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1、选择性激光烧结快速成形技术摘要：选择性激光烧结快速成形(Selective Laser Sintering Rapid Prototyping)技术使用固体粉末材料，该材料在激光的照射下，能吸收能量。发生熔融固化，从而完成层信息的成型。这种方法适用的材料范围广(适用于聚合物、铸造用蜡、金属或陶瓷粉末)，特别是在金属和陶瓷材料的成型方面具有独特的优点，有着制造工艺简单，柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜，成本低、材料利用率高，成型速度快等特点。本文就SLS的原理，优点，以及使用材料的发展做了简要概括，并对金属粉末的进行了重点讨论。关键字：SLS，原理，材料，金属粉末目 录前言11 选择性激光
2、烧结快速成形技术的应用12 选择性激光烧结快速成形技术原理22.1 基本工作原理22.2 SLS快速成形技术工艺流程42.3 SLS烧结机理43 SLS技术的特点54 中北大学SLS方面的成果65 选择性激光烧结用原材料65.1 金属材料75.2 聚合物材料85.3 陶瓷材料85.4 新型SLS原料的研制-木塑复合材料86 金属粉末选择性激光烧结(SLS)技术86.1 间接法96.2 直接法106.3 金属粉末SLS存在的问题116.4 金属粉末SLS发展趋势12总结12参考文献14前言选择性激光烧结快速成形(Selective Laser Sintering Rapid Prototypin
3、g)技术(简称SLS技术)1989年由美国C.R Decard申请专利，DTM公司推向市场，之后因为具有成型材料选择范围宽、应用领域广的突出优点，得到了迅速的发展，受到越来越多的重视。选择性激光烧结(SLS)也可被称为选区激光烧结，它跟其它的快速成型工艺一样，加工原理也是离散-堆积成型原理。其以Nd:YAG或CO2激光发射器为加工能源，利用计算机来控制激光束对加工材料（包括高分子材料、金属粉末、预合金粉末材料及纳米材料等）按设定的速度并调整合适的激光能量密度并根据切片截面轮廓的二维数据信息进行烧结，层层堆积，全部烧结完后去掉周围多余的粉末, 再对烧结件进行打磨、烘干等一系列后处理操作便可以获得
4、零件。该技术集CAD技术、数控加工技术、激光技术和材料科学技术等于一体，缩短了设计和制造产品的周期，因而减少了开发费用和提高了新产品的竞争力。1 选择性激光烧结快速成形技术的应用目前，选择性激光烧结快速成形技术的应用主要包括以下几个方面1。(1)快速原型制造。利用快速成型方法可以方便、快捷地制造出所需要的原型，主要是塑料(PS、PA和ABS等)原型。它在新产品的开发中具有十分重要的作用。通过原型，设计者可以很快地评估设计的合理性、可行性，并充分表达其构想，使设计的评估及修改在极短的时间内完成。因此，可以显著缩短产品开发周期，降低开发成本。主要有以下3个方面的用途：外形设计考查；功能检测；装配干
5、涉检验等。(2)快速模具制造。利用SLS技术制造模具有直接法和间接法两种。直接制模是用SLS工艺方法直接制造出树脂模、陶瓷模和金属模具，间接制模则是用快速成形件做母模或过渡模具，再通过传统的模具制造方法来制造模具。(3)快速铸造。铸造是制造业中常用的方法。在铸造生产中，模板、芯盒、蜡模压模等一般都是机加工和手工完成的，不仅加工周期长，费用高，而且精度不易保证。对于一些形状复杂的铸件，模具的制造一直是个老大难问题速成形技术为实现铸造的短周期、多品种、低费用、高精度提供了一条捷径。可以通过以下3种方法实现快速铸造：用快速成型技术直接制造精铸用蜡模和数值消失模用快速成型原型代替铸造中的木模或制造铸造
6、模具。用快速成型技术直接成型铸造型壳、型芯和蜡模的压型2 选择性激光烧结快速成形技术原理2.1 基本工作原理选择性激光烧结SLS是以固体粉末材料直接成形三维实体零件，不受零件形状复杂度的限制，不需要任何工装模具，将CAD模型直接转换为实体原型件。从理论上说，任何受热后能够粘结的粉末都可以用作SLS烧结快速成形的原材料。其材料范围从高分子、陶瓷、金属以及其复合粉末材料。由于SLS成形材料的多样性、制件强度高、用途广泛、成型过程无需支撑、材料利用率高等特点，所以其应用范围日益广泛，受到了各个行业的广泛重视。选择性激光烧结的原理是采用激光逐层有选择性地烧结固体粉末，然后叠加生成三维实体零件的快速成型
7、方法3。SLS烧结装置（如图1）由铺粉装置、成型装置、激光发射器、计算机控制模块四部分组成。工作时，首先是由铺粉设备中的粉末缸活塞上升，在加工平台基体上用铺粉滚筒均匀的铺上一层薄的烧结粉末，并通过预热装置对其进行预热至一定的温度，以减少烧结过程中产生热应力和变形。然后，激光束在计算机控制下，按照给定的扫描路径在切片的截面轮廓内进行有选择地进行扫描，使粉末材料加热并熔化再冷却凝固成零件的离散切片，而那些没有被烧结的粉末可暂时充当之后烧结的支撑。当一个切片层烧结完成后，成型装置中成型基体向下移一个切片厚度，铺粉设备重新开始铺粉，激光束在计算机控制下扫描下一层。如此反复循环，烧结切片层不停叠加，就能
8、得到三维实体。最后，去除未烧结的粉末并将其回收至粉末缸中，取出得到的烧结件，再进行必要的后处理工艺，最后就能得到满足实际功用要求的实体零件。图 1 选择性激光烧结SLS装置图 2 SLS快速成形工艺流程图2.2 SLS快速成形技术工艺流程具体工艺流程4如图2所示。（1）CAD模型的建立在三维CAD设计软件（如Pro/E、UG、SolidWorks等）中获得该零件模型的三维实体模型，以STL格式输出。（2）分层及相关数据处理目前一般快速成形支持的文件格式都为STL格式，通过分层软件（如Magics）进行分层处理，一般的分层是按Z方向进行分层处理的，形成一层层的截面和轮廓信息，最后把这些信息转化成
9、激光的扫描轨迹。（3）烧结成形在开始扫描前，成形缸先下降一个层厚，供粉缸上升一个高度（略大于成形缸下降距离），铺粉辊子从左边把供粉缸上面的一层粉末推到成形缸上面，并铺平，多余的粉末落入粉末回收槽。激光按照第一层的截面及轮廓信息，进行扫描，当激光扫描到粉末时，粉末在高温的状态下，瞬间熔化，使得相互之间粘结在一起，没有扫描的地方依然是松散的粉末，当完成第一层烧结后，工作台再下降一个层厚，供粉缸上升一个高度，铺粉辊子进行铺粉，激光进行第二层扫描，这样直到整个零件模型烧结完成。（4）后处理当零件烧结完成后，升起成形缸取出零件，用气枪清理表面的残余粉末。一般通过激光烧结后的零件强度比较低，而且是疏松多孔
10、的，根据不同的需要可以进行不同后处理，常用的后处理用加热固化、热等静压、渗蜡等。2.3 SLS烧结机理SLS的烧结机理可以分为四大类：固相烧结、化学粘结、液相烧结和部分熔化及完全熔化。虽然把SLS的烧结机理分为了这四大类，但是在每一种烧结过程中，同时伴随着其它几种烧结的进行。（1）固相烧结固相烧结（Solid state sintering，SSS）的温度范围是粉末材料的1/2熔点和熔点之间，在这个过程中伴随着各种物理和化学反应，最重要的是形成扩散。它发生在相邻的粉末之间，这种驱动力会使较低自由能的粉末之间通过颈连接起来。这种烧结机理适用于陶瓷粉末和部分金属粉末。（2）化学粘结化学粘结（Che
11、mically Induced Binding）在现有的激光粉末烧结中用的较少，但事实证明它对于聚合物、金属及陶瓷材料都是可行的，如在N2气氛中进行Al粉的烧结，N2和Al发生反应生成AlN粘结剂来连接Al粉颗粒，使烧结不断继续。（3）液相烧结和部分熔化液相烧结和部分熔化（Liquid Phase Sintering-Partial Melting）包含一部分粘结剂机制，即一些粉末材料被熔化而其他部分仍保持固态。熔化的材料在强烈的毛细作用力下在固态粉末颗粒之间迅速扩展将它们连在一起。（4）完全熔化完全熔化（Full Melting）适用于通过采用高能量的激光，使其作用在金属粉末上面，可以完全熔
12、化，得到致密的实体零件，通过此方法获得的金属零件的致密度可以达到99.9%。3 SLS技术的特点（1）SLS 工艺可选用的烧结材料呈多样化。以小颗粒粉末作为烧结材料，可供选择的材料来源广泛，一般来说，被烧结能源加热熔化后粉末颗粒间能够粘结在一起的材料都可以被用来作为 SLS 的烧结材料。目前，国内外的研究者已经用金属、高分子材料、纳米陶瓷粉末及它们的复合粉末材料成功的进行了烧结。（2）SLS 工艺无需支撑。这主要是由于周围未被烧结的粉末起到了临时支撑作用，同时未被烧结的粉末还可以回收重复利用，减少了烧结材料的浪费，避免了需要单独设计制造用的支撑。（3）缩短了整个研发的时间、有效的降低生产成本。
13、从三维CAD 模型设计到整个零件的生产完成所需时间较短，而且生产过程是数字化控制，设计人员可随时进行修正和完善，减少了研发部门的劳动强度，提高了生产效率。制造过程柔性比较高。可与传统意义上的加工方法相结合使用，能够完成快速模具制造、快速铸造等。（4）SLS 成型件有非常广泛的应用。由于烧结材料范围比较广，使得 SLS 在多个领域都有广泛的应用，如制造金属功能零件、铸造型壳、精铸熔模和型芯等。（5）SLS 制造过程是一个的自由制造过程，即与零件的几何外形的复杂程度无关。从理论上说，可以制造出几何形状或结构相当复杂的零件，尤其适于常规制造方法难以生产的零件，如含有悬臂伸出结构、槽中带有孔槽结构及内
14、部带有空腔结构等类型的零件。（6）由于 SLS 制造的特殊性，其产品的单价与批量多少基本无关。鉴于此，SLS 在新产品的开发、小批量零件的生产上有其独特的优势5。4 中北大学SLS方面的成果中北大学5材料学院开展了激光烧结快速成型设备，成型材料及工艺的研发工作，研制成功了如下产品：（1）研制开发了成型尺寸为350mm 350mm380mm及450mm450mm400mm等多规格快速成型设备。HLP-350激光烧结快速成型机指标为：扫描速度：4000mms。精度：士2mm；功率：3kW(220V，50Hz)；运行环境：1528；烧结材料：精铸蜡粉、原型烧结粉、尼龙粉、覆膜陶瓷粉，覆膜金属粉；外形
15、尺寸：20008081850(mm)；重量：1t。（2）研制开发了5种适合于激光烧结的快速成型材料(包括精铸蜡粉、原型烧结粉、覆膜陶瓷粉、覆膜金属粉、复合尼龙粉)并实现了产业化。5 选择性激光烧结用原材料SLS 材料的来源比较广泛，理论上讲受热后能够相互粘结的粉末或表面裹覆有热固性粘结剂的粉末都能作为 SLS 的材料。目前 SLS 材料目前主要有:塑料粉(如聚碳酸醋、尼龙等)、蜡粉、金属粉、表面涂有粘结剂的陶瓷粉、覆膜砂等，它们被加热到熔点后能熔合，冷却后迅速固化。SLS 材料要有良好的热固性、一定的导热性，粉末经激光束烧结后要有足够的粘结强度，粉末的直径不宜过大，一般要求小于0.2毫米，否则会降低原型的精度。当用覆膜砂或陶瓷粉末烧结型芯时还要求有较小的发气性和与涂料良好的涂挂等，以利于浇注合格的铸件。SLS 材料还应有较窄的“软化一固化”温度范围，若该温度范围较大，制件的精度会受影响，此外，还应有良好的废料清除功能。国内主要SLS技术研发单位材料开发情况7。研发单位成型材料试用范围华中科技大学覆膜砂砂铸覆膜陶瓷陶瓷型精铸塑料PS粉原型件、消失模铸造北京隆源自动成型覆膜砂砂铸覆膜陶瓷陶瓷型精铸塑料（PS，PP，ABS）粉原型件、消失模铸造中北大学覆
