材料成型技术新发展作业

单位代码 11660

单位名称重庆理工大学材料成型技术新发展金属粉末的选择性激光烧结成型技术

作者：张浪

专业：材料成型及控制工程

学号：10809010234

学院：材料科学与工程

中国 重庆

2011年 10月

【摘要】:激光快速成型技术是集计算机辅助设计、激光熔覆、快速成型于一体的先进制造技术,是传统加工成形方法的重要补充。近年来，集中先进的激光技术、粉体技术和计算机控制技术的选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，简称SLS)日渐成熟。SLS无需模具就可将金属和非金属粉末直接逐层烧结成近净形致密零件，具有成形灵活性强、周期短、原料广泛等特点，在汽车、造船、机械、航空与航天等诸多领域逐渐得到广泛应用，成为当前成形技术中的一个研究热点和极具发展潜力的前沿技术。文章介绍了金属粉末快速成型的研究现状,分析了金属粉末选择性激光烧结的工艺特点,对这些工艺的影响因素进行了讨论。

【关键词】:金属粉末；选择性激光烧结；快速成型技术；影响因素

1 引言

快速成型技术(Rapid Prototyping ,简称RP) 是从1987 年开始发展起来的一种先进制造技术,集成了现代数控技术、CAD/ CAM 技术、激光加工技术及材料科学等领域的最新成果。该技术利用CAD 软件设计出零件的三维实体模型,然后根据具体工艺要求,按照一定的厚度对模型进行分层切片处理,将其离散化为一系列二维层面,再对二维层面信息进行数据处理并加入加工参数,生成数控代码输入成型机,控制成型机的运动顺序完成各层面的成型制造,直到加工出与CAD 模型相一致的原型或零件。

在众多的快速成形技术中，选择性激光烧结SLS是少有的几种不需要添加任何粘结剂便能直接加工成形近致密金属零件的技术之一，近年来得到快速发展。从理论上分析，任何受热后能够粘结的粉末都可以用作SLS的原材料，如塑料、石蜡、金属、陶瓷等。早期用于SLS的粉末主要是塑料粉末，近年来科研人员对金属和陶瓷粉末的烧结工艺做了大量的研究，直接将金属粉末烧结成三维零件是目前最为迫切的要求。

2 金属粉末烧结成型技术研究现状

（1） SLS的烧结原理

激光选择性烧结快速成型技术是使用激光束熔化或烧结粉末材料,利用分层的思想,把计算机中的CAD 模型直接成型为三

维实体零件。它的创新之处在于将激光、光学、温度控制和材料相联系。SLS 烧结过程可分为三部分: (1) 首先在粉体床上铺一薄层粉体, 并压实, 可以根据需要,在激光烧结前进行预热；(2) 激光照射粉体层,烧结粉体, 形成所设计零件一层的形状；(3) 粉体床下降一个薄层厚度的距离; 重复上面的过程,直到原型零件完成。SLS 对粉末烧结的明显优势在于: (1) 和其它的加工方法比较, 能获得优良的材料性能, 同时, 它的加工材料范围比较宽(聚合物、金属、陶瓷、铸造砂等) ；(2) 易于实现液相烧结, 烧结周期比较短；(3)比传统的烧结方法更易得到密实的以粉末金属为原料的产品；(4) 工艺比较简单, 烧结路线、烧结温度便于控制。

（2）SLS技术的发展历程与现状

SLS最初由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的CARL DECKARD于1987年在其硕士论文中提出，之后美国DTM 公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备Sinter Station 2000 。随着研究的不断深入，特别是激光束控制技术的突破，美国的DTM 公司、德国的EOS公司、比利时的Leuyen大学、英国的MCP公司，我国的北京隆源自动成型有限公司、南京航空航天大学、西北工业大学、华北工学院和华中科技大学等单位研发的SLS成形机，功能不断完善，性能不断提高。按所用原材料特性的不同，SLS的发展可分为2个阶段：1)利用SLS技术烧结低熔点的材料，目前的烧结设备和工艺大多处于这一阶段，所用的材料是聚合物、低熔点金属或

陶瓷的包覆粉末(或陶瓷与聚合物的混合物)；2)利用SLS技术直接烧结高熔点金属材料(如钛合金、镍合金等)，这是SLS的重要发展方向之一。国外许多快速成形系统开发公司和使用单位对快速成形材料进行了大量的研究，开发出了多种适合于快速成形工艺的粉末材料。美国的DTM公司于1993年推出RapidSteel制造技术，在SLS-2500plus系统中烧结表面包覆树脂材料的铁粉，初次成形零件后，置入铜粉中再一起放入高温炉进行二次烧结制造出注塑模具，此模具在性能上相当于7075铝合金。德国EOS公司开发了可直接对未经预热的金属粉末进行激光烧结的EOSINTM250系统。该系统所使用的由不同金属粉末组成的混合粉，适用于制作滚轴和注塑模具口。日本大阪大学焊接研究实验室的MURAKAMI T等用激光焊接技术，成功制备了莲藕状的多孔铜。目前，应用该技术已能快速地制备出高精度高分子材料工件，也可以制备具有高致密度但表面精度稍差的金属件。与此同时，SLS用粉末材料的研究也取得进展，粉末的品种越来越多。

（3）影响金属粉末SLS质量的因素

选择性激光烧结，特别是金属粉末的激光烧结，是非常年轻的一个制造领域。尽管SLS具有应用范围广、直接成形等优点，但是仍有不少技术难题，如三维零件普遍存在致密度不高、尺寸精度较低及表面质量较差口等问题，这已成为目前SLS技术研究的重点和难点。归结起来，在适当的烧结气氛下，影响SLS烧结件质量的因素主要为工艺参数(如激光类型和扫描方式)和粉末

物性。

3 金属粉末的选择性激光烧结成型技术发展前景及存在问题

金属粉末的SLS是一项基于特种金属粉末的多学科交叉的高新技术，是粉末冶金工艺的扩展和最新发展。本文作者通过阐述SLS的原理及特点，总结SLS的发展及现状，分析影响SLS质量的因素，深入探讨了激光类型、扫描参数、粉末物性对SLS烧结质量的影响，并着重探讨了粉末物性对于SLS质量的影响。作者认为使粉末的烧结特性、摊铺特性和稳定性三者与激光特性相互协同，是设计SLS专用粉末的关键；建立模拟激光烧结过程的物理、数学模型，对SLS科学体系的形成和完善具有重要意义。

SLS技术的发展，将对丰富和发展粉末冶金科学和技术产生积极的影响，对引领机械制造业向环保、节能、高效的方向发展产生积极的推动作用。目前,快速成型技术的成型精度为0.01mm 数量级,表面质量还较差,有待进一步提高。最主要的是成型零件的强度和韧性还不能完全满足工程实际需要,完善现有快速成型工艺与设备,提高零件的成型精度、强度和韧性,降低设备运行成本的需求是十分迫切的。

4 后记

选择性激光烧结成型技术作为一种高新制造技术,必将在十几年来飞速发展的基础上扬长避短,不断开发出新的成型工艺、成形材料及智能化相关技术,现有工艺也必将朝着精密化、高精度、低成本、标准化方向发展,并应以能直接生产半功能性、