光固化快速成型方法

光固化快速成型方法第一頁，共十六頁，2022年，8月28日1.SLS的基本原理SLS采用鋪粉輥將一層粉末材料平鋪在已成型零件的上表面，并加熱至恰好低于該粉末燒結(jié)點的某一溫度，控制系統(tǒng)控制激光束按照該層的截面輪廓在粉層上掃描，使粉末的溫度升到熔化點，進(jìn)行燒結(jié)并與下面已成型的部分實現(xiàn)粘結(jié)。一層完成后，工作臺下降一層厚度，鋪料輥在上面鋪上一層均勻密實粉末，進(jìn)行新一層截面的燒結(jié)，直至完成整個模型。其基本組成如圖1所示，包括激光器、光學(xué)系統(tǒng)、粉料送進(jìn)與回收系統(tǒng)、升降機構(gòu)、工作臺、構(gòu)造室等。第二頁，共十六頁，2022年，8月28日圖1-SLS系統(tǒng)的基本組成第三頁，共十六頁，2022年，8月28日2.選擇性激光燒結(jié)工藝的特點優(yōu)點：（1）可采用多種材料理論上講，可采用加熱時黏度降低的任何粉末材料，通過材料或各種含黏結(jié)劑的涂層顆粒制造任何造型。（2）制造工藝簡單由于可用材料比較多，該工藝按材料的不同可以直接生產(chǎn)復(fù)雜形狀的原型、型腔模三維構(gòu)建或部件及工具。（3）高精度該工藝一般能夠達(dá)到工件整體范圍內(nèi)（0.05-2.5)mm的公差。（4）無需支撐結(jié)構(gòu)疊層過程出現(xiàn)的懸空層可直接由未燒結(jié)的粉末來支撐。（5）材料利用率高該工藝不用支撐，不需制作基底支撐，為常見幾種RP工藝?yán)寐首罡叩?，且價格較便宜。第四頁，共十六頁，2022年，8月28日缺點：（1）表面粗糙由于原材料是粉狀的，原型建造是由材料粉層經(jīng)過加熱熔化實現(xiàn)逐層粘結(jié)的，因此，原型表面嚴(yán)格講是粉粒狀的，因而表面質(zhì)量不高。（2）燒結(jié)過程有異味SLS工藝中粉層需要激光使其加熱達(dá)到熔化狀態(tài)，高分子材料或者粉粒在激光燒結(jié)時會揮發(fā)異味氣體。（3）有時輔助工藝較復(fù)雜拿聚酰胺粉末燒結(jié)來說，為避免激光掃描燒結(jié)過程中材料因高溫起火燃燒，需在工作空間加入阻燃?xì)怏w，多為氮氣。燒結(jié)前要預(yù)熱，燒結(jié)后要在閉封空間去除工件表面浮粉，以避免粉塵污染。第五頁，共十六頁，2022年，8月28日3.選擇性激光燒結(jié)工藝3.1高分子粉末燒結(jié)工藝

可分為前處理、粉層燒結(jié)疊加以及后處理三個階段。(1)前處理主要完成三維CAD造型并經(jīng)STL數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后輸入到粉末激光燒結(jié)系統(tǒng)中。（2）粉層激光燒結(jié)疊加在疊加階段，設(shè)備根據(jù)原型的結(jié)構(gòu)特點，在設(shè)定的建造參數(shù)下，自動完成原型的逐層粉末燒結(jié)疊加過程。其中，溫控較重要。先預(yù)熱，并根據(jù)原型結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行制作方位確定，并設(shè)置為加工狀態(tài)。然后設(shè)定工藝參數(shù)，如層厚、掃描方式、激光功率、燒結(jié)間距等。成型區(qū)域溫度達(dá)到預(yù)定值時啟動制作，為減少翹曲變形，應(yīng)根據(jù)截面變化調(diào)整粉料預(yù)熱溫度。所有疊層加工完畢后，將原型在成型缸中緩冷到40度以下。（3）后處理激光燒結(jié)原型件強度弱，需根據(jù)使用要求進(jìn)行滲蠟或是滲樹脂等補強處理。第六頁，共十六頁，2022年，8月28日

3.2金屬零件間接燒結(jié)工藝

使用的材料為混合有樹脂材料的金屬粉末材料，SLS工藝工藝主要實現(xiàn)包裹在金屬粉粒表面樹脂材料的粘結(jié)。其工藝可分為三個階段：SLS原型件（“綠件”）的制作、粉末燒結(jié)件（“褐件”）的制作、金屬溶滲后處理。如下圖2表示

第七頁，共十六頁，2022年，8月28日（1）原型件制作關(guān)鍵在于如何選用合理的粉末配比和加工工藝參數(shù)實現(xiàn)原型件的制作。SLS原件成型中環(huán)氧樹脂粉末比例（在1：5-1：3之間）、激光掃描速度、掃描層厚（小于激光束的燒結(jié)深度）、掃描間隔(為保證加工層面與掃描線之間的牢固粘結(jié)，不宜過大）等均要適中?？偟膩碚f，要保證層面之間與燒結(jié)線之間的牢固結(jié)合、粉末材料的充分熔化和燒結(jié)成型各參數(shù)的互相匹配。同時盡量做到粉末材料不炭化和燒結(jié)過程平穩(wěn)。在此基礎(chǔ)上盡可能采用較大的參數(shù)以提高效率。第八頁，共十六頁，2022年，8月28日（2）褐件制作關(guān)鍵在于燒失原型件中的有機雜質(zhì)，獲得有相對準(zhǔn)確形狀和強度的金屬結(jié)構(gòu)體。兩次燒結(jié)中溫度設(shè)時間是主要的影響因素，在黏結(jié)劑燒失同時，使金屬粉末顆粒間發(fā)生微熔粘結(jié)，保證原型件不致塌陷。（3）金屬熔滲階段的關(guān)鍵在于選用合適的熔滲材料及工藝，以獲得較致密的最終金屬零件。經(jīng)過二次與三次燒結(jié)得到一個用一定強度硬度及內(nèi)部有疏松性結(jié)構(gòu)的“褐件”，這對金屬熔滲有利。所選滲入金屬必須比“褐件”中金屬的熔點低，以保證在較低溫度下滲入。第九頁，共十六頁，2022年，8月28日3.3金屬零件直接燒結(jié)工藝

金屬零件直接燒結(jié)工藝采用的是純粹的金屬粉末，采用激光能源對金屬粉末直接燒結(jié)，使其融化，實現(xiàn)疊層的堆積。成型過程時間明顯縮短，無需復(fù)雜的后處理。但要求激光器的功率較大以保證燒結(jié)中金屬的直接熔化。因而直接燒結(jié)中激光參數(shù)選擇、被燒結(jié)金屬粉末材料的熔凝過程及其控制是燒結(jié)成型的關(guān)鍵。激光參數(shù)包括激光功率、光斑直徑、和掃描間隔。金屬粉末的融化和凝固時同時進(jìn)行的，每道熔區(qū)可分為熔化過渡區(qū)和熔化區(qū)。注意功率的影響。第十頁，共十六頁，2022年，8月28日3.4陶瓷粉末燒結(jié)工藝

該工藝需要在粉末中加入黏結(jié)劑。目前所用的純陶瓷粉末原料有Al2O3和SiC，而黏結(jié)劑有無機粘結(jié)劑、有機粘結(jié)劑和金屬黏結(jié)劑等三種。加無機粘結(jié)劑磷酸二氫氨（NH4H2PO4)，加熱到190oC時，分解出的P2O4與AL2O3反應(yīng)生成AlPO4,是一種黏結(jié)劑。甲基丙烯酸甲酯（PMMA)與Al2O3按一定比例混合后用激光掃描使PMMA熔化將粉末粘結(jié)，并在后續(xù)處理中除去PMMA。對于Al2O3粉末中加入Al粉進(jìn)行燒結(jié)，使Al熔化起到黏結(jié)劑作用。本工藝可以直接燒結(jié)鑄造用的型殼來生產(chǎn)各類鑄件甚至是復(fù)雜的金屬零件。第十一頁，共十六頁，2022年，8月28日4.選擇性激光燒結(jié)工藝參數(shù)

燒結(jié)工藝參數(shù)對精度和強度的影響是很大的。主要包括激光功率、掃描速度、燒結(jié)間距和單層層厚等，此外，預(yù)熱也是SLS工藝的一個重要環(huán)節(jié)。（1）激光功率隨著功率增加，尺寸誤差向正方向增大，且厚度方向的增大要比寬度方向的尺寸誤差大，主要是由于對于波長一定的激光，其光斑直徑是固定的。此外，功率增加強度也會隨著增大，但過大會加劇固化收縮引起的翹曲變形，所以要綜合選用激光和燒結(jié)工藝參數(shù)。（2）掃描速度當(dāng)掃描速度增大時，尺寸誤差向負(fù)誤差方向減小，強度減小。第十二頁，共十六頁，2022年，8月28日（3）燒結(jié)間距

隨著掃描間距的增大尺寸誤差向負(fù)誤差方向減小，同時強度減小。掃描間距越小，單位面積上能量密度越大，熔化越充分，強度越高。重疊部分越大，溫度會升高，使更多的粉末燒結(jié)在一起，使誤差向正方向增大。間距越大，強度降低。同時影響效率，應(yīng)綜合考慮。（4）單層層厚隨著單層層厚增加，強度減小，尺寸誤差向負(fù)方向減小。層厚增加，粘結(jié)牢固程度減弱，容易剝離，強度降低，且要熔化的粉末增加向外傳遞的熱量減少，使尺寸誤差向負(fù)方向減小，由于影響效率應(yīng)綜合考慮。第十三頁，共十六頁，2022年，8月28日

此外，預(yù)熱是一個重要環(huán)節(jié)，沒預(yù)熱或是不均勻?qū)钩尚蜁r間增加，成型零件性能和精度降低。經(jīng)過預(yù)熱可減少燒結(jié)時的熱應(yīng)力，防止其產(chǎn)生翹曲和變形，提高精度。第十四頁，共十六頁，2022年，8月28日5.選擇性激光燒結(jié)工藝的應(yīng)用（1）直接制作快速模具SLS工藝可用不同的材料制造不同用途的模具，可直接燒結(jié)金屬模具和陶瓷模具，用作注塑、壓鑄、擠塑等塑料成型模具及鈑金成型模。（2）復(fù)雜金屬零件的快速無模具鑄造