第二章 快速成型制造工艺--III

齿轮零件如图所示。
金属齿轮零件
ξ2 快速成型制造工艺
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（三）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
可采用多种材料
从原理上说，这种方法可采用加热时粘度降低的任何粉末材料，通过材料或各类含粘 结剂的涂层颗粒制造出任何造型，适应不同的需要。
制造工艺比较简单
由于可用多种材料，选择性激光烧结工艺按采用的原料不同可以直接生产复杂形状的 原型、型腔模三维构件或部件及工具。例如，制造概念原型，可安装为最终产品模型的概 念原型，蜡模铸造模型及其它少量母模，直接制造金属注塑模等。
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激光功率
（1）激光功率的增加，尺寸误差向正方向增大 （2）激光功率增加时，强度也随着增大 （3）激光功率过大会加剧因熔固收缩而导致的制件翘曲变形 因此应综合考虑上述影响而选择适宜的烧结激光功率
扫描速度
（1）扫描速度增加，尺寸误差向负误差的方向减小 （2）扫描速度增加，烧结制件强度减小 所以也应综合考虑上述影响而选择适宜的扫描速度
原型方位确定后的加工状态
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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。 当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。
前处理
前处理阶段主要完成模型
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。右图给出 的是某个铸件的CAD模型。
某铸件的CAD模型
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粉层激光烧结叠加
在叠层加工阶段，设备根据原型的结构特点，在设定的建造参数下，自动完成 原型的逐层粉末烧结叠加过程。与LOM和SLA工艺相比较而言，SLS工艺中成形区域 温度的控制是比较重要的。
有时需要比较复杂的辅助工艺
SLS技术视所用的材料而异，有时需要比较复杂的辅助工艺过程。以聚酰胺粉末烧结 为例，为避免激光扫描烧结过程中材料因高温起火燃烧，必须在机器的工作空间充入阻燃 气体，一般为氮气。为了使粉状材料可靠地烧结，必须将机器的整个工作空间内直接参与 造型工作的所有机件以及所使用的粉状材料预先加热到规定的温度，这个预热过程常常需 要数小时。造型工作完成后，为了除去工件表面沾粘的浮粉，需要使用软刷和压缩空气， 而这一步骤必须在闭封空间中完成以免造成粉尘污染。
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一、 选择性激光烧结工艺的基本原理
选择性激光烧结加工过程是 采用铺粉辊将一层粉末材料平铺在 已成形零件的上表面，并加热至恰 好低于该粉末烧结点的某一温度， 控制系统控制激光束按照该层的截 面轮廓在粉层上扫描，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
质微粒外包裹一层聚酯）进行激光烧结得到模具后放在聚合物的溶液中浸泡一定 时间，然后放入加热炉中加热使聚合物蒸发，接着进行渗铜，出炉后打磨并嵌入 模架内即可。下图给出了采用上述工艺制作的高尔夫球头的模具及产品。
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
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
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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
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第四节 选择性激光烧结成型工艺
选择性激光烧结工艺(Selective Laser Sintering，简称SLS)又称为选区激 光烧结，由美国德克萨斯大学奥汀分校的C. R. Dechard于1989年研制成功。 该方法已被美国DTM公司商品化。于1992年开发了基于SLS的商业成型机 (Sinterstation)。十几年来，DTM公司在SLS领域做了大量的研究工作。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。 国内华中科技大学（武汉滨湖机电产业有限责任公司）、南京航空航天 大学、中北大学和北京隆源自动成型有限公司等，也取得了许多重大成果和 系列的商品化设备。
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。
某铸件经过渗蜡处理的SLS原型
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（二）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
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五、选择性激光烧结工艺参数
在选择性激光烧结的过程中，通过CO2激光器放出的热量使粉末材料加热熔化 后一层层地叠加组成一个三维物体。激光束在计算机的控制下，通过扫描器以一 定的速度和能量密度按分层面的二维数据扫描。激光束扫描之处，粉末烧结成一 定厚度的实体片层，未扫描的地方仍保持松散的粉末状。根据物体截面层的厚度 而升降工作台，铺粉滚筒再次将粉铺平后，开始新一层的扫描。然后激光束又照 射这层被选定的区域使其牢固地粘结在前一层上。如此重复直到整个制件成型完 毕。 烧结工艺参数，如激光功率、扫描速度和方向及间距、烧结温度、烧结时 间以及层厚度等对层与层之间的粘接、烧结体的收缩变形、翘曲变形甚至开裂 都会产生很大的影响。
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三、选择性激光烧结工艺
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。
（一）高分子粉末材料烧结工艺
和其他快速原型工艺方法一样，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。
但是，选择性激光烧结工艺的缺点也比较突出，具体如下：
原型表面粗糙
由于SLS工艺的原材料是粉状的，原型的建造是由材料粉层经过加热熔化而实现逐层 粘接的，因此，原型表面严格讲是粉粒状的，因而表面质量不高。
烧结过程挥发异味
SLS工艺中的粉层粘接是需要激光能源使其加热而达到熔化状态，高分子材料或者粉 粒在激光烧结熔化时一般要挥发异味气体。
厚度，铺料辊又在上面铺上一层
均匀密实的粉末，进行新一层截面的烧结，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。 当实体构建完成并在原型部分充分冷却后，粉末块会上升到初始的位置，将 其拿出并放置到工作台上，用刷子小心刷去表面粉末露出加工件部分，其余残留 的粉末可用压缩空气除去。
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二 、选择性激光烧结工艺的特点
选择性激光烧结工艺和其它快速成型工艺相比，具有较多的优点：
可直接制作金属制品
在目前广泛应用的几种快速原型工艺方法中，唯有SLS方法可直接烧结制作金属材质 的原型，这是SLS工艺的独特优点。
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。
※后处理后力学性能得到了显著提高
渗树脂后，烧结件的硬度（HD）由51提高到73左右，抗冲性能约为未处理 件的1.9~2.7倍，未经树脂处理的原烧结制件的最大压力26.894MPa，经不同环氧 树脂体系处理烧结制件的最大受压为47.207～67.137MPa。处理过后的抗压能力 约为之前的1.8～2.5倍。
基于SLS工艺的金属零件间接制 造工艺过程
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原型制作关键技术
（1）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 （2）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
褐件制作关键技术
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。
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四、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 要用于融模铸造的消失型时，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。
无需支撑结构
和LOM工艺一样，SLS工艺也无需设计和需要支撑结构，叠层过程中出现的悬空层面 可直接由未烧结的粉末来实现支撑。
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材料利用率高
由于SLS工艺过程不需要支撑结构，也不象LOM工艺那样出现许多工艺废料，也不需 要制作基底支撑，所以该工艺方法在常见的几种快速原型工艺中材料利用率是最高的，材 料的利用率基本可以认为是100％。SLS工艺中的多数粉末的价格较便宜，所以SLS模型的 成本相比较来看也是较低的。
烧结间距
（1）烧结间距增加，尺寸误差向负误差方向减小 （2）烧结间距增加，烧结制件强度减小 （3）烧结间距增加，成型效率提高 所以也应综合考虑上述影响而选择适宜的扫描间距
单层层厚
（1）单层层厚增加，尺寸误差向负误差方向减小 （2）单层层厚增加，烧结制件强度减小 （3）单层厚度增加，成型效率提高 所以也应综合考虑上述影响而选择适宜的单层厚度
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形。SLS的原理与SLA十分相象，主要 区别在于所使用的材料及其形状。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。这是该项技术的主要优点之一，因为理论 上任何可熔的粉末都可以用来制造模型，这样的模型可以用作真实的原型制 件。
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六、选择性激光烧结工艺的应用
１、直接制作快速模具 SLS工艺可以选择不同的材料粉末制造不同用途的模具，用SLS法可直接烧结 金属模具和陶瓷模具，用作注塑、压铸、挤塑等塑料成型模及钣金成形模。DTM
公司用Rapid Tool™专利技术，在SLS系统Sinterstation2000上将Rapidsteel粉末（钢
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。基于SLS方法间接金属零件的 制造工艺过程如图所示。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。
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。
基于SLS工艺的金属零件直接制 造工艺流程
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四、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