金属粉末选区激光烧结技术

金属粉末选区激光烧结技术

摘要:激光快速成型技术是集计算机辅助设计、激光熔覆、快速成型于一体的先进制造技术,是传统加工成形方法的重要补充。介绍了金属粉末激光快速成型技术的研究现状和发展前景。

关键词:金属粉末, 选择性激光烧结, 快速成型技术

金属粉末选区激光烧结技术(Selective laser sintering以下简称SLS)是一种快速成型技术(Rapid Prototyping Technology-RPT)属于先进制造技术范畴，机械工程学科非传统加工工艺(或称为特种加工)。是近年来迅速发展起来的一门高新技术，是光学、电子、材料、计算机等多学科的集成。SLS 技术最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl Deckard于1989 年研制成功。可以自动迅速地从三维CAD模型直接制得形状复杂的金属零件或模型,其制造方法主要包括选择性激光烧结(SLS) 和激光熔覆制造两种技术。

1、选择性激光烧结(SLS) 技术

(1)SLS原理

选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成形的固化层层层叠加，生成所需形状的零件。首先由CAD产生零件模型，并用分层切片软件对其进行处理，获得各截面形状的信息参数，作为激光束进行二维扫描的轨迹；由激光发出的光束在计算机的控制下，根据几何形体各层截面的坐标数据有选择地对材料粉末层进行扫描，在激光辐照的位置上粉末烧结在一起，一层烧结完成后，再铺粉进行下一层扫描烧结，新的一层和前一层自然地烧结在一起，最终生成三维形状的零件。

(2)SLS的特点

①SLS 过程与零件复杂程度无关，具有高度的柔性,在计算机的控制下可方便迅速地制作出传统加工方法难以实现的复杂形状的零件，是真正的自由制造。

②产品的单价几乎与批量无关，特别适合于单件、小批量零件的生产。

③生产周期短，从CAD 设计到零件的加工完成只需几小时到几十小时，整个生产过程数字化，可随时修正、随时制造。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、快速模具制造等功能，为传统制造方法注入了新的活力。

⑤材料范围宽，任何受热粘结的粉末材料都有用作SLS原材料的可能性。

2、激光涂覆(熔覆)制造技术

(1)激光涂覆制造技术的原理

激光涂覆制造技术也称近形技术(LENS),是在激光熔覆技术和快速原型技术的基础上发展起来的一种新技术。首先由CAD 产生零件模型,用分层切片软件进行处理,获得各截面形状的信息参数,作为工作台进行移动的轨迹参数。工作台在计算机的控制下根据几何形体各层截面的坐标数据进行移动的同时,用激光涂覆的方法将材料进行逐层堆积,最终形成具有一定外形的三维实体零件。

(2)激光涂覆制造技术的特点

使用聚焦激光辐照时形成的熔池很小,可制出外形精密的零件。因烧结点的大小和激光束的有效直径差不多,故零部件的壁厚可精确调节,减少了后处理工序。激光近形方法提高了设计的灵活性,通过改变CAD 模型文件可方便经济地修改补充零件,灵活改变零件不同部位的成分,使零件具有优异的综合性能,生产周期大大缩短,效率很高。只要被加工材料对所用激光器的激光波长有低的反射率,就可用LENS 法来处理。激光涂覆制造技术易实现选区熔覆,可以用来修复大的金属零件,且无需制作昂贵的工模具,生产成本低。

3、发展前景及存在的问题

金属粉末的激光快速成型技术集计算机辅助设计、激光熔覆、快速成型于一体,在无需任何硬质工模具或模型的情况下,能快速制备出不同材料的复杂形状、多品种、小批量的零件,所成型零件致密度高,具有快速凝固组织特征,能满足直接使用要求,在航天器件、飞机发动机零件及武器零件的制备上具有广阔的应用前景。还可通过改变成型材料,得到不同部位由不同材料组成的零件,与计算机相结合,发展材料的智能制备系统。从上世纪90年代初开始,探索实现金属零件直接快速成型制造的方法已成为RP技术的研究热点,随着大功率激光器的出现,使得采用快速成型方法直接制造金属零件成为可能,国外著名的RP技术公司均在进行金属零件快速成型技术研究。探索直接制备满足工程使用条件的金属零件快速成型技术,将有助于快速成型技术向快速制造技术的转变,能极大地拓展其应用领域。此外,利用逐层制造的优点,探索制造具有功能梯度、综合性能优良、特殊复杂结构的零件也是一个新的发展方向。而快速成型技术与传统制造技术相结合,形成产品快速开发—制造系统也是一个重要趋势。

目前,快速成型技术的成型精度为0.01mm数量级,表面质量还较差,有待进一步提高。最主要的是成型零件的强度和韧性还不能完全满足工程实际需要,完善现有快速成型工艺与设备,提高零件的成型精度、强度和韧性,降低设备运行成本的需求是十分迫切的。

4、结语

快速成型作为一种高新制造技术,必将在十几年来飞速发展的基础上扬长避短,不断开发出新的成型工艺、成形材料及智能化相关技术,现有工艺也必将朝着精密化、高精度、低成本、标准化方向发展,并应以能直接生产半功能性、功能性零件为目标。

Metal Power Rapid Prototyping Technology

Abstract : Laser rapid prototyping is a new manufacturing technology , which combined by computer aided design , laser cladding and rapid prototyping , and it is the complement of the traditional shape method. The general and the prospective developments of the metallic powders rapid prototyping technology are introduced. Keywords :metallic powder, selective laser sintering , rapid prototyping technology.

参考文献

1、朱林泉,白培康. 快速成型与快速制造技术.北京：国防工业出版社,2003: 13,87,88

2、程军,白培康,赵熹华.选择性激光烧结成型技术的研究现状及发展趋势, 第4