激光选区烧结成形

激光选区烧结成形机理SLSSLS（selectivelasersintering）作为快速原形制造技术的重要分支之一，是目前发展最快和应用最广的技术之一。它和SLA、LOM构成激光快速成形技术的核心。与其它快速成形技术相比，SLS以选材广泛、无需设计和制造复杂支撑并且可直接生产注塑模、电火花加工电极以及可快速获得金属零件等功能性零件而受到了越来越广泛的重视。SLS材料SLS材料的来源比较广泛，理论上讲受热后能够相互粘结的粉末或表面裹覆有热固性粘结剂的粉末都能作为SLS的材料。目前SLS材料主要有：塑料粉、蜡粉、金属粉、表面涂有粘结剂的陶瓷粉、覆膜砂等，它们被加热到熔点后能熔合，冷却后迅速固化。SLS材料要有良好的热固性、一定的导热性，粉末经激光束烧结后要有足够的粘结强度，粉末的直径不宜过大，一般要求小于0.2毫米，否则会降低原型的精度SLS技术的研究现状从SLS技术诞生到广泛应用于各个领域，二十多年来，各国的SLS学者对SLS技术的成型工艺、方法、材料、成型效率以及成型精度展开了大量的理论和试验研究。目前，这些研究主要集中在：3Dsystems公司、DTM公司、EOS公司、东京大学、Sony公司、香港理工大学以及国内的清华大学、西安交通大学、南京航空航天大学、华中科技大学、浙江大学和北京隆源自动成型系统有限公司等。SLS技术的研究现状国外的DTM公司在SLS成型材料的开发上作了大量的工作，其推出的RapidTool2.0系列材料的收缩率很小，只有0.2%，而且粉末细小，层厚最小可到0.075mm，所以可以达到很高的精度和表面光洁度，几乎不需要后续抛光处理。该公司最新研制的材料LaserFormST-100的粉粒直径为23~34μm，比RapidTool2.0的还小，这有利于成型件的表面处理。同时，也有利于保证精度。该材料主要用于制造注塑模，制成的注塑模生产了1万件产品还没有磨损。SLS技术的研究现状ROCKWELL公司研制的CopperPolymide材料基体为铜粉，粘结剂为聚酰胺(polyamide)，其特点是成型后不需要入炉进行二次烧结，制造周期短，可在1天内完成模具的制造加工。成型件的表面粗糙度可达到25μm，进行很好的抛光后，粗糙度最低可达12μm。制成的模具可广泛用于PE、PP、PS、ABS、PC/ABS、玻璃增强的Polypropylene和其它常用塑料的注塑成型，但是模具的寿命只有100~400件/副。EOS公司开发的PA3200GF尼龙粉末材料可以获得高精度和很好的表面光洁度的成型件。SLS技术的研究现状Texas大学奥斯汀分校进行了没有聚合物粘结剂的金属粉末(Cu-Sn,Ni-Sn或青铜一镍粉复合粉末)的SLS成型研究，并成功制造了金属模具。SLS技术的研究现状近年来，国内的北京隆源公司、华中科技大学都开发出了低熔点高分子粉末材料，可用于原型件的制作和替代蜡模进行熔模铸造。南京航空航天大学在覆膜砂材料方面也作了大量的工作，选用250目在使用特性上与酚醛树脂类似的环氧树脂粉末作为覆膜砂粘结剂，经过合理的配比，获得了很好的烧结性能。SLS烧结机理研究1.材料特性把固体材料粉碎成粉末，其表面积迅速增大，颗粒直径越小，表面积增大幅度越大。在烧结过程中表现出更大的活性，从而促进烧结过程的完成。与SLS工艺过程密切相关的粉末特性有：粒度、密度、吸收率、有效导热系数等。SLS烧结机理研究烧结的连接机制（1）固相烧结（2）化学反应诱发连接成形（3）液相烧结成形1.粒度3.吸收率αR激光入射到材料表面时，一部分被材料表面反射，一部分被材料吸收，另一部分通过材料透射。在这一激光传播的过程中，显然应满足能量守恒定律。对于不透明材料，透射光也被吸收，其关系式如下：4.有效导热系数k采用的烧结材料都是高分子聚合物。这些材料对激光的反射与吸收与金属以及某些非金属有较大的区别。它们对激光的反射比较低，对应的吸收比较高。而且其结构特征决定了它对激光波长有强烈的选择性。这些材料在红外区波长较短的区域内对激光强烈吸收。这也是为什么本系统采用CO2红外激光器的原因。同时，这些材料的吸收系数与激光强度无关。激光器的激光束采用的CO2气体激光器的激光束呈高斯分布，如图2-2所示，激光束在材料表面的强度分布表示为体现在截面位置的激光烧结示意图如图2-3所示，深颜色部分表示激光强度光斑范围内粉末表面和深度上的分布，同时也是熔化粉末的宽度和深度。考虑到激光的运动方向，则高斯光束在粉体表面运动示意图如图2-4所示。图中深颜色部分表示激光强度在光斑范围内粉末表面和深度上的分布。最大辐照能量与激光功率成正比，与光束半径和扫描速度成反比。在粉末烧结成型过程中，当激光辐照能量低于某一临界能量值Ec时，粉末虽然受热但仍保持原始粉末状态。当EEc时，粉末颗粒的温度高于熔点，粉末熔化烧结，当E=Ec时，上式为临界烧结点呈二次抛物线，因此，当激光沿X方向以恒定速度扫描时，粉末烧结而形成的实体形状近似图2-4中所示的黑色部分。对于一种给定的材料，其具体的取值范围由激光功率和扫描速度决定。从以上的分析中可知，Ec代表了材料的特征参数，它们与粉体材料的孔隙率、吸收率、熔点、粉末密度、颗粒尺寸以及形态有直接的关系。而EMAX取决于激光功率和扫描速度。烧结宽度和烧结深度随着激光功率的增强而增大，随着扫描速度的增加而减小。成型件的翘曲变形分析在SLS加工中，翘曲现象经常发生,如图2-5所示。翘曲变形对成型精度影很大，造成很大的尺寸、形位误差，甚至导致加工无法进行。翘曲现象的根本成因翘曲变形作为SLS加工中的一个普遍现象，通过加工实践本文发现其根本成因就是烧结层上、下部分的不均匀收缩，而后继铺粉过程所导致的粉末钻到前一层烧结层下，更加剧了烧结层的翘曲变形的程度，并且这在烧结的最初阶段表现得最为突出。（1）烧结层收缩的原因高分子材料受温度变化的影响体积变化很明显,高分子材料在从粘流态冷却到玻璃化温度这一过程中，体积有非常明显的缩小，并且由此在其内部造成收缩应力的出现，收缩的程度越大，收缩应力的值也越大。SLS加工是一个温度瞬间变化很大的激光烧结过程，在激光束扫描粉末材料时，粉层表面的温度瞬间会达到300℃以上，而随着迅速散热及新的一层粉末铺上后，该烧结层的温度又很快下降，在高温到低温的剧烈变化过程中，烧结层要经历一个从高温膨胀到低温收缩的过程，同时在这一过程中烧结层内蕴含了较大的收缩应力。另外，由于SLS粉末材料的粉体形状都很不规则，这就造成了粉末颗粒间存在有一定的间隙空间。例如，若粉末全为均匀的球体，在压实状态下粉末的间隙空间会占总体积的50%左右，只有当粉末全为方体时才可能达到全密度（无间隙空间），但是在实际中这是不可能的，而由烧结层叠加起来的成型件的密度却高达全密度的95%以上，所以，在SLS烧结过程中，由于密度的增加，成型件必然会产生收缩。这种由粉末密度的变化导致的制件收缩可称为密度收缩。（2）不均匀收缩造成烧结层的翘曲变形由收缩的原因可知，收缩是粉末材料SLS成型加工中的固有属性，通过改善材料特性、采用收缩率小的材料、降低冷却速度等方法可以减小成型件的收缩。理论上讲尽管在烧结过程中各烧结层产生收缩，如果这种收缩在各个方向是均匀进行的，那么各烧结层也不会产生大的翘曲变形。但是在事实上，各烧结层在各个方向上的收缩并不是均匀的，而且层片的各个区域所产生的收缩差别很大，这主要是由以下原因造成的：①烧结层上、下部分受热不均匀。这是由于存在两个方面的原因：其一，在SLS加工中激光的能量呈高斯分布，由图2-3可以看出，沿着垂直于粉末方向(Z轴方向)射入的激光其能量是绕着Z轴对称分布的，并且激光束光斑中心(Z轴与粉末的交点)的激光能量最强，由此点向外扩散，粉末所接受的能量呈螺旋线的方式递减。因此，在光斑范围内，不同位置接受的激光能量不同，并且粉层的下部分获得的能量比上部分获得的能量要少得多，这种上、下部分获取能量的不均匀造成粉层上、下部分升温的不均匀，从而造成烧结层产生很大的温差，这就直接导致了烧结层上、下部分不均匀收缩的产生；还有一个原因是由高分子粉末材料的特性所造成的。由前所述粉末颗粒之间存在着较大的空隙，这其中蕴含的空气是热的不良导体，这就在一定程度上阻碍了激光能量的向下透射。同时高分子粉末的导热性能也较差，所以粉层上部分获得的能量就比较难透射到粉层的下部分。这样粉层的上部分获得的能量高，温度上升较高，散热快，体积收缩大；而粉层的下部分获得的能量少，温度升的较低，散热慢，体积收缩小。由此，烧结层中不均匀收缩就产生了。②烧结层四周的翘曲变形。烧结层的四周直接与温度最低的松散粉末相接触，因此这部分在烧结过程中温度变化的最剧烈，加剧了收缩。③一旦烧结层出现了翘曲变形，后续的铺粉过程就会在一定程度上加剧这种变形。因为一旦烧结层的边角上翘，再铺粉时就会有粉末钻入到烧结层的底部，加剧了烧结层的翘曲变形。2．翘曲变形的方向新的一层烧结完毕后产生收缩，其前一层对此收缩产生限制作用，与此对应，新烧结层对前一层产生牵引的作用，这样就会形成新烧结层内凹边翘的现象。一层粉末扫描完成后，在边界可以明显看到翘曲现象，在整个原型件烧结成型后，在原型件边界可以明显看到翘曲现象。在收缩和内应力的作用下，使零件边缘向中心收缩。因此，零件轮廓表现出棱角模糊，并且边界向上的收缩现象。3．SLS翘曲变形的发展规律由于SLS翘曲变形是由烧结层各部分不均匀收缩造成的，所以烧结层的不均匀收缩的变化规律就反映了其翘曲变形的变化规律。由于SLS加工过程是层片叠加成型过程，所以各烧结层的收缩在很大程度上要受前面已烧结层的影响与制约。当一层烧结完毕并产生翘曲变形后，在其表面上新铺的一层粉末的厚度就很不均匀，中间凹陷部分的粉末厚度大，四周翘曲部分所铺设的粉层厚度小。但是，在烧结这一层并粘结到前一层上时，前一层的收缩变形已固定下来，而当前层却仍然处于较松软的状态，于是当前层就有向前一层铺展的趋势，这样，当前层的收缩受到前一层的制约而减小，于是产生的翘曲变形也减小。这样层层叠加后烧结层的收缩变形自然逐层变小，于是随着加工的进行制件的翘曲变形也就逐渐减小。除了前一层的制约作用以外，当前层本身的翘曲变形也是呈逐渐减小趋势的。这是由于随着烧结的进行，制件内存储的能量逐渐增加，于是在烧结当前层时，前一层的温度也逐渐变高，这样当前层上、下部分的温差逐渐变小，从而减小了烧结层不均匀收缩的趋势，翘曲变形减小。4．减小制件翘曲变形的措施由前面的论述可知，引起制件翘曲变形的根本原因是烧结层的不均匀收缩，而各烧结层的不均匀收缩是由于其上、下部分温差较大造成的，所以只有采取措施尽可能的减小温差才能从根本上消除翘曲变形的产生。而且由实际烧结加工可知，烧结开始前几层的变形最大而且严重影响后续的成型，因此，必须将这几层的翘曲变形量减小到最小的程度。经过大量的实验证，下列几种方法可以显著的降低制件翘曲变形量。（1）减小收缩显然，严格控制收缩可以减小制件变形。从前面收缩的成因分析可知，通过以下方法可以减小烧结层的收缩：①采用收缩率小的材料；②增加粉末原始密度，即在粉末铺设时铺粉辊筒应将粉末压实。（2）设置适合的预热温度关于粉末预热及其对SLS成型加工的重要性，通常认为在同样的激光参数下，预热温度增加，粉末材料的导热性变好。同时，低熔点有机成分液相数量增加，有利于其流动扩散和润湿，可以得到更好的层内和层间烧结，烧结深度和烧结密度增加。对粉末进行预热同时有助于消除热应力，从而提高成型质量。在保证烧结质量的前提下，粉末预热还有利于节省激光能量并提高扫描速度。同时，粉末的预热程度会对成型件的翘曲变形造成严重影响，这一点可以通过上面的不均匀收缩理论来解释。粉末的温度在没有经过预热之前同室温相当，激光扫描烧结可使高分子粉层的上部分瞬间达到三百度以上，而此时粉层下部分的温度却升高不多。粉层中如此大的温差必然导致粉层不均匀收缩的产生，翘曲变形在所难免。但是如果经过长时间较高温度的预热，就可以