激光烧结—快速成型制造技术原理与工艺

　　激光选区烧结（SLS----Selective Laser Sintering）又称选域激光烧结、粉末材料选择性烧结等。是借助精确引导的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。

　　1）工艺原理

　　激光选区烧结工艺原理（见图3-8）。其工艺过程主要由两个过程组成。

　　a信息过程 ― 离散处理。在计算机上建模的 CAD 三维立体造型零件，或通过逆向工程得到的三维实体图形文件．将其转换成 STL 文件格式。再用一离散（切片）软件从 STL 文件离散出一系列给定厚度的有序片层。或者直接从 CAD 文件进行切片。这些离散的片层按次序累积起来仍是所设计的零件实体形状。然后，将上述的离散（切片）数据传递到成型机中去，成型机中的扫描器在计算机信息的控制下逐层进行扫描烧结。

　　b物理过程 ― 叠加成型。成型系统的主体结构是在一个封闭的成型室中安装两个缸体活塞机构，一个用于供粉，另一个用于成型。成型过程开始前，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。成型开始时，供粉缸内活塞上移一给定量，铺粉滚筒将粉料均匀地铺在成型缸加工表面上，激光束在计算机的控制下以给定的速度和能量对第一层信息进行扫描。激光束扫过之处粉末被烧结固化为给定厚度的片层，未烧结的粉末被用来作为支撑，这样零件的第一层便制作出来。这时，成型缸活塞下移一给定量，供料虹活塞上移，铺粉滚简再次铺粉，激光束再按第二层信息进行扫描，所形成的第二片层同时也被烧结固化在第一层上，如此逐层叠加，一个三维实体零件就制作出来了。这种工艺与立休印刷成型（ SLA ）基本相同，只是将 SLA 的液态树脂换成在激光照射下可以烧结的粉末材料，并由个温度控制单元优化的辊子铺平材料以保证粉末的流动性，同时控制工作腔热量使粉末牢固粘结。

　　2）系统组成

　　激光选区烧结决速成型系统一般由主机、控制系统和冷却器三部分组成

　　主机

　　主机主要由成型工作缸、废料桶、铺粉辊装置、送料工作缸、激光器、振镜式动态聚焦扫描系统、加热装置、机身与机壳等组成。

　　a成型工作缸。在缸中完成零件加工，工作缸每次下降的距离即为层厚。零件加工完后，缸升起，以便取出制件和为下一次加工作准备。工作缸的升降由电动机通过滚珠丝杆驱动 2 ）废料桶。回收铺粉时溢出的粉末材料。

　　b铺粉辊装置。包括铺粉辊及其驱动系统。其作用是把粉末材料均匀地铺平在工作缸上。 4 ）送料工作缸。提供烧结所需的粉末材料。

　　c激光器。提供烧结粉末材料所需的能源。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 10.6UM，Nd : YAG 激光器的波长为1.06um 。对于常用的陶瓷、金属和塑料等三种主要的固态粉末来说，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。一般金属和陶瓷粉末的烧结选用 Nd : YAG 激光器，而塑料粉末的烧结采用 CO2激光器。

　　d振镜式动态聚蕉扫描系统。振镜式动态聚焦扫描系统由XY扫描头和动态聚焦模块组成。 XY 扫描头上的两个镜子在伺服电动机的控制下，把激光束反射到工作面预定的 X 、 Y 坐标点上。动态聚焦模块通过伺服电动机调节 Z 方向的焦距，使反射到 X 、 Y 任意坐标点上的激光束始终聚焦在同一平面上。动态聚焦扫描系统和激光器的控制始终是同步的。

　　e加热装置。加热装置给送料装置和工作缸中的粉末提供预加热，以减少激光能量的消耗和零件烧结过程中的翘曲变形。

　　f机身与机壳。机身和机壳给整个快速成型系统提供机械支撑和所需的工作环境。

　　计算机控制系统

　　主要由计算机、应用软件、传感检测单元和驱动单元组成。

　　（1）计算机一般采用上位机和下位机两级控制，其中上位主控机一般采用配置高、运行速度快的微机，称为主机。下位执行机构采用相对配置低的微机，称为子机。主机、子机以特定的通信协议进行双向通信，构成并联的双层系统。整个控制系统设计带有分布式控制系统的特征。为提高数据传输速度和可靠性，依靠双向通信规则，主机向子机传输数据采用写外设方式。通过并行控制的总体结构和多处理器主从式交互通信的控制方式，实现多重复杂控制任务的高效并行协调运动。

　　主机完成 CAD 数据处理和总体控制任务，主要功能有：

　　l ）从CAD 模型生成符合决速成型工艺特点的数控代码信息；

　　2 ）将获得的数控代码信息传给子机；

　　3 ）对成型清况进行监控并接受运动参数的反馈，必要时通过子机对决速成型设备的运动状态进行干涉；

　　4 ）实现人机交互，提供真实感的原型三维 CAD 模型显示和运动轨迹实时显示；

　　5 ）提供可选加工参数询问，满足不同材料和加工工艺的要求。

　　子机进行成型运动控制，即机电一体运动控制。它按照预定的顺序与主机相互触发，接受控制命令和运动参数等数控代码，对运动状态进行控制。

　　（2）应用软件主要包括下列模块处理部分。

　　1）切片模块：有基于STL 文件和基于直接切片文件两种模块；

　　2 ）数据处理：具有 STL 文件识别及重新编码，容错及数据过滤切片， STL 文件可视化，原型制作实时动态仿真等功能；

　　3 ）工艺规划：具有多种材料烧结工艺模块（包括烧结参数、扫描方式和成型方向等）；

　　4 ）安全监控：设备和烧结过程故障自诊断，故障自动停机保护。

　　( 3 ）传感检测单元：包括温度、氯气浓度和工作缸升降位移传感器。温度传感器用来检测工作腔和送料筒粉末的预热温度 〔 预热温度可分别自动调节），以便进行实时控制。氮气浓度传感器用来检测工作腔中的氮气浓度，以便控制在预定的范围内，防止零件加工过程中的氧化

　　( 4 ）驱动单元：主要控制各种电动机完成铺粉辊的平移和自转、工作缸的上下升降和振镜式动态聚焦扫描系统 X 、Y、Z轴的驱动。

　　冷却器

　　由可调恒温水冷却器及外管路组成，用于冷却激光器，以提高激光能量的稳定性。

　　3）工艺步骤

　　粉末原料的烧结

　　激光选区烧结工艺的原材料一般为粉末，可选用的粉末主要有金属粉、陶瓷粉和塑料粉等，分别制造出相应材料的原型或零件。

　　 l 金属粉末的烧结当材料为金属粉末时，直接烧结成金属原型零件但目前直接由激光选区烧结成的金属零件在强度和精度上都很难达到理想的结果。

　　以石蜡、塑料为原料时，制出的原型用于生产金属零件的方法与采用立体印刷成型方法制造的树脂原型用来生产金属零件的方法是相同的。

用于激光选区烧结的金属粉末主要有三种：单一金属粉末、金属混合粉、金属粉加有机物粉末等。相应地金属粉末的激光选区烧结也有三种方法。

　　( l ）单一成分金属粉末的烧结。例如铁粉。先将铁粉预热到一定温度再用激光束扫描、烧结。烧结好的制件经热等静压（Hot Isostatic Pressing）处理，可使最后零件的相对密度达到 99.9％。

　　( 2 ）金属混合粉末。主要是两种金属的混合粉末，其中一种粉末具有较低的熔点，另一种粉末的熔点较高。例如青铜粉和镍粉的混合粉。先将金属混合粉末预热到某一温度，再用激光束进行扫描，使低熔点的金属粉末熔化（如青铜粉）从而将难熔的镍粉枯结在一起。烧结好的制件再经液相烧结后处理可使最后制件的相对密度达到82 %。

　　( 3 ）金属粉末与有机粘结剂粉末的混合体将金属粉末与有机粘结剂粉末按一定比例均匀混合激光束扫描后使有机粘结剂熔化，熔化的有机粘结剂将金属粉末粘结在一起，如铜粉和 PMMA （有机玻璃）粉。烧结好的制件再经高温后续处理，一方面去除制件中的有机粘结剂，另一方面提高制件的力学强度和耐热性能，并增加制件内部组织和性能的均匀性。

　　2 陶瓷粉末的烧结    陶瓷材料的激光选区烧结需要在粉末中加人粘结剂目前所用的纯陶瓷粉末原料主要有 AL2O3和 SIC ，而粘结剂有无机粘结剂、有机粘结刘和金属粘结剂等三种。例如，用于激光选区烧结的 AL2O3 陶瓷粉末有：AL2O3 陶瓷粉加无机粘结剂磷酸二氢氨粉；AL2O3陶瓷粉加有机枯结剂甲基丙烯酸甲醋；从仇陶瓷粉加金属粘结剂 Al 粉等。

　　当材料为陶瓷粉末时，可以直接烧结铸造用壳型来生产各类铸件甚至是复杂的金属零件。由于工艺过程中铺粉层的原始密度低，因而制件密度也低，故多用于铸造型壳的制造。例如，以反应性树脂包覆的陶瓷粉末为原料，烧结后，型壳部分成为烧结体零件部分不属于扫描烧结的区域，仍是未烧结的粉末。将壳体内部粉末清除干净，再在一定温度下使烧结过程中未完全固化的树脂充分固化得到型壳。结果表明，型壳在强度、透气性和发气量等方面的指标均能满足要求，但表面光洁程度仍有待改善。

　　陶瓷粉末烧结的制件的精度由激光烧结时的精度和后续处理时的精度决定在激光烧结过程中粉末烧结收缩率、烧结时问、光强、扫描点间距和扫描线行间距对陶瓷制件坯体的精度有很大影响。另外，光斑的大小和粉末粒径直接影响陶瓷制件的精度和表面粗糙度。后续处理（焙烧）时产生的收缩和变形也会影响陶瓷制件的精度。

　　塑料粉末的烧结     塑料粉末的激光选区烧结均为直接激光烧结，烧结好的制件一般不必进行后续处理。采用一次烧结成型将粉末预热至稍低于其熔点，然后控制激光束来加热粉末，使其达到烧结温度，从而把粉末材料烧结在一起共他步骤和陶瓷粉末的烧结相同。

　　烧结件的后处理

　　金属或陶瓷粉末（或混合体粉末）经过激光选区烧结后只形成了原型或零件的坯体，这种坯体还需要进行后处理以进一步提高其力学性能和热学性能。坯体的后处理方法有多种如高温烧结、热等静压烧结、熔浸和浸渍等。根据不同材料坯体和不同的性能要求，可以采用不同的后处理方法。例如，由金属粉末烧结的制件常称为“绿色”零件，将“绿色”零件放到加热炉内进行后处理，当炉内粘结剂烧尽后金属粒子被烧结并紧紧地粘接在一起。烧结后的零件称为“棕色”零件，它具有渗透功能。最后一步是向炉内添加一种称之为渗透剂的金属。这种金属在炉内高温下变成液体，通过毛细管作用，渗透到“棕色”零件中，使之成为完全致密的金属零件。烧结件的后处理也有多种方法，常用的有高温烧结、热压烧结、热等静压、熔浸、浸渍等。

　　1．高温烧结   金属和陶瓷坯体均可用高温烧结的方法进行处理。经高温烧结后，坯体内部孔隙减少，密度、强度增加其他性能也得到改善。

　　一般说来在高温烧结后处理中升高涓度有助＋界面反应延长保消时间有利于通过界面反应建立平衡，使制件的密度和强度增加，均匀性和其他性能得到改善．

　　虽然高温烧结后制件密度、强度增加，但是由于内部孔隙减少会导致体积收缩，影响制件的尺寸精度。同时，在高温烧结后处理中，要尽量保持炉内温度梯度均匀分布。由于炉内温度梯度分布不均匀，可能造成制竹各个方向的收缩不一致，使制件翘曲变形在应力集中点还会使制件产生裂纹和分层。

　　2 热等静压    热等静压后处理工艺是通过流体介质将高温和高压同时均匀地作用于坯体表面，消除其内部气孔，提高密度和强度，并改善其他性能。热等静压处理可使制件非常致密，这是其他后处理方法难以达到的，但制件的收缩也较大。

　　金属和陶瓷坯体均可采用热等静压进行后处理。如对铁粉烧结的坯体进行热等静压处理可使最后制件的相对密度达到，99.9 % ，对AL2O3陶瓷坯体进行热等静压处理，也可使最后制件的相对密度达到96％~98％。

　　3 熔浸    前两种处理方法虽然能够提高制件的密度但也会引起制件较大的收缩和变形。为获得足够的强度（或密度），又希望收缩和变形很少，可采用熔浸的方法对激光选区烧结的坯体进行后处理。

　　熔浸是将金属或陶瓷制件与另一种低熔点的液体金属接触或浸埋在液态金属内让金属填充制件内部的孔隙，冷却后得到致密的零件。熔浸过程依靠金属液在毛细管力作用下浸润零件，液态金属沿着颗粒间孔隙流动，直到完全填充孔隙为止。因此，制件的致密化过程主要靠易熔成分从外面补充填满孔隙，而不是靠制件本身的收缩。所以，经过熔浸处理的零件基本上不产生收缩，得到的零件密度高，强度大，尺寸变化小。

　　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人多孔的激光选区烧结坯体的孔隙内。和熔浸相似，经过浸渍处理的制件尺寸变化很小。

　　在后处理中，要控制浸渍后坯体零件的干燥过程。干燥过程中温度、湿度、气流等对干燥后坯体的质量有很大的影响。干燥过程控制不好，会导致坯体开裂，严重影响零件的质量。

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