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1、先进制造技术（双语）Advanced ManufacturingTechnology课程论文题 目： 激光烧结一快速成型制造技术原理与工艺学院：机电工程学院专 业：机械设计制造及其自动化班级：械091学号：200933315117姓名：钱振超2012年6月10日激光烧结一快速成型制造技术原理与工艺【摘要】：以镭射光照射于粉末，经镭射照射之处的粉末烧结与周围粉末黏 结成型，一层完成之后再照射下一层直到工件完成，其粉末的种类有热 塑性粉末，陶瓷粉末与金属粉末以红外线板将粉末材料加热至低于烧 结点之某一温度.。【关键字】：激光烧结 金属粉末 镭射 快速磨具制造【引言】现在快速原型制造技术主要是用于快
2、速直接模具制造和原型间 接模具制造。传统制造方法如硅胶模、金属冷喷涂、精密铸造、电铸 和离心铸造等方法都被用来和快速原型制造技术相结合生产模具。快 速原型制造件还可以直接或间接制得电火花加工(EDM)电极。快速原 型制造技术与这些传统制造方法的有效结合，使得复杂零部件的生产 周期大大缩短，生产成本下降。目前国外正大力将快速原型制造技术应用于医学、医疗领域。随着医 学水平和医疗手段不断提高，以数字影像技术为特征的临床诊断技术 迅速发展，如计算机辅助断层扫描(CT)，核磁共振成像(MRI)、三维B超等，对人体局部扫描获得的截面图像，用 计算机对器官进行三维重建。将这些数据传输到快速原型制造系统便
3、可以建造实体器官模型。我们正在积极探索古陶瓷快速原型复仿制的可能性，以期借助古陶瓷 器型数据库及用数码相机、扫描仪、三维坐标测量仪等反求手段获得 的古陶瓷器型数据进行数字化复仿制。用电脑控制镭射束，按原型或零件截面形状扫描平台上的粉末材 料，使其受热熔化或烧结平台下降一层厚度，用热辊将粉末材料均匀地 分布在前一烧结层上，再以镭射烧结,反复逐层烧结成型。激光选区烧结（SLSSelective Laser Sintering）又称选域激光烧 结、粉末材料选择性烧结等。是借助精确引导的激光束使材料粉末烧 结或熔融后凝固形成三维原型或制件。一、工艺原理激光选区烧结工艺原理。其工艺过程主要由两个过程组成
4、。a信息过程一离散处理。在计算机上建模的CAD三维立体造型零 件，或通过逆向工程得到的三维实体图形文件.将其转换成STL文 件格式。再用一离散（切片）软件从STL文件离散出一系列给定厚 度的有序片层。或者直接从CAD文件进行切片。这些离散的片层按 次序累积起来仍是所设计的零件实体形状。然后，将上述的离散（切 片）数据传递到成型机中去，成型机中的扫描器在计算机信息的控制 下逐层进行扫描烧结。b物理过程一叠加成型。成型系统的主体结构是在一个封闭的成型 室中安装两个缸体活塞机构，一个用于供粉，另一个用于成型。成型 过程开始前，用红外线板将粉末材料加热至恰好低于烧结点的某一温 度。成型开始时，供粉缸内
5、活塞上移一给定量，铺粉滚筒将粉料均匀 地铺在成型缸加工表面上，激光束在计算机的控制下以给定的速度和 能量对第一层信息进行扫描。激光束扫过之处粉末被烧结固化为给定 厚度的片层，未烧结的粉末被用来作为支撑，这样零件的第一层便制 作出来。这时，成型缸活塞下移一给定量，供料虹活塞上移，铺粉滚 简再次铺粉，激光束再按第二层信息进行扫描，所形成的第二片层同 时也被烧结固化在第一层上，如此逐层叠加，一个三维实体零件就制 作出来了。这种工艺与立休印刷成型（SLA ）基本相同，只是将SLA 的液态树脂换成在激光照射下可以烧结的粉末材料，并由个温度控制 单元优化的辊子铺平材料以保证粉末的流动性，同时控制工作腔热量
6、 使粉末牢固粘结。二、系统组成激光选区烧结快速成型系统一般由主机、控制系统和冷却器三部 分组成。1主机主机主要由成型工作缸、废料桶、铺粉辊装置、送料工作缸、激 光器、振镜式动态聚焦扫描系统、加热装置、机身与机売等组成。a成型工作缸。在缸中完成零件加工，工作缸每次下降的距离即 为层厚。零件加工完后，缸升起，以便取出制件和为下一次加工作准 备。工作缸的升降由电动机通过滚珠丝杆驱动2 ）废料桶。回收铺 粉时溢出的粉末材料。b铺粉辊装置。包括铺粉辊及其驱动系统。其作用是把粉末材料 均匀地铺平在工作缸上。送料工作缸。提供烧结所需的粉末材料。c激光器。提供烧结粉末材料所需的能源。目前用于固态粉末烧 结的激
7、光器主要有两种，CO2激光器和Nd : YAG激光器。CO2激 光器的波长为10.6UM, Nd : YAG激光器的波长为1.06um。对于 常用的陶瓷、金属和塑料等三种主要的固态粉末来说，选用何种激光 器取决于固态粉末材料对激光束的吸收情况。一般金属和陶瓷粉末的 烧结选用Nd : YAG激光器，而塑料粉末的烧结采用CO2激光器。d振镜式动态聚蕉扫描系统。振镜式动态聚焦扫描系统由XY扫 描头和动态聚焦模块组成。XY扫描头上的两个镜子在伺服电动机 的控制下，把激光束反射到工作面预定的X、Y坐标点上。动态 聚焦模块通过伺服电动机调节Z方向的焦距，使反射到X、Y任 意坐标点上的激光束始终聚焦在同一平
8、面上。动态聚焦扫描系统和激 光器的控制始终是同步的。e加热装置。加热装置给送料装置和工作缸中的粉末提供预加热， 以减少激光能量的消耗和零件烧结过程中的翘曲变形。f机身与机売。机身和机売给整个快速成型系统提供机械支撑和所 需的工作环境。2计算机控制系统主要由计算机、应用软件、传感检测单元和驱动单元组成。(1)计算机一般采用上位机和下位机两级控制，其中上位主控机 一般采用配置高、运行速度快的微机，称为主机。下位执行机构采用 相对配置低的微机，称为子机。主机、子机以特定的通信协议进行双 向通信，构成并联的双层系统。整个控制系统设计带有分布式控制系 统的特征。为提高数据传输速度和可靠性，依靠双向通信规
9、则，主机 向子机传输数据采用写外设方式。通过并行控制的总体结构和多处理 器主从式交互通信的控制方式，实现多重复杂控制任务的高效并行协 调运动。主机完成CAD数据处理和总体控制任务，主要功能有：l ）从CAD模型生成符合决速成型工艺特点的数控代码信息；2）将获得的数控代码信息传给子机；3）对成型清况进行监控并接受运动参数的反馈，必要时通过子机 对决速成型设备的运动状态进行干涉；4）实现人机交互，提供真实感的原型三维CAD模型显示和运动 轨迹实时显示；5）提供可选加工参数询问，满足不同材料和加工工艺的要求。子机进行成型运动控制，即机电一体运动控制。它按照预定的顺 序与主机相互触发，接受控制命令和运
10、动参数等数控代码，对运动状 态进行控制。（2）应用软件主要包括下列模块处理部分。1）切片模块：有基于STL文件和基于直接切片文件两种模块；2）数据处理：具有STL文件识别及重新编码，容错及数据过滤切 片，STL文件可视化，原型制作实时动态仿真等功能；3）工艺规划：具有多种材料烧结工艺模块（包括烧结参数、扫描方 式和成型方向等）；4）安全监控：设备和烧结过程故障自诊断，故障自动停机保护。（3 ）传感检测单元：包括温度、氯气浓度和工作缸升降位移传感器。 温度传感器用来检测工作腔和送料筒粉末的预热温度预热温度可 分别自动调节），以便进行实时控制。氮气浓度传感器用来检测工作 腔中的氮气浓度，以便控制在
11、预定的范围内，防止零件加工过程中的 氧化(4)驱动单元：主要控制各种电动机完成铺粉辊的平移和自转、工作缸的上下升降和振镜式动态聚焦扫描系统X、Y、Z轴的驱动。3冷却器由可调恒温水冷却器及外管路组成，用于冷却激光器，以提高激光能 量的稳定性。三、工艺步骤粉末原料的烧结。激光选区烧结工艺的原材料一般为粉末，可选用的粉末主要有金 属粉、陶瓷粉和塑料粉等，分别制造出相应材料的原型或零件。l金属粉末的烧结当材料为金属粉末时，直接烧结成金属原型零件 但目前直接由激光选区烧结成的金属零件在强度和精度上都很难达 到理想的结果。以石蜡、塑料为原料时，制出的原型用于生产金属零件的方法与 采用立体印刷成型方法制造的
12、树脂原型用来生产金属零件的方法是 相同的。用于激光选区烧结的金属粉末主要有三种：单一金属粉末、金属 混合粉、金属粉加有机物粉末等。相应地金属粉末的激光选区烧结也 有三种方法。(l)单一成分金属粉末的烧结。例如铁粉。先将铁粉预热到一定温 度再用激光束扫描、烧结。烧结好的制件经热等静压(Hot Isostatic Pressing)处理，可使最后零件的相对密度达到99.9%。(2 )金属混合粉末。主要是两种金属的混合粉末，其中一种粉末具 有较低的熔点，另一种粉末的熔点较高。例如青铜粉和镍粉的混合粉。 先将金属混合粉末预热到某一温度，再用激光束进行扫描，使低熔点 的金属粉末熔化(如青铜粉)从而将难熔
13、的镍粉枯结在一起。烧结好 的制件再经液相烧结后处理可使最后制件的相对密度达到82 %。(3 )金属粉末与有机粘结剂粉末的混合体将金属粉末与有机粘结 剂粉末按一定比例均匀混合激光束扫描后使有机粘结剂熔化,熔化的 有机粘结剂将金属粉末粘结在一起，如铜粉和PMMA (有机玻璃) 粉。烧结好的制件再经高温后续处理，一方面去除制件中的有机粘结 剂，另一方面提高制件的力学强度和耐热性能，并增加制件内部组织 和性能的均匀性。2陶瓷粉末的烧结陶瓷材料的激光选区烧结需要在粉末中加人粘结剂目前所用的纯陶瓷粉末原料主要有AL2O3和SIC，而粘结 剂有无机粘结剂、有机粘结刘和金属粘结剂等三种。例如，用于激光 选区烧
14、结的AL2O3陶瓷粉末有：AL2O3陶瓷粉加无机粘结剂磷酸 二氢氨粉；AL2O3陶瓷粉加有机枯结剂甲基丙烯酸甲醋；从仇陶瓷粉 加金属粘结剂Al粉等。当材料为陶瓷粉末时，可以直接烧结铸造用売型来生产各类铸件 甚至是复杂的金属零件。由于工艺过程中铺粉层的原始密度低，因而 制件密度也低，故多用于铸造型売的制造。例如，以反应性树脂包覆 的陶瓷粉末为原料，烧结后，型売部分成为烧结体零件部分不属于扫 描烧结的区域，仍是未烧结的粉末。将売体内部粉末清除干净，再在 一定温度下使烧结过程中未完全固化的树脂充分固化得到型売。结果 表明，型売在强度、透气性和发气量等方面的指标均能满足要求，但 表面光洁程度仍有待改善
15、。陶瓷粉末烧结的制件的精度由激光烧结时的精度和后续处理时 的精度决定在激光烧结过程中粉末烧结收缩率、烧结时问、光强、扫 描点间距和扫描线行间距对陶瓷制件坯体的精度有很大影响。另外， 光斑的大小和粉末粒径直接影响陶瓷制件的精度和表面粗糙度。后续 处理（焙烧）时产生的收缩和变形也会影响陶瓷制件的精度。塑料粉末的烧结塑料粉末的激光选区烧结均为直接激光烧结，烧结好的制件一般 不必进行后续处理。采用一次烧结成型将粉末预热至稍低于其熔点， 然后控制激光束来加热粉末，使其达到烧结温度，从而把粉末材料烧 结在一起共他步骤和陶瓷粉末的烧结相同。烧结件的后处理金属或陶瓷粉末（或混合体粉末）经过激光选区烧结后只形成
16、了 原型或零件的坯体，这种坯体还需要进行后处理以进一步提高其力学 性能和热学性能。坯体的后处理方法有多种如高温烧结、热等静压烧 结、熔浸和浸渍等。根据不同材料坯体和不同的性能要求，可以采用 不同的后处理方法。例如，由金属粉末烧结的制件常称为“绿色”零件， 将“绿色”零件放到加热炉内进行后处理，当炉内粘结剂烧尽后金属粒 子被烧结并紧紧地粘接在一起。烧结后的零件称为棕色”零件，它具 有渗透功能。最后一步是向炉内添加一种称之为渗透剂的金属。这种 金属在炉内高温下变成液体，通过毛细管作用，渗透到“棕色”零件中， 使之成为完全致密的金属零件。烧结件的后处理也有多种方法，常用 的有高温烧结、热压烧结、热等静压、熔浸、浸渍等。1 高温烧结 金属和陶瓷坯体
