金属粉末选区激光烧结技术研究现状
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光机电研究论坛
OME Research Forum
金属粉末选区激光烧结技术研究现状
ห้องสมุดไป่ตู้
徐如涛1 , 张 坚1，2, 徐志锋1, 辛集忠1
（1.南昌航空大学, 江西 南昌 330063； 2.华东交通大学, 江西 南昌 330013）
摘 要： 介绍了选区激光烧结技术的原理、 特点， 简述了选区激光烧结金属粉末的两种典型成型工艺原理， 分析讨论了这两种工艺的特点以及存在的问题， 展望了选区激光烧结技术的前景。 关键词： 快速成形； 选区激光烧结； 烧结粉末 中图分类号： TG156.99
成形坯件必须进行后处理才能成为致密的金属 功能件。 后处理一般有 3 步： 降解聚合物、 二次烧 结和渗金属， 这 3 个阶段可以在同一个加热炉中进 行，图 2 所示为在同一炉中后处理的加热温度曲线[4]， 保护气氛为 30%的 H2、 70%的 N2， 也可以在另外的 炉中渗金属。
加 热 温 度 /°
Abstract: The principle and characteristics of SLS were introduced. The latest researches on SLS, including two typical SLS of metallic powder, were described briefly. Except for the relevant problems during SLS processing analyzed, the prospect of SLS was also presented. Keywords: rapid prototyping; selective laser sintering; powder for sintering
计算机
滚筒
光学系统
激光束 未烧结粉末
CO2激 光 器 待烧结粉末
贮粉缸
烧结件 活塞
图1 选区激光烧结原理图
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2.2 SLS 的特点 1.SLS 过 程 与 零 件 复 杂 程 度 无 关 ， 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
在 SLS 系统上烧结， 成形件的质量与成形参数
www.omeinfo.com.cn 39
Jan. 2009
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有关。 SLS 的成形参数有激光功率、 扫描速度、 扫 描间距、 层厚、 光斑大小、 粉床预热温度等。 激光 功率大， 扫描速度慢， 光斑直径小， 则激光加热能 量密度高， 粉末的烧结深度和宽度增加， 但会使成 形件容易产生翘曲变形； 反之， 如果能量密度太低， 则在金属粉粒间形成的联结强度太低， 成形件不能 保持形状； 对粉床预热可以减少变形， 但温度必须 低于粘结剂软化温度， 否则热影响区增大， 成形精 度变差； 扫描间距和层厚要兼顾成形效率和成形件 强度、 精度， 在满足后者的前提下， 使用较大的扫 描间距和层厚有利于提高成形效率。 3.1.2 后处理
国内对间接成形材料也进行了研究， 吉林工业 大学用有机树脂包覆铁基合金 98 Fe2Ni 粉末进行了 烧结研究[6]， 南京航空航天大学对金属粉末与聚合物 粉 末 混 合 材 料 进 行 了 试 验 [7]。 华 中 科 技 大 学 史 玉 升 、刘 锦辉等采用 SLS 间接方法成型 Fe-Ni-C 复合粉末毛 坯，并通过脱脂、 高温烧结和熔渗金属， 合金元素 (Ni ， C) 可以通过固相扩散到 γ-Fe 中， 经过相应的 热处理， 得到较好的下贝氏体组织并产生合金元素 (Cu ， Ni) 的沉淀和固溶强化， 使所得到的合金材料 极 限 拉 伸 强 度 超 过 350 MPa， 延 伸 率 ＜4% 。 因 此 ， 可以作为 SLS 间接制造合金零件的原料， 并可以制 造 注 塑 模 具 和 功 能 零 件 [8]。
2.二次烧结： 当聚合物大部分被降解后， 金属 粉粒间只靠残余的一点聚合物和金属粉末间的粘结 力来保持， 这个力很小。 要保持形状， 必须在金属 粉粒间建立新的联系， 即将坯件加热到更高温度，
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通过扩散来建立联结。 加热温度根据材料确定， 如 对于美国 DTM 公司开发的间接 SLS 材料 RapidSteel 1.0， 加热到约 1 000 ℃， 保温 8 h。 在该阶段， 烧结 体的密度增加， 其相对密度为 40%～80%。 如相对密 度 超 过 90%， 则 孔 隙 尺 寸 减 小 ， 易 形 成 孤 立 孔 隙 ， 影响最终强度。
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。
1引 言
快速成型 （Rapid prototyping） 技术是近年来迅
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， 国内外正在对其机理和应
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用进行广泛 研 究 。 [1，２] 选 区 激 光 烧 结 (Selective laser sintering 以 下 简 称 SLS) 技 术 是 快 速 成 型 技 术 的 一 种。
3.渗金属： 二次烧结后的成形件是多孔体， 强 度也不高， 提高强度的方法就是渗金属。 熔点较低 的金属熔化后， 在毛细力或重力的作用下， 通过成 形件内相互连通的孔隙， 填满成形件内的所有孔隙， 使成形件成为致密的金属件。 3.1.3 间接法的研究现状及存在的问题
用 SLS 系 统 间 接 成 型 金 属 件 ， 其 成 型 速 度 较 快， 可制造形状复杂的金属件， 主要用来快速制造 注塑模和压铸模。 美国 DTM 公司已经商品化的间接 成形材料主要用碳素钢、 不锈钢和铜粉作结构材料， 粘结剂在不断进行改进[5]。
1.渗金属： 用熔点低于结构材料的金属渗入烧 结体内孔隙中， 制成致密金属件。
2.热等静压处理烧结坯件[10]。 3.2.3 直接法的研究成果及存在的问题
美国 DTM 公司用 SLS 2000 系统成功制 作 出 了 钢-铜合金的注塑模具。 德国汉诺威激光中心采用 Nd:YAG 脉 冲 激 光 器 和 光 学 扫 描 系 统 试 验 了 不 同 粒 度的镍、 铜、 铝、 青铜等合金材料。
3 金属粉末 SLS 技术
SLS 技术是发展最快 、 最为成功且已经商业化 的快速成型方法之一， 采用该技术不仅可以制造出 精确的模型和原型， 还可以成型具有可靠结构的金 属零件作为直接功能件使用。 因此， 在现代制造业 中受到越来越广泛的重视 [3]。 目 前， 根据 SLS 成形 材料以及烧结件是否需要二次 烧结 ， 金属粉末 SLS 技术分为直接法和间接法。 直接法是指烧结件直接 为全金属制件； 间接法金属 SLS 的烧结件为金属粉 末与聚合物粘结剂的混合物， 要经过降解聚合物、 二次烧结等后处理工序才能得到全金属制件。 本文 主要介绍这两种方法及其发展状况。 3.1 金属粉末 SLS 技术间接法
1 200 1 000
800 降解 600 400 200
渗金属 烧结
10 20 30 40 50 加 热 时 间 /h
图 2 烧结件的后处理工艺
1.降解聚合物： 典型的降解加热在两个保温阶 段完成， 先将坯件加热到 350 ℃， 保温 5 h， 然后再 升温到 450 ℃， 保温 4 h。 在这两个温度段， 聚合物 都发生分解， 其产物是多种气体， 通过加热炉上的 抽风系统去除。 通过降解， 98%以上的聚合物被去 除。
激光功率： 根据液相烧结原理要把低熔点金属 加热到熔化。 热输入量主要由激光束提供， 直接法 SLS 激光功率通常＞100 W。 DTM 公司用于烧结金属 的 SLS 系统的激光输出功率为 200 W， EOS 公司的 EOSINTM250 烧结系统的 CO2 激光器功率为 250 W。
预热温度： 在 SLS 烧结过程中都要对粉末进行 预热， 预热温度通常略低于粘结金属熔点。 对于 Ni-Cu 材料,预热温度在 400～450 ℃， DTM 公司开发 的 SLS 系统预热温度 可达 1 000 ℃， 以备烧结更高 熔点的材料。
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 在 其 硕 士 论 文 中 提 出 的 。
美国 DTM 公司于 1992 年推出了该工艺的商业化生 产 设 备 Sinter station。 十 几 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 公司在这一领域也进行了很多研究， 并开发了 相应的系列成型设备 。 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、 中北大学和北京隆源自动成 型有限公司等， 并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、 华中科技大学自 行 研 制 的 HRPSⅢ、 北 京 隆 源 公司开发的 AFS-300 激光快速成型的商品化设备。
扫描速度： 直接法烧结金属材料的扫描速度比 间 接 法 低 得 多 ， 烧 结 Cu -Ni 材 料 的 扫 描 速 度 为 7.5～38 mm/s，烧结高速钢的速度更低，仅为 1 mm/s。 3.2.2 后处理
烧结成形后， 在成形坯件中存有大量的孔隙， 相对密度只有 50%～70%[9]， 其力学 性 能 也 较 差 。 因 此， 需要后处理工序来提高密度， 以提高强度。 方 法如下：
间接法使用的材料由金属粉末与作为粘结剂的 聚合物粉末组成， 主要以两种形式存在， 一种是聚 合物粉末与金属粉末的机械混合物， 另一种是聚合 物均匀地覆在金属粉粒表面的覆膜材料。 激光烧结 过程中， 聚合物熔化并浸润到金属颗粒表面， 冷却 凝固后将金属粉末粘结， 材料成型。 3.1.1 间接法烧结成型工艺
２ 选择性激光烧结 (SLS) 技术原理 与特点
2．1 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 （如 图 1）。 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。
Development Status for Selective Laser Sintering of metal powder
XU Ru-tao1, ZHANG Jian1，2, XU Zhi-feng1, XIN Ji-zhong1 (1.Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China; 2.East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)
间接法制造金属件的缺点是制件的精度有限， 由于在降解和二次烧结过程中存在体积收缩， 补偿 的作用有限； 另外， 后处理时间比较长， 延长了生 产周期。 3.2 金属粉末 SLS 技术直接法
直接法使用的材料是单一的纯金属粉末或由高 熔点金属粉末和低熔点金属粉末混合而成。 目前，
直 接 SLS 用 的 成 形 材 料 主 要 有 : Ni -Sn、 Fe -Sn、 Cu-Sn、 Fe-Cu、 Ni-Cu 等。 3.2.1 直接法成形工艺
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徐如涛1 , 张 坚1，2, 徐志锋1, 辛集忠1
（1.南昌航空大学, 江西 南昌 330063； 2.华东交通大学, 江西 南昌 330013）
摘 要： 介绍了选区激光烧结技术的原理、 特点， 简述了选区激光烧结金属粉末的两种典型成型工艺原理， 分析讨论了这两种工艺的特点以及存在的问题， 展望了选区激光烧结技术的前景。 关键词： 快速成形； 选区激光烧结； 烧结粉末 中图分类号： TG156.99
成形坯件必须进行后处理才能成为致密的金属 功能件。 后处理一般有 3 步： 降解聚合物、 二次烧 结和渗金属， 这 3 个阶段可以在同一个加热炉中进 行，图 2 所示为在同一炉中后处理的加热温度曲线[4]， 保护气氛为 30%的 H2、 70%的 N2， 也可以在另外的 炉中渗金属。
加 热 温 度 /°
Abstract: The principle and characteristics of SLS were introduced. The latest researches on SLS, including two typical SLS of metallic powder, were described briefly. Except for the relevant problems during SLS processing analyzed, the prospect of SLS was also presented. Keywords: rapid prototyping; selective laser sintering; powder for sintering
计算机
滚筒
光学系统
激光束 未烧结粉末
CO2激 光 器 待烧结粉末
贮粉缸
烧结件 活塞
图1 选区激光烧结原理图
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2.2 SLS 的特点 1.SLS 过 程 与 零 件 复 杂 程 度 无 关 ， 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
在 SLS 系统上烧结， 成形件的质量与成形参数
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有关。 SLS 的成形参数有激光功率、 扫描速度、 扫 描间距、 层厚、 光斑大小、 粉床预热温度等。 激光 功率大， 扫描速度慢， 光斑直径小， 则激光加热能 量密度高， 粉末的烧结深度和宽度增加， 但会使成 形件容易产生翘曲变形； 反之， 如果能量密度太低， 则在金属粉粒间形成的联结强度太低， 成形件不能 保持形状； 对粉床预热可以减少变形， 但温度必须 低于粘结剂软化温度， 否则热影响区增大， 成形精 度变差； 扫描间距和层厚要兼顾成形效率和成形件 强度、 精度， 在满足后者的前提下， 使用较大的扫 描间距和层厚有利于提高成形效率。 3.1.2 后处理
国内对间接成形材料也进行了研究， 吉林工业 大学用有机树脂包覆铁基合金 98 Fe2Ni 粉末进行了 烧结研究[6]， 南京航空航天大学对金属粉末与聚合物 粉 末 混 合 材 料 进 行 了 试 验 [7]。 华 中 科 技 大 学 史 玉 升 、刘 锦辉等采用 SLS 间接方法成型 Fe-Ni-C 复合粉末毛 坯，并通过脱脂、 高温烧结和熔渗金属， 合金元素 (Ni ， C) 可以通过固相扩散到 γ-Fe 中， 经过相应的 热处理， 得到较好的下贝氏体组织并产生合金元素 (Cu ， Ni) 的沉淀和固溶强化， 使所得到的合金材料 极 限 拉 伸 强 度 超 过 350 MPa， 延 伸 率 ＜4% 。 因 此 ， 可以作为 SLS 间接制造合金零件的原料， 并可以制 造 注 塑 模 具 和 功 能 零 件 [8]。
2.二次烧结： 当聚合物大部分被降解后， 金属 粉粒间只靠残余的一点聚合物和金属粉末间的粘结 力来保持， 这个力很小。 要保持形状， 必须在金属 粉粒间建立新的联系， 即将坯件加热到更高温度，
40
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通过扩散来建立联结。 加热温度根据材料确定， 如 对于美国 DTM 公司开发的间接 SLS 材料 RapidSteel 1.0， 加热到约 1 000 ℃， 保温 8 h。 在该阶段， 烧结 体的密度增加， 其相对密度为 40%～80%。 如相对密 度 超 过 90%， 则 孔 隙 尺 寸 减 小 ， 易 形 成 孤 立 孔 隙 ， 影响最终强度。
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。
1引 言
快速成型 （Rapid prototyping） 技术是近年来迅
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， 国内外正在对其机理和应
38
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用进行广泛 研 究 。 [1，２] 选 区 激 光 烧 结 (Selective laser sintering 以 下 简 称 SLS) 技 术 是 快 速 成 型 技 术 的 一 种。
3.渗金属： 二次烧结后的成形件是多孔体， 强 度也不高， 提高强度的方法就是渗金属。 熔点较低 的金属熔化后， 在毛细力或重力的作用下， 通过成 形件内相互连通的孔隙， 填满成形件内的所有孔隙， 使成形件成为致密的金属件。 3.1.3 间接法的研究现状及存在的问题
用 SLS 系 统 间 接 成 型 金 属 件 ， 其 成 型 速 度 较 快， 可制造形状复杂的金属件， 主要用来快速制造 注塑模和压铸模。 美国 DTM 公司已经商品化的间接 成形材料主要用碳素钢、 不锈钢和铜粉作结构材料， 粘结剂在不断进行改进[5]。
1.渗金属： 用熔点低于结构材料的金属渗入烧 结体内孔隙中， 制成致密金属件。
2.热等静压处理烧结坯件[10]。 3.2.3 直接法的研究成果及存在的问题
美国 DTM 公司用 SLS 2000 系统成功制 作 出 了 钢-铜合金的注塑模具。 德国汉诺威激光中心采用 Nd:YAG 脉 冲 激 光 器 和 光 学 扫 描 系 统 试 验 了 不 同 粒 度的镍、 铜、 铝、 青铜等合金材料。
3 金属粉末 SLS 技术
SLS 技术是发展最快 、 最为成功且已经商业化 的快速成型方法之一， 采用该技术不仅可以制造出 精确的模型和原型， 还可以成型具有可靠结构的金 属零件作为直接功能件使用。 因此， 在现代制造业 中受到越来越广泛的重视 [3]。 目 前， 根据 SLS 成形 材料以及烧结件是否需要二次 烧结 ， 金属粉末 SLS 技术分为直接法和间接法。 直接法是指烧结件直接 为全金属制件； 间接法金属 SLS 的烧结件为金属粉 末与聚合物粘结剂的混合物， 要经过降解聚合物、 二次烧结等后处理工序才能得到全金属制件。 本文 主要介绍这两种方法及其发展状况。 3.1 金属粉末 SLS 技术间接法
1 200 1 000
800 降解 600 400 200
渗金属 烧结
10 20 30 40 50 加 热 时 间 /h
图 2 烧结件的后处理工艺
1.降解聚合物： 典型的降解加热在两个保温阶 段完成， 先将坯件加热到 350 ℃， 保温 5 h， 然后再 升温到 450 ℃， 保温 4 h。 在这两个温度段， 聚合物 都发生分解， 其产物是多种气体， 通过加热炉上的 抽风系统去除。 通过降解， 98%以上的聚合物被去 除。
激光功率： 根据液相烧结原理要把低熔点金属 加热到熔化。 热输入量主要由激光束提供， 直接法 SLS 激光功率通常＞100 W。 DTM 公司用于烧结金属 的 SLS 系统的激光输出功率为 200 W， EOS 公司的 EOSINTM250 烧结系统的 CO2 激光器功率为 250 W。
预热温度： 在 SLS 烧结过程中都要对粉末进行 预热， 预热温度通常略低于粘结金属熔点。 对于 Ni-Cu 材料,预热温度在 400～450 ℃， DTM 公司开发 的 SLS 系统预热温度 可达 1 000 ℃， 以备烧结更高 熔点的材料。
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 在 其 硕 士 论 文 中 提 出 的 。
美国 DTM 公司于 1992 年推出了该工艺的商业化生 产 设 备 Sinter station。 十 几 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 公司在这一领域也进行了很多研究， 并开发了 相应的系列成型设备 。 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、 中北大学和北京隆源自动成 型有限公司等， 并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、 华中科技大学自 行 研 制 的 HRPSⅢ、 北 京 隆 源 公司开发的 AFS-300 激光快速成型的商品化设备。
扫描速度： 直接法烧结金属材料的扫描速度比 间 接 法 低 得 多 ， 烧 结 Cu -Ni 材 料 的 扫 描 速 度 为 7.5～38 mm/s，烧结高速钢的速度更低，仅为 1 mm/s。 3.2.2 后处理
烧结成形后， 在成形坯件中存有大量的孔隙， 相对密度只有 50%～70%[9]， 其力学 性 能 也 较 差 。 因 此， 需要后处理工序来提高密度， 以提高强度。 方 法如下：
间接法使用的材料由金属粉末与作为粘结剂的 聚合物粉末组成， 主要以两种形式存在， 一种是聚 合物粉末与金属粉末的机械混合物， 另一种是聚合 物均匀地覆在金属粉粒表面的覆膜材料。 激光烧结 过程中， 聚合物熔化并浸润到金属颗粒表面， 冷却 凝固后将金属粉末粘结， 材料成型。 3.1.1 间接法烧结成型工艺
２ 选择性激光烧结 (SLS) 技术原理 与特点
2．1 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 （如 图 1）。 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。
Development Status for Selective Laser Sintering of metal powder
XU Ru-tao1, ZHANG Jian1，2, XU Zhi-feng1, XIN Ji-zhong1 (1.Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China; 2.East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)
间接法制造金属件的缺点是制件的精度有限， 由于在降解和二次烧结过程中存在体积收缩， 补偿 的作用有限； 另外， 后处理时间比较长， 延长了生 产周期。 3.2 金属粉末 SLS 技术直接法
直接法使用的材料是单一的纯金属粉末或由高 熔点金属粉末和低熔点金属粉末混合而成。 目前，
直 接 SLS 用 的 成 形 材 料 主 要 有 : Ni -Sn、 Fe -Sn、 Cu-Sn、 Fe-Cu、 Ni-Cu 等。 3.2.1 直接法成形工艺