选择性激光烧结技术的发展现状

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工具技术
商品化设备。 按烧结用材料的特性， !"! 技术的发展可分为 ［#@］ 两个阶段 ： !用 !"! 技术烧结低熔点的材料来制 造原型。目前的烧结设备和工艺大多处于这一阶 段， 所用的材料是塑料、 尼龙、 金属或陶瓷的包衣粉 末 （或与聚合物的混合物） 。"用 !"! 技术直接烧结 高熔点的材料来制造零件。
（7）国内主要 !"! 成型材料的产品及用途 与快速成型设备的研究相比， 我国快速成型材 料及工艺的研究相对滞后， 目前还处在起步阶段， 与 国外相比存在较大差距。虽国内有多家研究开发单 但还没 位对 !"! 材料和工艺进行了研究开发工作， 有专门的成型材料生产和销售单位。国内几家主要 快速成型技术研究单位开发的材料见表 7。
覆膜金属、 覆膜陶瓷、 金属模具、 陶瓷精铸、 熔模铸造、 原型 精铸蜡粉、 原型烧结粉
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金属粉末的 #$# 技术
Hale Waihona Puke .22A 年第 3B 卷 C%
$ 以使其能更好的服务于制造 加强 !"! 技术的研究， 业。 （如材料的物 !"! 工艺过程中涉及到很多参数 理与化学性质、 激光参数和烧结工艺参数等） ， 这些 参数影响着烧结过程、 成形精度和质量。零件在成 型过程中， 由于各种材料因素、 工艺因素等的影响， 会使烧结件产生各种冶金缺陷 （如裂纹、 变形、 气孔、 组织不均匀等） 。 粉末材料的影响 （#） 粉末材料的物理特性， 如粉末粒度、 密度、 热膨 胀系数以及流动性等对零件中缺陷形成具有重要的 影响。粉末粒度和密度不仅影响成型件中缺陷的形 成， 还对成型件的精度和粗糙度有着显著的影响。 粉末的膨胀和凝固机制对烧结过程的影响可导致成 ［#.］ 。 型件孔隙的增加和抗拉强度的降低 （.） 工艺参数的影响 激光和烧结工艺参数， 如激光功率、 扫描速度和 方向及间距、 烧结温度、 烧结时间以及层厚度等对层 与层之间的粘接、 烧结体的收缩变形、 翘曲变形甚至 ［#.］ 等的研究表明层 开裂都会产生影响。 * ,456789+ 厚的增加会降低零件的精度和表面光洁度。 此外， 预热是金属粉末 !"! 中一个重要环节， 没有预热， 或者预热温度不均匀， 将会使成型时间增 加， 所成型零件的性能低和质量差， 零件精度差， 或 ［..，.3］ 。对金属粉末材料 使烧结过程完全不能进行 进行预热， 可减小因烧结成型时受热在工件内部产 生的热应力， 防止其产生翘曲和变形， 提高成型精 度。 因此， 对上述各种参数进行最优化设计对成型 件质量的改善有着重要的意义。上述各种参数在成 ［.2］ 等 型过程中往往是相互影响的， 如 :4);(<= !4); 研究表明降低扫描速度和扫描间距或增大激光功率 可减小表面粗糙度， 但扫描间距的减小会导致翘曲 趋向增大。因此， 在进行最优化设计时就需要从总 体上考虑各参数的优化， 以得到对成型件质量的改 善最为有效的参数组。 目前制造出来的零件普遍存在着致密度、 强度 及精度较低、 机械性能和热学性能不能满足使用要 求等一些问题。这些成型件不能作为功能性零件直 液相烧 接使用， 需要进行后处理 （如热等静压 >?@、 高温烧结及熔浸） 后才能投入实际使用。 结 "@!、 此外， 还需注意的是， 由于金属粉末的 !"! 温度 较高， 为了防止金属粉末氧化， 烧结时必须将金属粉 末封闭在充有保护气体的容器中。保护气体有氮 气、 氢气、 氩气及其混合气体。烧结的金属不同， 要
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选择性激光烧结技术的发展现状 !
潘琰峰
摘
沈以赴
顾冬冬
胥橙庭
南京航空航天大学
要： 介绍了选择性激光烧结技术的原理、 特点及其研究发展状况， 简述了选择性激光烧结金属粉末的两种 典型成型工艺， 并简要分析讨论了选择性激光烧结技术成型金属零件所存在的一些问题。最后， 总结了选择性激 光烧结技术的应用和发展前景。 关键词： 快速成形， 选择性激光烧结， 烧结粉末
技术、 激光加工技术和材料科学技术于一体， 其原理 突破了传统的材料变形成型和去除成型的工艺方 法， 可在没有工装夹具或模具的条件下， 迅速制造出 任意复杂形状的三维实体零件， 且可有效地降低产 品开发周期。因此， H’ 在当今制造业中越来越具有 竞争力， 有望成为 #! 世纪的主流制造技术。 目前 H’ 技术的快速成型工艺方法有十多种， 主要有： 立体光固造型 （立体印刷） （ .;,8,4 =0;/4-L .=K ； 选择性激光烧结 .=. （ .,:,9;0C, =(<,8 8(7/@ K77(8(;1<） ； 叠层制造 =MN （ =(A0)(;,5 MBO,9; N()1+(9L .0);,80)-） ； 熔融沉积造型 E3N （ E1<,5 3,74<0;04) N45,:L ;180)-） ； 三 维 印 刷 &3 F ’ （ 6/8,, 30A,)<04)(: ’80);0)- ） 。 0)-） 各种 H’ 方法均具有自身的特点和适用范围。 选择性激光烧结 （ .=.） 是发展最快、 最为成功且 已经商业化的 H’ 方法之一， 采用该技术不仅可以 制造出精确的模型和原型， 还可以成型具有可靠结
; 引言
［! F G］ 快速成型 （H(705 ’84;4;@70)-） 技术第一次 H’ 出现于 #" 世纪 I" 年代后期。它集 JK3 技术、 数控
［$ F !"］ 是采用激光有选择地分 选择性激光烧结
层烧结固体粉末， 并使烧结成型的固化层层层叠加 生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括 JK3 模型的建立及数据处理、 铺粉、 烧结以及后处理等。 .=. 技术的快速成型系统工 作 原 理 如 图 ! 所 示。
［%］ 构的金属零件作为直接功能件使用 。由于其具有
图;
选择性激光烧结原理
整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成， 工作时 粉末缸活塞 （送粉活塞） 上升， 由铺粉辊将粉末在成 型缸活塞 （工作活塞） 上均匀铺上一层， 计算机根据 原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹， 有选 择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉 末完成一层后， 工作活塞下降一个层厚， 铺粉系统铺 上新粉， 控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往 复， 层层叠加， 直到三维零件成型。最后， 将未烧结 的粉末回收到粉末缸中， 并取出成型件。对于金属 粉末激光烧结， 在烧结之前， 整个工作台被加热至一 定温度， 可减少成型中的热变形， 并利于层与层之间 的结合。 与其它 H’ 方法相比， .=. 最突出的优点在于它 所使用的成型材料十分广泛。从理论上说， 任何加
表&
材料型号 +A-,?;-B (;.C,B82/ +A-,?;-B D? +56 (;.C0,-E,9,:/ 5-A/?;-B (;.CB/!,92?;-B !8 !,92?;-B F’’ );GG/- (.;C,B82/ ’,G82!://. 7 I $
()* 开发的 #$# 用成型材料产品
材料类型 聚酰胺粉末 添加玻璃珠的 聚酰胺粉末 聚碳酸酰粉末 聚苯乙烯粉末 覆膜硅砂 覆膜锆砂 铜 H 聚酰胺复合粉 覆膜钢粉 使用范围 概念型和测试型制造 能制造微小特征， 适合 概念型和测试型制造 消失模制造 消失模制造 砂型 （芯） 制造 砂型 （芯） 制造 金属模具制造 功能零件或 金属模具制造
［&’］ !"% 国内外 #$# 成型材料的产品及用途 成型材料是 !"! 技术发展和烧结成功的一个关
归纳起来主要有以下几
键环节， 它直接影响成型件的成型速度、 精度和物 理、 化学性能， 影响成型工艺和设备的选择及成型件 的综合性能。因此， 国内外有许多公司和研究单位 加强了这一领域的研究工作， 并且取得了重大进步。 （#）国外主要 !"! 成型材料的产品及用途 国外的许多快速成型系统开发公司和使用单位 都对快速成型材料进行了大量的研究工作， 开发了 多种适合于快速成型工艺的材料。其中在 !"! 领 域， 以 +56 公司所开发的成型材料最具代表性， 其 已商品化的 !"! 用成型材料产品见表 #。
诸多优点， 如粉末选材广泛、 适用性广， 可直接烧结 零件等， 因此在现代制造业中受到越来越广泛的重 视。