选择性激光烧结技术最新研究进展

快速成型技术论文作业
题目:选择性激光烧结技术最新研究进展
姓名：山海明
学号：1000404042
专业：材料成型与控制工程
院系：机械工程学院
2013年10月25日
摘要选择性激光加工是一种新的快速成型工艺, 使用的造型材料多为粉末材料。

加工时，首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后在刮平棍子的作用下将粉末铺平；激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地烧结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末，则就可以得到一烧结好的零件。

目前成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行烧结的工艺还在研究之中。

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,综述了选择性激光烧结技术发展状况、存在的问题及研究热点。

关键词快速成型粉末激光束烧结
SLS法采用红外激光器作能源，使用的造型材料多为粉末材料。

加工时，首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后在刮平棍子的作用下将粉末铺平；激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地烧结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末，则就可以得到一烧结好的零件。

目前成熟的工艺材料为蜡塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行烧结的工艺还在研究之中。

在成型的过程中因为是把粉末烧结，所以工作中会有很多的粉状物体污染办公空间，一般设备要有单独的办公室放置。

另外成型后的产品是一个实体，一般不能直接装配进行性能验证。

另外产品存储时
间过长后会因为内应力释放而变形。

对容易发生变形的地方设计支撑，表面质量一般。

生产效率较高，运营成本较高，设备费用较贵。

能耗通常在8000瓦以上。

材料利用率约100%。

SLS工艺又称为选择性激光烧结，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功。

SLS工艺是利用粉末状材料成形的。

将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。

SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛，如尼龙、蜡、ABS、树脂裹覆砂（覆膜砂）、聚碳酸脂（poly carbonates）、金属和陶瓷粉末等都可以作为烧结对象。

粉床上未被烧结部分成为烧结部分的支撑结构，因而无需考虑支撑系统（硬件和软件）。

SLS工艺与铸造工艺的关系极为密切，如烧结的陶瓷型可作为铸造之型壳、型芯，蜡型可做蜡模，热塑性材料烧结的模型可做消失模。

3.3 选择性激光烧结法(SLS) 选择性激光烧结法又称为选区激光烧结。

它的原理是预先在工作台上铺一层粉末材料（金属粉末或非金属粉末），激光在计算机控制下，按照界面轮廓信息，对实心部分粉末进行烧结层层堆积成型。

一、选择性激光烧结工艺的最新研究进展与成果
SLS 工艺最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl Deckard 于1989 年在其硕士论文中提出的。

后美国DTM公司于1992 年推出了该工艺的商业化生产设备SinterSation。

几十年来,奥斯汀
分校和DTM公司在SLS 领域做了大量的研究工作,在设备研制和工艺、材料开发上取得了丰硕成果。

德国的EOS 公司在这一领域也做了很多研究工作,并开发了相应的系列成型设备。

在国内,也有多家单位进行SLS 的相关研究工作,如华中科技大学、南京航空航天大学、西北工业大学、华北工学院和北京隆源自动成型有限公司等,也取得了许多重大成果,如南京航空航天大学研制的RAP - I 型激光烧结快速成型系统、北京隆源自动成型有限公司开发的AFS - 300 激光快速成型的商品化设备。

按烧结用材料的特性,SLS 技术的发展可分为两个阶段[14 ] : ①用SLS 技术烧结低熔点的材料来制造原型。

目前的烧结设备和工艺大多处于这一阶段,所用的材料是塑料、尼龙、金属或陶瓷的包衣粉末(或与聚合物的混合物) 。

②用SLS 技术直接烧结高熔点的材料来制造零件。

二、选择性激光烧结设备的最新产品与技术情况
产品型号：HL-450
产品代码：HL-450
快速成型技术中,金属粉末激光烧结是近年来人们研究的一个热点,实现使用高熔点金属直接烧结成型金属零件,对传统切削加工方法难以制造出高强度零件以及对快速成型技术更广泛的应用具有重要的意义[14 ] ,尤其是在航天器件、飞机发动机零件及武器零件的制备方面。

近十几年来SLS 技术得到了飞速发展,获得了良好的应用效果,但作为一项新兴制造技术,尚处于一个不断发展、不断完善的过程之中。

目前,SLS 技术还有很大的发展空间[2 , 5 ] :①成形工艺
和设备的开发与改进,以提高成型件的表面质量、尺寸精度和机械性能;②新材料成型机理、成型性的研究与开发,为SLS 提供具有良好综合性能的烧结粉末材料及形成快速成型材料的商品化;③探索SLS 技术与传统加工、特种加工等技术相结合的多种加工手段的综合工艺,为快速模具、工具制造提供新的技术手段;④后处理工艺的优化。

利用SLS 虽可直接成型金属零件,但成型件的机械性能和热学性能还不能很好满足直接使用的要求,经后处理后可明显得到改善,但对尺寸精度有所影响[10 ] ,这就需要优化设计现有的后处理工艺以提高综合质量。

随着SLS 技术的发展,新工艺、新材料的不断出现,势必会对未来的实际零件制造产生重大影响,对制造业产生巨大的推动作用。

三、选择性激光烧结用材料研究现状
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。

(1) 国外主要SLS 成型材料的产品及用途国外的许多快速成型系统开发公司和使用单位都对快速成型材料进行了大量的研究工作,开发了多种适合于快速成型工艺的材料。

其中在SLS 领域,以DTM公司所开发的成型材料最具代表性,其已商品化的SLS 用成型材料产品见表1。

表1 DTM开发的SLS 用成型材料产品
材料型号材料类型使用范围
DuraFormPolyamide 聚酰胺粉末概念型和测试型制造DuraFormGF 聚酰胺粉末, 适合概念型和测试型
制DTMPolycarbanate 聚碳酸酰粉末消失模制造TrueFormPolymer 聚苯乙烯粉末消失模制造SandFormSi 覆膜硅砂砂型(芯) 制造
制造覆膜锆砂砂型(芯) 与快速成型设备的研究相比,我国快速成型材料及工艺的研究相对滞后,目前还处在起步阶段,与国外相比存在较大差距。

虽国内有多家研究开发单位对SLS 材料和工艺进行了研究开发工作,但还没有专门的成型材料生产和销售单位。

四、选择性激光烧结成型的应用现状
几十年来, SLS 工艺已经成功应用于汽车、造船、航天和航空等诸多行业,为许多传统制造业注入了新的生命力和创造力。

概括地说, SLS 工艺可以应用于以下一些场合[2 , 11 , 16 ] :①快速原型制造。

可快速制造设计零件的原型,及时进行评价、修正以提高产品的设计质量;使客户获得直观的零件模型;制造教学、试验用复杂模型。

②快速模具和工具制造。

将SLS 制造的零件直接作为模具使用,如砂型铸造用模、金属冷喷模、低熔点合金模等;也可将成型件经后处理后作功能性零部件使用。

③单件或小批量生产。

对于那些不能批量生产或形状很复杂的零件,利用SLS 技术来制造,可降低成本和节约生产时间,这对航空航天及国防工业更具有重大意义。

具体应用已有诸多报
道[5 , 25～27 ] 。

德国EOS 公司在这方面走在前列,它开发了可直接对未经预热的金属粉末进行激光烧结的系统Eosint M。

该系统所使用的是不同金属组成的混合物,各混合物在烧结过程中相互补偿体积的变化而使全部粉末的收缩率可小到忽略不计,有利于保证制作精度;而且各混合物的粒度仅为50μm 左右,有利于提高表面质量;可制作形状复杂的薄壁金属零件,特别是用于制作注塑模具。

DTM公司于1994 年推出Rapid Steel 制造技术,在SLS - 2000 系统中烧结表面包覆树脂材料的铁粉,初次成型零件后,置入铜粉中再一起放入高温炉进行二次烧结制造出注塑模具,此模具在性能上相当于7075 铝合金,可以注塑5 万件。

国内,北京隆源自动成形系统有限公司在快速精密铸造方面取得了诸多成果,利用其开发的AFS- 300 激光快速成型机在较短时间内可为用户制成铸件原型、熔模及铸造型壳。

1、选择性激光烧机技术（SLS）在快速原型制造中的应用
可快速制造设计零件的原型，及时进行评价、修正以提高产品的设计质量；使客户获得直观的零件模型；制造教学、试验用复杂模型。

单件或小批量生产。

对于那些不能批量生产或形状很复杂的零件,利用SLS 技术来制造,可降低成本和节约生产时间,这对航空航天及国防工业更具有重大意义。

2、选择性激光烧机技术（SLS）在模具制造中的应用
1) 采用玲技术直接制造模具。

美国DTM公司于1994年推出Rapid Steel制造技术，在SLS—
2000系统中烧结表面包覆树脂材料的铁粉，初次成形零件后，
置人铜粉中再一起放人高温炉进行二次烧结，制造出的注塑模在性能上相当于7075铝合金，寿命可达5万件以上。

2) 采用SLS技术快速制作高精度的复杂塑料模，代替木模进行砂型铸造。

或者将铸造树脂
砂作为巧烧结材料，直接生产出带有铸件型腔的树脂砂模型, 进行一次性浇铸。

在铸造行业中, 传统制造木模的方法，不仅周期长、精度低，而且对于一些复杂的铸件，例如叶片、发动机缸体、缸盖等制造木模困难。

采用SLS技术可以克服传统制模方法的上述问题，制模速度快，成本低，可完成复杂模具的整体制造。

汽车设计和塑胶件批量制造中应用汽车外形及内饰件的设计、改型、装配试验，发动机、汽缸头等复杂外型的试制。

作为设计验证和评估的手段，激光快速成型已经用于国内外汽车产业中，●例如美国克莱斯勒公司已制造车身模型，将其放在高速风洞中进行空气动力学试验分析，取得了令人满意的效果，大大节约了试验费用。

●汽车发动机进气管内腔形状是由十分复杂的自由曲面构成的，它对提高进气效率、燃烧过程有十分重要的影响。

设计过程中，需要对不同的进气管方案做气道试验，传统的方法是用手工方法加工出由几十个截面来描述的气管木模或石膏模，再用砂模铸造进气管，加工中，木模工对图纸的理解和本身的技术水平常导致零件与设计意图的偏离，有时这种误差的影响是显著的。

使用数控加工虽然能较好地反映出设计意图，但其准备时间长，特别是几何形状复杂时更是如此。

英国Rover公司使用激光快速成型技术生产进气管的外模及内腔模，
取得了令人满意的效果。

●在汽车模具制造中应用本激光快速成型技术，能烧结蜡、聚碳酸酯、尼龙、金属等各种材料。

用该系统制造的钢铜合金注塑模具，可注塑5万件工件。

也可以结合其他技术来制作钢质模具，实现金属模的快速制造。

或者直接制造出复形精度较高的EDM电极，用于注塑模、锻模、压铸等钢制模具型腔的加工。

一个中等大小、较为复杂的电极一般4～8h即可完成，复形精度完全满足工程要求。

福特汽车公司用此技术制造汽车模具取得了满意的效果。

上海交通大学也已通过RP与精密铸造结合的方法为汽车及汽车轮胎等行业生产进口替代模具计80余副。

与传统机加工法相比，快速模具制造的制作成本及周期大大降低。

我国每年需进口模具达几十亿美元，主要是复杂模具和精密模具，因此，
激光快速成型技术在未来的汽车模具制造业中的应用前景十分广阔。

●在汽车灯具制造上的应用汽车灯具大多数的形状是不规则的,曲面复杂,模具制造难度很大。

通过快速成型技术,可以很快得到精确的产品试样,为模具设计CAD和CAM提供了有利的参考。

同时,也可以通过快速成型技术,用熔模铸造的方法快速、高精度地制造出灯具模具。

参考文献
〔1〕王广春赵国群.快速成型与快速模具制造技术及其应用[M].机械工业出版社，2008
〔2〕张渤涛郝滨海卢霄.选择性激光烧结技术的特点及在模具制造中的应用[J].锻压技术，2005 〔3〕张剑峰, 张建华, 赵剑峰等. 激光快速成形制造技术的应用研究进展[J].航空制造技术，2002
（3）张剑峰, 张建华, 赵剑峰等. 激光快速成形制造技术的应用研究进展.
航空制造技术, 2002 ,7 : 34～37
（4）朱剑英. 增材制造法- MIM 技术. 航空精密制造技术,1993 , (1) :29～32
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（6）邓琦林. 选择激光烧结陶瓷粉末的研究. 制造技术与机床, 1998 ,12 : 26～28
（7）赵剑峰. 基于选区激光烧结快速成形的快速制造技术研究。