SLS技术的成形工艺原理

一、实验名称：选择性激光烧结快速成型工艺实验

SLS成型技术开辟了不用任何刀具而迅速制作各类零件的途径，并为用传统方法不能或难于制造的零件或模型提供了一种崭新的制造手段，SLS技术的特点归纳起来主要有以下几点：

（1）过程与零件复杂程度无关，是真正的自由制造，这是传统方法无法比拟的。SLS 与其它RP不同，不需要预先制作支架，未烧结的松敞粉末作为自然支架，SLS可以成型几乎任意几何形状的零件，对具有复杂内部结构的零件特别有效。

（2）技术的高度集成，它是计算机技术、数控技术、激光技术与材料技术的综合集成。

（3）生产周期短，由于该技术是建立在高度集成的基础上，从CAD设计到零件的加工完成只需几小时到几十小时，这一特点使其特别适合于新产品的开发。

（4）与传统工艺方法相结合，可实现快速铸造、快速模具制造、小批量零件输出等功能，为传统制造方法注入新的活力。

（5）产品的单价几乎与批量无关，特别适合于新产品的开发或单件、小量零件的生产。

（6）材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、蜡等材料的零件。特别是可以制造金属零件。这使SLS工艺颇具吸引力。成型材料是SLS 技术发展和烧结成功的一个关键环节,它直接影响成型件的成型速度、精度和物理、化学性能，影响成型工艺和设备的选择以及成型件的综合性能。因此，国内外有许多公司和研究单位加强了这一领域的研究工作,并且取得了重大进步。

从理论上讲任何受热粘结的粉末都有被用作 SLS 原材料的可能性。原则上这包括了塑料、陶瓷、金属粉末及它们的复合材料。目前SLS材料主要有塑料粉（PC、PS、ABS）、蜡粉、金属粉、表面覆有粘结剂的覆膜陶瓷粉、覆膜金属粉及覆膜砂等。

（7）应用面广，由于成型材料的多样化，使得SLS 适合于多种应用领域，如原型设计验证、模具母模、精铸熔模、铸造型壳和型芯等。

（8）高精度，依赖于使用的材料种类和粒径、产品的几何形状和复杂程度，

该工艺一般能够达到工件整体范围内±（0.05-2.5）mm 的公差。当粉末粒径为0.1mm 以下时，成型后的原型精度可达±1％。

二、实验目的

1. 掌握快速原型制造技术的工作原理。

2. 进一步理解快速原型制造的方法。

3. 加深对快速成形技术的理解和认识；

4. 熟悉快速成形技术的基本流程；

5. 推广该项技术的普及和应用。

三、实验原理：

产品三维CAD 模型→分层离散→按离散后的平面几何信息逐层加工堆积原材料→生成实体模型。SLS 技术的成形工艺原理如图1.1所示。首先建立要加工零件的CAD 模型,并将其转化为STL 格式，然后用分层软件将CAD 模型进行切片处理，得到每一加工层面的数据信息，在计算机控制下，激光束根据切片层面信息对粉末层进行扫描烧结。在激光照射的位置上，粉末熔化并凝固在一起，再铺下一层粉末，重复该过程，新的一层和前一层自然烧结在一起，最后就可制出所需三维实体。选择性激光烧结原型件的具体成型过程如下：

(1)在计算机上用计算机辅助设计Pre/Engineer 造型软件，根据制件的结构要求，进行CAD 三维实体造型。

(2)调用Pre/Engineer (或其他CAD 系统)软件系统中所带的STL 文件生成图1 选择性烧结成型原理图

激光二维扫描头 铺粉辊筒 激光窗

加工平面

生成的零件 原料粉末 供粉活塞 成型活塞 z z

格式模块，将CAD系统构造的三维模型转换成STL格式文件，把三维实体模型进行网格划分，准备进行分层处理。

(3)在计算机中对制件CAD模型进行切片处理，根据工艺要求选择成形方向（Ｚ方向），然后按照一定的规则将该模型离散为一系列有序的单元，通常将其按一定厚度进行离散(习惯称为分层)，把原来的三维ＣＡＤ模型变成一系列的层片（CLI文件）；使三维CAD模型变成一系列二维的平面图形。对应每一个平面图形，计算机生成相应的扫描轨迹。

(4)在活塞型工作台面上用辊筒铺上一层复合粉末材料，粉层的厚度应等于对应CAD模型切片层的厚度并将其加热至略低于它的熔化温度(一般低于熔化温度2℃~3℃)。

(5)CO2激光束在计算机的控制下，按照截面轮廓的信息，对粉末进行扫描。激光扫描到的区域，粉末的温度升至熔化点，于是粉末颗粒交界处熔化，相互粘结，即被烧结;未被扫描到的区域，粉末还是松散状态，作为工件和下一层粉末的支撑。

(6)扫描完一层后，活塞工作台下降一截面层的高度，再进行下一层的铺粉和烧结，如此循环，最后形成一个三维制件。

四、实验设备和实验方法

实验设备：HLP-350点扫描激光快速成型机。主要由激光扫描系统、振镜系统（按照NC加工文件改变激光的扫描路径）、预热装置、自动控制系统（铺粉和升降供料缸和工作缸）、前台操作系统（加工程序、参数设置等）、其他辅助系统（冷却系统、密封、集粉、照明等）。实验方法如下：

1．熟悉和使用三维软件，并进行特定零件的的建模，构造原形件。

2．利用专用计算机对原形件进行切片，生成STL文件，

3．对模型制作分层切片；生成数据文件；并将其接入点扫描快速成型系统；

4．快速成型机按计算机提供的数据逐层堆积，直至原形件制作完成；

5 观察快速原型机的工作过程，分析影响成型加工的因素有哪些？具体工艺参数对成型件或原形件的精度有什么影响，提出解决的办法。

五、实验结果

分析影响成型加工的因素有哪些？

最佳工艺参数？

成形件表面是否光滑？

成形件的台阶效应是否明显？

六、讨论

工艺参数对成型件或原形件的精度有什么影响？

（1）激光功率和扫描速度的影响

激光功率和扫描速度反映了激光作用于粉末的能量大小和时间长短。激光功率高，粉末的烧结深度和宽度会增加。扫描速度增加，激光作用于粉末的时间减少，粉末的烧结深度和宽度会减小。从成形件表面质量看，当激光功率过小、扫描速度过快时，成形件表面较细腻，

但由于能量密度不足，液相来不及充分向粉粒间隙中扩散，粘结效果差，烧结深度和烧结密度下降，容易产生分层，当激光功率过高、扫描速度过慢时，产生的液相有足够的时间在粉粒间隙中流动及润湿粉末颗粒，将其粘结在一起，但粉末会产生过烧结，成形件表面粗糙，同时，会使成形件容易产生翘曲变形。因此通过工艺参数优化买验，确定激光功率和扫描速度的匹配关系，可以有效提高成型精度。