用范围。
(2)计算机控制系统 ：计
算机、应用软件、传感检 测单元和驱动单元。
(3) 冷却器 ：可调恒温水
冷却和外管路组成，用于 冷却激光器，提高激光能 量的稳定性。
图4-2 选择性激光烧结系统的基本组成
4.1 选择性激光烧结工艺的基本原理和特点 3.选择性激光烧结工艺的特点
优点： ◎可直接制作金属制品 ◎可采用多种材料
◎无需支撑结构
◎材料利用率高 缺点： ◎原型表面粗糙 ◎烧结过程挥发异味
◎制造工艺比较简单
◎有时需要比较复杂的辅助工艺
第4章 择性激光烧结成型工艺
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选择性激光烧结工艺的基本原理和特点 选择性激光烧结快速成型材料及设备 选择性激光烧结工艺过程 高分子粉末烧结件的后处理 选择性激光烧结工艺参数
德国EOS公司开发的系列粉末烧结材料: 粉末烧结快速成型设备著名开发商德国EOS公司也开发了系列 粉末烧结材料，其型号及性能等如表4-6所示。
表4-6 EOS公司开发的部分粉末材料及性能
国内开发的SLS材料： 国内几家主要快速成型技术研究单位研制的成型材料见 表4-7。
表4-7 国内各单位开发的SLS用成型材料
图4-8 原型方位确定后的加工状态
4.3 选择性激光烧结工艺过程
（3）后处理
激光烧结后的 PS 原型件， 强度很弱，需要根据使用 要求进行渗蜡或渗树脂等 进行补强处理。由于该原 型用于熔模铸造，所以进 行渗蜡处理。渗蜡后的该
铸件原型如图所示。
图4-9 某铸件经过渗蜡处理的SLS原型
4.3 选择性激光烧结工艺过程
间接SLS用的复合粉末通常有两种混合形式：
◎粘结剂粉末与金属或陶瓷粉末按一定比例机械混合； ◎把金属或陶瓷粉末放到粘结剂稀释液中，制取具有粘结剂包裹的金 属或陶瓷粉末。 实践表明，采用粘结剂包裹的粉末的制备虽然复杂，但烧结效果较机 械混合的粉末好。近年来，已经开发并被应用于SLS粉末激光烧结快速 原型制作的材料种类如表4-2所示。
4.2 选择性激光烧结快速成型材料及设备
1.选择性激光烧结快速成型材料
SLS工艺材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、石 蜡等材料的零件。特别是可以直接制造金属零件。
表4-1 工程上粉体的等级及相应的粒度范围
用于 SLS 工艺的材料是各 类粉末，包括金属、陶瓷、 石蜡以及聚合物的粉末， 工程上一般采用粒度的大 小来划分颗粒等级，如右 表所示。 SLS 工艺采用的 粉末粒度一般在50～ 125µ m之间。
图4-10 基于SLS工艺的金属零件间接制造工艺过程
金属零件间接烧结工艺过程中的关键技术： 1、原型件制作关键技术 选用合理的粉末配比：环氧树脂与金属粉末的比例一般控 制在1：5与1：3之间。 加工工艺参数匹配：粉末材料的物性、扫描间隔、扫描层 厚、激光功率以及扫描速度等。 2、褐件制作关键技术 烧结温度和时间：烧结温度应控制在合理范围内，而且烧结 时间应适宜。 3、金属熔渗阶段关键技术 选用合适的熔渗材料及工艺：渗入金属必须比“褐件”中金 属的熔点低。
4.3 选择性激光烧结工艺过程
选择性激光烧结工艺使用的材料一般有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和 它们的复合粉末材料。材料不同，其具体的烧结工艺也有所不同。
1. 高分子粉末材料烧结工艺
高分子粉末材料激光烧结快速原型制造工艺过程同样分为前 处理、粉层烧结叠加以及后处理过程三个阶段。
下面以某一铸件的SLS原型在HRPS-IVB设备上的制作为例，介绍具体的 工艺过程。
图4-6 HRPM-II金属粉末熔化快速成型机
4.2 选择性激光烧结快速成型材料及设备
表4-8 国内外部分选择性激光烧结快速成型设备一览表
第4章 择性激光烧结成型工艺
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选择性激光烧结工艺的基本原理和特点 选择性激光烧结快速成型材料及设备 选择性激光烧结工艺过程 高分子粉末烧结件的后处理 选择性激光烧结工艺参数
快速成型与快速模具制造技术 及其应用
选择性激光烧结成型工艺
选择性激光烧结工艺(Selective Laser Sintering，SLS)又称为选
区激光烧结技术或粉末材料选择性激光烧结等。该方法最初是由 美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C. R. Dechard于1989年提出的， 稍后组建了DTM公司，于1992年开发了基于SLS的商业成型机。 SLS工艺是利用粉末材料（金属粉末或非金属粉末）在激光照射 下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成型。SLS的原理与 SLA十分相似，主要区别在于所使用的材料及其形状不同。SLA 所用的材料是液态的紫外光敏可凝固树脂，而SLS则使用粉状的材 料。