选择性激光烧结成型工艺

4.1 选择性激光烧结工艺的基本原理和特点
1.SLS的基本原理 ：采用激光器对粉末状材料进行烧结和固化。
首先，在工作台上用刮板或辊筒一层粉末材料平铺 在已成型零件的上表面，再将其加热至略低于其熔 化温度，然后在计算机的控制下，激光束按照事先
设定好的截面轮廓，在粉层上扫描，并使粉末的温 度升至熔化点，进行烧结并与下面已成形的部分实 现粘接。当一层截面烧结完后，工作台下降一个层 的厚度，铺料辊又在上面铺上一层
表4-2 常用的SLS工艺的材料
美国DTM公司开发的粉末材料： 在SLS领域，以DTM公司所开发的成型材料类别较多，最具代表性，其已商品化的SLS用成型材料产 品见表4-3，其中部分高分子材料粉末的具体型号及其指标与性能如表4-4所示，部分金属粉末及树脂 砂粉末的物理与力学性能如表4-5所示。
表4-3 DTM公司开发的部分SLS用成型材料
图4-6 HRPM-II金属粉末熔化快速成型机
4.2 选择性激光烧结快速成型材料及设备
表4-8 国内外部分选择性激光烧结快速成型设备一览表
第4章 择性激光烧结成型工艺
1 选择性激光烧结工艺的基本原理和特点 2 选择性激光烧结快速成型材料及设备 3 选择性激光烧结工艺过程 4 高分子粉末烧结件的后处理 5 选择性激光烧结工艺参数
快速成型与快速模具制造技术 及其应用
选择性激光烧结成型工艺
❖ 选择性激光烧结工艺(Selective Laser Sintering，SLS)又称为选区激光烧结技术或粉末材料选择性
激光烧结等。该方法最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C. R. Dechard于1989年提出的，稍后 组建了DTM公司，于1992年开发了基于SLS的商业成型机。
然后设定建造工艺参数，如层厚、激光扫描速度和 扫描方式、激光功率、烧结间距等。当成形区域的 温度达到预定值时，便可以启动制作了。
在制作过程中，为确保制件烧结质量，减少翘 曲变形，应根据截面变化相应的调整粉料预热的温 度。
所有叠层自动烧结叠加完毕后，需要将原型在 成型缸中缓慢冷却至40℃以下，取出原型并进行后 处理。
图4-1 选择性激光烧结工艺原理图
均匀密实的粉末，进行新一层截面的烧结，如此反复，直至完成整个模型。在成型过程中，未经烧结的粉末对模 型的空腔和悬臂部分起着支撑作用，不必象SLA和FDM工艺那样另行生成支撑工艺结构。
2.SLS快速成型系统的基本组成
(1)主机：机身与机壳、加热装置、成
型工作缸、振镜式动态聚焦扫描系统、 废料桶、送料工作缸、铺粉辊装置、 激光器等。
设备和烧结过程故障自动诊断，故障自动停机保护
华中科技大学（武汉滨湖机 电技术产业有限公司）开发了金 属粉末熔化快速成型系统，目前 推出了HRPM-I和HRPM-II两种 型号。该设备可直接制作各种复 杂精细结构的金属件及具有随形 冷却水道的注塑模、压铸模等金 属模具，材料利用率高。图4-6为 HRPM-II金属粉末熔化快速成型 机。
❖ SLS工艺是利用粉末材料（金属粉末或非金属粉末）在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下
层层堆积成型。SLS的原理与SLA十分相似，主要区别在于所使用的材料及其形状不同。SLA所
用的材料是液态的紫外光敏可凝固树脂，而SLS则使用粉状的材料。
1 选择性激光烧结工艺的基本原理和特点 2 选择性激光烧结快速成型材料及设备 3 选择性激光烧结工艺过程 4 高分子粉末烧结件的后处理 5 选择性激光烧结工艺参数
图4-11 金属齿轮零件
3. 金属零件直接烧结工艺
金属零件直接烧结工艺采用的材料是纯粹的金属粉末，是 采用SLS工艺中的激光能源对金属粉末直接烧结，使其融 化，实现叠层的堆积。其工艺流程如图所示。 金属零件直接烧结成型过程较间接金属零件制作过程明显 缩短，无需间接烧结时复杂的后处理阶段。但必须有较大 功率的激光器，以保证直接烧结过程中金属粉末的直接熔 化。因而，直接烧结中激光参数的选择，被烧结金属粉末 材料的熔凝过程及控制是烧结成型中的关键。
4.2 选择性激光烧结快速成型材料及设备
1.选择性激光烧结快速成型材料
SLS工艺材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件。特别是可以直接 制造金属零件。
表4-1 工程上粉体的等级及相应的粒度范围
用于SLS工艺的材料是各类粉末，包括 金属、陶瓷、石蜡以及聚合物的粉末， 工程上一般采用粒度的大小来划分颗 粒等级，如右表所示。SLS工艺采用的 粉末粒度一般在50～125µm之间。
间接SLS用的复合粉末通常有两种混合形式：
◎粘结剂粉末与金属或陶瓷粉末按一定比例机械混合； ◎把金属或陶瓷粉末放到粘结剂稀释液中，制取具有粘结剂包裹的金属或陶瓷粉末。 实践表明，采用粘结剂包裹的粉末的制备虽然复杂，但烧结效果较机械混合的粉末好。近年来，已经开发 并被应用于SLS粉末激光烧结快速原型制作的材料种类如表4-2所示。
(2) 计 算 机 控 制 系 统 ： 计 算 机 、 应 用
软件、传感检测单元和驱动单元。
(3)冷却器：可调恒温水冷却和外管路
组成，用于冷却激光器，提高激光能 量的稳定性。
图4-2 选择性激光烧结系统的基本组成
4.1 选择性激光烧结工艺的基本原理和特点
3.选择性激光烧结工艺的特点
优点：
◎可直接制作金属制品 ◎无需支撑结构 ◎材料利用率高
图4-8 原型方位确定后的加工状态
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4.3 选择性激光烧结工艺过程
（3）后处理
激光烧结后的PS原型件，强度很弱，需 要根据使用要求进行渗蜡或渗树脂等进 行补强处理。由于该原型用于熔模铸造， 所以进行渗蜡处理。渗蜡后的该铸件原 型如图所示。
图4-9 某铸件经过渗蜡处理的SLS原型
4.3 选择性激光烧结工艺过程
采用国际著名公司的振镜式动态聚焦系统，具有高速度和高精度的特点
采用美国CO2激光器，具有稳定性好、可靠性高、模式好、寿命长、功率稳定、可更换气体、 性能价格比高等特点，并配以全封闭恒温水循环冷却系统
新型送粉系统
可使烧结辅助时间大大减少
排烟除尘系统
及时充分地排除烟尘，防止烟尘对烧结过程和工作环境的影响
图4-10 基于SLS工艺的金属零件间接制造工艺过程
金属零件间接烧结工艺过程中的关键技术： 1、原型件制作关键技术 选用合理的粉末配比：环氧树脂与金属粉末的比例一般控制在1：5与1：3之间。 加工工艺参数匹配：粉末材料的物性、扫描间隔、扫描层厚、激光功率以及扫描速度等。
2、褐件制作关键技术 烧结温度和时间：烧结温度应控制在合理范围内，而且烧结时间应适宜。
3、金属熔渗阶段关键技术 选用合适的熔渗材料及工艺：渗入金属必须比“褐件”中金属的熔点低。
4.3 选择性激光烧结工艺过程
(P85)实例： 采用金属铁粉末、环氧树脂粉末、固化剂粉末混合，其体积比为67%、16%、17%；在激 光功率40W下，取扫描速度170mm/s，扫描间隔在0.2mm左右，扫描层厚为0.25mm时烧结。 后处理二次烧结时，控制温度在800℃，保温1h；三次烧结时温度1080℃，保温40min；熔 渗铜时温度1120℃，熔渗时间40min。所成型的金属齿轮零件如图所示。
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4.4 高分子粉末烧结件的后处理
高分子粉末材料烧结件的后处理工艺主要有渗树脂和渗蜡两种。当原型件主要用于熔模 铸造的消失型时，需要进行渗蜡处理。当原型件为了提高强硬性指标时，需要进行渗树 脂处理。 以高分子粉末为基底的烧结件力学性能较差，作为原型件一般需对烧结件进行树脂增强。 在树脂涂料中，环氧树脂的收缩率较小，可以较好地保持烧结原型件的尺寸精度，提高 高分子粉末烧结件的适用范围。
影响后处理的因素：
（一）收缩精度的影响
a) 未经处理的PS原型件
4.2 选择性激光烧结快速成型材料及设备
2.选择性激光烧结快速成型设备
研究单位有美国的DTM公司、3D Systems公司、德国的EOS公司以及国内的北京隆源公司和华中科技大学等。 下图是DTM公司的Sinterstation 2500和2500Plus机型，如图所示。其中2500Plus机型的成型体积比过去增加 了10%，同时通过对加热系统的优化，减少了辅助时间，提高了成型速度。
工作腔结构
全封闭式，防止粉尘和高温对设备关键元器件的影响
（2）软件方面 独自开发的功能强大的HRPS’2002软件，有如下特点：
切片模块 数据处理 工艺规划 安全监控
具有HRPS-STL(基于STL文件)和HRPS-PDSLice（基于直接切片文件，由用户选用）两种模块 具有STL文件识别及重新编码，容错及数据过滤切片，STL文件可视化，原型制作实时动态仿真等 功能 具有多种材料烧结工艺模块（包括烧结参数、扫描方式和成型方向等）
陶瓷粉末烧结制件的精度由激光烧结时的精度和后续处理时的精度决定。在激光烧结过程中，粉末 烧结收缩率、烧结时间、光强、扫描点间距和扫描线行间距对陶瓷制件坯体的精度有很大影响。另 外，光斑的大小和粉末粒径直接影响陶瓷制件的精度和表面粗糙度。后续处理（焙烧）时产生的收 缩和变形也会影响陶瓷制件的精度。
第4章 择性激光烧结成型工艺
图4-12 基于SLS工艺的金属零件直接制 造工艺流程
4. 陶瓷粉末烧结工艺
陶瓷粉末材料的选择性激光烧结工艺需要在粉末中加入粘结剂。目前所用的纯陶瓷粉末原料主要有 Al2O3和SiC，而粘接剂有无机粘接剂、有机粘接剂和金属粘接剂等三种。
当材料是陶瓷粉末时，可以直接烧结铸造用的壳形来生产各类铸件，甚至是复杂的金属零件。
德国EOS公司开发的系列粉末烧结材料: 粉末烧结快速成型设备著名开发商德国EOS公司也开发了系列粉末烧结材料，其型号及性能 等如表4-6所示。
表4-6 EOS公司开发的部分粉末材料及性能
国内开发的SLS材料： 国内几家主要快速成型技术研究单位研制的成型材料见表4-7。
表4-7 国内各单位开发的SLS用成型材料
4.3 选择性激光烧结工艺过程
选择性激光烧结工艺使用的材料一般有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。材料不同，其 具体的烧结工艺也有所不同。
1. 高分子粉末材料烧结工艺 高分子粉末材料激光烧结快速原型制造工艺过程同样分为前处理、粉层烧结叠加以及后处 理过程三个阶段。
下面以某一铸件的SLS原型在HRPS-IVB设备上的制作为例，介绍具体的工艺过程。
图4-3 DTM公司的Sinterstation2500机型
图4-4 DTM公司的Sinterstation2500 Plus机型
华中科技大学的HRPS-III激光粉末烧结系统,如下图所示。它在硬件和软件方面有着自 己先进的特点。
图4-5 HRPS-IIIA激光粉末烧结快速成型机
（1）硬件方面
扫描系统 激光器
2. 金属零件间接烧结工艺
在广泛应用的几种快速原型技术方法中，只有SLS工艺 可以直接或间接的烧结金属粉末来制作金属材质的原型 或零件。金属零件间接烧结工艺使用的材料为混合有树 脂材料的金属粉末材料，SLS工艺主要实现包裹在金属 粉粒表面树脂材料的粘接。其工艺过程如右图所示。由 图中可知，整个工艺过程主要分三个阶段：一是SLS原 型件（“绿件”）的制作，二是粉末烧结件（“褐件”） 的制作，三是金属溶渗后处理。
缺点： ◎原型表面粗糙 ◎烧结过程挥发异味 ◎有时需要比较复杂的辅助工艺
◎可采用多种材料 ◎制造工艺比较简单
第4章 择性激光烧结成型工艺
1 选择性激光烧结工艺的基本原理和特点 2 选择性激光烧结快速成型材料及设备 3 选择性激光烧结工艺过程 4 高分子粉末烧结件的后处理 5 选择性激光烧结工艺参数
前处理
成型
后处理
4.3 选择性激光烧结工艺过程
（1）前处理
主要完成模型的三维CAD造型，并经STL数据转换 后输入到粉末激光烧结快速原型系统中。 右图是某个铸件的CAD模型。
图4-7 某铸件的CAD模型
（2）粉层激光烧结叠加
首先对成型空间进行预热。对于PS高分子材料，一般需要预热到100℃左右。在预热阶段，根据原型结构的特点 进行制作方位的确定，当摆放方位确定后，将状态设置为加工状态，如下图所示。