激光选区烧结成形

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E>Ec 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。
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：
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LaserForm ST-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。
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。
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。
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。
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
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。
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：3D systems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。
激光选区烧结成形机理
SLS
SLS（selective laser sintering）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。
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。
Leabharlann Baidu
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。
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。