選擇性雷射燒結成型技術的優點和缺陷

2021-01-21 網易

2017-10-25 23:27:29　來源: 早上好朋友

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　　選擇性雷射燒結SLS法由美國德克薩斯大學研究生C.R.dechard在1989年提出並研製成功的。採用雷射作為熔化粘結顆粒材料的熱源，列印材料為粉末，可用材料種類多，基本上加熱後可實現粘接的材料都可以，現在的材料主要有尼龍、金屬、陶瓷粉末材料。加工時，需要先把粉末預熱到比材料熔點低一點的溫度，這個過程大概需要幾個小時，這也使得SLS列印時間總體來說用時比較長(單獨從選擇燒結來說，它的列印速度可以說是最快的)。SLS列印可以分為散步，前處理、雷射選擇燒結和後處理。前處理包括對列印物體建立三維模型並導入印表機進行分層處理，以及前面提到的對材料預熱；雷射選擇燒結階段，印表機的材料託盤上鋪上一層粉末材料，利用像壓麵條的棍子結構把粉末鋪成緻密粉末層，然後雷射根據分層數據進行輪廓列印，當一層列印結束後，列印部件下降一層厚度，滾子再鋪好粉末，直到列印完成；後處理階段，因為粉末材料鋪放時密度小小，所以列印後結構件密度也小，強度不夠，需要進行熔融一些其他材料進材料件裡，補足強度。另外由於列印採用粉末，所以表面會呈顆粒狀，需要進行表面處理。優點：（1） 可以採用多種材料。從理論上說，任何加熱後能夠形成原子間粘結的粉末材料都可以作為SLS的成型材料。 （2） 過程與零件複雜程度無關，製件的強度高。 （3） 材料利用率高，為燒結的粉末可重複使用，材料無浪費。 （4） 無須支撐結構。 （5） 與其他成型方法相比，能生產較硬的模具。 缺點： （1） 原型結構疏鬆、多孔，且有內應力，製作易變性。 （2） 生成陶瓷、金屬製件的後處理較難。 （3） 需要預熱和冷卻。 （4） 成型表面粗糙多孔，並受粉末顆粒大小及雷射光斑的限制。 （5） 成型過程產生有毒氣體及粉塵，汙染環境。

　　

　　華中科技大學武漢濱湖機電技術產業有限公司生產的HRPS-IV快速成型系統，採用雷射燒結快速自動成型技術，其基本工作原理是離散與堆積，在使用該技術時，設計者首先藉助現有的主流三維設計軟體或者通過逆向工程所採集的幾何數據，建立一個產品的三維模型，這是完成快速成型製造的一項基本條件。然後導出相應的STL 文件格式輸入快速成型機當中，再從STL 文件「切」出設定厚度的一系列片層，或者直接從CAD 文件切出一系列的片層，這些片層按次序累積起來便是所設計零件的原型件。部件完成後，再經過必要的後續處理，使完成的部件在性能、形狀尺寸、外觀等方面達到設計要求。應用雷射燒結快速自動成型技術來進行產品製造，可以忽略產品部件的外形複雜程度(這也是與傳統機械加工方式製造產品的最大區別之一)，原材料的利用率接近100%，製造精度可達±0.2mm 200mm。如圖1所示，整個成型過程是在成型活塞筒內完成，在成型活塞筒的兩側各有一個供粉活塞筒。成型步驟如下：

　　HRPS-IV設備使用的材料（PS）是一種粉末狀的高分子材料，粉粒直徑為50-125靘。零件製作時，首先供粉活塞上移一定量，鋪粉滾輪將粉末均勻地鋪在加工平面上。雷射器發出雷射，計算機控制雷射器的開關及掃描器的角度，使得雷射束以一定的速度和能量密度在加工平面上掃描。雷射器的開與關以及掃描器的角度是與待成型的零件的片層的第一層信息相關。雷射束掃過之處，粉末燒結成一定厚度的片層，未掃過的地方仍然是鬆散的粉末，這樣零件的第一層就製造出來了。這時，成型活塞下移一定距離，這個距離等於待成型零件的切片厚度，而供粉活塞上移一定量（上移的量與模型的切出的片層厚度有關，一般是略大於片層厚度）。鋪粉滾輪再次將粉末鋪平後，雷射束依照零件的片層的第二層信息加工。雷射掃過之後，所形成的第二個片層也燒結在第一層上，如此反覆，一個三維實體就疊加製造出來了。

　　在上述原型件的製作過程中，有幾項設置參數可以幫助說明。首先，因為零件是在高溫下燒結成型的，成型以後回到常溫下，零件都有一個收縮。因此，為了抵消這種收縮，需要進行模型放大補償，一般沿Z 向放大1.005倍。另外，切片處理參數的設置，HRPS-IV快速成型系統的層厚設置根據精度要求，一般為0.2mm。該系統所用的刀具指的是雷射束，在燒結零件外輪廓時，雷射束成型的並不是理論上的一條線，因此需要進行刀具補償，該補償為0.15mm。零件進行切片處理，掃描參數一般選擇掃描線寬為0.15mm，即雷射束掃描軌跡之間的間隔。掃描線寬太大，不容易燒結成型，掃描線寬太小，容易導致燒結區溫度過高。

　　

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