機(jī)械零件快速成型的關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā)

趙　威營口市信息技術(shù)學(xué)校

機(jī)械零件快速成型的關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā)

趙威
營口市信息技術(shù)學(xué)校

隨著市場環(huán)境的不斷變化，人們對(duì)產(chǎn)品的要求越來越個(gè)性化、主體化和多樣化，于是制造商為滿足消費(fèi)者需求贏得市場競爭的優(yōu)勢就需要不斷的推出新的制造方法和工藝。本論文針對(duì)機(jī)械零件的成型制造進(jìn)行了深入的研究，對(duì)選擇性激光燒結(jié)熱物理過程進(jìn)行了分析和參數(shù)對(duì)比。希望對(duì)實(shí)際成型加工起到理論指導(dǎo)作用，并且能夠用于選擇性激光燒結(jié)成型加工的指導(dǎo)。

機(jī)械零件制造快速成型；SLS

一、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)及其研究意義

選擇性激光燒結(jié)（簡稱SLS），又被稱作分層制造或增材制造技術(shù)，是快速原型與制造技術(shù)（RP&M）中的一種。這種技術(shù)與普通機(jī)加工類的建材制造技術(shù)是不同的。SLS技術(shù)可以制造普通加工制造技術(shù)所不能完成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件。當(dāng)今社會(huì)的各個(gè)國家都認(rèn)為這種SLS技術(shù)不僅可以降低特殊結(jié)構(gòu)零件的制造成本，還能提高制造效率，從而達(dá)到增強(qiáng)企業(yè)競爭力的目的。

采用SLS技術(shù)制造零件的基本過程并不復(fù)雜，基本可以歸納為以下幾步：

1.運(yùn)用CAD等圖形軟件設(shè)計(jì)出需要制造的零件模型；

2.將這個(gè)零件的模型用一系列的三角形來擬合，就是所謂的STL文件的轉(zhuǎn)化；

3.把轉(zhuǎn)化好的STL文件進(jìn)行橫截面切割；

4.采用激光熱粘結(jié)分層的方式將零件的原型制造出來，這就是零件的雛形；

5.對(duì)零件原型清粉等處理。

由于這種金屬零件應(yīng)用很廣泛，并且性能優(yōu)越、種類很多，而采用SLS技術(shù)制造零件既方便又快捷，這樣就會(huì)減少成本，增加效率。這種技術(shù)如今已成為世界各國關(guān)注的焦點(diǎn)。

二、SLS制造金屬零件研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

到現(xiàn)在為止，SLS間接法制造出的金屬零件研究還比較多，而且已經(jīng)有應(yīng)用的先例，粉末材料為SLS間接法奠定了良好的基礎(chǔ)，但是現(xiàn)在它的應(yīng)用領(lǐng)域還不夠廣泛，需要更大的拓展。

國外在這方面的研究也明顯好于國內(nèi)，沒有商業(yè)化的粉體材料，可以應(yīng)用于零件的結(jié)果。通過國內(nèi)外燒結(jié)材料的應(yīng)用現(xiàn)狀可知，過去和現(xiàn)在的研究沒有SLS粉末冶金結(jié)合已經(jīng)成熟的技術(shù)，缺乏靈活性的材料選擇，只考慮部分的最終性能直接與單一粉體材料的選擇，如aisi1080碳鋼等材料對(duì)應(yīng)。雖然許多種粉體材料已經(jīng)商業(yè)化，制備方法很麻煩，成本也很高，所以需要進(jìn)一步改進(jìn)。SLS直接法由于金屬零件形坯接近理論密度，成為國際研究的熱點(diǎn)，但一些問題（如熱應(yīng)力）不徹底解決和粉體材料的測定是有限的。因此，它仍然無法延長。雖然現(xiàn)有研究機(jī)構(gòu)創(chuàng)建的一部分，但部分一般都是體積小。而形成的速度慢、精度低，目前只有少數(shù)幾種金屬材料的成形制造達(dá)到了商業(yè)化水平，并只應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。因此，直接法不能與間接法進(jìn)行比較。從快速成形制造技術(shù)發(fā)展來看，基本經(jīng)歷了快速原型、到快速制模、再到快速制造的不同階段，而SLS制造金屬零件應(yīng)用領(lǐng)域的拓展基本經(jīng)歷上述幾個(gè)階段，目前該技術(shù)也趨向于采用最終金屬零件構(gòu)成材料制造出可供直接使用的零件。

三、金屬零件快速成型的關(guān)鍵技術(shù)

如果形成高質(zhì)量的金屬粉末材料的SLS零件制造條件的間接SLS粉末，然后適應(yīng)的形成過程，必須生產(chǎn)高質(zhì)量的金屬部件的第一前提的前提條件。

SLS工藝、鋪粉和兩點(diǎn)作用：一是在工作缸將接受粉末激光掃描區(qū)域；二是將掃描鋪粉表面，掃描層厚達(dá)到預(yù)設(shè)值。粉店的質(zhì)量往往是由SLS型坯質(zhì)量的影響。粉末撒輥運(yùn)動(dòng)過程、粉體及受力對(duì)粉體表面的影響是由雙組分組成。一種是粉末的摩擦，另一種是粉末的徑向壓力。這2種力是表面分布力的存在。如果將粉體視為彈性連續(xù)，則將粉體和力的變化進(jìn)行轉(zhuǎn)移。無論對(duì)非彈性碰撞的粉末顆粒的原因，干擾粉和粉末表面力傳下來的應(yīng)用，也造就了粉末內(nèi)滯彈性內(nèi)耗。掃描后的激光掃描界面粉末狀態(tài)的變化，使摩擦系數(shù)跟隨變化。雖然摩擦副作用有副作用，但它也可以通過在非掃描區(qū)域和密集的粉體顆粒的重建，和粉末顆粒是完整的嵌入式掃描區(qū)，有利于進(jìn)一步固定的掃描面積，并提高下一次掃描層密度。

SLS的工藝參數(shù)一般有以下幾個(gè)：激光功率、掃描間距、掃描速度、切片厚度及粉床預(yù)熱溫度，工藝參數(shù)組合將對(duì)SLS成形過程產(chǎn)生綜合性的影響。在SLS技術(shù)中，上述參數(shù)有如下定義：

1激光功率：激光的輸出功率直接決定了激光束的功率密度，這是影響激光能量輸入的主要因素。與高斯分布按照輻射激光光斑的二維平面能量粉末床，越靠近中心的激光束的能量高。

2.掃描間距：相鄰激光束掃描與軸心線之間的距離。

3.掃描速度：光斑的位移線的速度。

4.切片厚度：STL文件被離散的截面體厚度，即每層鋪粉堆積的厚度。

5.預(yù)熱溫度：SLS成形中恒定的環(huán)境（粉床）基礎(chǔ)溫度。

激光燒結(jié)系統(tǒng)的高斯光束由于激光束的焦平面工作缸粉飛機(jī)。在掃描區(qū)域的軸線上，激光能量和能量沿著減小的向外的軸線方向得到。單掃描線截面能量分布與重疊掃描線數(shù)有關(guān)，且截面的能量分布與掃描空間和其它參數(shù)有關(guān)。如果考慮時(shí)間的影響，掃描區(qū)域的時(shí)間對(duì)環(huán)境的熱損失和掃描線的存在直接耦合傳熱。假設(shè)熱損失隨著時(shí)間的推移變成一個(gè)簡單的指數(shù)衰減，輻射的掃描區(qū)域的溫度的結(jié)束狀態(tài)達(dá)到環(huán)境溫度。掃描線能量隨時(shí)間的衰減為該條掃描線能量與衰減因子的乘積。激光能量分布的均勻性和最大值隨掃描距離的增加而變化。激光能量隨掃描距離的減小而增大。不均勻的能量分布會(huì)導(dǎo)致異形坯強(qiáng)度的不均勻，導(dǎo)致溫度場分布不均勻。在能量分布不均勻的情況下，通過調(diào)整掃描間隔，不影響不影響小的成形效率，掃描線的耦合效應(yīng)比較大，從而抑制了能量的耗散，提高了能量分布的均勻性。

四、結(jié)論與展望

當(dāng)前的SLS技術(shù)還在發(fā)展與完善的階段，它跟隨著相關(guān)的科學(xué)理論的發(fā)展而發(fā)展。含有高聚物粘結(jié)劑的金屬粉來進(jìn)行SLS間接制造的零件技術(shù)已經(jīng)被科研院以及一些商業(yè)的研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了多年的研究，但其開發(fā)應(yīng)用潛力還需我們繼續(xù)拓展。

[1]林銼云，董加禮.多目標(biāo)優(yōu)化的方法與理論.長春：吉林教育出版社，2010

[2]李占利.快速成型制造中的SLS技術(shù).西安：西安交通大學(xué)，2008