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1、快速成型技术及应用快速成型技术及应用上次课内容回顾：v1、FDM原理；原理；v2、FDM设备组成和个组成的作用；设备组成和个组成的作用；v3、FDM成型过程；成型过程；v4、FDM成型精度及控制方法；成型精度及控制方法；v5、FDM原材料有哪些及对其要求；原材料有哪些及对其要求；v6、FDM成型特点。成型特点。第二章粉末材料选择性激光烧结粉末材料选择性激光烧结概述 v粉末材料选择性激光烧结（粉末材料选择性激光烧结（Selected Laser Sintering，简，简SLS）快速成形技）快速成形技术，和术，和SLA类似，也是用激光束来扫描类似，也是用激光束来扫描各层材料，从而得到三维实体的方
2、法，各层材料，从而得到三维实体的方法，但用粉末（塑料粉、金属粉、陶瓷粉）但用粉末（塑料粉、金属粉、陶瓷粉）代替液体聚合物。目前，以该工艺制造代替液体聚合物。目前，以该工艺制造的快速零件制品市场占有率约为的快速零件制品市场占有率约为9。v研究研究SLS的有的有DTM公司、公司、EOS公司、北公司、北京隆源公司、华中科技大学和南京航空京隆源公司、华中科技大学和南京航空航天大学等。航天大学等。快速成型原理v叠加法：叠加法：SLS成形原理 v1.在开始加工之前，先在开始加工之前，先将充有将充有氮气氮气的工作室升的工作室升温，温度保持在粉末的温，温度保持在粉末的熔点以下。熔点以下。v2.成型时，送料筒上
3、升，成型时，送料筒上升，铺粉滚筒移动，先在工铺粉滚筒移动，先在工作平台上铺一层粉末材作平台上铺一层粉末材料，料，SLS成形原理v3.激光束在计算机控制下，激光束在计算机控制下，按照截面轮廓对实心部分按照截面轮廓对实心部分所在的粉末进行烧结，使所在的粉末进行烧结，使粉末熔化并相互黏结，继粉末熔化并相互黏结，继而形成一层固体轮廓，未而形成一层固体轮廓，未经烧结的粉末仍留在原处，经烧结的粉末仍留在原处，作为下一层粉末的支撑作为下一层粉末的支撑 SLS成形原理v4.第一层烧结完成后，第一层烧结完成后，工作台下降一截面层的工作台下降一截面层的高度，再铺上一层粉末，高度，再铺上一层粉末，进行下一层烧结，如
4、此进行下一层烧结，如此循环，形成三维的原型循环，形成三维的原型零件。零件。v5.最后经过最后经过5-10小时冷小时冷却，即可从粉末缸中取却，即可从粉末缸中取出零件。出零件。SLS装置图SLS成形机的系统组成 v SLS成形机主要由激光烧结系统、粉末供成形机主要由激光烧结系统、粉末供给系统、升温系统、可升降工作台、和计算给系统、升温系统、可升降工作台、和计算机控制系统组成。机控制系统组成。激光烧结系统v1.激光器的选择激光器的选择 用于用于SLS成形技术的激光器主要有两种：成形技术的激光器主要有两种：v （1）CO2激光器，波长为激光器，波长为10.6m，属于红外光范，属于红外光范围，多用于塑料
5、粉末的烧结；围，多用于塑料粉末的烧结；v （2）Nd：YAG激光器，即掺钕钇铝石榴石连续激光器，即掺钕钇铝石榴石连续激光器，波长为激光器，波长为1.06m，属于近红外光范围，多用，属于近红外光范围，多用于金属粉末和陶瓷粉末的烧结。于金属粉末和陶瓷粉末的烧结。v 依据：粉末对激光的吸收率大。依据：粉末对激光的吸收率大。粉末供给系统 v 由机械装置驱动送料筒和铺粉滚筒，用来由机械装置驱动送料筒和铺粉滚筒，用来铺设烧结用粉末，粉末的直径为铺设烧结用粉末，粉末的直径为50125m。计算机控制系统 v SLS成形机的控制系统主要由数据处理和成形执成形机的控制系统主要由数据处理和成形执行机构两部分组成。行
6、机构两部分组成。v 数据处理部分包括三维数据处理部分包括三维CAD模型构建、利用加工模型构建、利用加工轨迹的离散过程软件使三维模型转化成轨迹的离散过程软件使三维模型转化成STL格式，格式，并对模型进行切片，得到相应的二维轮廓，并向成并对模型进行切片，得到相应的二维轮廓，并向成形机构输入信息。形机构输入信息。v 成形执行机构根据数据处理部分传来的信息，由成形执行机构根据数据处理部分传来的信息，由数控设备来完成执行和控制加工过程。数控设备来完成执行和控制加工过程。SLS工艺过程工艺过程vSLS工艺过程同样分为三个过程：前处理、中处理、工艺过程同样分为三个过程：前处理、中处理、后处理。后处理。v前处
7、理主要进行画图及分层处理，后处理主要是工前处理主要进行画图及分层处理，后处理主要是工件的取出，以及冷却和表面处理。件的取出，以及冷却和表面处理。v中处理：既工件的制作过程，叠加过程。中处理：既工件的制作过程，叠加过程。v按照烧结材料的不同分为：高分子粉末烧结、金属按照烧结材料的不同分为：高分子粉末烧结、金属粉末烧结和陶瓷材料制作。粉末烧结和陶瓷材料制作。高分子粉末烧结：高分子粉末烧结：v高分子粉末为有机材料粉末，材料的熔点低，烧结高分子粉末为有机材料粉末，材料的熔点低，烧结温度不高，制作容易。温度不高，制作容易。金属粉末烧结：金属粉末烧结：v分为间接金属烧结和直接金属烧结。分为间接金属烧结和直
8、接金属烧结。v间接烧结原理：先用金属粉末和树脂粉末混合制得间接烧结原理：先用金属粉末和树脂粉末混合制得工件烧结，将其中的树脂粉末烧熔，同时得到工件工件烧结，将其中的树脂粉末烧熔，同时得到工件的原形，这一过程一般称的原形，这一过程一般称RP原形，为了提高强度，原形，为了提高强度，再次进行二次和三次烧结，再进行金属的溶渗，得再次进行二次和三次烧结，再进行金属的溶渗，得到金属工件。到金属工件。v金属直接烧结法：将金属粉末直接高温烧结，烧结金属直接烧结法：将金属粉末直接高温烧结，烧结温度达到金属的熔点，得到工件过程。温度达到金属的熔点，得到工件过程。陶瓷粉末烧结：陶瓷粉末烧结：v由于陶瓷粉末的熔点很高
9、，烧结温度高，工艺过程由于陶瓷粉末的熔点很高，烧结温度高，工艺过程复杂。复杂。影响SLS成形质量的因素 v1.激光功率密度和扫描速度激光功率密度和扫描速度 激光功率密度定义：单位面积上激光功率的激光功率密度定义：单位面积上激光功率的大小。大小。dw/r2v 因此，它由激光功率的大小和激光的光斑因此，它由激光功率的大小和激光的光斑直径决定。直径决定。影响SLS成形质量的因素v 激光功率密度和扫描速度决定了激光能对激光功率密度和扫描速度决定了激光能对粉末的加热温度和时间。粉末的加热温度和时间。激光功率密度过大，扫描速度过小，则局激光功率密度过大，扫描速度过小，则局部温度过高，导致粉末气化，烧结表面
10、凹凸部温度过高，导致粉末气化，烧结表面凹凸不平。不平。激光功率密度过小，扫描速度过大，则粉激光功率密度过小，扫描速度过大，则粉末烧结不充分甚至不能烧结，建立的制件强末烧结不充分甚至不能烧结，建立的制件强度低或者不能成形。度低或者不能成形。影响SLS成形质量的因素v2.激光束扫描间距激光束扫描间距 激光束的扫描间距是指相邻激光扫描行之激光束的扫描间距是指相邻激光扫描行之间的距离。间的距离。激光扫描间距和激光束半径的配合会影响激光扫描间距和激光束半径的配合会影响激光烧结的质量。激光烧结的质量。影响SLS成形质量的因素v定义扫描间距为定义扫描间距为h，激光束直径为，激光束直径为，激光束半，激光束半径
11、为径为v（1）h时，扫描过程中必定有部分的粉末不时，扫描过程中必定有部分的粉末不能被烧结；能被烧结；v（2）h时，扫描线大部分重叠，此时相邻时，扫描线大部分重叠，此时相邻区域的激光能量可以使该区域的粉末烧结，到区域的激光能量可以使该区域的粉末烧结，到激光能量呈波峰波谷，分布不均匀，导致烧结激光能量呈波峰波谷，分布不均匀，导致烧结深度不一致，制件密度也不均匀。深度不一致，制件密度也不均匀。v（3）h时，扫面线的激光能量叠加后，时，扫面线的激光能量叠加后，分布基本上是均匀的，此时烧结深度一致，制分布基本上是均匀的，此时烧结深度一致，制件密度也均匀，是我们需要的。件密度也均匀，是我们需要的。v（4）
12、h时，总的激光能量太大，会引起烧时，总的激光能量太大，会引起烧结深度增大，进而使制件变形翘曲。结深度增大，进而使制件变形翘曲。影响SLS成形质量的因素v4 激光扫描方式激光扫描方式 激光的扫描方式有光栅式、矢量式以及两种激光的扫描方式有光栅式、矢量式以及两种方式的混合式。方式的混合式。v（1）光栅式扫描）光栅式扫描 光栅式扫描如同锯齿，光栅扫描的优点：光栅式扫描如同锯齿，光栅扫描的优点：只需快速成形机的一个轴运动，因此扫描只需快速成形机的一个轴运动，因此扫描速度快；速度快；扫描算法简单，所以程序也简单，容易实扫描算法简单，所以程序也简单，容易实现。现。所以光栅式扫描在激光扫描中用的最多。所以光
13、栅式扫描在激光扫描中用的最多。影响SLS成形质量的因素v（2）矢量式扫描）矢量式扫描 扫描沿着一定的方向和大小来进行，适合扫描沿着一定的方向和大小来进行，适合于边界的扫描。于边界的扫描。v（3）混合式扫描）混合式扫描 扫描内部时采用光栅式扫描，扫描外部边扫描内部时采用光栅式扫描，扫描外部边界时按矢量式扫描。界时按矢量式扫描。SLS成形用材料及其特点 v 可用于可用于SLS技术的材料包括：尼龙粉、覆技术的材料包括：尼龙粉、覆裹尼龙的玻璃粉、聚碳酸脂粉、聚酰胺粉、裹尼龙的玻璃粉、聚碳酸脂粉、聚酰胺粉、蜡粉、金属粉（成型后常须进行再烧结及渗蜡粉、金属粉（成型后常须进行再烧结及渗铜处理）、覆裹热凝树脂
14、的细沙、覆蜡陶瓷铜处理）、覆裹热凝树脂的细沙、覆蜡陶瓷粉和复蜡金属粉等。粉和复蜡金属粉等。v要求：容易制备成粉末；熔点低。要求：容易制备成粉末；熔点低。SLS快速原型技术的优缺点 v一一.SLS快速原型技术的优点快速原型技术的优点 v1.与其他工艺相比，能生产很硬的模具，有与其他工艺相比，能生产很硬的模具，有直接金属型的概念。直接金属型的概念。2.可以采用多种原料，例如绝大多数工程用可以采用多种原料，例如绝大多数工程用塑料、蜡、金属、陶瓷等。塑料、蜡、金属、陶瓷等。3.零件的构建时间短。零件的构建时间短。SLS快速原型技术的优点v4.无需对零件进行后矫正。无需对零件进行后矫正。v5.无支撑结构
15、无支撑结构 SLS快速原型技术的缺点v1.需要专门实验室环境，维护费用高昂。需要专门实验室环境，维护费用高昂。vSLS成型工艺周期与成型工艺周期与SLA相比，哪个周相比，哪个周期长？为什么？期长？为什么？vSLS与与SLA相比较，相比较，SLS的成型周期的成型周期要长。因为要长。因为SLS成型过程中有前预热成型过程中有前预热段，中间的叠加段和后处理的后冷却段，中间的叠加段和后处理的后冷却段，所以其周期长。段，所以其周期长。SLS快速原型技术的缺点v2.在加工前，要花近在加工前，要花近2小时的时间将粉末加热小时的时间将粉末加热到熔点以下，当零件构建之后，还要花到熔点以下，当零件构建之后，还要花5
16、-10小时冷却，小时冷却，然后才能将零件从粉末缸中取出。然后才能将零件从粉末缸中取出。（预热和冷却时间长，总的成形周期长）（预热和冷却时间长，总的成形周期长）SLS快速原型技术的缺点v3.成形件强度和表面质量较差，精度低。表成形件强度和表面质量较差，精度低。表面粗糙度的高低受粉末颗粒大小及激光光斑面粗糙度的高低受粉末颗粒大小及激光光斑的限制。的限制。SLS快速原型技术的缺点v4.零件的表面一般是多孔性的，为了使表面零件的表面一般是多孔性的，为了使表面光滑必须进行渗蜡等较复杂的后处理。在后光滑必须进行渗蜡等较复杂的后处理。在后处理中难于保证制件尺寸精度，后处理工艺处理中难于保证制件尺寸精度，后处
17、理工艺复杂，样件变型大，无法装配。复杂，样件变型大，无法装配。v5.需要对加工室不断充氮气以确保烧结过程需要对加工室不断充氮气以确保烧结过程的安全性，加工的成本高。的安全性，加工的成本高。v6.该工艺产生有毒气体，污染环境。该工艺产生有毒气体，污染环境。SLS快速原型技术的应用 v 粉末材料选择性烧结工艺适合成型中小件，能直粉末材料选择性烧结工艺适合成型中小件，能直接得到塑料、陶瓷或金属零件，零件的翘曲变形比接得到塑料、陶瓷或金属零件，零件的翘曲变形比液态光敏树脂选择性固化工艺要小。液态光敏树脂选择性固化工艺要小。v 粉末材料选择性烧结快速原型工艺适合于产品设粉末材料选择性烧结快速原型工艺适合
18、于产品设计的可视化表现和制作功能测试零件。由于它可采计的可视化表现和制作功能测试零件。由于它可采用各种不同成分的金属粉末进行烧结、进行渗铜等用各种不同成分的金属粉末进行烧结、进行渗铜等后处理，因而其制成的产品可具有与金属零件相近后处理，因而其制成的产品可具有与金属零件相近的机械性能，故可用于制作的机械性能，故可用于制作EDM电极、直接制造金电极、直接制造金属模以及进行小批量零件生产。属模以及进行小批量零件生产。SLS产品产品SLS产品产品几种成型工艺的比较RP技术的现状v RP技术经过十几年的发展，设备与材料两技术经过十几年的发展，设备与材料两方面都有了长足进步。方面都有了长足进步。v 目前由
19、于该技术的成本较高，加以制件的精目前由于该技术的成本较高，加以制件的精度、强度和耐久性还不能完全满足用户的要度、强度和耐久性还不能完全满足用户的要求，而且原材料的性能也阻碍了求，而且原材料的性能也阻碍了RP技术的推技术的推广普及。广普及。RP技术的现状v 但是，在成形复杂中空的零件方面，但是，在成形复杂中空的零件方面，CNC切削机床是不能取代切削机床是不能取代RP技术的，这种直接从技术的，这种直接从概念设计迅速转为产品设计的生产模式，必概念设计迅速转为产品设计的生产模式，必然是然是21世纪中制造技术的主流。世纪中制造技术的主流。v 随着科技的进步，随着科技的进步，RP技术还会大踏步地向技术还会
20、大踏步地向前发展，并将成为许多设计公司、制造公司、前发展，并将成为许多设计公司、制造公司、研究机构和教育机构等采用的基本技术。研究机构和教育机构等采用的基本技术。RP技术的发展趋势v从上述从上述RP技术的现状来看，未来几年的主要技术的现状来看，未来几年的主要发展趋势如下：发展趋势如下：v1.提高提高RP系统的速度、控制精度和可靠性，系统的速度、控制精度和可靠性，优化设备结构；优化设备结构；v2.提高数据处理速度和精度。提高数据处理速度和精度。v3.研究开发成本低、易成形、变形小、强度研究开发成本低、易成形、变形小、强度高、耐久及无污染的成型材料。高、耐久及无污染的成型材料。RP技术的发展趋势v4.开发新的成型能源；开发新的成型能源；v5.研究开发新的成型方法；研究开发新的成型方法；v6.继续研究快速模具制造技术；继续研究快速模具制造技术；v7.扩大应用范围。扩大应用范围。本次课内容总结：v1、SLS原理；原理；v2、SLS设备组成和个组成的作用；设备组成和个组成的作用；v3、SLS成型过程；成型过程；v4、SLS成型精度及控制方法；成型精度及控制方法；v5、SLS原材料有哪些及对其要求；原材料有哪些及对其要求；v6、SLS成型特点。成型特点。快速成型技术及应用快速成型技术及应用张汪年张汪年