国内外主要SLS成型材料及应用现状_崔意娟

国内外主要SLS 成型材料及应用现状
崔意娟,白培康,王建宏,刘 斌
(中北大学材料科学与工程学院,山西太原030051)
摘 要:简要概述了选择性激光快速成型的原理与特点,比较和分析了选择性激光烧结成型所用烧结材料的种类、特点及国内外应用现状,并对其今后的发展研究方向提出了建议。

关键词:选择性激光烧结成型;SLS 材料;应用现状中图分类号:T Q 32 文献标志码:A
The Present Application and Materials for Selective Laser Sintering
CU I Yijuan,BA I P eikang ,W A NG Jianhong ,L IU Bin
(Co lleg e of M ater ial Science and Engineering ,N o rth U niver sity o f China,T aiy uan 030051,China)
Abstract:T he theor y and char acteristic of selectiv e laser sintering (SL S)is int roduced.T he type,characterist ic and pr esent applicatio n o f SL S materia ls are compared and analy zed,some sug g estions have been pro po sed abo ut r esear ch direc -t ion.
Key words:SL S,SL S materials,Present application
1 快速成型简介
快速成型(Rapid prototyping )))RP)是20世纪80年代后期开始商品化的一种高新制造技术,是一种新型的数字化离散/堆积成型过程,无需任何模具,可直接由CAD 模型快速制造出任意复杂形状的三维实体模型,可以对产品设计进行快速评价、修改,以响应市场需求,从而显著缩短零件制造周期、降低零件制造成本、提高材料利用率,实现了高效、低耗、智能化的目的,因此成为21世纪的主流技术。

图1 选择性激光结成型原理图
而在众多的成型技术中,选择性激光烧结(Selective Laser Sinte -ring )SLS )因为具有成型速度快、精度高、材
料选择面广和适用于多种用途的特点,而得以迅速发展[1]。

选择性激光烧结(SLS)突出的优点:以粉末作为成型材料,所使用的成型材料十分广泛,从理论上讲,任何被激光加热后能够在粉粒间形成原子间连接的粉末材料都可以作为SLS 的成型材料。

目前,在SLS 系统上已经成功的用石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料进行了烧结。

由于SLS 成型材料品种多、用料节省、成型件性能广泛,适合多种用途,所以SLS 的应用越来越广泛[2]。

2 SLS 成型材料及其应用现状
目前,SLS 材料主要有塑料粉、蜡粉、尼龙、金属或陶瓷的包衣粉(或与聚合物的混合物)等。

211 蜡粉
传统的熔模精铸用蜡(烷烃蜡、脂肪酸蜡等),蜡模强度较低,难以满足精细、复杂结构铸件的要求,且成型精度差,所以DT M 研制了低熔点高分子蜡的复合材料;华北工学院(今中北大学)采用化学合成法,开发了以氧化聚乙烯为主要成分的复合精铸蜡粉(PCP1),其成型件经过简单的后处理(清粉、涂液)
即可达到精铸蜡模的要求。

212 聚苯乙烯(PS)
聚苯乙烯受热后可熔化、粘结,冷却后可以固化成型,而且该材料吸湿率小,收缩率也较小,其成型件浸树脂后可进一步提高强度,主要性能指标可达拉伸强度\15MPa 、弯曲强度\33M Pa 、冲击强度>3M Pa,可作为原型件或功能件使用,也可用做消失模铸造用母模生产金属铸件,但其缺点是必须采用高温燃烧法(>300e )进行脱模处理,造成环境污染,因此,对于PS 粉原料,针对铸造消失模的使用要求一般加入助分解助剂。

如DT M公司的商业化产品T rueForm Po ly-m er,其成型件可进行消失模制造,但其价格昂贵,达89.5$/kg。

国内如华中科大、北京隆源、北京航空航天大学及华北工学院均有研究,研究内容包括成型件致密度、温度场、加工工艺、后处理等。

如华中科大的H Bl粉成型件邵氏硬度达51H D,经环氧树脂后处理后邵氏硬度达74H D,是目前国内使用最为广泛的一种成型材料。

213工程塑料(ABS)
ABS与聚苯乙烯同属热塑性材料,其烧结成型性能与聚苯乙烯相近,只是烧结温度高20e左右,但ABS成型件强度较高,所以在国内外被广泛用于快速制造原型及功能件。

214聚碳酸酯(PC)
从文献资料看,对聚碳酸酯烧结成型的研究比较成熟,其成型件强度高、表面质量好,且脱模容易,主要用于制造熔模铸造航空、医疗、汽车工业的金属零件用的消失模以及制作各行业通用的塑料模,如DTM公司的DTM Polycar banate。

但聚碳酸酯价格比聚苯乙烯昂贵。

国内北航对聚碳酸酯(PC)进行了研究,探讨其烧结工艺过程以提高成型件精度。

215尼龙(PA)
尼龙材料用SLS方法可被制成功能零件,目前商业化广泛使用的有4种成分的材料。

1)标准的DT M尼龙(Standard Nylon),能被用来制作具有良好耐热性能和耐蚀性的模型;
2)DTM精细尼龙(DuraFo rm GF),不仅具有与DT M尼龙相同的性能,还提高了制件的尺寸精度、降低表面粗糙度,能制造微小特征,适合概念型和测试型制造,但价格高达188$/kg(人民币约1500元/kg);
3)DTM医用级的精细尼龙(Fine Ny lon M ed-i cal Grade),能通过高温蒸压被蒸汽消毒5个循环;
4)原型复合材料(Pr otoFo rmT M Co mposite)是DuraForm GF经玻璃强化的一种改性材料,与未被强化的DT M尼龙相比,它具有更好的加工性能,表面粗糙度Ra=4~51L m,尺寸公差0.25mm,同时提高了耐热性和耐腐蚀性。

同时,EOS公司发展了一种新的尼龙粉末材料(PA3200GF,有点类似于DT M的DuraFor m GF),这种材料可以产生高精度和很好的表面光洁度。

国内,华北工学院在其自行研制的变长线扫描快速成型机上进行了主要成分为尼龙l1(PA l1)和有机玻璃(PM MA)的烧结试验,并在此基础上对有机材料激光烧结成型性能的影响因素进行了分析,同时建立了其烧结温度场的数学模型[5]。

216金属粉末
采用金属粉末进行快速成型是激光快速成型由原型制造到快速直接制造的趋势,它可以大大加快新产品的开发速度,具有广阔的应用前景。

金属粉末的选区烧结方法中,常用的金属粉末有3种:
1)金属粉末和有机粘结剂的混合体,按一定比例将2种粉末混合均匀,然后用激光束对混合粉末进行选择烧结,其混合方法包括2种:
a1利用有机树脂包覆金属材料制得的覆膜金属粉末,这种粉末的制备工艺复杂,但烧结性能好,且所含有的树脂比例较小,更有利于后处理;
b1金属与有机树脂的混合粉末,制备较简单,但烧结性能较差。

在包衣粉末或混合粉末中,粘结剂受激光作用迅速变为熔融状态,冷却后将金属基体粉末粘结在一起,烧结时通常需要保护气,其成型件的密度和强度较低,如作为功能件使用,需进行后续处理,包括烧失粘结剂、高温焙烧、金属熔渗(如渗铜)等工序,即可制得用于塑料零件生产的金属模具或放电加工用电极。

美国H arrisl、M arcus等人对60Cu40PM M A 混合粉末进行了烧结,经后处理工艺,相对密度在84%~96%之间。

美国DTM公司已经商业化的金属粉末产品有:a1ORapidSteel1.0,其材料成分为1080碳钢金属粉末+聚合物材料,平均粒度为55L m,聚合物均匀覆在粉粒的表面,厚度为5L m,激光功率30W,成型坯件的密度是钢密度的55%,强度可达2.8 M Pa,所渗金属可以是纯铜,也可以是青铜,这种材料主要用来制造注塑模;b1在RapidSteel1.0基础
上发展RapidSteel2.0,其烧结成型件完全密实,达到铝合金的强度和硬度,能进行机加工、焊接、表面处理及热处理,可作为塑料件的注塑成型模具,注塑模的寿命已达10万件/副,也可以用来制造用于Al、M g、Zn等有色金属零件压铸模,压铸模的寿命只有200~500件/副;c1copper Po lyamide基体材料为铜粉,粘结剂为聚酰胺(po lyamide),其特点是成型后不需二次烧结,只需渗入低粘度耐高温的高分子材料(如环氧树脂等),成型件可用于常用塑料的注塑成型,但模具的寿命只有100~400件/副。

这些产品价格较昂贵,南京航空航天大学在RPM II设备上对粉末材料:铁粉(79%或钨粉)、聚酯粘结剂(21%)进行烧结,经渗铜处理得到EDM 电极,并进行了EDM放电试验,试验表明,当采用的放电加工参数合理时,电极的体积损耗可降到4%或更低,接近于纯铜。

华北工学院开发的覆膜金属粉(CMP1),成分为覆膜1Cr18Ni9粉末,烧结成型温度140e,烧结件变形很小,成型尺寸精度?0.15mm。

吉林工业大学用有机树脂包覆的铁基合金98Fe2Ni也进行了烧结研究。

2)两种金属粉末的混合体,其中一种熔点较低,起粘结剂的作用,GScherer研究了Cu-Ni, WC、Co-Ni等复合材料的SLS直接成型,结果发现,高熔点材料的烧结成型类似于液相烧结,激光能量将复合组分中低熔点的成分熔化,形成的液相将固相浸润,冷却后低熔点液相凝固将高熔点组分粘结起来。

所以,多元金属粉末中的粘结相大多采用的是金属Sn等低熔点材料,所选低熔点金属的熔点较低,而低熔点金属材料的强度一般也较低,使得制成的烧结件强度也低,性能很差。

为了提高烧结件的性能,必须提高多元金属粉末中低熔点金属的熔点,最好用熔点接近或超过1000e的金属材料作为粘接剂,用更高熔点金属作为合金的基体,高熔点金属原子间结合力强,高温下不易产生塑性变形,即抗蠕变能力强,才能得到力学性能、尺寸精度、表面质量、金属密度等可以满足使用要求的金属零件及模具,因此高熔点金属粉末激光直接烧结成形的研究倍受人们的关注。

美国Austin大学的A garw da等人选用Cu-Sn, N-i Sn或青铜锡粉复合粉末进行SLS成型研究,并成功地制造出金属零件。

比利时的Schueren等人选用Fe-Sn、Fe-Cu混合粉末,Bourell等人选用Cu (70Pb30Sn)粉末材料进行了烧结试验,均取得了满意的结果。

Kruth等也进行了Fe-Cu合金粉末的成功烧结。

南航用Ni基合金16CR4B4SI(粒度l50目)混铜粉(FTD4,粒度200目)进行烧结成型的试验,成功地制造出具有较大角度的倒锥形状的金属零件。

中国科学院金属所和西北工业大学等单位正致力于高熔点金属的激光快速成型。

3)单一的金属粉末,对单元系烧结,特别是高熔点的金属,在较短的时间内需要达到熔融温度,需要很大功率的激光器,直接金属烧结成形存在的最大问题是因组织结构多孔导致制件密度低、力学性能差。

G.Zong等研究了带气体保护装置的铁粉直接烧结成形,成型后的密度可达到48%,要进一步提高其性能,还需进行致密化等其它处理。

H mse于1989年对铁粉进行了研究,烧结的零件经热等静压处理后,相对密度达90%以上。

近年来,Austin大学也对单一金属粉末激光烧结成型进行了研究,成功地制造了用于Fl战斗机和AIM9导弹的IN-CONEL625超合金和T i6Al4合金的金属零件。

美国航空材料公司采用脉冲Nd:YAG激光器已研究成功并用于开发先进钛合金构件的激光快速成型。

大连理工大学在进行314奥氏体不锈钢粉末直接烧结时,采用大小两种球形颗粒按一定比例混合,在烧结过程中小颗粒能排列到大颗粒之间的间隙中,从而降低孔隙率,
提高制件密度。

217覆膜陶瓷粉末
选择性激光烧结陶瓷粉末是在陶瓷粉末中加入粘结剂,其覆膜粉末制备工艺与覆膜金属粉末类似,被包覆的陶瓷可以是Al2O3,Zr O2和SiC等,粘结剂的种类很多,有金属粘结剂和塑料粘结剂(包括树脂、聚乙烯蜡、有机玻璃等),也可以使用无机粘结剂。

如邓琦林等用Al2O3(熔点为2050e)为结构材料,分别以PM M A、NH4H2PO4(熔点为190e)和Al作为粘结剂,按一定的比例混合均匀烧结,经二次烧结处理工艺后获得铸造用陶瓷型壳,用该陶瓷型壳进行浇注即获得制作的金属零件。

国内北京隆源自动成型有限公司、华中科技大学、华北工学院也在进行这方面的研究工作,华北工学院开发的覆膜陶瓷粉末(CCP1)已开展了加工服务。

218 覆膜砂
覆膜砂采用热固性树脂如酚醛树脂加入锆砂、石英砂的方法制得,利用激光烧结方法,制得原型可直接用做铸造用砂型(芯)来制造金属零件,其中锆砂具有更好的铸造性能,尤其适用于具有复杂形状的有色合金铸造如镁、铝等合金的铸造。

美国DTM 公司的覆膜锆砂(SandForm Zr)其冷壳拉伸强度达3.3M Pa,用于汽车制造业及航空工业等砂型铸造模型及型芯的制作。

型砂与低熔点的高分子材料有两种混料方法,一种是机械混合,另一种是将高分子材料加热熔化,把型砂倒入,搅拌均匀,使型砂表面覆盖一层高分子材料。

覆膜砂的烧结性能好,
故较常用。

219 纳米材料
对于纳米材料,由于其颗粒直径极其微小,比表面积很大。

在不是很大的激光能量冲击作用下,纳米粉末就会发生飞溅,因而利用SLS 方法对于单项纳米粉体材料的烧结成型比较困难。

对于纳米材料激光烧结温度的控制,一般是对于聚合物纳米材料采用固相烧结的方法;对于陶瓷纳米材料的烧结采用液相烧结的方法;对于金属纳米材料由于其具有易燃、高爆炸,目前直接成型烧结研究的不是太多。

Zhig ang Fang 在研究纳米WC -Co 在烧结过程中晶粒长大时发现在烧结的最初5m in 内WC 晶粒已经发生了充分的长大,超越100nm 达到亚微米级尺度。

因此,如何通过控制烧结工艺来控制纳米晶粒在烧结过程中的晶粒长大,已经成为能否获得纳米材料的一个关键问题。

南航赵剑锋等将Al 2O 3
纳米粉体与其他大颗粒粉末按一定比例混合进行烧结(一般为纳米粉体材料总量的3%~5%,根据具体情况可达15%),由于大颗粒粉末的存在,使混合粉末的松散密度增大,可以有效地抑制烧结过程中粉末材料的飞溅,有利于烧结。

同时,他们正在开展激光与金属超微粒子相互作用机理的研究工作。

3 结语
SLS 型工艺才刚起步,前景广阔,还有很多关键问题需要深入研究。

SLS 成型设备的开发与改进,SLS 烧结机理、烧结工艺参数(烧结层厚、扫描方式、光斑半径、激光功率、扫描速度和预热温度等工艺参数)的确定及优化,后处理和热处理工艺的优化等是今后的研究重点,粉末配比和成型工艺的最终确定需要采取理论分析和试验验证相结合的方法不断修正完善。

探索SLS 技术与传统加工、特种加工等技术相结合的多种加工手段的综合工艺,为零件的制造提供新的技术手段。

[参考文献]
[1]黄树槐,张祥林,马黎,等.快速原型制造技术的发展[J].中国机械工程,1997(5):8.
[2]朱林泉,白培康,朱江淼.快速成形与快速制造技术[M ].北京:国防工业出版社,20031
[3]杨家林,王洋,陈杨.快速成型技术研究现状与发展趋势[J].机械工艺师,2003,24(1):28-311
[4]潘琰峰,沈以赴,顾冬冬.选择性激光烧结技术的发展现状[J].工具技术,2004,38(6):3-7.
[5]崔意娟,白培康,王建宏,等.选择性激光烧结复合尼龙粉末的制备及成型机理研究[J].硅酸盐通报,2008,27(1):86-90.作者简介:崔意娟(1983-),女,硕士研究生,研究方向为快速
成型技术。

收稿日期:2008年11月10日
责任编辑 王亚昆
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