第四章_选择性激光烧结成型工艺

1、快速成型与快速模具制造技术及其应用快速成型与快速模具制造技术及其应用 机械工业出版社（第三版）机械工业出版社（第三版） 第四章 选择性激光烧结成型工艺 选择性激光烧结工艺选择性激光烧结工艺(Selective Laser Sintering，SLS)又称为选区激光烧结技术，该方法最初是由美国德克萨斯大学奥斯 汀分校的C. R. Dechard于1989年提出的，稍后组建了DTM公司，于1992年开发了基于SLS的商业成型机(Sinterstation)。20年 来，奥斯汀分校和DTM公司在SLS领域做了大量的研究工作，并取得了丰硕成果。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

2、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。 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型。SLS的 原理与SLA十分相似，主要区别在于所使用的材料及其性状不同。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。 第四章第四章 选择性激光烧结成型工艺选择性激光烧结成型工艺 1 选择性激光烧结工艺的基本原理和特点选择性激光烧结工艺的基本原理和特点 2 3选择性激光烧结工艺过程选择性激光烧结工艺过程

3、4 高分子粉末烧结件的后处理高分子粉末烧结件的后处理 6 6 选择性激光烧结快速成型材料及设备选择性激光烧结快速成型材料及设备 第四章第四章 选择性激光烧结成型工艺选择性激光烧结成型工艺 5选择性激光烧结工艺参数选择性激光烧结工艺参数 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，如此反复，直至完成整个

4、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。 第一节第一节 选择性激光烧结工艺的基本原理和特点 图图4-1 选择性激光烧结工艺原理图选择性激光烧结工艺原理图 1.选择性激光烧结工艺的基本原理选择性激光烧结工艺的基本原理 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，将其拿出并放置到后处理工作台上，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。 图图4-2 选择性激光烧结系统的基本组成选择性激光烧结系统的基本组成 第一节第一节 选择性激光烧结工艺的基本原理和特点 可直接制作

5、金属制品 可采用多种材料 无需支撑结构 制造工艺比较简单 材料利用率高 优点：优点： 2.选择性激光烧结工艺的特点选择性激光烧结工艺的特点 缺点：缺点： 原型表面粗糙 烧结过程挥发异味 有时需要比较复杂的辅助工艺 第一节第一节 选择性激光烧结工艺的基本原理和特点 1 选择性激光烧结工艺的基本原理和特点选择性激光烧结工艺的基本原理和特点 2 3选择性激光烧结工艺过程选择性激光烧结工艺过程 4 高分子粉末烧结件的后处理高分子粉末烧结件的后处理 6 6 选择性激光烧结快速成型材料及设备选择性激光烧结快速成型材料及设备 第四章第四章 选择性激光烧结成型工艺选择性激光烧结成型工艺 5选择性激光烧结工艺参

6、数选择性激光烧结工艺参数 第二节 选择性激光烧结的材料及设备 SLS工艺材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件。特别是可以直接制造金属 零件，这使SLS工艺颇具吸引力。 用于SLS工艺的材料是各类粉末，包括 金属、陶瓷、石蜡以及聚合物的粉末，工程 上一般采用粒度的大小来划分颗粒等级，如 右表所示。SLS工艺采用的粉末粒度一般在 50125m之间。 表表4-1 工程上粉体的等级及相应的粒度范围工程上粉体的等级及相应的粒度范围 1.选择性激光烧结快速成型材料选择性激光烧结快速成型材料 间接间接SLS用的复合粉末通常有两种混合形式：用的复合粉末通常有两种混合形式： 粘结剂粉

7、末与金属或陶瓷粉末按一定比例机械混合； 把金属或陶瓷粉末放到粘结剂稀释液中，制取具有粘结剂包裹的金属或陶瓷粉末。 实践表明，采用粘结剂包裹的粉末的制备虽然复杂，但烧结效果较机械混合的粉末好。近年来，已经开发并被应用于SLS粉末激光烧结快速原 型制作的材料种类如表4-2所示。 表表4-2 常用的常用的SLS工艺的材料工艺的材料 第二节 选择性激光烧结的材料及设备 表表4-3 DTM公司开发的部分公司开发的部分SLS用成型材料用成型材料 第二节 选择性激光烧结的材料及设备 美国美国DTM公司开发的粉末材料：公司开发的粉末材料： 在在SLS领域，以领域，以DTM公司所开发的成型材料类别较多，最具代表

8、性，其已商品化的公司所开发的成型材料类别较多，最具代表性，其已商品化的SLS用成用成 型材料产品见型材料产品见表表4-3，其中部分高分子材料粉末的具体型号及其指标与性能如，其中部分高分子材料粉末的具体型号及其指标与性能如表表4-4所示，部分金所示，部分金 属粉末及树脂砂粉末的物理与力学性能如属粉末及树脂砂粉末的物理与力学性能如表表4-5所示。所示。 表表4-4 部分部分DuraForm系列粉末材料及性能系列粉末材料及性能 第二节 选择性激光烧结的材料及设备 表表4-5 DTM公司开发的部分金属粉末及树脂砂材料及性能公司开发的部分金属粉末及树脂砂材料及性能 第二节 选择性激光烧结的材料及设备 第

9、二节 选择性激光烧结的材料及设备 表表4-6 EOS公司开发的部分粉末材料及性能公司开发的部分粉末材料及性能 德国德国EOS公司开发的系列粉末烧结材料公司开发的系列粉末烧结材料: 粉末烧结快速成型设备著名开发商德国EOS公司也开发了系列粉末烧结材料，其型号及性能 等如表表4-6所示。 表表4-7 国内各单位开发的国内各单位开发的SLSSLS用成型材料用成型材料 第二节 选择性激光烧结的材料及设备 国内开发的国内开发的SLS材料：材料： 国内几家主要快速成型技术研究单位研制的成型材料见表表4-7。 研究选择性激光烧结（SLS）设备工艺的单位有美国的DTM公司、3D Systems公司、德国的EO

10、S公司以及国内的北京隆源公 司和华中科技大学等。 下图是DTM公司的Sinterstation 2500和2500Plus机型，如图所示。其中2500Plus机型的成型体积比过去增加 了10%，同时通过对加热系统的优化，减少了辅助时间，提高了成型速度。 2.选择性激光烧结快速成型设备选择性激光烧结快速成型设备 图图4-4 DTM公司的公司的Sinterstation2500 Plus机型机型 图图4-3 DTM公司的公司的Sinterstation2500机型机型 第二节 选择性激光烧结的材料及设备 图图4-5 HRPS-IIIA HRPS-IIIA激光粉末烧结快速成型机激光粉末烧结快速成型机

11、 华中科技大学的HRPS-III激光粉末烧结系统,如下图所示。它在硬件和软件方面有着自己先进的特点。 第二节 选择性激光烧结的材料及设备 （1）硬件方面硬件方面 扫描系统 采用国际著名公司的振镜式动态聚焦系统，具有高速度和高精度的特点 激光器 采用美国CO2激光器，具有稳定性好、可靠性高、模式好、寿命长、功率稳定、可更换气体、性能价格比高 等特点，并配以全封闭恒温水循环冷却系统 新型送粉系统可使烧结辅助时间大大减少 排烟除尘系统及时充分地排除烟尘，防止烟尘对烧结过程和工作环境的影响 工作腔结构全封闭式，防止粉尘和高温对设备关键元器件的影响 第二节 选择性激光烧结的材料及设备 切片模块具有HRP

12、S-STL(基于STL文件)和HRPS-PDSLice（基于直接切片文件，由用户选用）两种模块 数据处理具有STL文件识别及重新编码，容错及数据过滤切片，STL文件可视化，原型制作实时动态仿真等功能 工艺规划具有多种材料烧结工艺模块（包括烧结参数、扫描方式和成型方向等） 安全监控设备和烧结过程故障自动诊断，故障自动停机保护 （2）软件方面）软件方面 独自开发的功能强大的HRPS2002软件，有如下特点： 第二节 选择性激光烧结的材料及设备 第二节 选择性激光烧结的材料及设备 图图4-6 HRPM-II金属粉末熔化快速成型机金属粉末熔化快速成型机 华中科技大学（武汉滨湖机电技术产业有限公司）开发

13、了华中科技大学（武汉滨湖机电技术产业有限公司）开发了金属粉末熔化快速成金属粉末熔化快速成 型系统型系统，目前推出了，目前推出了HRPM-I和和HRPM-II两种型号两种型号。该设备可直接制作各种复杂精细。该设备可直接制作各种复杂精细 结构的金属件及具有随形冷却水道的注塑模、压铸模等金属模具，材料利用率高。图结构的金属件及具有随形冷却水道的注塑模、压铸模等金属模具，材料利用率高。图 4-6为为HRPM-II金属粉末熔化快速成型机。金属粉末熔化快速成型机。 表表4-8 国内外部分选择性激光烧结快速成型设备一览表国内外部分选择性激光烧结快速成型设备一览表 第二节 选择性激光烧结的材料及设备 1 选择

14、性激光烧结工艺的基本原理和特点选择性激光烧结工艺的基本原理和特点 2 3选择性激光烧结工艺过程选择性激光烧结工艺过程 4 高分子粉末烧结件的后处理高分子粉末烧结件的后处理 6 6 选择性激光烧结快速成型材料及设备选择性激光烧结快速成型材料及设备 第四章第四章 选择性激光烧结成型工艺选择性激光烧结成型工艺 5选择性激光烧结工艺参数选择性激光烧结工艺参数 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。 1. 高分子粉末材料烧结工艺高分子粉末材料烧结工艺 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

15、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。 第三节 选择性激光烧结工艺过程 前处理 成型 后处理 （1）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。 右图是某个铸件的CAD模型。 图图4-7 某铸件的某铸件的CAD模型模型 第三节 选择性激光烧结工艺过程 （2）粉层激光烧结叠加 图图4-8 原型方位确定后的加工状态原型方位确定后的加工状态 首先对成型空间进行预热。对于PS高分子材料，一般需要预热到100左右。在预热阶段，根据原型结构的特点进行制作方 位的确定，当摆放方

16、位确定后，将状态设置为加工状态，如下图所示。 第三节 选择性激光烧结工艺过程 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。 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。 图图4-9 某铸件经过渗蜡处理的某铸件经过渗蜡处理的SLS原型原型 （3）后处理 激光烧结后的PS原型件，强度很弱，需要根据使 用要求进行渗蜡渗蜡或渗树脂渗树脂等进行补强处理。由于该原 型用于熔模铸造，所以

17、进行渗蜡处理。渗蜡后的该铸 件原型如图所示。 第三节 选择性激光烧结工艺过程 2. 金属零件间接烧结工艺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。其工艺 过程如右图所示。由图中可知，整个工艺过程主要分三个阶段：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。 图图4-10 基于基于SLS工艺的金属零件间接制造工艺过程工

18、艺的金属零件间接制造工艺过程 第三节 选择性激光烧结工艺过程 1、原型件制作关键技术、原型件制作关键技术 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。 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。 2、褐件制作关键技术、褐件制作关键技术 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。 3、金属熔渗阶段关键技术、金属熔渗阶段关键技术 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。 第三节 选择性激光烧结工艺过程 金属零件间接烧结工艺过程中的关键技术：金属零件间接烧结工艺过程中的关键技术： 实例：实

19、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。所成型的金属齿轮零件如图所示。 图图4-11 金属齿轮零件金属齿轮零件 第三节 选择性激光烧结工艺过程 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

20、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。 图图4-12 基于基于SLS工艺的金属零件直接制工艺的金属零件直接制 造工艺流程造工艺流程 3. 金属零件直接烧结工艺金属零件直接烧结工艺 第三节 选择性激光烧结工艺过程 4. 陶瓷粉末烧结工艺陶瓷粉末烧结工艺 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。 当材料

21、是陶瓷粉末时，可以直接烧结铸造用的壳形来生产各类铸件，甚至是复杂的金属零件。 陶瓷粉末烧结制件的精度由激光烧结时的精度和后续处理时的精度决定。在激光烧结过程中，粉末烧结收缩率、烧结时 间、光强、扫描点间距和扫描线行间距对陶瓷制件坯体的精度有很大影响。另外，光斑的大小和粉末粒径直接影响陶瓷制件的 精度和表面粗糙度。后续处理（焙烧）时产生的收缩和变形也会影响陶瓷制件的精度。 第三节 选择性激光烧结工艺过程 1 选择性激光烧结工艺的基本原理和特点选择性激光烧结工艺的基本原理和特点 2 3选择性激光烧结工艺过程选择性激光烧结工艺过程 4 高分子粉末烧结件的后处理高分子粉末烧结件的后处理 6 6 选择性

22、激光烧结快速成型材料及设备选择性激光烧结快速成型材料及设备 第四章第四章 选择性激光烧结成型工艺选择性激光烧结成型工艺 5选择性激光烧结工艺参数选择性激光烧结工艺参数 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。当原型件主要用于熔模铸造的消失型时，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。 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。 第四节 高分子粉末烧结件的后处理 影响后处理的因素：影响后处理的因素： a) 未经

23、处理的未经处理的PS原型件原型件 b) 经过渗树脂后的经过渗树脂后的PS原型件原型件 图图4-14 PS材料材料SLS原型处理前后的断面原型处理前后的断面SEM照片照片 第四节 高分子粉末烧结件的后处理 从断面的SEM照片可以看出，未经处理的烧结件的微粒间除熔融粘连外，有大量的空隙存在；而经树脂处理后的烧 结件，树脂填充了大量的空隙，烧结件的强度和抗冲能力都大大提高了。 （一）收缩精度的影响 （二）力学性能的影响 塑料硬度是表示抵抗其他较硬物体的压入性能，是材料软硬程度有条件性的 定量反映。烧结后的材料表面有一定的硬度，浸渍后，烧结件的HD由由51提高到提高到 73左右左右，硬度有了显著的改善

24、。冲击性能对复合材料的宏观缺陷和微观结构上的 差异十分敏感。经树脂处理后的烧结件的抗冲击性能得到了改善，抗冲性能约为抗冲性能约为 未处理件的未处理件的1.92.7倍倍，可以经受实际组装测试高速冲击状态下对断裂的抵抗能 力。未经树脂处理的原烧结制件的最大压力为26.894MPa，经不同环氧树脂体系 处理烧结制件的最大受压为47.20767.137MPa。处理过后的抗压能力约为之前的处理过后的抗压能力约为之前的 1.82.5倍倍。经树脂处理后，烧结制件所能承受的拉伸荷载成倍地增加。烧结原型 件的微粒间除熔融粘连外，亦有大量的空隙存在；而经树脂处理后的烧结件，树 脂填充了大量的空隙，烧结件的抗冲能力

25、提高。 1 选择性激光烧结工艺的基本原理和特点选择性激光烧结工艺的基本原理和特点 2 3选择性激光烧结工艺过程选择性激光烧结工艺过程 4 高分子粉末烧结件的后处理高分子粉末烧结件的后处理 6 6 选择性激光烧结快速成型材料及设备选择性激光烧结快速成型材料及设备 第四章第四章 选择性激光烧结成型工艺选择性激光烧结成型工艺 5选择性激光烧结工艺参数选择性激光烧结工艺参数 第五节 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，通过扫描熔

26、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

27、层上。如此重复直到 整个制件成型完毕。整个制件成型完毕。 影响影响SLS成型精度的因素很多，例如成型精度的因素很多，例如SLS设备精度误差、设备精度误差、CAD模型切片误差、模型切片误差、 扫描方式、粉末颗粒、环境温度、激光功率、扫描速度、扫描间距、单层层厚扫描方式、粉末颗粒、环境温度、激光功率、扫描速度、扫描间距、单层层厚 等。等。 烧结工艺参数对精度和强度的影响是很大的。激光和烧结工艺参数，如烧结工艺参数对精度和强度的影响是很大的。激光和烧结工艺参数，如 激光功率激光功率、扫描速度扫描速度和和方向及间距方向及间距、烧结温度烧结温度、烧结时间烧结时间以及以及层厚层厚度等对层与度等对层与 层之

28、间的粘接、烧结体的收缩变形、翘曲变形甚至开裂都会产生影响。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影响。 （1）激光功率 激光功率的增加，尺寸误差向正方向增大 激光功率增加时，强度也随着增大 激光功率过大会加剧因熔固收缩而导致的制件翘曲变形 （2）扫描速度 扫描速度增加，尺寸误差向负误差的方向减小 扫描速度增加，烧结制件强度减小 因此应综合考虑上述影响而选择适宜的烧结激光功率 所以也应综合考虑上述影响而选择适宜的扫描速度 第五节 选择性激光烧结工艺参数 （3）烧结间距 烧结间距增加，尺寸误差向负误差方向减小 烧结间距增加，烧结制件强度减小 烧结间距增加，成型效率提高 （4）单层

29、层厚 单层层厚增加，尺寸误差向负误差方向减小 单层层厚增加，烧结制件强度减小 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扫描间距 所以也应综合考虑上述影响而选择适宜的单层厚度 第五节 选择性激光烧结工艺参数 此外，预热是SLS工艺中的一个重要环节，没有预热，或者预热温度 不均匀，将会使成型时间增加，所成型零件的性能低和质量差，零件精 度差，或使烧结过程完全不能进行。对粉末材料进行预热，可以减小因 烧结成型时受热在工件内部产生内应力，防止其产生翘曲和变形，提高 成型精度。 总的来说，工艺参数的选取在保证制件的正常制作的基础上，尽可 能采用较大的工艺参数，以提高加工效率。 第五节 选择性激光烧结工艺参数