选择性激光烧结.ppt

作业：,立体光刻快速原型制造技术的优缺点分析？激光选择烧结SLS原型制造技术的原理以及系统组成？是否需要设计支撑，并说明其原因。教材89页激光选择烧结SLS原型制造技术为什么要求预热，如何控制预热温度？为什么需要氮气保护？89页 117页激光选择烧结SLS原型制造技术中，粉末材料一般有几种组合？描述采用激光选择烧结SLS原型制造技术直接制造模具的最常用工艺过程？113-114页,立体光刻固化的优点,立体光刻固化，也称作三维光刻，是目前快速原型工艺中最精确的方法。它的精度受到设备的限制。复杂模型，或者是比成型室尺寸大的模型，可以由单个的局部模型组合成任意复杂的完整的模型。模型可以通过喷砂处理和抛光来进行精加工处理未交联单体可以再利用，完全聚合的树脂可以当作普通的废物。,立体光刻固化的缺点,立体光刻固化只能使用感光性材料。立体光刻固化有两个步骤，首先模型在真正的立体光刻固化设备里固化到很高的程度(95)；然后将做成的模型放到烘箱里，使模型进一步交联，直至完全固化。产品毛坯必须用溶剂清洗。在树脂池中，模型仍然是相当柔软的产品坯。支撑必须从产品毛坯或凝固的模型中用人工清除。感光性丙烯酸吸收氧，而环氧基树脂具有吸湿性，模型完全凝固后，也很容易碎掉。几天或几周后，没有支撑的壁就会变形，如果把模型翻转或支撑起来这种情况就会消失。最新的环氧基树脂没有这些明显的特征。,逆向工程与快速成形技术Reverse Engineering and Rapid Prototype Technology,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,第5章 选择性烧结快速成形技术Selective Laser Sintering,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,Selective Laser Sintering方法介绍,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,Selective Laser Sintering(SLS,registered trademark by DTM of Austin,Texas,USA)is a process that was patented in 1989 by Carl Deckard,a University of Texas graduate student.Its chief advantages over Stereolithography(SLA)revolve around material properties.Many varying materials are possible and these materials can approximate the properties of thermoplastics such as polycarbonate 化聚碳酸酯,nylon,or glass-filled nylon.,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,Galvanometer n.检流计,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,Selective Laser Sintering Selective laser Sintering(SLS)is in principle similar to stereolithography.In this process however,fabrication of a physical model/part is effected by selectively melting a finely powdered(50 m)thermoplastic material.A leveling roller spreads each layer of powder over the surface of the build chamber,as the fabrication piston moves down one layer,while the powder delivery piston moves upward to supply powder to the process.The surface of the tightly compacted powder is selectively heated with a concentrated infrared(IR)beam from a CO2 laser.The powder is melted where the IR beam strikes under guidance of the x-y scanner causing the particles to fuse together.,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,Selective Laser SinteringThe entire fabrication chamber is sealed and maintained at a temperature just below the melting point of the plastic powder.Thus,heat from the laser need only elevate the temperature slightly to cause sintering,minimizing thermal distortion,facilitating fusion to the previous layer and greatly speeding the processA nitrogen atmosphere is maintained in the fabrication chamber to prevent the possibility of a dust explosion caused by handling the powder.Unlike stereolithography,no supports are required with SLS since overhangs,and undercuts are supported by the solid powder bed.Additionally,no final curing is required,however,surface finishes are not as good as those achieved with stereolithography and since the objects are sintered.they are porous.Depending on the application,it may be necessary to infiltrate the object with another material to improve mechanical characteristics.,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,模具制造过程原理,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,SLA vs.SLS:A Summarized Comparison,Material Properties:The SLA(stereolithography)process is limited to photosensitive resins which are typically brittle.The SLS process can utilize polymer powders that,when sintered,approximate thermoplastics quite well.Surface Finish:The surface of an SLS part is powdery,like the base material whose particles are fused together without complete melting.The smoother surface of an SLA part typically wins over SLS when an appearance model is desired.In general,SLA is a better process where fine,accurate detail is required.However,a varnish-like coating can be applied to SLS parts to seal and strengthen them.Varnish n.清漆,凡立水,光泽面,掩饰 v.修饰,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,Support Structures:SLA parts typically need support structures during the build.SLS parts,because of the supporting powder,sometimes do not need any support,but this depends upon part configuration.Marks left after removal of support structures for parts cause dimensional inaccuracies and cosmetic blemishes.Blemish n.污点,缺点,瑕疵 vt.弄脏,玷污,损害Machining Properties:In general,SLA materials are brittle and difficult to machine.SLS thermoplastic-like materials are easily machined.,简介,选择性激光烧结工艺，又称选区激光烧结，由美国德克萨斯大学Dechard于l989年研制成功。美国DTM公司已经商品化。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，在计算机控制下层层堆积成形。SLS的原理与SLA十分相似，主要区别在于所使用的材料。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。这是该项技术的主要优点之一，因为理论上任何可熔的粉末都可以用来制造模型，这样的模型可以用作真实的原型制件。研究SLS的有DTM公司、EOS公司、3D Systems公司、北京隆源公司、华科大、华北工学院和南航大学等。,SLS系统的工艺原理和基本组成,SLS系统基本组成：C02激光器、光学系统、粉料送进与回收系统、升降机构、工作台、构造室等。,SLS系统,过程,激光选择烧结基本原理,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，使粉末交界处的温度升至熔化点，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，直至完成整个模型。在成型过程中，未经烧结的粉末对模型的窄腔和悬臂部分起着支撑作用，不需要像SLA和FDM工艺那样单独设计支撑结构。,分析,SLS技术及设备系统视所用的材料而异，有时需要比较复杂的辅助工艺过程。以聚酰胺粉末烧结为例，为避免激光扫描烧结过程中材料因高温起火燃烧，必须在工作空间充入阻燃气体，一般为氮气。为使粉状材料烧结，必须将机器的整个工作空间、直接参与造型工作的所有构件以及所使用的粉状材料预先加热到规定的温度，这个预热过程常常需要数小时。原型制作完成后，为了除去工件表面沾粘的浮粉，需要使用软刷和压缩空气，而这一步骤必须在闭封空间中完成以免造成粉尘污染。,选择性激光烧结工艺特点 优点：,(1)可采用多种材料。从原理上说，这种方法可采用加热时粘度降低的任何粉末材料，通过材料或各类含粘结剂的涂层颗粒制造出任何造型，适应不同需要。(2)制造工艺比较简单。由于可用多种材料，选择性激光烧结工艺按采用的原料不同可以直接生产复杂形状的原型、型腔模三维构件或部件及工具。例如，制造概念原型，可安装为最终产品模型的概念原型，蜡模铸造模型及其他少量母模，直接制造金属注塑模等。,选择性激光烧结工艺特点,(3)高精度。依赖于使用的材料种类和粒径、产品的几何形状和复杂程度，该工艺一般能够达到工件整体范围内(0.052.5)mm的公差。当粉末粒径为0.1 mm以下时，成型后的原型精度可达l。(4)材料利用率高，价格便宜，成本低。(5)不需要专门设计支撑结构。但是，选择性激光烧结工艺的能量消耗高，原型表面粗糙疏松多孔以及对某些材料需要单独处理等。,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,Selective Laser Sintering基础知识,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,SLS成型机理,粉末特性1、粉层密度 大多数实际铺设的粉层并不是全部由相同尺度的球状颗粒组成，相对密度40-60%，其余空间充满空气。这影响材料的热传导性能和热阻性能。2、粉层的比热容 主要取决于固体粉末的比热容，空气的密度仅为固体颗粒1/10003、热传导系数 气体的热传导系数很低，粉层的热阻主要取决于空气。,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,SLS基本理论,烧结基本过程：粉层预热后，激光照射，能量被局部粉末吸收，温度升高，被照射局部熔化，颗粒间形成粘结。烧结驱动力：颗粒系统具有过剩的表面能，吸收外界能量，颗粒间形成粘结，表面自由能降低，这是本征表面能的驱动力。实 际：粉末颗粒越细，烧结驱动越大。,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,烧结过程,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,SLS基本理论-致密化,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,烧结窗口温度：玻璃化温度Tg;Ts 软化温度；Tc 结块温度Congregate vt,vi-gated,-gating 使集合；聚集,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,Selective Laser Sintering成型工艺,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,成型材料,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,成型材料,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,成型过程,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,注：1、预热1-2小时2、冷却3-4小时,粉末种类,塑料粉末多组分金属-聚合物粉末多组分金属-金属粉末单组分金属粉末,粉体,精度与粉体粒度直接相关,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,高分子粉末材料成型工艺,高分子粉末材料与金属粉末性质差别很大；在烧结室预热和激光热作用下，烧结发生在颗粒接触点/面，粉末部分熔化，发生黏性流动，从而实现粉末颗粒的聚结。影响因素：玻璃化温度/熔点；预热温度；黏度；粉末粒度等烧结强度：5-8Mpa;烧结高分子材料具有良好的流动性，分解后灰分较低，适合精密铸造。烧结用的高分子材料的熔点/软化点不能超过150度。,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,SLS材料：金属复合粉末通常有两种混合形式,粘结剂粉末与金属或陶瓷粉末按一定比例机械混合；另一种则是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。实验表明，这种粘结剂包裹的粉末制备虽然复杂，但烧结效果较机械混合的粉末好。当烧结环境温度控制在聚碳酸酯软化点附近时，其线胀系数较小，进行激光烧结后，被烧结的聚碳酸酯材料翘曲较小，具有很好的工艺性能。,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,金属粉末材料成型工艺,金属粉末是通过黏合剂烧结来完成的；在烧结室预热和激光热作用下，在颗粒接触点/面部分熔化，发生黏性流动，从而实现粉末颗粒的聚结。时间0.5-2.5ms;黏结材料包括许多热塑料：聚碳酸酯、聚苯乙烯、ABS、聚氯乙烯等通过调整保护气氛，可以提高润湿性。较少烧结室氧气含量很重要。烧结用的高分子材料的熔点/软化点不能超过150摄氏度。,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,二元金属系统具有特点：颗粒很细，表面能高，激光吸收性好；液相具有较高的表面能、黏性较低；流动性好；固相在液相中的溶解度低，而且没有挥发性；两相熔点差别大；低熔点相充分熔化，高熔点变化小；烧结后多空材料，通过填充密实，液相体积分数应超过30%,目前，SLS成型金属件主要采用双金属粉末。,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,金属粉末直接成型工艺,Prabhu&Bourell 首先提出采用SLS技术烧结双金属粉末（89铜+11锡）。1083度/183度用较小的激光功率将粉末加热到 super-solid regime,低熔点金属熔化，高熔点保持固态，熔化的金属液体流动润湿高熔点金属粉末，作为黏结剂，将其联结在一起，随后冷却连成一体，最终形成金属实体件，属于液相烧结。P106,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,DTM&Rockwell international 合作研制成功 Direct Metal Fabrication 技术。采用双金属粉末+聚合物材料，用于制造模具。金属基陶瓷的熔点较高，一般超过2000度。如果采用中、高温熔点的金属粉末作为黏结相，必须采用大功率激光器。如Zong 采用1.1KW激光器烧结70(88WC-12Co)-20Co-10Ni成型金属件。目前，SLS成型金属件主要采用双金属粉末。,金属粉末间接成型工艺,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,420 Stainless Steel powderFabricated parts impregnated with bronzeResults in composite comprising stainless steelprecipitate in bronze matrix in 60:40 ratio,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,间接制造金属构件,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,Advanced Tooling for improving tool performanceDirect Metal Laser-Sintering(DMLS).,With DMLS,both the positions and shapes of coolingchannels(or other elements)can be designed in a freeform way.,实例,水冷通道,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,陶瓷粉末材料烧结工艺,具有促进联结的低温陶瓷相。在激光扫描下熔化，实现陶瓷颗粒之间的黏结，从而形成密实的构件。具体工艺见 教材107页,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,陶瓷粉末材料烧结工艺,材料成分:低纯度刚玉（氧化铝、氧化钛、二氧化硅、氧化铁、氧化镁等，熔点大于2000度）；低熔点联结相 磷酸二氢铵，熔点190度；SLS工艺条件：脉冲YAG激光器，40KHz,功率20-25W，激光束斑点直径0.5mm,20-60 mm/min;粉末预热21-60 度；炉中继续加热：100度/小时，450度2小时；850度6小时，冷却 多孔材料,后处理,用刷子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。,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,常规后处理工序：,先将成型件加热到较低温度，使聚合物汽化而除掉再加热到更高温度下保温，是金属粉末通过原子扩散建立连接，烧结件的形状得以保持，最后，渗入熔点较低的金属，来填充烧结的空隙，得到具有一定形状精度的金属构件。具体内容 见教材105页,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,后处理工艺,由于粉末材料的密度仅能达到其对应实体密度的50%，同时激光烧结速度很快，粉末颗粒熔融后来不及扩散和融合，烧结成型件的密度仅为实体的70%，严重影响烧结件的强度，因此需要通过后处理提高烧结件的强度。多孔材料的虹吸效应，将液态可固化树脂或低熔点金属填充烧结件的孔隙，提高密度和构件的强度。再经过抛光，获得合格密实的结构件。,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,模具制造过程原理,间接法制造的金属模具,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,Selective Laser Sintering质量影响因素,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,零件造型的影响；粉末材料的影响：热吸收性能、导热性能、收缩率、相转变温度、热分解温度、熔体黏度与流动性、颗粒分布等成型工艺参数：激光功率与扫描速度、扫描间距与扫描方式、光斑尺寸、层厚、预热温度、成型方向等。,质量影响因素,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,扫描方式,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,扫描间距,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,Selective Laser Sintering设备,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,设备,几种方法对比,研究现状,DTM公司1992年、1996年和l999年先后推出Sinter-station 2000、2500 和2500Plus机型。其中2500 Plus机型的造型体积比过去增加了l0，同时通过对加热系统的优化，减少辅助时间，提高造形速度。3D Systems公司Sinterstation HiQ系列产品采用智能温控系统提高了造型质量，并因此减少了后处理所需时间，同时提高了材料的利用率。另外Sinter-station HS系列产品的激光器功率为l00W，加之高速的激光传输系统成型速度是Sinterstation HiQ产品的1.8倍，成型材料可为热塑料粉末、金属粉末、热橡胶粉末和高分子复合材料粉末等。,研究现状与存在问题,北京隆源目前主打AFS-320、AFS-450，可成型塑料件、蜡模、树脂砂。其中，AFS-320成型机的主机与电控柜为可组合结构，一次成型可达320mm320mm440mm，AFS-450成型机主机采用紧凑型结构，电控单元采用外挂式操作显示平台，一次成型尺寸可达450mm450mm500 mm。华中科大开发出HRPS-l型成机，用于铸造砂型，HRPS-型成型机用于高分子粉末成型。目前主打产品为HRPS-A、HRPS-A、HRPS-A，其独特的三缸式，双送料桶的送粉系统可使烧结辅助时间大大减少，最大成型空间可达500mm500mm400mm，激光最大扫描速度可达4ms，可用的粉末材料多样化，如多种高分子粉末、金属粉末、陶瓷粉末和复膜砂等。,在材料方面,DTM公司每年有数种新产品问世，其中Dura Form GF材料生产的制件，精度更高，表面更光滑。最近开发的弹性聚合物Somos 201材料，具有橡胶特性，并耐热和抗化学腐蚀，用该材料造出了汽车上的蛇型管、密封垫和门封等防渗漏的柔性零件。用Rapid Steel 2.0不锈钢粉制造的模具，可生产100，000件注塑件。Rapid Tool 2.0这种材料的收缩率只有0.2，其制件可以达到较高的精度和表面粗糙度，几乎不需要后续抛光工序。,在材料方面,DTM Polycarbonate 铜一尼龙混合粉末，主要用于制作小批量的注塑模。EOS公司发展了一种新的尼龙粉末材料PA3200 GF，类似于DTM的Dura Form GF，用这种材料制作的零件精度和表面粗糙度都较好。激光选区烧结技术除可以烧结陶瓷材料外，还可用于烧结热塑料聚合碳化物、尼龙、金属、蜡等材料。但在烧结陶瓷以外的材料时，一般不用加粘结剂，也无后续处理。因此，利用这种成型技术可以制造出高强度的原型或零件。目前成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行粘接或烧结的工艺还正在实验阶段。但大多数激光选区烧结技术研究集中在生产金属零件上，DTM公司在蜡、尼龙、聚碳酸酯等材料的基础上，大力研究金属型材料，目前已经制造出样品，不久将实现商品化。,间接法快速制作金属模具,SLS工艺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。DTM公司用Rapid ToolTM专利技术，在SLS系统Sinterstation2000上将Rapid steel粉末(钢质微粒外包裹一层聚酯)进行激光烧结得到模具后放在聚合物的溶液中浸泡一定时间，然后放入加热炉中加热使聚合物蒸发，接着进行渗铜，出炉后打磨并嵌入模架内即可。,天津科技大学 Tianjin University of Science&Technology,模具制造过程原理,SLS间接制造的模具,采用SLS快速原型制造的复杂金属零件,复杂金属零件的快速无模具铸造,将SLS激光快速成型技术与精密铸造工艺结合起来，特别适宜具有复杂形状的金属功能零件整体制造。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。图3.28给出了若干由快速无模具铸造方法制作的产品。,应用,应用,应用,