選擇性激光燒結(jié)技術(shù)原材料及技術(shù)發(fā)展研究

楊 潔，王慶順，關(guān) 鶴

(沈陽大學(xué)機械工程學(xué)院，沈陽 110044)

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)原材料及技術(shù)發(fā)展研究

楊 潔，王慶順，關(guān) 鶴

(沈陽大學(xué)機械工程學(xué)院，沈陽 110044)

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)是RPamp;M(Rapid Prototypingamp;Manufacturing)技術(shù)中發(fā)展最快和應(yīng)用最廣的技術(shù)之一，是一種基于離散—堆積原理的快速成型技術(shù)。它選材廣泛，操作簡單，產(chǎn)品的復(fù)雜程度不會對其產(chǎn)生影響，可以直接燒結(jié)成件，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展受到越來越廣泛的重視。如果突破瓶頸，有望在未來一段時間內(nèi)得到普及。未來隨著SLS技術(shù)的快速發(fā)展，將會對設(shè)備的研發(fā)、技術(shù)的應(yīng)用、新工藝和材料的研發(fā)產(chǎn)生更為積極的影響，對傳統(tǒng)制造業(yè)邁向環(huán)保、節(jié)能、高效發(fā)展提供了巨大的推動力。介紹了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的成型原理和特點，概括闡述了SLS技術(shù)中應(yīng)用較多的原材料的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用，分析SLS技術(shù)產(chǎn)業(yè)化存在的問題及可能解決的途徑。

選擇性激光燒結(jié)；SLS技術(shù)；快速成型；粉末材料；應(yīng)用現(xiàn)狀；技術(shù)發(fā)展

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(Selective Laser Sintering，SLS)又被稱為激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)，是RPamp;M(Rapid Prototypingamp;Manufacturing)技術(shù)中發(fā)展最快和應(yīng)用最廣的技術(shù)之一，是一種基于離散—堆積原理的快速成型技術(shù)[1]。它選材廣泛，操作簡單，產(chǎn)品的復(fù)雜程度不會對其產(chǎn)生影響，可以直接燒結(jié)成件，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展受到越來越廣泛的重視[2]。如果突破瓶頸，有望在未來一段時間內(nèi)得到普及。

1 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)工作原理及其特點

SLS(Selected Laser Sintering)技術(shù)是選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的簡稱。完整的SLS工藝是通過RP系統(tǒng)和CAD系統(tǒng)兩部分共同協(xié)同運作，通過STL文件格式交換數(shù)據(jù)。其中SLS技術(shù)采用的激光器分別為Nd:YAG激光器和CO2激光器。利用分層—疊加的工作原理，直接將粉末材料用激光能量燒結(jié)堆積為三維實體零件[3]。整個成形過程主要包括：建立CAD模型、數(shù)據(jù)處理、鋪粉、燒結(jié)以及后處理等。其工作原理如圖1所示[4]。

如圖1所示，整個工藝裝置由激光器、激光光路系統(tǒng)、振鏡運動系統(tǒng)、工作臺、供粉缸、工作缸、推粉裝置構(gòu)成。正式工作前需先進行CAD建模，利用AutoCAD或Pro/E等軟件虛擬生成或運用3D傳感器及其他方式生成轉(zhuǎn)化為STL格式[5]。然后進行正式的燒結(jié)處理，設(shè)置正確的參數(shù)(激光功率、預(yù)熱溫度、分層厚度、掃描速度等)，計算機根據(jù)模型切片控制激光束，對分層截面輪廓進行掃描。有選擇性的燒結(jié)粉末材料，結(jié)成一層實體輪廓，然后重新疊加一層新的粉末，激光束再進行掃描新粉層，層層疊加循環(huán)往復(fù)，直到三維零件能夠完整成型[6]。冷卻后將其取出，去除多余粉末，即可獲得所需原型件。

圖1 SLS技術(shù)原理圖[4]Fig.1 The principle diagram of the SLS technology [4]

與其他LRP方法相比，SLS方法所使用的材料廣泛。理論上只要能通過激光受熱使原子間形成黏結(jié)的粉末性材料都可以成為其成型材料。

SLS技術(shù)特點[7-10]：

A.零件的復(fù)雜程度和SLS成型過程無關(guān)。

B.產(chǎn)品取材寬泛。理論上，任何受熱可以黏結(jié)的粉末材料都可能被用于該技術(shù)。

C.生產(chǎn)周期短。少則幾個小時，多則幾十個小時，生產(chǎn)過程中也可以隨時修正，隨時更改。適用于小批量、單件零件的生產(chǎn)和新產(chǎn)品的開發(fā)。

D.成型精度高。當(dāng)粉末材料的粒徑小于0.1 mm時，成型的精度可達±1%。

E.應(yīng)用面寬泛。因其選材多樣化，可以應(yīng)用于汽車、造船、航天、航空、通信、醫(yī)療等諸多行業(yè)。

2 SLS成型材料及應(yīng)用現(xiàn)狀

SLS技術(shù)的燒結(jié)材料取粉末材料，取材寬泛，其性能可以直接影響到成型件的精度、物理性能和化學(xué)性能，制件的綜合性能也會隨之受到影響。目前，SLS燒結(jié)材料主要有：金屬粉末、尼龍、陶瓷粉末、陶瓷包衣粉(或與聚苯乙烯的混合物)等[11]。

2.1 金屬粉末材料

金屬粉末燒結(jié)成型時已成為熱點，可以直接用金屬粉末燒結(jié)成理想的塑性。按金屬粉末的成分可分為以下三種類型[12]。

2.1.1 單一成分金屬粉末

目前主要使用的單一金屬粉末有：Sn、Zn、Fe等。通常被用在低熔點金屬粉末的燒結(jié)上，而針對高熔點金屬粉末，其對操作環(huán)境的要求較高，需要在大功率激光器外加保護氣氛下工作，但是所能達到的性能卻非常單一，無法滿足所需的各種性能指標[13]。

2.1.2 多組元混合金屬粉末

其主要成分為兩種高、低熔點的金屬和其他元素混合而成。熔點較低的金屬粉末相當(dāng)于黏結(jié)劑的作用，熔點較高的金屬粉末被用來作為合金的基體。在SLS成型過程中，低熔點材料被激光能量融化，浸潤固相，冷卻后低熔點的液相凝固后將高熔點的固相黏結(jié)在一起。多組元混合金屬粉末采用的低熔點材料以Sn為主，強度和熔點相對較低，導(dǎo)致性能較差。提高性能的主要方法為：提高其中低熔點金屬的熔點，采用更高熔點的金屬來提高合金基體強度。因此，人們越來越多關(guān)注和研究高熔點金屬粉末。

表1 單一金屬粉末發(fā)展Tab.1 The development of a single metal powder

表2 多組元混合金屬粉末發(fā)展Tab.2 The development of multiple sets of yuan mixed metal powder

2.1.3 金屬和有機黏結(jié)劑的混合粉末

二者按一定比例均勻混合而成。燒結(jié)后的成型件密度和強度都較低，所以必須經(jīng)過后處理來提高其物理性能。

2.2 尼龍

尼龍(Polyamid，PA)一種結(jié)晶態(tài)的聚合物，具有韌性高、耐磨度高、燒結(jié)性能佳、耐熱性能好等優(yōu)良性能。但是純PA在燒結(jié)時得到的成型件強度變形率較大，所以改變其收縮變形率，已經(jīng)成為當(dāng)今研究的一個熱點[20]。

最廣泛使用PA的四種成分材料為[21]：

A.標準DTM尼龍(Standard Nylon)，可直接被制成零件且耐熱性和耐腐蝕性都很好。

B.精細DTM尼龍(DuraForm GF)，在標準DTM的基礎(chǔ)上精度得以提高，表面粗糙度降低，更傾向于制造測試型和概念型的零件。

C.醫(yī)用級DTM精細尼龍(Fine Nylon Medical Grade)，在高溫高壓下五個循環(huán)蒸汽消毒。

D.原型復(fù)合尼龍材料(ProtoFomTMComposite)，在原基礎(chǔ)上經(jīng)過玻璃強化后形成的一種改性材料，相對比提高了耐熱性、耐腐蝕性和表面粗糙度，加工性能更加完善。

2.3 覆膜砂

采用熱固性樹脂，其中加入鋯砂和石英砂混合后所制。再經(jīng)過SLS技術(shù)制得的制件可直接用來制造金屬零件，對于復(fù)雜件的制作，更多的選擇鋯砂，因其具有更好的鑄造性能，采用SLS技術(shù)制得砂型(芯)尺寸精度高(CT6～8級)，表面質(zhì)量好(粗糙度達到3.2～6.3 μm)，水平接近金屬型鑄造[22]。蘆剛、修輝平等人研究并優(yōu)化了SLS覆膜砂燒結(jié)工藝參數(shù)，改善其工藝性能[23-24]。魏蓉研究發(fā)現(xiàn)，采用濃硝酸與硅烷偶聯(lián)劑，能夠共同處理改性后的碳纖維，使其效果最佳[25]。

3 目前存在的問題及未來展望

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)經(jīng)過多年的探索，已經(jīng)取得了飛速的發(fā)展，但仍存在著一些不足之處。

3.1 成型材料問題

成型材料是決定SLS技術(shù)發(fā)展的基本要素之一，因其在實際生產(chǎn)中對成型件的工藝性能有不同的要求，導(dǎo)致真正可供選擇的原材料范圍減少，部分原材料還存在著成本較高、具有污染性且成型件表面和性能不理想等問題，所以開發(fā)出低成本、性能更好的新型材料更有助于SLS技術(shù)的不斷推廣及其在市場上的應(yīng)用。

3.2 成型設(shè)備的問題

成型設(shè)備成本高昂，致使最終成型件的成本也隨之提高，并且國內(nèi)的SLS系統(tǒng)和激光器都與國外有一定的差距，所以要不斷開發(fā)并研制出精度高且性價比更高的設(shè)備，才能使SLS技術(shù)得到推廣與應(yīng)用。

3.3 成型軟件及工藝問題

在軟件使用上大部分選擇的是三維CAD轉(zhuǎn)換為STL格式，在轉(zhuǎn)換過程中便會存在微小誤差，SLS燒結(jié)技術(shù)成型的制件精度差，不能達到產(chǎn)品標準。因此，更好的完善現(xiàn)有工藝，從而提升燒結(jié)件的工藝性能是日后研究的一個熱點問題。

4 結(jié)語

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)正在逐漸突破自身的局限性，雖然各個方面都有了提高，但是選材上的發(fā)展空間更廣泛，要不斷發(fā)展新材料來替代那些不能滿足大部分成型件功能要求的材料和可能對環(huán)境產(chǎn)生污染的材料。價格也是限制其發(fā)展的重要因素，目前用于工業(yè)的材料價格昂貴，導(dǎo)致其不能普遍應(yīng)用于商業(yè)化生產(chǎn)中，所以在未來一段時間內(nèi)，研發(fā)可行性材料是攻克這些難關(guān)的關(guān)鍵性任務(wù)。

未來隨著SLS技術(shù)的快速發(fā)展，將會對設(shè)備的研發(fā)、技術(shù)的應(yīng)用、新工藝和材料的研發(fā)產(chǎn)生更為積極的影響，對傳統(tǒng)制造業(yè)邁向環(huán)保、節(jié)能、高效發(fā)展提供了巨大的推動力。

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Selectivelasersinteringtechnologyofrawmaterialsandtechnologydevelopment

YANG Jie, WANG Qing-shun, GUAN He

(School of Mechanical Engineering, Shengyang University, Shengyang 110044, China)

Selective laser sintering is one of the fastest growing and most widely used technologies in RP amp; M (Rapid Prototyping amp; Manufacturing) technology, a rapid prototyping technology based on the discrete-stacking principle. It is widely selected, easy to operate, the complexity of the product will not have an impact on it, which can be directly sintered parts, widely used in manufacturing, and selective laser sintering technology has

more and more attention. It is expected to be popularized in the next period of time if we want to break through the bottleneck. In the future, with the rapid development of SLS technology, it will have a more positive impact on R amp; D of equipment, application of technology, research and development of new processes and materials, and provide a huge impetus to the traditional manufacturing industry towards environmental protection, energy saving and efficient development force. Introduced the forming principle and characteristics of selective laser sintering technology, summarized the application of SLS technology were introduced and more research situation and application of raw materials, analyzes the problems existing in the industrialization of SLS technology and possible solutions.

Selective laser sintering; SLS technology; Rapid prototyping; Dusty materials; Present application; Technology development

TB383.3

A

1674-8646(2017)20-0030-04

2017-08-29

楊潔(1990-)，女，沈陽大學(xué)機械學(xué)院2015級碩士研究生，e-mail: 461692883@qq.com。