激光燒結(jié)工藝的發(fā)展

激光燒結(jié)工藝的發(fā)展

0重組制造工藝typ技術(shù)隨著世界經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的全球化，制造行業(yè)越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向市場(chǎng)，提高其競(jìng)爭(zhēng)力。20世紀(jì)80年代末出現(xiàn)的快速成型(RapidPrototyping,RP)技術(shù)較好地滿足了這一需要。RP技術(shù)是對(duì)一系列逐層零件制造工藝的統(tǒng)稱,它使用近乎全自動(dòng)化的工藝直接從CAD文件生產(chǎn)所需要的模型或模具,可以顯著減少產(chǎn)品原型的開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。由于可以將更多的時(shí)間用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和優(yōu)化,及早發(fā)現(xiàn)和更正設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤,因而RP技術(shù)還可以極大提高產(chǎn)品的質(zhì)量。選擇性激光燒結(jié)(SelectiveLaserSintering,SLS)工藝作為激光在RP領(lǐng)域中的典型應(yīng)用,本文對(duì)其工藝原理、實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展方向進(jìn)行了詳細(xì)介紹。1sls生產(chǎn)設(shè)備SLS工藝最初由美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校(UniversityofTexasatAustin)的CarlDeckard于1989年在其碩士論文中提出,后美國(guó)DTM公司于1992年推出了該工藝的商業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備SinterStation。完整的SLS工藝由CAD系統(tǒng)與RP系統(tǒng)組成,兩系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程見(jiàn)圖1所示。要構(gòu)造的原型最初由3D-CAD模型表示,模型可以用軟件(如AutoCAD等)虛擬生成,也可以通過(guò)3D傳感器(如聲、光數(shù)字儀)、醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)或其它3D數(shù)據(jù)源生成。CAD模型不能夠直接被RP系統(tǒng)所利用,必須先轉(zhuǎn)換為立體光刻固化成型(Stereolithography,STL)方法所用的格式。STL是RP最早采用的一種制造方法,它利用許多三角平面來(lái)表示三維的平面,這一格式現(xiàn)已成為RP工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。生成的STL文件利用預(yù)處理程序調(diào)整模型的尺寸、位置和方向,然后將其分切成許多厚度為0.05～0.7mm的截面,RP系統(tǒng)按所切截面逐層制造后即可得到所需原型。SLS工藝的RP系統(tǒng)工作原理如圖2所示。整個(gè)工藝裝置由粉末缸(PowderCylinder)和模型缸(ModelCylinder)組成,工作時(shí)粉末缸活塞(送粉活塞)上升,由鋪粉輥將粉末在模型缸活塞(工作活塞)上均勻鋪上一層,計(jì)算機(jī)根據(jù)原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡,有選擇地?zé)Y(jié)固體粉末材料以形成零件的一個(gè)層面。在燒結(jié)之前,整個(gè)工作臺(tái)被加熱至稍低于粉末熔化溫度,以減少熱變形,并利于與前一層面的結(jié)合。粉末完成一層后,工作活塞下降一個(gè)層厚,鋪粉系統(tǒng)鋪設(shè)新粉,控制激光束掃描燒結(jié)新層。如此循環(huán)往復(fù),層層疊加,就得到三維零件。由于SLS采用上述工藝,使得SLS成為一種可加工材料非常廣泛的RP技術(shù)。從理論上來(lái)說(shuō),任何受熱后能夠粘結(jié)的粉末都可以用作SLS的原材料,如塑料、石蠟、金屬、陶瓷等。早期SLS主要使用的是塑料粉末,由于顯而易見(jiàn)的原因,科技工作者近幾年對(duì)金屬和陶瓷粉末的燒結(jié)工藝投入了較大的研究精力。此外,由于燒結(jié)或未燒結(jié)的下層粉末自然成為上層的支撐,因此SLS具有自支撐性能,可制造任意復(fù)雜的形體,這也是許多RP技術(shù)所不具備的。下面簡(jiǎn)要介紹一下塑料、金屬和陶瓷粉末SLS工藝各自的特點(diǎn)。1.1塑料粉末尼龍、聚苯乙烯、聚碳酸酯等都可作為塑料粉末的原料。塑料粉末的SLS—般均為直接激光燒結(jié),燒結(jié)后的零件不作后續(xù)處理。1.2金屬組合燒結(jié)法金屬粉末的SLS燒結(jié)主要有三種方法,分別是直接法、間接法和雙組元法。(1)直接法又稱為“單組元固態(tài)燒結(jié)”(single-componentsolid-statesintering)法,金屬粉末為單一的金屬組元。激光束將粉末加熱至稍低于熔化溫度,粉末之間的接觸區(qū)域發(fā)生粘結(jié),燒結(jié)的驅(qū)動(dòng)力為粉末顆粒表面自由能的降低。直接法得到的零件再經(jīng)熱等靜壓(HIP)處理,可使零件的最終相對(duì)密度達(dá)99.9%,但直接法的主要缺點(diǎn)是工作速度慢。(2)間接法金屬粉末實(shí)際上是一種金屬組元與有機(jī)粘結(jié)劑的混合物,有機(jī)粘結(jié)劑的含量約為1wt%。由于有機(jī)材料的紅外光吸收率高、熔點(diǎn)低,因而激光燒結(jié)過(guò)程中,有機(jī)粘結(jié)劑熔化,將金屬顆粒粘結(jié)起來(lái)。燒結(jié)后的零件孔隙率約達(dá)45%,強(qiáng)度也不是很高,需要進(jìn)一步加工。一般的后續(xù)加工工藝為脫脂(～300℃)→高溫焙燒(>700℃)→金屬熔浸(如銅)。間接法的優(yōu)點(diǎn)是燒結(jié)速度快,但主要缺點(diǎn)是工藝周期長(zhǎng),零件尺寸收縮大,精度難以保證。(3)雙組元法為了消除間接法的缺點(diǎn),用一低熔點(diǎn)金屬粉末替代有機(jī)粘結(jié)劑,即為雙組元法。這時(shí)的金屬粉末由高熔點(diǎn)(熔點(diǎn)為T(mén)2)金屬粉末(結(jié)構(gòu)金屬)和低熔點(diǎn)(熔點(diǎn)為T(mén)1)金屬粉末(粘結(jié)金屬)混合而成。表1列出了典型的金屬組合。燒結(jié)時(shí)激光將粉末升溫至兩金屬熔點(diǎn)之間的某一溫度(T1<T<T2),使粘結(jié)金屬熔化,并在表面張力的作用下填充于結(jié)構(gòu)金屬的孔隙,從而將結(jié)構(gòu)金屬粉末粘結(jié)在一起。為了更好地降低孔隙率,粘結(jié)金屬的顆粒尺寸必須比結(jié)構(gòu)金屬的小,這樣可以使小顆粒熔化后更好地潤(rùn)濕大顆粒,填充顆粒間的孔隙,提高燒結(jié)體的致密度。此外,激光功率對(duì)燒結(jié)質(zhì)量也有較大影響。如果激光功率過(guò)小,會(huì)使粘結(jié)金屬熔化不充分,導(dǎo)致燒結(jié)體的殘余孔隙過(guò)多;反之,如果功率太高,則又會(huì)生成過(guò)多的金屬液,使燒結(jié)體發(fā)生變形。因此對(duì)雙組元法而言,最佳的激光功率和顆粒粒徑比是獲得良好燒結(jié)結(jié)構(gòu)的基本條件。雙組元法燒結(jié)后的零件機(jī)械強(qiáng)度較低,需進(jìn)行后續(xù)處理(如液相燒結(jié))。經(jīng)液相燒結(jié)的零件相對(duì)密度可>80%,零件的機(jī)械強(qiáng)度也很高。上述介紹的三種金屬SLS方法中,一般將直接法和雙組元法統(tǒng)稱為“直接SLS”(directSLS),而將間接法對(duì)應(yīng)地稱為“間接SLS”(indirectSLS)。由于直接SLS可以顯著縮短工藝周期,因而近幾年來(lái),直接SLS在金屬SLS中所占比重明顯上升。由于金屬粉末的SLS溫度較高,為了防止金屬粉末氧化,SLS時(shí)必須將金屬粉末封閉在充有保護(hù)氣體的容器中,如圖3所示。保護(hù)氣體有氮?dú)?、氫氣、氬氣及其混合氣體。燒結(jié)的金屬不同,要求的保護(hù)氣體也不同。1.3acrafter入產(chǎn)品的原包裝al2o3,pmma陶瓷粉末在進(jìn)行SLS時(shí)要在粉末中加入粘結(jié)劑,粘結(jié)劑主要有三種,即無(wú)機(jī)粘結(jié)劑、有機(jī)粘結(jié)劑和金屬粘結(jié)劑。。下面以常用的Al2O3陶瓷粉末為例進(jìn)行介紹。Al2O3所使用的無(wú)機(jī)粘結(jié)劑有磷酸二氫銨(NH4H2PO4),有機(jī)粘結(jié)劑有聚甲基丙烯酸甲酯(PolymethylMethacrylate,PMMA),金屬粘結(jié)劑有Al粉。(1)Al2O3+NH4H2PO4常溫下NH4H2PO4是固態(tài)粉末晶體,熔點(diǎn)為190℃,Al2O3的熔點(diǎn)很高,為2050℃。在對(duì)Al2O3和NH4H2PO4進(jìn)行SLS時(shí),先將兩者按一定比例混合均勻(一般是4:1的重量比),再控制好激光參數(shù),使激光掃描到的部位的溫度高于190℃,NH4H2PO4在其熔點(diǎn)以上會(huì)發(fā)生分解:生成的P2O5會(huì)和Al2O3發(fā)生反應(yīng)生成AlPO4,包覆在未反應(yīng)的Al2O3周?chē)?從而將Al2O3陶瓷粘結(jié)在一起,反應(yīng)式如下:將Al2O3粉末和PMMA粉未按一定比例混合均勻,控制好激光參數(shù),使掃描部位的PMMA熔化后將Al2O3粘結(jié)在一起。在對(duì)燒結(jié)零件的后續(xù)處理中再去除PMMA。(3)Al2O3+Al與Al2O3+PMMA類似,將Al2O3粉末和Al粉按一定比例混合均勻,控制好激光參數(shù),使掃描部位的A1熔化后將Al2O3粘結(jié)在一起。2基于sls的模具制造SLS工藝已經(jīng)成功應(yīng)用于汽車(chē)、造船、航天、航空、通訊、微機(jī)電系統(tǒng)、建筑、醫(yī)療、考古等諸多行業(yè),為許多傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了信息化的氣息。概括地說(shuō),SLS工藝可以應(yīng)用于以下場(chǎng)合:(1)模型直觀化●快速制造原型,提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量;●使客戶獲得直觀的零件模型;●制造教學(xué)、試驗(yàn)用復(fù)雜模型。(2)制造功能部件●制造傳統(tǒng)工藝無(wú)法加工的具有復(fù)雜內(nèi)部形狀的零件;●用逆向工程方法制造具有嚴(yán)格形狀要求的部件,如移植骨等。(3)模具制造●將SLS制造的零件直接作為模具使用,如間接法燒結(jié)的金屬或陶瓷零件;●將SLS制造的零件間接作為模具使用,如使用低熔點(diǎn)材料石蠟等制造熔模鑄造用?！裰圃焐靶丸T造用模。下面介紹一些SLS工藝實(shí)際應(yīng)用的典型例子。2.1適用于海淡工程的新型燃油控制系統(tǒng)快速模具制造(RapidTooling,簡(jiǎn)稱RT)近幾年來(lái)在國(guó)內(nèi)外迅速發(fā)展,它是一項(xiàng)制造周期短、成本低的制模技術(shù)。RT與RP相結(jié)合,具有技術(shù)先進(jìn)、成本低、周期短等優(yōu)點(diǎn)。RT一般分為間接制模和直接制模兩種方法。SLS工藝在這兩種方法中都有很好的應(yīng)用。由于SLS可以制造形狀復(fù)雜的零件,因此非常適合應(yīng)用在間接制模法的熔模鑄造和沙型鑄造中。熔模鑄造用的材料有石蠟、聚碳酸酯等。文獻(xiàn)介紹了WoodwardGovernorCompany為波音777客機(jī)開(kāi)發(fā)GE90發(fā)動(dòng)機(jī)新型燃油控制系統(tǒng)的例子。該系統(tǒng)由鋁A356-T6材料鑄造。鑄模的尺寸巨大、形狀復(fù)雜,制造非常困難,需要制作60個(gè)獨(dú)立的型芯,每個(gè)型芯的尺寸為430×350×305mm,用傳統(tǒng)方法根本無(wú)法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)。最終WGC公司利用DTM的新型砂型鑄造工藝,在SinterStation上使用SandForm材料制造出了合格的鑄模。直接制模法是一種極具開(kāi)發(fā)前景的制模方法。由于SLS能夠?qū)饘俜勰┻M(jìn)行加工,因而在直接制造金屬模具上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。一般是利用間接法激光燒結(jié)金屬粉末,再拋光型腔表面和型芯面,加上澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng),構(gòu)成注塑模具。德國(guó)EOS公司開(kāi)發(fā)的EOSINTM系統(tǒng)有所不同,可以直接對(duì)未經(jīng)預(yù)熱的金屬粉末進(jìn)行激光燒結(jié)。它所采用的是雙組元燒結(jié)法。金屬混合物由不同熔點(diǎn)的金屬成分以一定配比構(gòu)成,能夠在燒結(jié)過(guò)程中相互補(bǔ)償體積的變化,使全部粉末的收縮率小到可以忽略不計(jì),不會(huì)因內(nèi)部應(yīng)力而引起應(yīng)變變形,從而使制件精度得到了保證。另外,這種混合物主要成分的粒度僅為50μm左右,也有助于提高表面質(zhì)量。最終形成的材料性能可與鋁相比,并可通過(guò)將低熔點(diǎn)金屬滲入內(nèi)部的方法使模具材料更致密。EOS公司所開(kāi)發(fā)的這種方法可用于制作注塑模具,也可直接制作薄壁且形狀復(fù)雜的金屬零件。2.2創(chuàng)設(shè)原型cad模型逆向工程(ReverseEngineering)是在沒(méi)有設(shè)計(jì)圖紙或者設(shè)計(jì)圖紙不完整以及沒(méi)有CAD模型的情況下,按照現(xiàn)有零件的模型(稱為零件原型),利用各種數(shù)字化技術(shù)及CAD技術(shù)重新構(gòu)造原型CAD模型的過(guò)程。RE與RP的結(jié)合是現(xiàn)代重要的機(jī)械設(shè)計(jì)和制造于段。文獻(xiàn)報(bào)道了BurkhardSchillinger等利用CT對(duì)零件無(wú)損造影后,獲得零件的3D-CAD數(shù)據(jù),再利用SLS工藝獲得零件的復(fù)制件。2.3基于sls的骨折治療SLS工藝燒結(jié)的零件具有很高的孔隙率,非常適于人工骨的制造。N.K.Vail等對(duì)SLS工藝制備人工骨進(jìn)行了研究。先將由Ca(H2PO4)2和CaHPO4組成的混合粉末發(fā)生反應(yīng),生成鈣磷比(Ca/P)為0.9的骨質(zhì)材料:利用SLS工藝將骨質(zhì)材料和MMA、nBMA、KCl等組成的粘結(jié)劑制成具有特定孔隙率的人工骨,然后移植到狗的下顎骨中,每4個(gè)星期造影一次,結(jié)果顯示人工骨的生物相容性良好,并能被肌體吸收。文獻(xiàn)報(bào)告了南非比勒托尼亞大學(xué)(UniversityofPretoria)等機(jī)構(gòu)的顱骨整形專家通過(guò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)利用SLS工藝為一個(gè)3歲男孩進(jìn)行顱骨整形手術(shù)的例子。在手術(shù)之前,這名男孩的顱骨信息經(jīng)掃描后輸入計(jì)算機(jī),然后再利用DTM公司的SLS工藝制作出顱骨模型,醫(yī)生在模型上進(jìn)行手術(shù)設(shè)計(jì),以獲得最佳的手術(shù)方案。實(shí)際進(jìn)行的8h的手術(shù)非常成功。3sls制造工藝盡管SLS工藝在過(guò)去十年中飛速發(fā)展,獲得了良好的應(yīng)用效果,但畢竟是一個(gè)比較新的發(fā)展領(lǐng)域,還存在以下缺點(diǎn):①SLS系統(tǒng)的速度、精度和可靠性還不能完全滿足要求;②零件的表面光潔度還