选择性激光烧结技术的研究现状与展望

选择性激光烧结技术的研究现状与展望

【摘要】选择『生激光加工是20世纪80年代末出现的一种新的快速成型工艺，它利用激光束烧结粉末材料制造原型，具有原料广泛、制作工艺简单、周期短等特点，在诸多领域得到了广泛的应用。介绍了选择性激光烧结技术的原理、特点及实际应用，综述了选择}生激光烧结技术发展状况、存在的问题及研究热点。

键词：快速成形；选择性激光烧结；综述

1引言

20世纪90年代开始，随着世界经济竞争的日益激烈化和全球化，产品制造商们越来越需要以最短的时间制造出符合人们消费需求的新产品来抢占市场。20世纪80年代末出现的快速成型(Rapid Prototyping，简称RP)就是在这样的背景下提出并逐步得以发展的。RP技术是一种逐层零件制造工艺，它突破传统的材料变形成型和去除材料成型的工艺方法，使用近乎全自动化的工艺从CAD文件直接生产所需要的模型或模具，可以显著减少产品原型的开发时间和成本，极大的提高产品的质量，另外，RP制造过程中不需要任何传统意义上的工装夹具、刀具或模具即可制造出任何复杂形状的零部件。因此。RP技术在现代制造业巾越来越具有竞争力，有望成为21世纪的的主流制造技术。目前典型的快速成型的方法有：光固化立体造型SLA(StereoLithography Apparatus)、分层物件制作LOM(Laminated ObjectManufacturing)、选择性激光烧结SIS(Selective LArSintering)和熔融沉积造型FDM(Fused Deposition Modeling)等。各种RP方法具有其自身的特点和适用范围。由于SIS工艺具有粉末选材广泛、适用性广、制造工艺比较简单、成形精度高、无需支撑结构、可直接烧结零件等诸多优点，在现代制造业得到越来越广泛的重视。主要综述SIS技术的工艺原理、实际应用、发展历程和现状。

2 SLS技术的原理

选择性激光加工(SLS)又称选区激光烧结是以C02激光器为能源，利用计算机控制红外激光束对非金属粉末、金属粉末或复合物的粉末薄层，以一定的速度和能龟密度按分层面的二维数据进行扣描烧结，层层堆积，最后形成成形件。SIS技术集CAD技术、数控技术、激光加工技术和材料科学技术于一体，整个工艺装置由粉末缸(PowderCylinder)、成型缸(ModelCylinder)、激光器、计算机控制系统四部分组成。工作时，粉末缸活寒(送粉活塞)上升，先在皋体上用滚筒均匀铺上一薄层金属粉末，并将其加热至略低于材料熔点，以减少热变形，并利于与前一层面的结合。然后，激光束在计算机控制光路系统的精确引导F，按照零件的分层轮廓有选择地进行烧结，使材料粉末烧结或熔化后凝固形成零件的一个层面，没有烧过的地方仍保持粉末状态，并可作为有悬臂的微结构下一层烧结的支撑。烧结完一层后，基体下移一个截面层厚，铺粉系统铺设新粉，计算机控制激光束再次扫描进行下一层的烧结。如此循环，层层叠加，就得到三维零件。最后，将未烧结的粉末同收剑粉未缸中，取出成型件，再进行打磨、烘干等后处理工艺，最终形成满足要求的原形或制件。

3 SLS技术实际应用

SIS工艺已经成功应用于汽车、造船、航天、航空、通汛、微机电系统、建筑、医疗、考古等诸多行业，为许多传统制造业注入了新的创造力，也带来了信息化的气息。概括来说，SIS 工艺可以应用于一下场合：(1)快速原型制造。SI．S工艺可快速制造所没计零件的原形，并对产品及时进行评价、修正以提高设计质量；可使客户获得直观的零件模型；能制造教学、试验用复杂模型。(2)新型材料的制备及研发。利用SIS工艺可以开发一些新型的颗粒以增强复合材料和硬质合金。(3)小批量、特殊零件的制造加工。在制造业领域，经常遇到小批最及特殊零件的生产。这类零件加工周期长，成本高，对于某些形状复杂零件，甚至无法制造。采用SIS技术可经济地实现小批量和形状复杂零件的制造。(4)快速模具和工具制造。SIS制造的零件可直接作为模具使用，如熔模铸造、砂型铸造、注甥模型、高精度形状复杂的金属

模型等；也町以将成形件经后处理后作为功能零件使用。

(5)在逆向工程上的应用。SIS工艺可以在没有设计图纸或者图纸不完伞以及没有CAD模型的情况下，按照现有的零件原型，利用各种数谶芝术和CAD技术重新构造出原型CAD模犁。

(6)在医学上的应用。SLS工艺烧结的零件由于具有很高的孔隙率，可用于f人工骨的制造。根据国外对于用SIS技术制备的人工骨进行的临床研究表明，人工骨的生物相容性良好。

4 SLS技术的发展与研究现状

SIS技术起源于美国德克萨斯大学澳斯汀分校(University ofTexas at Austin)。1986年，该校学者Carl Deckard在其硕士论文中首次提出了SIS工艺原理，于1988年研制成功了第一台SIS 成形机。随后，由美凶的DTM公司将其商业化，于1992年推出了该工艺的商业化生产设备SinterStation 2000成形机。在过去的20多年里，SIS技术在各个领域得到rJ一泛的应用，各国研究人员对SIS技术从基本形成原理、加T工艺、新材料、精度控制、数值仿真等方面进行了广泛而深入的研究，有力地推动了SIS工艺的发展。由于SIS工艺可以直接制造金属零件，近年来受到各国高校以及R&D机构的普遍最视。近年来，美国的Texas大学Austin学院自由成形实验室对SIS技术和后处理工艺长期进行究，其钢铁及合金粉末材料的烧结件的致密度达到80％以上，并进一步研究了SIS金属热渗透、热等静压等后处理工艺。Michigan 大学的学者们主要从事用SI S技术制作医用人工骨骼材料研究。比利时的J．P．Kruth教授等学者对SIS的烧结机理进行了深入研究，并对SIS工艺进行了分类，对认识烧结理论起了重要作用。白俄罗斯国家科学院的学者对单一和二元金属粉末(Ni—cu、Fe—cu等合金)的SIS 进行了细致研究，提出了烧结过程中的“球化效应”(Bailing)是影响烧结质量和精度的最关键问题，并对球化效应的产生原理和控制方法进行了研究。英国Liverpool大学快速原型中心的学者K．K．B．Hon对SiC和聚合物混合粉末进行了SIS试验，研究了各种工艺参数(激光功率、扫描速度、间距、层厚等)对烧结件机械性能的影响。Louthborough大学的学者使用脉冲Nd：YAG激光器烧结工具钢粉末，主要研究了扫描方式和烧结线问距对烧结性能的影响。日本Osaka大学的学者主要从事金属SIS过程的有限元仿真工作，从而推断出烧结试样成形时最可能发牛断裂的地方，该校的学者们还对烧结过程中残余应力的产生和消除办法进行了研究。此外，除了上述国家外，瑞士、俄罗斯、德国、韩国、南非、意大利、伊朗等国也相继展开了对SI S工艺的温度场的演化规律及其建模与仿真、“球化效应”、粉末材料对性能的影响等方面的研究。

5结论与展望

尽管SIS工艺在过去的二十年里取得了较大的发展，但是存在的以下这些问题仍限制r其普及和推广：(1)SIS系统的速度、精度和表面粗糙度不能满足工业生产要求；(2)激光工艺参数(如激光类型和扫描方式)对零件质量影响敏感，需要较长的时间摸索；(3)sLS设备成本较高。针对当前存在的这些问题，目前国内外的专家的研究热点集中在以下几个方面：

(1)新材料的研究。材料是SIS技术发展的关键环节，它直接影响烧结试样的成形速度、精度和物理、化学性能。目前SIS制造的零件普遍存在强度不高、精度低、需要后处理等诸多缺点，这就需要研制出各种激光烧结快速成形的专用材料；

(2)sLS连接机理研究。不同的粉末材料其烧结成形机理是截然不同的，金属粉末的烧结过程主要由瞬时液相烧结控制，但是目前对其烧结机理的研究仪停留在显微组织理论层次，需要从SIS动力学理论进行研究来定量的分析烧结过程；

(3)sIS工艺参数优化研究。SIS的工艺参数如激光功率、扫

描方式、粉末颗粒大小等等对SIS烧结件的质量都有影响。目前，工艺参数与成形质量之间的关系是SIS技术的研究热点，国内外对此进行了大量的研究；

(4)sLs建模与仿真研究。由于烧结过程的复杂性，进行实时观察比较困难，为了更好的了解烧结过程，对工艺参数的选取进行指导，有必要对烧结过程进行计算机仿真。随着SIS技术