第3章 选区激光烧结工艺及材料课件.pptx
3D打印成型工艺及材料,3D打印技术研究所,第3章 选区激光烧结工艺及材料,第3章 选区激光烧结工艺及材料,选区激光烧结（Selected Laser Sintering，SLS）又称选择性激光烧结，是一种采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状零件的工艺。塑料、石蜡、金属、陶瓷等受热后能够粘结的粉末都可以作为SLS的原材料。,第3章 选区激光烧结工艺及材料,3.1 概述,SLS思想是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Dechard于1986年首先提出的。DTM公司(后被3D Systems公司收购)于1992年推出了Sinterstation 2000系列商品化SLS成型机。EOS公司于1994年推出3个系列的SLS成型机：EOSINTP用于烧结热塑性塑料粉末，制造塑料功能件及熔模铸造和真空铸造的原型;EOSINTM用于金属粉末的直接烧结，制造金属模具和金属零件;EOSINTS用于直接烧结树脂砂，制造复杂的铸造砂型和砂芯。,3.1 概述,3D Systems iPro系列SLS,EOS FORMIGA P 110激光粉末烧结系统,3.2 成型原理及工艺,3.2.1 成型原理,烧结过程中能量给予过程示意图,选区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。要使粉末直接SLS成型顺利进行，必须使得一层粉末材料全部或局部熔化，并和基体粘结且该层的表面不发生汽化现象。,3.2.1 成型原理,金属粉末由高熔点金属粉末和低熔点金属粉末混合而成。双组元法烧结后的零件机械强度较低，需进行后续处理，经液相烧结的零件相对密度可大于80%，零件的机械强度也很高。,双组元法,金属粉末实际上是一种金属组元与有机粘结剂的混合物，有机粘结剂的含量约为1%。烧结后的零件孔隙率约达45%，强度也不是很高，需要进一步加工。,间接法,金属粉末为单一的金属组元。直接法得到的零件再经热等静压烧结工艺处理，可使零件的最终相对密度达99.9%，但直接法的主要缺点是工作速度比较慢。,直接法,3.2.2 成型工艺,选区激光烧结工艺成型过程,3.2.2 成型工艺,SLS后处理（1）高温烧结 将SLS成型件放入温控炉中，先在一定温度下脱掉黏接剂，然后再升高温度进行高温烧结。（2）热等静压烧结 热等静压烧结将高温和高压同时作用于坯体，能够消除坯体内部的气孔，提高制件的密度和强度。（3）熔浸 熔浸是将坯体浸没在一种低熔点的液态金属中，金属液在毛细管力作用下沿着坯体内部的微小孔隙缓慢流动，最终将孔隙完全填充。（4）浸渍 浸渍和熔浸相似，所不同的是浸渍是将液态非金属物质浸入多孔的激光区烧结坯体的孔隙内。,SLS成型工艺优点：可采用多种材料。可制造多种原型。高精度。无须支撑结构。材料利用率高。SLS成型工艺缺点:表面粗糙。烧结过程有异味。有时辅助工艺较复杂。,3.2.3 工艺特点,3.3 成型系统,振镜式扫描SLS系统,SLS系统一般由高能激光系统、光学扫描系统、加热系统、供粉及铺粉系统等组成。,3.3.1 光学扫描系统,振镜式激光扫描原理,直线导轨扫描原理,3.3.2 供粉及铺粉系统,供粉及铺粉系统,铺粉过程可以概括为:烧结槽下降一个层厚，同时供粉槽上升一定高度。铺粉装置自右向左运动，同时铺粉滚筒正向转动，铺粉装置运动至程序设定的终点。铺粉滚筒停止转动，铺粉装置自左向右运动，按程序设定的距离返回原位。,3.4 成型材料,SLS技术是一种基于粉床的增材制造技术，以粉末作为成型材料，所使用的成型材料十分广泛，从理论上讲，任何被激光加热后能够在粉粒间形成原子间连接的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。但是粉末材料的特性对SLS制件的性能影响较大，其中粒径、粒径分布及形状等最为重要。,粒径,特性1,粒径减小，表面光洁度和成型精度提高；粉末平均粒径越小，烧结速率越大，烧结件的强度越高。,3.4.1 粉末特性,粒径分布,特性2,指用简单的表格、绘图和函数形式表示粉末颗粒群粒径的分布状态。增加粉床密度的一个方法是将几种不同粒径的粉末进行复合。,3.4.1 粉末特性,单分布球形粉末的正交堆积,单粉末堆积与复合粉末堆积,粉末颗粒形状,特性3,规则的球形粉末具有更好的流动性，铺粉效果更好，成型精度比不规则粉末高。,3.4.1 粉末特性,不同制备方法的粉末形状,3.4.2 成型材料分类,聚苯乙烯,聚碳酸酯,蜡粉,尼龙,金属粉末,覆膜陶瓷粉末,覆膜砂,纳米材料,工程塑料,3.5 成型影响因素,SLS工艺成型质量受多种因素影响，包括成型前数据的转换、成型设备的机械精度、成型过程的工艺参数以及成型材料的性质等。本节主要对成型过程中烧结机理以及几个主要工艺参数进行分析，各参数间既相互联系，又各自对烧结精度有一定的影响。,3.5.1 原理性误差,烧结机理影响分析图(a)表示烧结前成型体中颗粒的堆积情况，此时，颗粒间孔隙较多。图(a)图(b)阶段开始产生颗粒间的键合和重排。图(b)图(c)阶段开始有明显的传质过程。图(c)图(d)阶段表明，随着传质的继续，烧结体致密度增高。,粉状成型体的烧结过程,3.5.1 原理性误差,烧结过程中颗粒之间的黏结大致分为三个阶段：初期烧结颈形成阶段。中间烧结颈长大阶段。最后烧结阶段。,颗粒间的烧结模型,3.5.2 工艺性误差,熔固收缩,温致收缩,制件收缩,粉末烧结后密度变大，体积缩小，导致制件收缩,制件的温度从工作温度降到室温造成收缩,3.5.2 工艺性误差,激光功率 d激光光斑的直径 v激光束的移动速度T烧结温度 Ti起始温度热扩散率 A材料的吸收系数激光发送系统的透明度 在其他条件不变的情况下，当激光功率逐渐增大时，材料的收缩率逐渐升高。,3.5.2 工艺性误差,扫描间距 指相邻两激光束扫描行之间的距离，直接影响传输给粉末能量的分布、粉末体烧结制件的精度。在不考虑材料本身热效应的前提下，对聚苯乙烯粉末进行激光烧结。用单一激光束以一定参数对其扫描，在热扩散的影响下，会烧结出一条烧结线。,烧结线截面图,3.5.2 工艺性误差,扫描间距d/2d时，烧结制件的表面凹凸不平，严重影响制件的强度；Wd/2时，能量分布不均匀，成型效率低，会引起制件较大的翘曲和收缩；Wd/2时，总的激光能量太大，会引起材料汽化、变形。,重叠烧结线截面图,3.5.2 工艺性误差,烧结层厚CAD模型网络细化会带来表面形状失真。进行STL格式转化时，有时会产生一些局部缺陷。例如，表面曲率变化较大的分界处，可能出现锯齿状小凹坑。为达到较高的生产率，同时受材料性能的制约，切片间距不可能太小，会在模型表面造成阶梯效应，而且还可能遗失小特征结构(如小凸缘、小窄槽等)，造成误差。,3.5.2 工艺性误差,制件摆放角度当CAD模型的表面与直角坐标轴线平行时，不产生阶梯效应；当其表面接近垂直方向，受阶梯效应影响小，而接近水平方向的表面则受阶梯效应的影响严重；当表面与轴线倾斜成角度，阶梯现象明显。在坐标系中如何摆放制件，与激光烧结成型的效率密切相关，这是因为制件坐标直接影响成型层数。对同一个CAD模型，制件坐标不同，其在成型方向的成型高度就不同。层数越多，铺粉的累计辅助时间越长，烧结时间也越长，成型效率越低。,3.5.2 工艺性误差,其他因素成型机X，Y，Z方向的运动定位误差，以及Z方向工作台的平直度、水平度和垂直度等对成型件的形状和尺寸精度有较大影响。成型材料的性能对其加工精度起着决定性的作用。制件后处理对其精度的影响。,3.5.3 制件缺陷及改进措施,提高制件表面精度合理地选取工艺参数。寻找提高精度的方法。,3.5.3 制件缺陷及改进措施,提高制件尺寸精度合理选择激光烧结功率、激光扫描间距、扫描速度等工艺参数，通过修正系数减少尺寸的收缩。改变固化取向，使变形方向发生改变，以减少收缩。掌握激光烧结材料的预热温度(一般低于熔融温度2-3)，减少温差；制件烧结后，降低制件的冷却速度，减少收缩。将制件中较大的成型平面放在最底层。,3.6 典型应用,模具制造领域 SLS可以选择不同的材料粉末制造不同用途的模具，用SLS法可直接烧结金属模具和陶瓷模具，用作注塑、压铸、挤塑等塑料成型模及钣金成型模。,采用SLS工艺制作的高尔夫球头模具及产品,3.6 典型应用,原型制作领域 SLS特别适宜整体制造具有复杂形状的金属功能零件。在新产品试制和零件的单件小批量生产中，不需复杂工装及模具，可大大提高制造速度，并降低制造成本。,原型由快速无模具铸造方法制作的产品,3.6 典型应用,医学应用领域 由于SLS工艺烧结的零件具有很高的孔隙率，故其在医学上可用于人工骨的制造，人工骨的生物相容性良好。,SLS医学应用实例,SLS打印头盖骨,SLS打印髋关节,思考题,1.简述选区激光烧结工艺的原理及其特点。2.SLS工艺常用的后处理方法有哪些？3.试述选区激光烧结工艺的典型应用，试举例说明。4.试分析选区激光烧结工艺成型影响因素。,第3章 选区激光烧结工艺及材料,
