3D打印概論期末論文

淺談3D打印技術(shù)之選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的原理特點(diǎn)和應(yīng)用學(xué)院：電子工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：摘要：3D打印技術(shù)作為第三次工業(yè)革命的代表性技術(shù)之一，越來(lái)越受到工業(yè)界和投資界的關(guān)注，在詳細(xì)介紹3D打印技術(shù)具有數(shù)字制造、降維制造、堆積制造、直接制造和快速制造等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，具體給出了光固化成形、材料噴射、粘結(jié)劑噴射、熔融沉積制造、選擇性激光燒結(jié)、片層壓和定向能量沉積這七類 3D打印工藝。【1】本文主要涉及3D打印技術(shù)的選擇性激光燒結(jié)技術(shù)這一方面，并就這一出發(fā)點(diǎn)來(lái)討論選擇性激光燒結(jié)技術(shù)在工業(yè)、醫(yī)用、民用品等領(lǐng)域的加工，介紹了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的原理、特點(diǎn)及其研究發(fā)展?fàn)顩r ,簡(jiǎn)述了選擇性激光燒結(jié)金屬粉末的典型成型工藝 ,并簡(jiǎn)要分析討論了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)成型金屬零件所存在的一些問題。最后 ,總結(jié)了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：3D打印、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、生物醫(yī)用、燒結(jié)高分子材料、陶瓷成型、創(chuàng)新技術(shù)Abstract:3Dprintingtechnologyisoneofthethirdindustrialrevolution;ithasbeenincreainglybecomepopularintheindustrialsectorsandinvestorcommunity.Onthebasisofintroductiontheadvantagesof3Dprintingtechnology,e.g.,digitalmanufacturing,dimensionreductionmanufacturing,additivemanufacturing,directmanufacturingandrapidmanufaturing,seventypesof3Dprintingprocesses,i.e,stereolithigraphyapparatus,polyjet,threedimensionalprintingandgluing,fuseddepositionmodeling,selectinglasersintering,laminatedobjectmanufacturingandlaserengineeringnetshapearegiven.Thispapermainlyrelatestothe3Dprintingtechnologyofselectivelasersinteringtechnologyasonehand,andthisisjustastartingpointtodiscusstheselectivelasersinteringtechnologyappliedinthefieldofindustrial,medicalandcivilianproductsprocessing.Andthepassageintroducestheprinciple,characteristicsandresearchdevelopmentsituation ofselectivelasersinteringtechnology,expoundingthetypicalofselectivelasersinteringofmetalpowderformingtechnology,anddiscuss someproblemsoftheformingmetalpartsofselectivelasersinteringtechnology.Finally,theapplicationofselectivelasersinteringtechnologyissummarizedandthedevelopmentprospectithasbeenshown.Keywords:3Dprintingtechnology、electivelasersinteringtechnology、biologic andbiomedicalapplication 、Sinteringpolymermaterials、ceramicforming、innovativetechnology緒論：21世紀(jì)90年代開始，隨著世界經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈化和全球化，產(chǎn)品制造商們?cè)絹?lái)越需要以最短的時(shí)間制造出符合人們消費(fèi)需求的新產(chǎn)品來(lái)?yè)屨际袌?chǎng)，21世紀(jì)80年代末出現(xiàn)的快速成型（RB就是在這樣的背景下提出并逐步得以發(fā)展的技術(shù)是一種逐層零件制造工藝，它突破傳統(tǒng)的材料變形成型和去除材料成型的工藝方法，使用近乎全自動(dòng)化的工藝從文件直接生產(chǎn)所需要的模型或模具，可以顯著減少產(chǎn)品原型的開發(fā)時(shí)間和成本，極大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量；另外，RP制造過程中不需要任何傳統(tǒng)意義上的工裝夾具、刀具或模具即可制造出任何復(fù)雜形狀的零部件。因此，這項(xiàng)技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)中越來(lái)越具有競(jìng)爭(zhēng)力，有望成為21世紀(jì)的的主流制造技術(shù)。由于SLS（激光燒結(jié)成型）工藝具有粉末選材廣泛、適用性廣、制造工藝比較簡(jiǎn)單、成形精度高、無(wú)需支撐結(jié)構(gòu)、可直接燒結(jié)零件等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前發(fā)展最快、最為成功的且已經(jīng)商業(yè)化的 RP方法之一，在現(xiàn)代制造業(yè)得到越來(lái)越廣泛的重視。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)及其特點(diǎn)選擇性激光燒結(jié)技術(shù)選擇性激光燒結(jié)是采用激光有選擇地分層燒結(jié)固體粉末 ,并使燒結(jié)成型的固化層層層疊加生成所需形狀的零件。其整個(gè)工藝過程包括CAD真型的建立及數(shù)據(jù)處理、鋪粉、燒結(jié)以及后處理等。與其它RP方法相比,SLS最突出的優(yōu)點(diǎn)在于它所使用的成型材料十分廣泛。從理論上說 ,任何加熱后能夠形成原子間粘結(jié)的粉末材料都可以作為SLS的成型材料。目前，可成功進(jìn)行SLS成型加工的材料有石蠟、高分子、金屬、陶瓷粉末和它們的復(fù)合粉末材料。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)特點(diǎn)SLS技術(shù)的特點(diǎn)歸納起來(lái)主要有以下幾點(diǎn)：①過程與零件復(fù)雜程度無(wú)關(guān) ,是真正的自由制造 ,這是傳統(tǒng)方法無(wú)法比擬的。SLS與其它RP不同，不需要預(yù)先制作支架，未燒結(jié)的松散粉末作了自然支架。SLS可以成型幾乎任意幾何形狀的零件 ,對(duì)具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件特別有效。②產(chǎn)品的單價(jià)幾乎與批量無(wú)關(guān) ,特別適合于新產(chǎn)品的開發(fā)或單件、小批量零件的生產(chǎn)。③生產(chǎn)周期短,從CADS計(jì)到零件的加工完成只需幾小時(shí)到幾十小時(shí),整個(gè)生產(chǎn)過程數(shù)字化,可隨時(shí)修正、隨時(shí)制造。這一特點(diǎn)使其特別適合于新產(chǎn)品的開發(fā)。④與傳統(tǒng)工藝方法相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)快速鑄造、快速模具制造、小批量零件輸出等功能,為傳統(tǒng)制造方法注入新的活力。⑤材料范圍寬，任何受熱粘結(jié)的粉末材料都有被用作 SLS原材料的可能性。材料無(wú)浪費(fèi),未燒結(jié)的粉末可重復(fù)使用。⑥應(yīng)用面廣。由于成型材料的多樣化，使得SLS適合于多種應(yīng)用領(lǐng)域，如原型設(shè)計(jì)驗(yàn)證、模具母模、精鑄熔模、鑄造型殼和型芯等?！?3】選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的材料在發(fā)展選擇性激光燒結(jié)這類3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程中，制造設(shè)備和材料基礎(chǔ)研究是兩大關(guān)鍵技術(shù)選擇性激光燒結(jié)對(duì)原材料要求較為苛刻，材料需要以粉末狀提供；燒結(jié)過程中，材料在快速融化和凝固等物態(tài)變化之后，仍須具有良好的物理和化學(xué)性質(zhì)，可應(yīng)用于選擇性激光燒結(jié)成型的材料不僅種類少、成本昂貴，而且加工工藝也比較復(fù)雜， 因而難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。 常用于選擇性激光燒結(jié)研究的材料，有金屬材料、陶瓷材料、聚合物材料以及它們之間的合材料，下面主要說明高分子復(fù)合材料與松木粉 /聚醚砜樹脂復(fù)合材料的制備方法。高分子復(fù)合材料目前,常用于制備 SLS復(fù)合材料的制備方法主要有 4種，包括機(jī)械混合法、覆膜法、雙螺桿擠出粉碎法以及后處理浸滲法 ,下面將分別進(jìn)行論述。機(jī)械混合法SLS用無(wú)機(jī)填料填充尼龍復(fù)合粉末的制備方法主要為機(jī)械混合法； 其基本工藝過程為:將高分子粉末與各種填料粉末在三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)、高速捏合機(jī)或其他混合設(shè)備中進(jìn)行機(jī)械混合 .機(jī)械混合方法工藝簡(jiǎn)單、 對(duì)設(shè)備要求低 ,然而當(dāng)填料粉末的粒徑非常?。ㄈ绶勰┝叫∮?0^m）時(shí)或者當(dāng)填料（如金屬粉末）的比重比高分子大得多時(shí) ,機(jī)械混合法很難將無(wú)機(jī)填料顆粒均勻地分散在高分子基體中,而且在運(yùn)輸及 SLS鋪粉過程中粉末顆粒容易產(chǎn)生偏聚現(xiàn)象 ,使得SLS成形件中存在非均勻分布的填料顆粒團(tuán)聚體,反而會(huì)造成成形件的性能下降.覆膜法覆膜法采用某種工藝將高分子包覆在填料顆粒的外表面 ,形成高分子覆膜的復(fù)合粉末 .在覆膜復(fù)合粉末中,填料和高分子基體混合比較均勻,而且在運(yùn)輸和鋪粉過程中也不會(huì)產(chǎn)生偏聚現(xiàn)象 .高分子覆膜金屬或陶瓷復(fù)合粉末廣泛用于間接法SLS制備金屬或陶瓷零件。其制備工藝多為噴霧干燥法制備 ,所用的聚合物為乳液狀的PMMA及其4J生物.另一種覆膜工藝為溶劑沉淀法.該法是在制備尼龍粉末的同時(shí) ,將填料顆粒也加入反應(yīng)容器中,這樣在尼龍溶解和結(jié)晶過程中,將尼龍均勻包裹在填料顆粒表面 ,形成覆膜粉末。雙螺桿擠出粉碎法該方法是先將各種助劑與高分子材料經(jīng)過雙螺桿擠出機(jī)共混擠出造粒,制得粒料,再經(jīng)低溫粉碎制得粉料 ,這種方法制備的粉末材料分散均勻性好 ,但是由于粉末是通過深冷粉末制備的，因此形狀極其不規(guī)則，不利于鋪粉和成形件精度的提高。后處理浸滲法高分子尤其是非結(jié)晶性高分子的SLS成形件中存在一定孔隙，造成其力學(xué)性能較低.因此，后處理浸滲法在SLS初始形坯中滲入另外一種材料，形成復(fù)合材料，固化后成形件致密度和力學(xué)性能得到提高?！?】松木粉/聚醴碉樹脂復(fù)合材料的制備與實(shí)驗(yàn)松木粉來(lái)源廣?S且價(jià)格低廉；聚醴碉樹脂作為木塑復(fù)合材料的黏結(jié)劑，具有機(jī)械強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好以及優(yōu)良的成型加工性能等特點(diǎn)?？梢岳孟旅娴膶?shí)驗(yàn)制備松木粉復(fù)合粉末，并用于選擇性激光燒結(jié)；制備工藝簡(jiǎn)單，復(fù)合粉末易獲得。實(shí)驗(yàn)材料設(shè)備和方法將干燥好的松木粉和密封存儲(chǔ)的PES?末，按照表1的3種配比方案進(jìn)行混粉；分別在手動(dòng)機(jī)械冷混后，放入高速混合機(jī)中。先低速間歇混合 10min,然后高速混合1min;溫度控制在55。以下，防止溫度高時(shí)，材料發(fā)生黏結(jié)現(xiàn)象。最后，將3種不同質(zhì)量比的復(fù)合粉末分別放入隔潮袋子中。表I松木粉/PES復(fù)合材料的3種配比情況力輪號(hào)■松木杭質(zhì)量，“四罩質(zhì)量/忤松木椅占總砧的廂;讓比小TOC\o"1-5"\h\z1 2.0 8.0 20II 2.0 6.0 2SIH 1S .1.5 ^0燒結(jié)試驗(yàn)為了確定松木粉PES復(fù)合粉末，用于選擇性激光燒結(jié)是否具有可行性；在正式燒結(jié)試件前，需先進(jìn)行4-5層簡(jiǎn)單的激光燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，遴選松木粉PESM合材料可成型的工藝參數(shù)以及適宜的預(yù)熱溫度。 HRPS小A型激光粉末燒結(jié)快速成型機(jī)（華中科技大學(xué)；武漢濱湖機(jī)電有限公司）的光斑直徑為（2.2--2.6）mm,掃描方式采用分組變向。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)確定，該復(fù)合粉末可用于選擇性激光燒結(jié)工藝， 適宜的預(yù)熱溫度為70-80C0實(shí)驗(yàn)1——分別對(duì)松木粉質(zhì)量比為20%25%30%勺木塑復(fù)合材料進(jìn)行激光燒結(jié)。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和初步試驗(yàn)，采用的工藝參數(shù)為：預(yù)熱溫度72C,激光功率7.7W,掃描速率1900mm/s燒結(jié)間距0.15mm單層厚度0.15mm實(shí)驗(yàn)2——根據(jù)能量密度公式，可將掃描速率設(shè)置為 2000mm/s燒結(jié)間距0.15mm單層厚度0.1mm;激光功率分別設(shè)置為3.85/5.50/6.05/7.70/8.80/9.35/9.90W 。即，分別采用0.128、0.183、0.202/0.257/0.312/0.33J/ 立方米的能量密度進(jìn)行燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，工作臺(tái)預(yù)熱溫度控制在72c左右。力學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)1結(jié)果表明:3種比例的復(fù)合粉末，均可在SLS試驗(yàn)中成型，當(dāng)松木粉質(zhì)量比增大時(shí)，燒結(jié)試件密度降低。隨著松木粉質(zhì)量比的增加，燒結(jié)試件的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度均降低（見表2）,即力學(xué)性能減弱。表2燒結(jié)試件力學(xué)性能與松木粉偵顯比的關(guān)系松木粉占息量 拉伸強(qiáng)度/ 彎曲強(qiáng)度， 抻擊費(fèi)度」的版址比，， 如以 MPib MKi20 5 0.675225 I,IK57 2,123IO.Sfift53tf 09"5 片 th45號(hào)3實(shí)驗(yàn)2結(jié)果表明：當(dāng)能量密度小于0.128J/立方米時(shí)，松木粉復(fù)合材料無(wú)法熔融成型或者燒結(jié)試件松散易分層。隨著能量密度的增加，力學(xué)性能逐漸增強(qiáng)，當(dāng)能量密度達(dá)到0.312J/立方米時(shí)，力學(xué)性能最強(qiáng)；大于此能量密度時(shí)，復(fù)合粉末發(fā)生過燒現(xiàn)象，降低了燒結(jié)試件的力學(xué)性能。燒結(jié)件的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度，隨能量密度變化的趨勢(shì)如圖3。?TOC\o"1-5"\h\z、.一營(yíng)前強(qiáng)度 0?拉拜頓度 \?沖擊強(qiáng)度 >\60?0.10ft.!5 0.20 Q.25。加。35能適轎度.1mm1國(guó)？徒星密度對(duì)松木粉小小復(fù)介材料力學(xué)性能的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)論3.2.4實(shí)驗(yàn)結(jié)論松木粉/聚醚砜樹脂，可作為激光燒結(jié)成型的一種新型木塑復(fù)合材料，其成本低、耗能低、易于制備及成型。隨著松木粉質(zhì)量比的增加，粉末顆粒的流動(dòng)性降低，燒結(jié)試件的力學(xué)性能下降。松木粉與聚醚砜樹脂的質(zhì)量比為1:4時(shí)，平均最大拉伸強(qiáng)度能達(dá)到4.85MP3彎曲強(qiáng)度達(dá)到8.22MP3沖擊弓雖度為1.26MPa試件具有良好的韌性。松木粉/聚醚砜樹脂復(fù)合材料，燒結(jié)成型所需能量較低 :當(dāng)輸入能量密度為0.128J/立方米時(shí)，該材料即可成型 ;當(dāng)輸入能量密度為0.312J/立方米時(shí)，就可達(dá)到良好的成型效果。超過此能量密度時(shí)，由于松木粉部分纖維降解，木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能逐漸下降?！?5】4.選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的應(yīng)用幾十年來(lái),SLS工藝已經(jīng)成功應(yīng)用于汽車、造船、航天和航空等諸多行業(yè)，為許多傳統(tǒng)制造業(yè)注入了新的生命力和創(chuàng)造力。下面我會(huì)就SLS的運(yùn)用最廣泛的四個(gè)方面來(lái)說明這種技術(shù)在人類生產(chǎn)的具體實(shí)現(xiàn)。藝術(shù)陶瓷的選擇性激光燒結(jié)選擇性激光燒結(jié)所用的固體粉末材料可以是塑料粉、金屬粉或陶瓷粉等。對(duì)陶瓷粉,在進(jìn)行選擇性激光燒結(jié)時(shí),要在陶瓷粉中加人一定量的粘結(jié)劑。在選擇性激光燒結(jié)后,還要對(duì)制造出的零件進(jìn)行后處理 ,即將零件放人溫控爐中在較高的溫度下進(jìn)行焙燒 ,溫控爐中的溫度按要求隨時(shí)間變化。后處理的目的是為了提高陶瓷零件的機(jī)械強(qiáng)度和耐熱強(qiáng)度?！?6】目前已有學(xué)者做了一些陶瓷材料的 SLS成形過程的研究和探討，但是這些研究都集中在三氧化鋁等功能陶瓷上，與傳統(tǒng)藝術(shù)瓷的材料及性能還是有著較大的差別。為了解決應(yīng)用SLS成形傳統(tǒng)陶瓷材料的藝術(shù)瓷方法問題，本研究就常用陶瓷材料高白土展開了實(shí)驗(yàn)。制備了高白土和環(huán)氧樹脂的混合粉末材料，采用三維軟件設(shè)計(jì)藝術(shù)瓷，再使用SLS設(shè)備成形，之后，結(jié)合冷等靜壓 (coldisostaticpressing,CIP)、施釉、高溫?zé)频群筇幚砉に?，最終制造出藝術(shù)瓷。陶瓷激光燒結(jié)裝置如圖二所示:附1如圖二所示:附1■?禺希*.Yj亂口件一.?3冉士汽示fli閨實(shí)驗(yàn)材料及SLS成形設(shè)備了獲得與傳統(tǒng)陶瓷一致的性能，主體材料選擇傳統(tǒng)陶瓷的材料。實(shí)驗(yàn)使用的是高白土，質(zhì)量含量占整體材料總量的 90%高白土中鋁和硅的含量高，泥色度白，粘性好，其主要成分為三氧化二鋁 183氧化硅62%材料中另外加入10%的環(huán)氧樹脂E-06粉末，采用球磨機(jī)混粉2h,待其混合均勻后即可獲得所需的混合粉末材料。實(shí)驗(yàn)所用成形設(shè)備為華中科技大學(xué)快速制造中心研制的HRPS山A型SLS機(jī),它的成形工作腔為500mrrX500mrtK400mm,激光波長(zhǎng)為10.6小成光斑為0.2mm實(shí)驗(yàn)處理SLS:將建立好的模型文件輸入SLS機(jī)中，然后選取合適的工藝參數(shù)進(jìn)行燒結(jié)。選取的工藝參數(shù)為：激光功率為11W掃描速度1600mm/s,掃描間距0.1mm單層厚度為0.20mm。后處理：SLS之后的制件先進(jìn)行CIP:將制件浸入配置好的橡膠膠乳體系，在零件表面形成一層彈性薄膜，接著放入真空烘干箱，促使橡膠完全固化，反復(fù)多次，直到其隨形包套厚度達(dá)到要求。隨形包套完成后，再進(jìn)行壓力保壓。 CIP完成后施釉，采用吹釉的方式將制件整體施高溫黃釉， 注意吹釉過程要均勻，并在嘴部和眼部分別涂紅釉和黑釉（底部不上釉），陰干。最后，將施釉完成之后的制件用硼板托著放入氣窯，溫度設(shè)定1290C,燒制12h,然后隨爐冷卻。實(shí)驗(yàn)結(jié)論通過實(shí)驗(yàn)及分析，本研究可以得到以下結(jié)論：采用SLS來(lái)成形藝術(shù)瓷這種工藝從技術(shù)上來(lái)說是完全可行的。它從設(shè)計(jì)到成形都較好的將數(shù)字化和自動(dòng)化過程引入了傳統(tǒng)行業(yè)；所得成品能較準(zhǔn)確地反應(yīng)制件的數(shù)字化設(shè)計(jì)原貌，并且成形速度快，不需要石膏模等模具的工藝支撐；工藝的成形過程不僅應(yīng)用到了 SLS,還應(yīng)用到了CIP,成形過程相對(duì)麻煩，從而使工藝的應(yīng)用上有所局限?！?7】選擇性激光燒結(jié)技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用近年來(lái)基于快速成形工藝(RPM泯術(shù)的模具制造技術(shù)已從最初的原形制造,發(fā)展到快速工模具制造，成為國(guó)內(nèi)外應(yīng)用研究開發(fā)的重點(diǎn)?；赗PM勺模具制造技術(shù)可分為直接制模法和間接制模法。直接制模法直接制模法是直接采用RPMK術(shù)制作模具,即采用SLS法。用這種方法制造的鋼制銅合金注射模，使用壽命可達(dá)50000件以上。但采用SLS法在燒結(jié)過程中材料易產(chǎn)生較大收縮,精度難以保證。間接制模法間接制模法可分為軟質(zhì)簡(jiǎn)易模具的制作和鋼質(zhì)模具的制作。軟質(zhì)簡(jiǎn)易模具的制作采用硅橡膠、金屬粉環(huán)氧樹脂粉和低熔點(diǎn)合金等將原形準(zhǔn)確復(fù)制成模具 ,或?qū)υ瓦M(jìn)行表面處理 ,用金屬噴涂法或物理蒸發(fā)沉積法鍍上一層熔點(diǎn)較低的合金來(lái)制作模具。這種模具的壽命通常在 50件?5000件，但由于其制造成本低、周期短,特別適合于產(chǎn)品試制階段或小批量的生產(chǎn)。鋼質(zhì)模具的制作將RPMK術(shù)與精密鑄造技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)金屬模的快速制造，或者直接制造出復(fù)形精度較高的EDMfe極，用于注塑模、鍛模、壓鑄模等鋼制模具型腔的加工。一個(gè)中等大小、較為復(fù)雜的電極通常只需要4h?8h即可完成，而且復(fù)形精度完全能滿足圖紙的要求。福特汽車公司曾采用此技術(shù)制造汽車模具取得了滿意的效果；上海交通大學(xué)也已通過RP與精密鑄造結(jié)合的方法為汽車及汽車輪胎等行80余副。與傳統(tǒng)機(jī)加工比較 ,快速模具制造的制作成本及周期可大大降低。我國(guó)每年需進(jìn)口模具達(dá) 8億多美元,主要是復(fù)雜模具和精密模具 ,因此,SLS技術(shù)在未來(lái)的模具制造業(yè)中的應(yīng)用前景十分廣闊。實(shí)驗(yàn)結(jié)論SLS技術(shù)是目前國(guó)際上比較流行的快速成形技術(shù)之一 ，它可以大大縮短產(chǎn)品投放市場(chǎng)的周期,同時(shí)可以降低生產(chǎn)成本 ,增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力；而在模具制造方面更具有很大優(yōu)勢(shì) ,是今后模具制造領(lǐng)域研究的主要方向之一。【8】選擇性激光燒結(jié)技術(shù)在生物醫(yī)用材料中的應(yīng)用生物醫(yī)用材料是和生物系統(tǒng)相互作用，用來(lái)對(duì)生物體進(jìn)行診斷、治療、修復(fù)和置換病變或損壞組織、器官或增進(jìn)其功能的一類材料，近年來(lái)，隨著人們生活水平不斷改善及平均壽命延長(zhǎng)，對(duì)生物醫(yī)用材料的需求快速增長(zhǎng)，由于SLS技術(shù)具有原材料選擇廣泛、工藝過程簡(jiǎn)單、成形效率高、無(wú)需支撐等優(yōu)點(diǎn)，得到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的高度重視。SLS技術(shù)制備生物醫(yī)用材料SLS技術(shù)制備的生物醫(yī)用材料主要為生物醫(yī)用高分子材料、生物醫(yī)用金屬材料和生物醫(yī)用復(fù)合材料。這些醫(yī)用材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域主要用來(lái)制作醫(yī)用模型、植入體及贗復(fù)體和組織工程支架。醫(yī)用模型SLS技術(shù)最早在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用是用來(lái)制作醫(yī)用模型， 為臨床提供醫(yī)療診斷，外科手術(shù)的設(shè)計(jì)與規(guī)劃，手術(shù)過程的模擬及醫(yī)用教學(xué)。 SLS技術(shù)制作個(gè)性化頭顱骨模型的具體操作過程為：1.建模素材，選取一個(gè)經(jīng)防腐處理的頭顱骨標(biāo)本。2.CT掃描，采用CT掃描機(jī)對(duì)頭顱標(biāo)本進(jìn)行連續(xù)螺旋掃描。將得到的斷層掃描圖像傳入重建工作站DICOMl^式存儲(chǔ)。3.三維模型重建，采用Mimics軟件自動(dòng)讀取DICOM&式的圖像文件。通過對(duì)骨組織區(qū)域識(shí)別、提取和三維疊加。完成頭顱骨缺損幾何模型的三維重建。重建好的數(shù)據(jù)通過CTM模塊輸出為STL格式文件。4.快速成形，采用MagicsRP實(shí)體分層軟件。以一定的間距對(duì)STL格式文件分層。生成STL所需的斷層STL文件。然后將分層的STL文件輸入STL成形機(jī)，將模型加工成形。植入體及贗復(fù)體植入體與贗復(fù)體采用與人體相容的生物材料制作，植入或戴入人體后可以起到治療康復(fù)作用，從生物醫(yī)學(xué)工程的角度，植入物必須滿足以下條件：1.足夠的機(jī)械強(qiáng)度以承受機(jī)體的自重和運(yùn)動(dòng)時(shí)的沖擊；2.個(gè)體匹配性，以與缺損部位和周圍組織相匹配；3.良好的生物組織相容性。然而現(xiàn)存的植入物缺乏個(gè)體匹配性。材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和SLS技術(shù)的迅速發(fā)展，使植入物的個(gè)體化設(shè)計(jì)、快速制造及普及成為可能。下面介紹我國(guó)科學(xué)家的兩種獲得植入體及贗復(fù)體途徑：李蘭風(fēng)等科學(xué)家采用層析法獲得左側(cè)耳廓數(shù)據(jù)，三維重建左側(cè)耳廓數(shù)字模型，鏡像反求出右側(cè)耳廓的三維數(shù)字模型，用蠟粉采用SLS技術(shù)制作出右側(cè)耳廓的蠟?zāi)?，并進(jìn)行皮膚紋理及毛孔的雕刻。最后通過水浴加熱法去蠟復(fù)制出硅橡膠耳贗復(fù)體。這樣得到的耳廓蠟?zāi)＞哂辛己玫耐庑魏途?，達(dá)到了臨床應(yīng)用的要求。而且蠟?zāi)？梢灾苯舆M(jìn)行贗復(fù)體的后期處理工作，快速制作出耳贗復(fù)體。陳德敏等科學(xué)家通過螺旋CT掃描，CADE維重建成像，SLS技術(shù)，首先制成與患者顱骨缺損部位幾何形態(tài)相同的個(gè)性化實(shí)體模型；然后應(yīng)用翻模工藝和復(fù)合型生物活性人工骨材料，制成用于患者骨修復(fù)治療的顱骨。該人工顱骨幾何外形與骨缺損部位非常吻合，與健康側(cè)對(duì)稱，臨床效果非常理想。采用以上兩種方法制備贗復(fù)體的共同之處是：首先采用 CT掃描和三維重建獲得修復(fù)體的模型，然后通過SLS技術(shù)制造出實(shí)體，最后使用翻制工藝得到人工的贗復(fù)體。與傳統(tǒng)制作方法相比，節(jié)約了時(shí)間和材料費(fèi)用，減少了制作步驟和成本，為SLS技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供了依據(jù)。組織工程支架生物材料用于組織工程支架需要滿足以下要求：1.三維多孔的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。以利于細(xì)胞增殖、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和代謝廢物傳遞；2.良好的生物相容性，即無(wú)明顯的細(xì)胞毒性、炎癥反應(yīng)和免疫排斥；3.,適當(dāng)?shù)纳锝到庑?，降解速度與新組織細(xì)胞的生長(zhǎng)和繁殖相匹配；4.合適的表面理化性質(zhì)，以利于細(xì)胞的粘附、增殖和分化；5.一定的生物力學(xué)性能，能在體內(nèi)生物環(huán)境中保持結(jié)構(gòu)和外形的穩(wěn)定性和完整性。用于組織工程支架的材料主要有天然生物材料、生物陶瓷和人工合成的聚合物材料。傳統(tǒng)制備工藝如纖維粘結(jié)法、溶液澆注、瀝濾法、相分離法、氣體發(fā)泡法和顆粒燒結(jié)法等得到的組織工程支架。其力學(xué)強(qiáng)度差，孔隙相互貫通程度低，孔隙度與孔結(jié)構(gòu)的可控性不靈活?？焖俪尚渭夹g(shù)通過選擇性燒結(jié)聚合物或聚合物、生物陶瓷復(fù)合材料制造支架，支架的微觀結(jié)構(gòu)可通過調(diào)節(jié)SLS工藝參數(shù)來(lái)控制，而且得到的支架都是多孔結(jié)構(gòu)。聚醚醚酮的彈性模量與皮質(zhì)骨的彈性模量接近，并且具有良好的生物相容性?？茖W(xué)家采用SLS技術(shù)燒結(jié)PEEK/HAfi合粉末,HA的含量在10%--40%喊量分?jǐn)?shù)）變化，制作了多種成分的無(wú)溶劑多孔復(fù)合材料支架，并分析了支架的孔隙度、微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、生物活性和體外細(xì)胞的生殖能力。 SLS技術(shù)能夠控制支架的微觀結(jié)構(gòu)，這對(duì)于獲得具有相互連接網(wǎng)絡(luò)孔結(jié)構(gòu)的三維支架是非常重要的。 【9】選擇性激光燒件翹曲與開裂問題燒結(jié)件的翹曲和開裂現(xiàn)象始終是SLS工藝的一個(gè)難題，這種現(xiàn)象最根本的原因是移動(dòng)的激光點(diǎn)熱源對(duì)粉床的不均衡加熱 ,形成大的溫度梯度 ,導(dǎo)致材料體收縮的不一致。對(duì)SLS燒結(jié)件翹曲和開裂現(xiàn)象進(jìn)行研究，不僅對(duì)SLS技術(shù)有重要的意義，對(duì)其它RP技術(shù)也有一定的參考價(jià)值。翹曲和開裂的機(jī)理收縮主要發(fā)生在成形的兩個(gè)階段。第一階段發(fā)生在燒結(jié)過程中,由于致密、相變、溶解、結(jié)晶等原因造成的收縮稱為熔固收縮:第二階段是凝固后,從工作溫度降到室溫的過程 ,稱為溫致收縮。收縮和溫度梯度還會(huì)導(dǎo)致成形件微裂紋的出現(xiàn)。粉末材料發(fā)生瞬間的固一液一固相的轉(zhuǎn)變 ,導(dǎo)致體積收縮,從而產(chǎn)生拉應(yīng)力,后續(xù)材料不能充分供應(yīng)而使殘余液相液膜分離 ,產(chǎn)生微裂紋 ,這種裂紋屬于熱裂紋范疇。翹曲與開裂的影響因素?zé)Y(jié)件翹曲和開裂與材料體系本身的特性、工藝參數(shù)、工藝狀況以及燒結(jié)件結(jié)構(gòu)及定位等因素有關(guān)。材料體系通常在SLS工藝中為了減小燒結(jié)件收縮，應(yīng)選擇熱膨脹系數(shù)小的粉末材料。在多組元金屬粉末中使用低熔點(diǎn)材料 ,不僅有效利用了激光能量,同時(shí)也減小了熱應(yīng)力的影響。粉末體系的粒度通常不是均勻的,在粒度及堆垛方式的選擇上粉末體系的粒度通常不是均勻的,在粒度及堆垛方式的選擇上要盡可能的增大粉床的密度,減小熔固收縮。液相表面張力對(duì)燒結(jié)過程有著重要的影響,減小熔池液相的表面張力的影響不僅可以減小“球化”效應(yīng),同時(shí)也能減小水平方向的收縮,使熔固收縮發(fā)生在垂直方向,減小翹曲和開裂。在材料體系中添加某種或某幾種合金元素,可以在滿足使用性能的基礎(chǔ)上,增加其韌性相,提高韌性,對(duì)抑制裂紋是一種有效的方法。工藝參數(shù)及工藝狀況大量研究表明:在滿足其它要求的基礎(chǔ)上 ,降低激光能量密度可以減小燒結(jié)件的翹曲和開裂。適宜的掃描路徑可以減少溫度梯度 ,且可以分散燒結(jié)件熱應(yīng)力的方向,減少熱應(yīng)力的不利影響。所以合理的選擇掃描路徑可以減少翹曲和開裂等現(xiàn)象。激光掃描矢徑越短 ,相鄰兩次掃描間隔時(shí)間越短 ,溫度衰減慢 ,形成的溫度梯度小,可以有效減小燒結(jié)的熱應(yīng)力。另外,由于掃描線不斷的改變方向,不僅減少了收縮 ,而且使得由于收縮而引起的內(nèi)應(yīng)力方向分散 ,降低了翹曲和出現(xiàn)裂紋的可能性。如短邊掃描、分區(qū)變向掃描、 Peano曲線掃描等。粉床的合理預(yù)熱可以減少溫度梯度 ,減少熱應(yīng)力的影響 ,從而減少翹曲和開裂。所以預(yù)熱對(duì)于優(yōu)化燒結(jié)過程很重要。一般來(lái)說 ,預(yù)熱溫度在材料熔融溫度以下2c?3C,精度在±1C,而且要求在新的一層粉末鋪好后，盡快將溫度升到設(shè)定溫度 ,并且要盡量使粉床預(yù)熱溫度均勻。合理的基板的選擇,可以阻礙翹曲的發(fā)生。液相對(duì)基板高的潤(rùn)濕度 ,將增大凝固層與基板的粘結(jié)力,從而阻礙翹曲。同時(shí)液相對(duì)基板好的潤(rùn)濕性,可以減小“第一線球化”現(xiàn)象；另外,基板還應(yīng)該選擇與燒結(jié)材料熱膨脹系數(shù)一致的材料 ,防止燒結(jié)體與基板脫離而加劇翹曲和開裂。燒結(jié)件形狀結(jié)構(gòu)及定位選擇性激光燒結(jié)技術(shù)作為一種新興工業(yè)制造方法,和其它制造方法一樣有自己的工藝特點(diǎn)。根據(jù)選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的工藝特點(diǎn),合理設(shè)計(jì)工件結(jié)構(gòu),可以避免一些不利的影響。如在工件結(jié)構(gòu)中,應(yīng)盡量避免一些容易變形的薄而長(zhǎng)的結(jié)構(gòu),必要時(shí)可以添加加強(qiáng)筋。同樣在工件的不同定位中,對(duì)燒結(jié)件也有不同的影響。溫度場(chǎng)與熱應(yīng)力場(chǎng)激光熱源的高度集中和移動(dòng)造成了燒結(jié)件收縮的不均衡 ,從而導(dǎo)致了熱應(yīng)力,造成燒結(jié)件翹曲或者開裂。在材料熔化或凝固的過程中,材料會(huì)吸收或釋放出大量的潛熱 ,潛熱的吸收或釋放對(duì)粉床的溫度場(chǎng)分布影響很大。目前在潛熱處理上主要有溫度回升法 ,等效熱容法和熱焓法 ,溫度回升法是一種方便直觀的處理方法,被人們廣泛使用,如文獻(xiàn)。該方法是將金屬凝固所釋放的潛熱來(lái)使單元體自身溫度做相應(yīng)回升 ,適用于處理熔點(diǎn)溫度恒定材料 (如純金屬或者共晶合金 )的潛熱釋放過程。等效熱容法是將潛熱釋放換算成從液相線溫度到固相線溫度這個(gè)結(jié)晶區(qū)間內(nèi)的附加熱容。在知道熱焓與溫度的關(guān)系時(shí) ,也可以采用熱焓法,熱焓法是在熱焓與比熱關(guān)系的基礎(chǔ)上建立熱焓與溫度的關(guān)系方程 ,在求解這個(gè)方程時(shí) ,通過熱焓自動(dòng)計(jì)算液固相間的潛熱對(duì)溫度的影響,熱焓法與等效熱容法類似 ,適用于有一定結(jié)晶溫度范圍的合金。對(duì)比上述的三種潛熱處理方法可知:溫度回升法的思路比較明確,實(shí)現(xiàn)也比較簡(jiǎn)單,但是在程序設(shè)計(jì)中要分配大量的存儲(chǔ)空間,如果希望程序有斷點(diǎn)續(xù)算功能則會(huì)生成大量的臨時(shí)文件 ,而且溫度回升法適應(yīng)的范圍小。熱焓法和等效熱容法適應(yīng)面要廣得多,但是熱焓法引入了另一個(gè)物理量 (焓),使得計(jì)算復(fù)雜?！?0】6.關(guān)于3D打印技術(shù)與選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的展望立體光刻誕生后的幾年里，多種增材制造方法迅速興起，主要