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1、专 稿SPECIAL PAPER30航空制造技术2 0 0 6年第4期粉末材料激光快速成形技术应用 分层制造思想，用粉末将 C A D模型 转换为零件， 不受零件形状复杂程度 的限制， 无需任何工装模具。 它可以基于粉末材料快速成形的复杂零件和模具制造技术华中科技大学 史玉升 黄树槐 蔡道生 张李超 刘 洁 沈其文划分为很多种工艺， 本文主要介绍了华中科技大学模具国家重点实验室快 速制造中心研究和开发的选择性激光 烧结( S e l e c t i v e L a s e r S i n t e r i n g ， S L S ) 技术和选择性激光熔化( S e l e c t i v eL
2、a s e r M e l t i n g ， S L M ) 技术。 高分子、 陶瓷、 金属、 覆膜砂、 生 物和它们的复合粉末等都可作为S L S 材料。 由于成形材料广泛， 特别是能直接制造金属及其复合材料的零件/ 模具， 成为目前所有快速成形方法中 最具发展前景的技术。 华中科技大学模具国家重点实验室快速制造中心从1 9 9 8 年开始， 主要 从高性能、高可靠、低成本S L S 主机 及其软件，适合不同用途的低成本 S L S 材料及其制备方法，塑料零件、金属零件、 具有随形冷却流道的模具和铸件的快速制造工艺等方面进行系 统研究，并在技术上取得创新和突 破， 最终目标是形成适合我国国
3、情的 高性能、高可靠、低成本成套S L S 快速制造体系， 并在我国推广应用， 以 提高企业新产品的开发速度和参与国 际竞争的能力。 S L S 方法在成形高分子、陶瓷、覆膜砂、 生物等粉末材料时有很多优 点。 但在成形金属零件和模具时， 其 成形产品存在致密度低、 机械性能差 和精度差等缺陷， 需要通过渗金属等复杂的后处理工艺才能使用。因此， 近年来， 在S L S 快速成形技术的基础 上，形成了一种新的S L M快速成形 技术, 它可以采用小功率激光器直接目前，复杂金属零件/模具的快速制造技术在航空航天 等高科技行业的应用引人瞩目。S L M 可直接制造任意复杂形状的高密度、高强度、高精度
4、等良好机械性能的金 属零件/ 模具， 可加快制造速度， 降低成本; 更重要的是，它可以制造传统制造方法无法加工的复杂金属零件 / 模 具。史玉升： 华中科技大学教授、 博士生导师；塑性成 形模拟及模具技术国家重点实验室副主 任， 华中科技大学快速制造中心主任， 国 家自然科学基金通讯评审专家， I n t e r n a - t i o n a l J o u r n a l o f P r o d u c t i o n R e s e a r c h 等 国际著名杂志的审稿人。 近年来， 主持和 作为骨干承担8 6 3 重大目标产品及其他科 研项目2 0 余项；获国家科技进步二等奖 1 项
5、，省科技进步一等奖1 项；发表论文 1 0 0 多篇， 其中三大索引收录5 0 余篇。 目 前主要从事快速成形/ 快速制模设备、 材 料及成形工艺的研究与开发专 稿SPECIAL PAPER快速制造致密度可达1 0 0 % 、精度达0 . 1 m m的各种复杂金属零件/模 具，S L M制件只需经过少量的加工 （如抛光等） ，就可以达到较高的精 度， 无须其他的后处理工艺， 具有广阔的应用前景。 S L M 技术 1 2 的工作原理与S L S 技术一样， 都采用激光束扫描金属粉 末分层的方法制造出所需的金属零件/模具。不同的是 S L M技术使金 属零件/模具C A D 模型切片实体部 分一
6、定层厚的金属粉末全部熔化， 直 接制造高密度金属件/ 模具。德国是最早从事S L M技术研究 的国家。M C P - H E K公司于2 0 0 3年 底将S L M系统推向市场。英国利物 浦大学是第一个购买和运用 S L M系统的用户。1 设备( 1 ) S L S 设备包括主机和控制系 统。 S L S 系统主机主要由自动送粉装 置、可升降工作台、预热装置、激光器及扫描装置、 检测装置等组成。 针 对现有国内外 S L S系统难以直接制 造大尺寸零件的现状， 华中科技大学 从预热装置、 预热温度控制和激光扫描方式等相关方面进行攻关和创新， 解决大尺寸S L S零件易于变形的难 题， 开发了
7、目前世界上最大工作台面 （5 0 0 m m 5 0 0 m m ）的S L S 系统。该系统的主要性能参数为：激光器， C O25 0 W ; 激光定位精度0 . 0 2 m m ; 激 光最大扫描速度5 m / s 。 S L S 控制系统 3 的硬件由控制系统、 传感检测装置和驱动单元等部分 组成。 为了达到高性能、 高可靠和低 成本的目的， 我们提出了基于软件芯 片的控制系统结构。 该控制系统由接口模板、 驱动单元、 检测装置等部分 组成， 用软件来实现原来由硬件完成 的许多功能， 在保证可靠性和技术指 标要求的前提下， 大幅度降低控制系统硬件的成本。( 2 ) 真空注型设备。 利用S
8、 L S 原形( 或其他原形零件) 快速制作硅橡胶模具，利用此模具， 在真空注型设备中小批量快速浇注出塑料制品。 华中科技大学开发了真空 注型设备，最大浇注尺寸为6 8 0 m m 4 8 0 m m 5 4 0 m m 。 2 材料（1 ) 低成本S L S 粉末材料 4 - 6 。 国外的S L S粉末材料价格非常 昂贵， 且只售给购买其S L S 系统的用 户，材料配方和制备方法严格保密。为此， 在分析对比国外同类材料的基 础上， 以国产原材料为对象， 在对粉 末烧结材料的热吸收性、热传导性、 收缩率、熔点、玻璃化转变温度、熔体粘度以及流动性等物理特性进行大 量的研究和试验的基础上， 研
9、究和开 发了适合不同用途、 具有自主知识产 权的种S L S 粉末材料， 即聚苯乙烯( P S ) 基、 高抗冲聚苯乙烯( H I P S ) 基、 PS/纳米碳管复合材料、聚酰胺 ( P A ) / 玻璃微珠复合材料4 种高分子 粉末材料， 铁基、 不锈钢基、 自加热3 种金属粉末 材料， 种覆膜砂S L S 粉 末材料，其综合指标达 到国内外同类材料的水平。 ( 2 ) 真空浇注材料 7 。 聚氨酯( P U ) 弹性体 以其卓越的综合性能高强度、 高硬度、 高模 量为特点， 广泛地应用于汽车、 建筑、 轻工业和航天等领域。 然而， 由于普 通的聚氨酯树脂的光学不透明和耐热性差， 使其应用
10、范围受到限制。 因此， 改善P U 树脂的耐热性，生产出高透 明、高强度、高硬度、高模量等综合 性能优越的树脂已成为当今P U 材料研究的热点。 华中科技大学快速制造中心成功 开发了一系列用于真空浇注的透明聚 氨酯树脂材料。3 软件软件包括在线实时区域自适应切 片软件、 直接切片软件系统、 工艺参 数规划智能系统、二维镂空软件等。 4 工艺( 1 ) 塑料功能零件的制造。 对于强度要求不高( 小于1 5 M P a ) 的塑料功能零件， 为了克服国外尼龙 基结晶形高分子粉末材料制成的塑料功能件的缺陷， 提出先用无定形高分 子粉末材料制造塑料件原形， 然后再 渗树脂增强; 对于强度要求较高( 大
11、于 1 5 M P a ) 的塑料功能零件，采用华中科技大学快速制造中心开发的尼龙基 粉末材料，用S L S 方法直接制造 8 。 ( 2 ) 与传统铸造技术相结合的工 艺 9 - 1 1 。用S L S技术提升传统铸造工艺 水平， 主要方法是用S L S 技术制造熔 模和砂型( 芯) 。 目前国外制作熔模的 S L S 材料价格贵、汽化温度高( 大于1 0 0 0 ) ，不适应我国现有的传统铸 造工艺。 为此， 我们提出开发低成本 的熔模S L S材料及与我国传统精密铸造工艺相结合的技术方案。 ( 3 ) 金属零件/ 模具的快速制造 工艺。基于自主研发的低成本 S L S金 属粉末材料， 探
12、索出一套相应的快速 制造复杂金属零件和具有随形冷却流 道模具的工艺路线。5 应用实例 5 . 1 在快速制造塑料件中的应用 ( 1 ) 单件 （或数件） 塑料件。 a . 低成本塑料功能零件的快速31航空制造技术2 0 0 6年第4期汽车发动机缸头塑料功能零件 零件尺寸：5 5 4 . 5 m m 3 2 0 . 5 m m 9 5 . 9 m mS L S 及其相关配套技术专 稿SPECIAL PAPER32航空制造技术2 0 0 6年第4期制造工艺。对于拉伸强度小于1 5 M P a的单 件（或数件）塑料功能件，可以采用 高分子粉末 S L S烧结塑料原形 件渗树脂增强塑料功能件的工艺路线
13、制造， 其中低成本高分子粉末和 增强树脂由华中科技大学快速制造中 心开发。 汽车发动机缸头即为用这种 工艺制造的低成本塑料功能零件。b . 高强度塑料功能零件的快速 制造工艺。 对于拉伸强度大于1 5 M P a的单 件( 或数件) 塑料功能件， 可采用华中科技大学快速制造中心开发的尼龙 ( P A ) 基粉末，用S L S 方法直接制造。 c . 精密铸造熔模用塑料件的快 速制造工艺。对于单件( 或数件) 精密铸造熔模 用塑料件， 可以采用华中科技大学快 速制造中心开发的低成本高分子粉末 材料制作S L S 原形， 然后经过浸蜡处理， 渗蜡件的拉伸强度为6 . 4 M P a ， 可 满足熔
14、模铸造的要求。 （2 ）数十件塑料件。 数十件塑料制品的快速制造工艺，可采用以下技术路线：三维C A D 快速成形制作原形件制作硅胶模 （常称 “软模” ） 采用双组分高分子 材料真空注型法制成塑料件。5 . 2 在快速制造金属件中的应用 ( 1 ) 与铸造技术结合的工艺。 主要有基于S L S 的覆膜砂型( 芯)铸造工艺、 基于S L S 的石膏型精密铸造工艺( 如摩托车发动机缸体及铝合 金铸件) 、基于S L S 的内嵌其他材料 的石膏型精密铸造工 艺( 如内嵌钢圈的摩托车箱体铝合金零 件) 等。 （2 ）基于S L S 的 金属零件快速制造工艺。 采用填加高分子 粘结剂的金属粉末 S L
15、 S 绕结脱出分子粘结剂渗低熔点金 属金属零件。 5 . 3 在快速制造金属模具中的应用在现代制造业 中模具起着越来越重 要的作用。 从1 9 9 7 年 起，我国模具工业的产值超过了机床工业 产值。但传统的模具 制造成本高， 周期长， 无法加工结构 复杂的模具。 如在制作模具冷却流道时， 传统方法采用在模具内部钻孔来 实现， 当模具的形状复杂时， 这种方 法无法使冷却流道随模腔的形状变化 而随形分布， 导致零件冷却不均匀产生变形， 影响质量和成品率， 特别是 当采用精密注塑工艺时问题更加突 出。 虽然采用铸造方法可以制作随型 冷却流道的模具，但生产效率很低。采用本技术就可以解决上述问题。1
16、设备华中科技大学开发的S L M设备的主要技术与性能指标如下。 （1 ）配备Y A G半导体泵浦激光 器S L M 装备的零件成形空间为: 标准 型3 2 0 m m3 2 0 m m4 5 0 m m ，其他型号可根据用户要求确定成形空 间; （2 ） 配备光纤激光器的S L M 装 备的零件成形空间为: 标准型2 5 0 m m2 5 0 m m 2 5 0 m m ，其他型号可根 据用户要求确定成形空间;（3 ）成形速度：7 0 0 0 m m3/ h ; （4 ）Y A G 激光功率：1 5 0 W ;（5 ）光纤激光功率：1 0 0 W ; （6 ） 金属粉末铺粉层厚度：5 0 1 0 0 m ; （7 ）激光光斑: 3 0 2 5 0 m ;（8 ）金属粉末粒径: 1 0 4 5 m 。 2 应用 （1 ） 超轻航空航天部件的快速制 造。在满足各种性能要求的前提下， 用S L M方法制造的零件重量与
