快速制造技术PPT教学课件-第四章_选择性激光烧结SLS.ppt

王志伟 湖北工业大学 机械工程学院 2011年3月 第四章 选择性激光烧结SLS 一、 概念 二、工艺原理 三、 选域激光烧结的特点 四、 SLS方法常用的材料 五、 系统组成 六、 工艺步骤 七、 应用 八、 选域激光烧结制造设备市场概况 一、概念 选域激光烧结(Selected Laser Sintering)，借助精确引导 激光束使材料粉末烧结或熔融后凝固形成三维原型或制 件。即成型机按照计算机输出的原型分层轮廓．采用激 光束在指定路径上有选择性地扫描并熔融工作台上很薄 (100—200p m)且均匀铺层的材料粉末。由分层图形所选 择的扫描区域内的粉末被激光束熔融，连结在一起，而 未在该区域内的粉末仍然是松散的。当一层扫描完毕， 向上(或下)移动工作台，控制完成新—层烧结：全部烧 结后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获得 原型或零件。选域激光烧结技术造型速度快，—般制品， 仅需1—2天即可完成。 二、工艺原理 其工艺过程是，用红外线板将粉末材料加热至恰好低于 烧结点的某一温度，然后用计算机控制激光束，按原型 或零件的截面形状扫描平台上的粉末材料，使其受热熔 化或烧结。继而平台下降一个层厚，用热辊将粉末材料 均匀地分布在前一个烧结层上，再用激光烧结。如此反 复，逐层烧结成型。这种工艺与立体印刷成型(SLA)基本 相同。 三、选域激光烧结的特点 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，适应不同的需要,包括热塑 料、金属和陶瓷的新材料。 2、制造工艺比较简单。由于可用多种材料，选域激光烧 结工艺按采用的原料不同可以直接生产复杂形状的原型 型模、三维构件或部件及工具，能广泛适应设计和变化 等。例如，制造概念原型；蜡模铸造模型及其他少量母 模生产；直接制造金属注塑模等。 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，这种工艺一般能够达到全工件范围内 ±(0. 05—2.5)mm的公差。当粉末粒径为0.1mm以下时， 成型后的原型精度可达±1%。 4、成本较低。可制备复杂形状零件，但成型速度较慢， 由于粉体铺层密度低导致精度较低和强度较低。 四、SLS方法常用的材料 选域激光烧结技术常用原材料是塑料、蜡、陶瓷、金属 以及它们的复合物的粉体。用蜡可做精密铸造蜡模．用 热塑性塑料可做消失模，用陶瓷可做铸造型壳、型芯和 陶瓷件，用金属可做金属件。目前大多数选域激光烧结 技术研究集中在生产金属零件上。 五、系统组成 1、激光切割系统组成与工作参数 （1）激光器的选择 （2）激光功率密度和扫描速度 （3）激光束扫描间距 （4）激光扫描方式的影响 2、控制系统 1、激光切割系统组成与工作参数 （1）激光器的选择 目前用于固态粉末烧结的激光器主要有两种：CO2激光 器和Nd：YAG激光器。 CO2 激光器的波长为10.6μm， Nd：YAG激光器的波长为1．06μm。对于陶瓷、金属 和塑料等三种主要的固态粉未来说，选用何种激光器取 决于固态粉末材料对激光束的吸收情况，一般金属粉末 烧结选用Nd：YAG激光器，而不选用CO2激光器，因为 金属粉末对CO2激光器发出的激光反射率比Nd：YAG激 光器所发出激光的反射率大得多，如图所示。 陶瓷粉末的烧结也选用Nd：YAG激光器。塑料粉末如聚 碳酸酯的烧结可用C02激光器，因为聚碳酸酯在5.0—11.0 μm波长范围内具有很高的吸收率。 （2） 激光功率密度和扫描速度 激光功率密度由激光功率和光斑大小决定。在固态粉末 选域激光烧结中，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。 a.如果激光功率密度低而扫描速度快 粉末不能烧结，制造出的原型或零件强度低或根本不能 成型。 b.如果激光功率密度太高而扫描速度又很低 会引起粉末汽化，烧结密度不仅不会增加，还会使烧结 表而凹凸不平，影响颗粒之间、层与层之间的连结。 因此，不合适的激光功率密度和扫描速度会使零件内部 组织和性能不均匀，影响零件质量。这个问题在激光烧 结塑料粉末时表现更为突出：下图表示了激光烧结聚碳 酸酯时，激光功率和扫描速度对烧结深度的影响。 （3）激光束扫描间距 激光扫描间距是指相邻两激光扫描行之间的距离。激光 扫描间距的大小影响输结粉末的总能量的分布，并对粉 末的烧结质量有重要影响。 分析 （a）图（ h大于激光束直径β） 当扫描间距h大于激光束直径β时， 扫描线彼此分离或小部分重叠， 其相邻区域总的激光能量小于粉 末烧结需要的能量，不能使相邻 区域的粉末烧结。 （b）图（ h β ，但h ε(ε为激光束半径)） 当h β ，但h ε(ε为激光束半径)