选择性激光烧结快速成形技术

选择性激光烧结快速成形技术

摘要：选择性激光烧结快速成形(Selective Laser Sintering Rapid Prototyping)技术使用固体粉末材料，该材料在激光的照射下，能吸收能量。发生熔融固化，从而完成层信息的成型。这种方法适用的材料范围广(适用于聚合物、铸造用蜡、金属或陶瓷粉末)，特别是在金属和陶瓷材料的成型方面具有独特的优点，有着制造工艺简单，柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜，成本低、材料利用率高，成型速度快等特点。本文就SLS的原理，优点，以及使用材料的发展做了简要概括，并对金属粉末的进行了重点讨论。

关键字：SLS，原理，材料，金属粉末

目录

前言 (1)

1 选择性激光烧结快速成形技术的应用 (1)

2 选择性激光烧结快速成形技术原理 (2)

2.1 基本工作原理 (2)

2.2 SLS快速成形技术工艺流程 (4)

2.3 SLS烧结机理 (4)

3SLS技术的特点 (5)

4 中北大学SLS方面的成果 (6)

5 选择性激光烧结用原材料 (6)

5.1 金属材料 (7)

5.2 聚合物材料 (8)

5.3 陶瓷材料 (8)

5.4 新型SLS原料的研制-木塑复合材料 (8)

6 金属粉末选择性激光烧结(SLS)技术 (8)

6.1 间接法 (9)

6.2 直接法 (10)

6.3 金属粉末SLS存在的问题 (11)

6.4 金属粉末SLS发展趋势 (12)

总结 (12)

参考文献 (14)

前言

选择性激光烧结快速成形(Selective Laser Sintering Rapid Prototyping)技术(简称SLS技术)1989年由美国C.R Decard申请专利，DTM公司推向市场，之后因为具有成型材料选择范围宽、应用领域广的突出优点，得到了迅速的发展，受到越来越多的重视。选择性激光烧结(SLS)也可被称为选区激光烧结，它跟其它的快速成型工艺一样，加工原理也是离散-堆积成型原理。其以Nd:YAG或CO2激光发射器为加工能源，利用计算机来控制激光束对加工材料（包括高分子材料、金属粉末、预合金粉末材料及纳米材料等）按设定的速度并调整合适的激光能量密度并根据切片截面轮廓的二维数据信息进行烧结，层层堆积，全部烧结完后去掉周围多余的粉末, 再对烧结件进行打磨、烘干等一系列后处理操作便可以获得零件。该技术集CAD技术、数控加工技术、激光技术和材料科学技术等于一体，缩短了设计和制造产品的周期，因而减少了开发费用和提高了新产品的竞争力。

1 选择性激光烧结快速成形技术的应用

目前，选择性激光烧结快速成形技术的应用主要包括以下几个方面[1]。

(1)快速原型制造。

利用快速成型方法可以方便、快捷地制造出所需要的原型，主要是塑料(PS、PA和ABS等)原型。它在新产品的开发中具有十分重要的作用。通过原型，设计者可以很快地评估设计的合理性、可行性，并充分表达其构想，使设计的评估及修改在极短的时间内完成。因此，可以显著缩短产品开发周期，降低开发成本。主要有以下3个方面的用途：外形设计考查；功能检测；装配干涉检验等。

(2)快速模具制造。

利用SLS技术制造模具有直接法和间接法两种。直接制模是用SLS工艺方法直接制造出树脂模、陶瓷模和金属模具，间接制模则是用快速成形件做母模或过渡模具，再通过传统的模具制造方法来制造模具。

(3)快速铸造。

铸造是制造业中常用的方法。在铸造生产中，模板、芯盒、蜡模压模等一般都是机加工和手工完成的，不仅加工周期长，费用高，而且精度不易保证。对于一些形状复杂的铸件，模具的制造一直是个老大难问题速成形技术为实现铸造的

短周期、多品种、低费用、高精度提供了一条捷径。可以通过以下3种方法实现快速铸造：

·用快速成型技术直接制造精铸用蜡模和数值消失模

·用快速成型原型代替铸造中的木模或制造铸造模具。

·用快速成型技术直接成型铸造型壳、型芯和蜡模的压型

2 选择性激光烧结快速成形技术原理

2.1 基本工作原理

选择性激光烧结SLS是以固体粉末材料直接成形三维实体零件，不受零件形状复杂度的限制，不需要任何工装模具，将CAD模型直接转换为实体原型件。

从理论上说，任何受热后能够粘结的粉末都可以用作SLS烧结快速成形的原材料。其材料范围从高分子、陶瓷、金属以及其复合粉末材料。由于SLS成形材料的多样性、制件强度高、用途广泛、成型过程无需支撑、材料利用率高等特点，所以其应用范围日益广泛，受到了各个行业的广泛重视。选择性激光烧结的原理是采用激光逐层有选择性地烧结固体粉末，然后叠加生成三维实体零件的快速成型方法[3]。

SLS烧结装置（如图1）由铺粉装置、成型装置、激光发射器、计算机控制

模块四部分组成。工作时，首先是由铺粉设备中的粉末缸活塞上升，在加工平台基体上用铺粉滚筒均匀的铺上一层薄的烧结粉末，并通过预热装置对其进行预热至一定的温度，以减少烧结过程中产生热应力和变形。然后，激光束在计算机控制下，按照给定的扫描路径在切片的截面轮廓内进行有选择地进行扫描，使粉末材料加热并熔化再冷却凝固成零件的离散切片，而那些没有被烧结的粉末可暂时充当之后烧结的支撑。当一个切片层烧结完成后，成型装置中成型基体向下移一个切片厚度，铺粉设备重新开始铺粉，激光束在计算机控制下扫描下一层。如此反复循环，烧结切片层不停叠加，就能得到三维实体。最后，去除未烧结的粉末并将其回收至粉末缸中，取出得到的烧结件，再进行必要的后处理工艺，最后就能得到满足实际功用要求的实体零件。

图1选择性激光烧结SLS装置

图 2 SLS快速成形工艺流程图

2.2 SLS快速成形技术工艺流程

具体工艺流程[4]如图2所示。

（1）CAD模型的建立在三维CAD设计软件（如Pro/E、UG、SolidWorks等）中获得该零件模型的三维实体模型，以STL格式输出。

（2）分层及相关数据处理

目前一般快速成形支持的文件格式都为STL格式，通过分层软件（如Magics）进行分层处理，一般的分层是按Z方向进行分层处理的，形成一层层的截面和轮廓信息，最后把这些信息转化成激光的扫描轨迹。

（3）烧结成形

在开始扫描前，成形缸先下降一个层厚，供粉缸上升一个高度（略大于成形缸下降距离），铺粉辊子从左边把供粉缸上面的一层粉末推到成形缸上面，并铺平，多余的粉末落入粉末回收槽。激光按照第一层的截面及轮廓信息，进行扫描，当激光扫描到粉末时，粉末在高温的状态下，瞬间熔化，使得相互之间粘结在一起，没有扫描的地方依然是松散的粉末，当完成第一层烧结后，工作台再下降一个层厚，供粉缸上升一个高度，铺粉辊子进行铺粉，激光进行第二层扫描，这样直到整个零件模型烧结完成。

（4）后处理

当零件烧结完成后，升起成形缸取出零件，用气枪清理表面的残余粉末。一般通过激光烧结后的零件强度比较低，而且是疏松多孔的，根据不同的需要可以进行不同后处理，常用的后处理用加热固化、热等静压、渗蜡等。

2.3 SLS烧结机理

SLS的烧结机理可以分为四大类：固相烧结、化学粘结、液相烧结和部分熔化及完全熔化。虽然把SLS的烧结机理分为了这四大类，但是在每一种烧结过程中，同时伴随着其它几种烧结的进行。

（1）固相烧结

固相烧结（Solid state sintering，SSS）的温度范围是粉末材料的1/2熔点和熔点之间，在这个过程中伴随着各种物理和化学反应，最重要的是形成扩散。它发生在相邻的粉末之间，这种驱动力会使较低自由能的粉末之间通过颈连接起来。