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1、1 绪论1.1 激光选区烧结快速成型原理及应用选择性激光烧结(Selective lasers sintering，简称SLS)技术是九十年代初RP技术中发展起来的又一种全新的原型制作方法，它以各种粉末材料(如石蜡、聚碳酸脂、石英砂、陶瓷以及金属等粉材)为加工对象。SLS烧结设备，主要由扫描器、铺粉机构、激光源、预热装置和计算机控制系统等部分组成。它采用具有动态聚焦功能的振镜扫描结构，因此，其扫描速度较其它种类的快速成形系统有相当程度的提高，最高扫描速度由具体的动态扫描系统确定，一般烧结速度可达2m/s，故成形效率更高。SLS系统基本上采用开环的Z轴位置控制结构，即不必实时测量零件的实际高度；
2、与LOM（分层物体制造Laminated Object Manufacturing）中的送纸、收纸结构功能类似，SLS系统采用了自动铺粉机构完成材料准备。另外，由于加工材料的要求，系统应具有对材料的预热功能，非接触式测量环境温度，通过温度传感器或者专门的测温仪检测温度。激光烧结成形过程为：首先在工作台面上均匀地铺上一层很薄（0.08mm0.3mm)的热敏粉末，辅助加热装置将其预热到粉末材料熔点(粘结剂的软化温度)以下的温度，在这个均匀的粉末层面上，计算机在经过数据处理得到零件的CAD实体模型的二维剖面后，再控制激光按照设计零件的当前层截面信息进行选择性烧结，被烧结粉末固化在一起形成零件的实体部
3、分。然后，在计算机的控制下，工作平台降低一定的高度，铺粉机构铺设一层很薄的粉末，激光束开始新一层的扫描烧结，层厚一般控制在0.080.30mm范围内。系统不断重复这一过程，直到层加堆积成三维实体零件。烧结过程结束后，去除未被烧结的松散粉末，就得到了坯件，将此坯件进行二次烧结或浸渍等后处理，便可得到最终所需零件。原理如图1-1： 图1-1 SLS技术快速成型系统的工作原理选择性激光烧结技术具有以下特点:(1) 材料选择广泛。其工艺材料选择广泛，如尼龙、塑料、金属、陶瓷的包衣粉末或粉末的混合物均可作为加工材料。SLS可根据不同的用途选择不同的材料，如用覆膜砂烧结精密铸造用砂型(或芯)，用石蜡粉或塑
4、料粉烧结熔模铸造用的母模，用陶瓷粉烧结陶瓷模壳，或用金属粉直接成形金属模具或零件。(2) SLS技术不需特殊支撑、多余材料易于清理、适合原型及功能零件的制造等优点，而且材料可以重复使用，材料利用率高，粉末材料的利用率几乎可以达到100%。(3) 工艺过程简单。与其它原型制作工艺(如SLA,LOM等)不同，SLS成形无须研究专门的废料清除工艺。(4) 具有广阔的应用前景。SLS可以直接成形金属或陶瓷制件，而快速原型与快速制模技术相结合是快速成形技术应用的一个主要方面。从目前国内外SLS技术的研究情况来看，覆膜砂、石蜡粉以及塑料粉这三种材料的激光烧结技术的研究比较成熟，已经有商品化的设备推向市场。
5、金属粉末的激光烧结技术也逐渐成熟，而陶瓷粉末的激光烧结技术尚处在研究阶段，陶瓷粉末的激光烧结技术属当今激光烧结技术的研究前沿和技术难点。1.2 SLS技术及设备铺粉装置的现状及其现有设备的缺陷1.2.1 国际上SLS技术及设备的发展情况自从70年代末80年代初，美国3M公司、日本名古屋研究所和美国UVP公司分别提出了基于有选择地逐层固化光敏聚合物的原理制造三维实体的快速成形概念以来，涌现出许多新的方法。目前的快速成形的方法不再仅仅是立体平版印刷（SLA) 、分层物体制造(LOM) 、选择性激光烧结( SLS) 、熔融沉积制造( FDM) 等四种，还出现了如立体打印、金属沉积、喷墨等等方法。同时
6、，新的快速成形机构也不断涌现。到1998年，全世界共有331家快速成形服务机构，27家咨询机构，51家教育与科研机构。其中研究SLS工艺的有DTM公司和EOS公司。公司与公司之间的竞争日趋激烈，促使快速成形技术不断得到提高，不断得到应用，原型制造速度不断提高，各种新的加工材料不断出现，快速成形设备的品种规格不断齐全，制件精度越来越高，成形尺寸越来越稳定，快速成形软件功能越来越强大、完善，操作更加简便，性能更加稳定。随着快速成形技术的发展，就SLS成形设备的发展来说，主要表现在以下几个方面:(1) 操作更简单，功能更完善。例如，与烧结站2000相比，DTM公司的烧结站2500plus的人机界面更
7、友好、功能更强大。(2) 加工速度越来越快，实现了真正意义上的“快速成形”。(3) 出现了概念机，并成为快速成形系统的一个发展方向，如1998年3D公司推出的Actual的一种改进机型(热喷实体打印机)。(4) 出现了RP系统专业化的思想，即针对某些特殊用途而开发的RP系统产品。如Stratasys公司开发的MedModeler，主要用于一些医院和医学单位。1.2.2 国内SLS技术及设备的发展情况自九十年代初在国家科技部、国家自然科学基金委员会和部分地方政府与科委的支持下，首先在华中科技大学(原华中理工大学)、清华大学、西安交通大学、北京隆源有限公司等一些高等学府和高新技术开发公司开展了成形
8、理论、工艺方法、设备、软件、材料等配套技术的研究。目前，主要有华中科技大学和北京隆源公司这两家单位从事SLS设备的研究，并且已经研制成功了几种基于SLS工艺的RP设备，目前正在研制基于其他工艺的RP设备。如华中科技大学开发研制的HRPS- I、HRPS-II和HRPS-IIA型SLS设备已成功的实现了产品的商品化，具体设备如图1-2所示： 图1-2 选择性激光烧结成型设备对于SLS设备的现状来说，国外的SLS快速成形系统和成形材料的价格非常昂贵，运行费用和制件成本高.而华中科技大学自1991年开展快速成形技术研究以来，将目标定位于在保证高可靠和高性能的前提下，研究和开发能大幅度降低成本的快速成
9、形技术，通过技术创新，现已开发出的SLS的HRP-IRA型快速成形系统，成本大幅度降低了，且在控制、软件、材料和快速制模方面取得了较大进展。在应用上，受传统思想、市场机制和市场需求的影响，快速成形在国内的推广受到了很大的阻力。但随着改革的进一步深入，快速成形的应用已出现了蓬勃发展的局面。如深圳殷华模具开发有限公司开展的快速原型和快速制模服务引起了很大的反响。在技术上，与国外的差距仍然很明显，主要表现在以下方面:(1) 材料性能与国外相差很大，国内许多快速成形材料都依赖于进口。(2) 工艺研究不深入，快速原型件存在诸多缺陷。(3) 设备的系统性，可靠性及自动化程度与国外仍有一定差距，使得我国的快
10、速成形设备的市场竞争力不强 。(4) 就快速成形理论的研究不足，基本上是照搬国外的，没有形成属于自己的理论研究。当然，经过我国科研工作者们的不懈努力以及我国巨大的市场潜力，快速成形技术在国内的前景是十分美好的。1.3 本设计的目的、内容及现实意义1.3.1 本设计的目的和意义为了发展我校的快速成形制造系统，以适应快速成型在我校的应用，支撑其他科研项目的顺利进行，所以对本校快速成型实验室的现有激光烧结快速成型设备进行改进和设计，以使其能够实现自动化，满足实验室的需要。1.3.2 本设计的主要内容和本文的主要工作1.3.2.1 本设计的主要内容(1) 制件的精度问题制件的精度问题是任何一种商品化设
11、备必须考虑的问题。影响SLS制件精度的主要因素有铺粉装置的机构因素，材料的收缩性能，环境温度，扫描路径以及铺粉厚度的影响等。本文主要从铺粉装置的机构因素，环境温度，扫描路径以及铺粉厚度出发等几个方面进行探讨，以此提高制件的精度。(2) SLS设备铺粉机构的设计优化由华中科技大学开发研制的HRPS- I型粉末烧结系统采用的是与LOM设备相同的激光扫描控制系统，送粉机构采用两缸送粉，铺粉采用辊子在前进时同时自转进行铺粉压实，这样它的铺粉效率就很低，而且在压实过程中容易使已经烧结部分产生偏移。为了改进这一缺点，本设计采用三缸送粉结构，该系统结构紧凑，并且增加了一些控制元器件，使得整个系统的运行更加稳
12、定可靠，制件的精度进一步提高。1.3.2.2 本文的主要工作快速成形技术是一项包括精密机械学、CAD、计算机、激光、控制技术和材料科学等诸多学科领域的一门综合学科，因而它的研究内容广泛而复杂。课题的主要研究内容和本文的主要工作如下:全文分为5章，各章内容如下:第1章 绪论，主要介绍了课题的技术背景、理论、意义及本文的主要工作。第2章 铺粉装置对激光选区烧结成型的影响规律分析，主要从铺粉装置的机构因素，环境温度，扫描路径以及铺粉厚度出发进行探讨，以此提高制件的精度。第3章 铺粉装置的设计，通过现有激光烧结设备，并根据机构所要实现的动作进行机构设计和机构选型，达到提高设备工作效率和自动化的目的。第
13、4章 控制部分的的设计，对所设计机构进行必要的控制设计和控制器件的选型，并且对一些控制机构进行方向性的描述。第5章 本装置的创新之处及其缺陷，对全文做一个回顾和总结，说明所设计机构的优缺点，并对以后改进此设备进行了展望。1.4 本章小结本章首先简要介绍了快速成形技术的原理、特点及应用，然后介绍了国内外的研究现状和发展趋势，并指出了国内在该研究领域内与国际先进水平之间的差距，最后介绍了本设计的目的、意义及主要研究内容。2 铺粉装置对激光选区烧结成型的影响规律分析选择性激光烧结方法，其零件的加工精度较低。在零件制造过程中， 采用合理的加工工艺，对提高烧结制件精度、避免烧结缺陷是非常重要的。本章分析
14、和研究了激光烧结过程中影响零件精度的几个因素，并提出了一些解决措施。2.1 提升装置对成型件的影响分析提升装置对烧结成型的影响主要来自于步进电机和滚珠丝杠，其中以步进电机影响为最大。步进电机的精度通常是指静态步距角误差和静态步距角积累误差。步进电机通过影响整个装置的铺粉厚度来影响成型件。激光烧结即每层烧结的厚度取决于步进电机的步距角和滚珠丝杠的导程，其计算如下： (2-1)上式中：为步进电机步距角；为滚珠丝杠导程。从以上公式中可以看出步进电机的步距角累计误差越大，铺粉厚度越薄。因此，成型件烧结完成后的尺寸会相应小于所设计外形尺寸。2.2 铺粉装置对成型件的影响分析铺粉装置对成型件的影响主要来自
15、于铺粉辊的影响，通过对现有设备的工作过程分析，铺粉辊对制件的精度影响主要来自两个方面。首先，最主要的是当辊筒自左向右运动时，由于粉末与底层已经烧结好的工件之间存在摩擦力，很可能会使已烧结好的工件部分向辊筒运动方向发生偏移，从而破坏了制件的烧结精度。具体情况如图2-1所示： 图2-1 SLS技术快速成型系统的工作原理其次，当辊筒进行铺粉运动时，粘在辊筒上面的粉末会随着辊筒的运动被抛洒在已经铺好粉末的工作区，破坏粉末的均匀性。为了解决上述问题，所以采用推板进行推粉，此时推板的设计应该和工作台有一定的间隙，防止已烧结件的偏移，接着再用辊筒进行压实。而为了解决抛洒粉末问题，可在辊筒上开一螺旋槽，进行抛洒方向的干预。2.3 密封装置对成型件的影响分析由于有些材料在烧结时容易被氧化，所以必须设计密封保护装置，并在工作时候通以保护气（如N2、CO2），防止材料被氧化。如果保护氛围不好，那么易被氧化材料在有氧条件下，会在激光的烧结下燃烧起来，导致制件的力学性能和表面质量下降，更可能引起烧结过程的失败。所以设备配备密封装置是非常重要的，特别是对于容易氧化的材料。2.4 激光振镜参数的影响影响制件精度的激光特性参数主要有激光功率、扫描速度、扫描间距、激光振镜的开关延时等参数。这些参数之间都存在着相互的制约关系。当扫描速
