2024年5月23日发(作者：广承恩)
2004
年第
38
卷№
6
3
选择性激光烧结技术的发展现状
3
潘琰峰 沈以赴 顾冬冬 胥橙庭
南京航空航天大学
摘 要
:
介绍了选择性激光烧结技术的原理、特点及其研究发展状况
,
简述了选择性激光烧结金属粉末的两种
典型成型工艺
,
并简要分析讨论了选择性激光烧结技术成型金属零件所存在的一些问题。最后
,
总结了选择性激
光烧结技术的应用和发展前景。
关键词
:
快速成形
,
选择性激光烧结
,
烧结粉末
PresentStatusofDevelopmentforSelectiveLaserSintering(SLS)
PanYanfeng
ShenYifu
GuDongdong
etal
Abstract:estresearchesonSLS,includingtwotypicalSLSof
metallicpowder,y,theapplicationofSLS
nowadaysisreviewedanditsprospectinthefutureisalsopresented.
Keywords:rapidprototyping,
selectivelasersintering,
powderforsintering
1
引言
快速成型
[1-5]
RP
(
RapidPrototyping
)
技术第一次
出现于
20
世纪
80
年代后期。它集
CAD
技术、数控
技术、激光加工技术和材料科学技术于一体
,
其原理
突破了传统的材料变形成型和去除成型的工艺方
法
,
可在没有工装夹具或模具的条件下
,
迅速制造出
任意复杂形状的三维实体零件
,
且可有效地降低产
品开发周期。因此
,RP
在当今制造业中越来越具有
竞争力
,
有望成为
21
世纪的主流制造技术。
目前
RP
技术的快速成型工艺方法有十多种
,
主要有
:
立体光固造型
(
立体印刷
)
SLA
(
StereoLithog
2
raphyApparatus
)
;
选择性激光烧结
SLS
(
SelectiveLaser
Sintering
)
;
叠层制造
LOM
(
LaminatedObjectManufac
2
turing
)
;
熔融沉积造型
FDM
(
FusedDepositionModel
2
ing
)
;
三维印刷
3D-P
(
ThreeDimensionalPrinting
)
。
各种
RP
方法均具有自身的特点和适用范围。
选择性激光烧结
(
SLS
)
是发展最快、最为成功且
已经商业化的
RP
方法之一
,
采用该技术不仅可以
制造出精确的模型和原型
,
还可以成型具有可靠结
构的金属零件作为直接功能件使用
[6]
。由于其具有
诸多优点
,
如粉末选材广泛、适用性广
,
可直接烧结
零件等
,
因此在现代制造业中受到越来越广泛的重
视。
2
选择性激光烧结
(SLS)
技术
2
1
1
SLS
技术及其特点
3国家自然科学基金资助项目
(
项目编号
:10276017
)
收稿日期
:2003
年
3
月
选择性激光烧结
[7-10]
是采用激光有选择地分
层烧结固体粉末
,
并使烧结成型的固化层层层叠加
生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括
CAD
模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。
SLS
技术的快速成型系统工作原理如图
1
所
示。
图
1
选择性激光烧结原理
整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成
,
工作时
粉末缸活塞
(
送粉活塞
)
上升
,
由铺粉辊将粉末在成
型缸活塞
(
工作活塞
)
上均匀铺上一层
,
计算机根据
原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹
,
有选
择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉
末完成一层后
,
工作活塞下降一个层厚
,
铺粉系统铺
上新粉
,
控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往
复
,
层层叠加
,
直到三维零件成型。最后
,
将未烧结
的粉末回收到粉末缸中
,
并取出成型件。对于金属
粉末激光烧结
,
在烧结之前
,
整个工作台被加热至一
定温度
,
可减少成型中的热变形
,
并利于层与层之间
的结合。
与其它
RP
方法相比
,SLS
最突出的优点在于它
所使用的成型材料十分广泛。从理论上说
,
任何加
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4
工具技术
热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为
SLS
的成型材料。目前
,
可成功进行
SLS
成型加工
的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复
合粉末材料。由于
SLS
成型材料品种多、用料节省、
成型件性能分布广泛、适合多种用途以及
SLS
无需
设计和制造复杂的支撑系统
,
所以
SLS
的应用越来
越广泛。
SLS
技术的特点
[10-13]
归纳起来主要有以下几
点
:
①过程与零件复杂程度无关
,
是真正的自由制
造
,
这是传统方法无法比拟的。
SLS
与其它
RP
不
同
,
不需要预先制作支架
,
未烧结的松散粉末作了自
然支架。
SLS
可以成型几乎任意几何形状的零件
,
对具有复杂内部结构的零件特别有效。
②产品的单价几乎与批量无关
,
特别适合于新
产品的开发或单件、小批量零件的生产。
③生产周期短
,
从
CAD
设计到零件的加工完成
只需几小时到几十小时
,
整个生产过程数字化
,
可
随时修正、随时制造。这一特点使其特别适合于新
产品的开发。
④与传统工艺方法相结合
,
可实现快速铸造、快
速模具制造、小批量零件输出等功能
,
为传统制造方
法注入新的活力。
⑤材料范围宽
,
任何受热粘结的粉末材料都有
被用作
SLS
原材料的可能性。材料无浪费
,
未烧结
的粉末可重复使用。
⑥应用面广。由于成型材料的多样化
,
使得
SLS
适合于多种应用领域
,
如原型设计验证、模具母
模、精铸熔模、铸造型壳和型芯等。
2
1
2
SLS
技术的发展及研究状况
SLS
工艺最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分
商品化设备。
按烧结用材料的特性
,SLS
技术的发展可分为
两个阶段
[14]
:
①用
SLS
技术烧结低熔点的材料来制
造原型。目前的烧结设备和工艺大多处于这一阶
段
,
所用的材料是塑料、尼龙、金属或陶瓷的包衣粉
末
(
或与聚合物的混合物
)
。②用
SLS
技术直接烧结
高熔点的材料来制造零件。
2
1
3
国内外
SLS
成型材料的产品及用途
[15]
成型材料是
SLS
技术发展和烧结成功的一个关
键环节
,
它直接影响成型件的成型速度、精度和物
理、化学性能
,
影响成型工艺和设备的选择及成型件
的综合性能。因此
,
国内外有许多公司和研究单位
加强了这一领域的研究工作
,
并且取得了重大进步。
(
1
)
国外主要
SLS
成型材料的产品及用途
国外的许多快速成型系统开发公司和使用单位
都对快速成型材料进行了大量的研究工作
,
开发了
多种适合于快速成型工艺的材料。其中在
SLS
领
域
,
以
DTM
公司所开发的成型材料最具代表性
,
其
已商品化的
SLS
用成型材料产品见表
1
。
表
1
DTM
开发的
SLS
用成型材料产品
材料型号
DuraFormPolyamide
DuraFormGF
DTMPolycarbanate
TrueFormPolymer
SandFormSi
SandFormZR
Ⅱ
CopperPloyamide
RapidSteel2.0
材料类型
聚酰胺粉末
添加玻璃珠的
聚酰胺粉末
聚碳酸酰粉末
聚苯乙烯粉末
覆膜硅砂
覆膜锆砂
铜
/
聚酰胺复合粉
覆膜钢粉
使用范围
概念型和测试型制造
能制造微小特征
,
适合
概念型和测试型制造
消失模制造
消失模制造
砂型
(
芯
)
制造
砂型
(
芯
)
制造
金属模具制造
功能零件或
金属模具制造
(
2
)
国内主要
SLS
成型材料的产品及用途
与快速成型设备的研究相比
,
我国快速成型材
料及工艺的研究相对滞后
,
目前还处在起步阶段
,
与
国外相比存在较大差距。虽国内有多家研究开发单
位对
SLS
材料和工艺进行了研究开发工作
,
但还没
有专门的成型材料生产和销售单位。国内几家主要
快速成型技术研究单位开发的材料见表
2
。
表
2
国内主要快速成型技术研究单位开发的
SLS
用材料
研究单位
华中科技大学
北京隆源自动
成型有限公司
华北工学院
成型材料
覆膜砂、
PS
粉等
覆膜陶瓷、塑料
(
PS
、
ABS
)
粉
使用范围
砂铸、熔模铸造
熔模铸造
校的
CarlDeckard
于
1989
年在其硕士论文中提出
的。后美国
DTM
公司于
1992
年推出了该工艺的商
业化生产设备
SinterSation
。几十年来
,
奥斯汀分校
和
DTM
公司在
SLS
领域做了大量的研究工作
,
在设
备研制和工艺、材料开发上取得了丰硕成果。德国
的
EOS
公司在这一领域也做了很多研究工作
,
并开
发了相应的系列成型设备。
在国内
,
也有多家单位进行
SLS
的相关研究工
作
,
如华中科技大学、南京航空航天大学、西北工业
大学、华北工学院和北京隆源自动成型有限公司等
,
也取得了许多重大成果
,
如南京航空航天大学研制
的
RAP-I
型激光烧结快速成型系统、北京隆源自
动成型有限公司开发的
AFS-300
激光快速成型的
覆膜金属、覆膜陶瓷、金属模具、陶瓷精铸、
精铸蜡粉、原型烧结粉熔模铸造、原型
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5
2
1
4
金属粉末的
SLS
技术
早期
,SLS
主要使用的是塑料粉末
,
随着工艺和
材料的发展及制造业的要求
,
国内外科技工作者近
几年对金属粉末的选择性烧结工艺做了大量的研究
工作
,
并取得了重大进步。
目前
,
金属粉末的
SLS
主要有直接法和间接法
两种方法。
(
1
)
直接法
[5,6,16]
目前
,
直接法使用的金属粉末材料是由高熔点
金属粉末
(
用作结构材料
)
和低熔点金属粉末
(
用作
粘结剂
)
混合而成。烧结时激光将粉末升温至两金
属熔点之间的某一温度
,
使粘结金属粉末熔化
,
并在
表面张力的作用下填充于未熔化的结构金属粉末颗
粒间的孔隙中
,
从而将结构金属粉末粘结在一起。
为了更好地降低孔隙率
,
粘结金属的颗粒尺寸
必须比结构金属的小
,
这样可以使小颗粒熔化后更
好地润湿大颗粒
,
填充颗粒间的孔隙
,
提高烧结体的
致密度。此外
,
激光功率对烧结质量也有较大影响。
如果激光功率过小
,
会使粘结金属熔化不充分
,
导致
烧结体的残余孔隙过多
;
反之
,
如果功率太高
,
则又
会生成过多的金属液
,
使烧结体发生变形。因此对
直接法而言
,
最佳的激光功率和颗粒粒径比是获得
良好烧结结构的基本条件。
直接法烧结后的零件机械强度和致密度较低
,
需进行后续处理
(
如液相烧结、热等静压等
)
才能满
足使用要求。
目前
,
直接
SLS
用的成型材料主要有
:Ni
2
Sn
、
Fe
2
Sn
、
Cu
2
Sn
、
Fe
2
Cu
、
Ni
2
Cu
等。
(
2
)
间接法
[17-19]
间接法使用的金属粉末实际上是一种金属组元
与有机粘结剂的混合物。由于有机材料的红外光吸
收率高、熔点低
,
因而在激光烧结过程中
,
有机粘结
剂熔化
,
将金属颗粒粘结起来。烧结后的成型件孔
隙率较大
,
强度也不是很高
,
必须经后处理才能成为
密实的金属功能件。一般的后处理工艺为脱脂→高
温焙烧
(
或称二次烧结
)
→金属熔浸。间接法的优点
是烧结速度快
,
但主要缺点是工艺周期长
,
在后处理
过程中零件的尺寸和形状精度会降低
[20]
。
由于直接
SLS
可以显著缩短工艺周期
,
因而近
几年来
,
直接
SLS
在金属
SLS
中所占比重明显上升
,
国内外相关报道也有很多。
3
选择性激光烧结金属粉末成型存在的问题及
考虑
[9,15,21]
SLS
是非常年轻的一个制造领域
,
在许多方面
还不够完善
,
如目前制造的三维零件普遍存在强度
不高、精度较低及表面质量较差等问题。因此
,
需要
加强
SLS
技术的研究
,
以使其能更好的服务于制造
业。
SLS
工艺过程中涉及到很多参数
(
如材料的物
理与化学性质、激光参数和烧结工艺参数等
)
,
这些
参数影响着烧结过程、成形精度和质量。零件在成
型过程中
,
由于各种材料因素、工艺因素等的影响
,
会使烧结件产生各种冶金缺陷
(
如裂纹、变形、气孔、
组织不均匀等
)
。
(
1
)
粉末材料的影响
粉末材料的物理特性
,
如粉末粒度、密度、热膨
胀系数以及流动性等对零件中缺陷形成具有重要的
影响。粉末粒度和密度不仅影响成型件中缺陷的形
成
,
还对成型件的精度和粗糙度有着显著的影响。
粉末的膨胀和凝固机制对烧结过程的影响可导致成
型件孔隙的增加和抗拉强度的降低
[12]
。
(
2
)
工艺参数的影响
激光和烧结工艺参数
,
如激光功率、扫描速度和
方向及间距、烧结温度、烧结时间以及层厚度等对层
与层之间的粘接、烧结体的收缩变形、翘曲变形甚至
开裂都会产生影响。
FCostache
[12]
等的研究表明层
厚的增加会降低零件的精度和表面光洁度。
此外
,
预热是金属粉末
SLS
中一个重要环节
,
没有预热
,
或者预热温度不均匀
,
将会使成型时间增
加
,
所成型零件的性能低和质量差
,
零件精度差
,
或
使烧结过程完全不能进行
[22,23]
。对金属粉末材料
进行预热
,
可减小因烧结成型时受热在工件内部产
生的热应力
,
防止其产生翘曲和变形
,
提高成型精
度。
因此
,
对上述各种参数进行最优化设计对成型
件质量的改善有着重要的意义。上述各种参数在成
型过程中往往是相互影响的
,
如
Yong
2
AkSong
[20]
等
研究表明降低扫描速度和扫描间距或增大激光功率
可减小表面粗糙度
,
但扫描间距的减小会导致翘曲
趋向增大。因此
,
在进行最优化设计时就需要从总
体上考虑各参数的优化
,
以得到对成型件质量的改
善最为有效的参数组。
目前制造出来的零件普遍存在着致密度、强度
及精度较低、机械性能和热学性能不能满足使用要
求等一些问题。这些成型件不能作为功能性零件直
接使用
,
需要进行后处理
(
如热等静压
HIP
、液相烧
结
LPS
、高温烧结及熔浸
)
后才能投入实际使用。
此外
,
还需注意的是
,
由于金属粉末的
SLS
温度
较高
,
为了防止金属粉末氧化
,
烧结时必须将金属粉
末封闭在充有保护气体的容器中。保护气体有氮
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6
工具技术
气、氢气、氩气及其混合气体。烧结的金属不同
,
要
求的保护气体也不同
[24]
。
4
SLS
的应用和实例
几十年来
,SLS
工艺已经成功应用于汽车、造
船、航天和航空等诸多行业
,
为许多传统制造业注入
了新的生命力和创造力。
概括地说
,SLS
工艺可以应用于以下一些场
合
[2,11,16]
:
①快速原型制造。可快速制造设计零件的原
型
,
及时进行评价、修正以提高产品的设计质量
;
使
客户获得直观的零件模型
;
制造教学、试验用复杂模
型。
②快速模具和工具制造。将
SLS
制造的零件直
接作为模具使用
,
如砂型铸造用模、金属冷喷模、低
熔点合金模等
;
也可将成型件经后处理后作功能性
零部件使用。
③单件或小批量生产。对于那些不能批量生产
或形状很复杂的零件
,
利用
SLS
技术来制造
,
可降低
成本和节约生产时间
,
这对航空航天及国防工业更
具有重大意义。
具体应用已有诸多报道
[5,25
～
27]
。德国
EOS
公
司在这方面走在前列
,
它开发了可直接对未经预热
的金属粉末进行激光烧结的系统
EosintM
。该系统
所使用的是不同金属组成的混合物
,
各混合物在烧
结过程中相互补偿体积的变化而使全部粉末的收缩
率可小到忽略不计
,
有利于保证制作精度
;
而且各混
μ
合物的粒度仅为
50
m
左右
,
有利于提高表面质量
;
可制作形状复杂的薄壁金属零件
,
特别是用于制作
注塑模具。
DTM
公司于
1994
年推出
RapidSteel
制造技术
,
在
SLS-2000
系统中烧结表面包覆树脂材料的铁
粉
,
初次成型零件后
,
置入铜粉中再一起放入高温炉
进行二次烧结制造出注塑模具
,
此模具在性能上相
当于
7075
铝合金
,
可以注塑
5
万件。
国内
,
北京隆源自动成形系统有限公司在快速
精密铸造方面取得了诸多成果
,
利用其开发的
AFS
-300
激光快速成型机在较短时间内可为用户制成
铸件原型、熔模及铸造型壳。
5
结语
快速成型技术中
,
金属粉末激光烧结是近年来
人们研究的一个热点
,
实现使用高熔点金属直接烧
结成型金属零件
,
对传统切削加工方法难以制造出
高强度零件以及对快速成型技术更广泛的应用具有
重要的意义
[14]
,
尤其是在航天器件、飞机发动机零
件及武器零件的制备方面。
近十几年来
SLS
技术得到了飞速发展
,
获得了
良好的应用效果
,
但作为一项新兴制造技术
,
尚处于
一个不断发展、不断完善的过程之中。目前
,SLS
技
术还有很大的发展空间
[2,5]
:
①成形工艺和设备的开发与改进
,
以提高成型
件的表面质量、尺寸精度和机械性能
;
②新材料成型机理、成型性的研究与开发
,
为
SLS
提供具有良好综合性能的烧结粉末材料及形成
快速成型材料的商品化
;
③探索
SLS
技术与传统加工、特种加工等技术
相结合的多种加工手段的综合工艺
,
为快速模具、工
具制造提供新的技术手段
;
④后处理工艺的优化。利用
SLS
虽可直接成型
金属零件
,
但成型件的机械性能和热学性能还不能
很好满足直接使用的要求
,
经后处理后可明显得到
改善
,
但对尺寸精度有所影响
[10]
,
这就需要优化设
计现有的后处理工艺以提高综合质量。
随着
SLS
技术的发展
,
新工艺、新材料的不断出
现
,
势必会对未来的实际零件制造产生重大影响
,
对
制造业产生巨大的推动作用。
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(
2
)
:19
25
王树杰
.
国内外快速原型技术的发展与展望
.
机械制
防工业出版社
.2003
16
李鹏
,
熊惟皓
.
选择性激光烧结的原理及应用
.
材料导
造
,1998,1:5
～
7
26
calReviewDTM
Corporation,1996
27
冯涛
,
孙建民
,
宗贵升
.
用选择性激光烧结实现快速精
报
,2002,16
(
6
)
:55
～
58
17
LaouiT,FroyenL,ofmechanicalalloying
Met
2
allurgy,1999,42
(
3
)
:203
18
aPowder:Pow
2
derMetallurgy,2000,36
(
4
)
:69
19
陈森昌
,
黄树槐
,
史玉升
.
选择性激光烧结间接成型金
密铸造
.
中国工程机械
,1998,8
(
5
)
:1
～
23
第一作者
:
潘琰峰
,
硕士研究生
,
南京航空航天大学材料
科学与技术学院材料科学与工程系
,210016
南京市
制造工艺带动德国经济复苏
在经济持续萧条的阴霾下
,
德国充斥着需求疲软、政治
体制僵化以及商业环境束缚手脚的言论。与之相比
,
普茨迈
斯特公司
(
Putzmeister
)
的表现却令人耳目一新。
这家位于南部城市斯图加特附近的建筑机械制造商
,
不
仅生产出世界上最长的机动混凝土泵
,
体现了德国高超的传
统制造工艺
,
而且引人注目的是
,
它还是该国目前出口猛增
的例证。
(
1
)
积极利用美国、亚洲等繁荣市场
普茨迈斯特公司首席执行官
HinrichMahlmann
说
,
进入
2004
年以来
,
海外订单“强劲”增长
,
为此公司预计今年要增
德国商业银行
(
Commerzbank
)
的分析师
CarolaHunger
2
Siegler
说“
:
德国出口的表现越好
,
生产能力就越能得到充分
利用。希望通过增加收入和投资
,
对国内经济产生影响。”
(
2
)
欧元升值带来不利影响
当然
,
形势亦非一片大好
,
也有不足之处。以货币为例
,
由于近来欧元坚挺
,
德国出口的美元价值大幅提高。随着欧
元升值的幅度越大、时间越长
,
消极影响就会显现
,
德国商品
的昂贵价格会吓跑海外买家。
另外
,
德国只感受到出口增长带来的部分好处。企业的
趋势是生产也要向海外转移
,
以利用东欧等地的廉价劳务成
本
,
并减少在德国创造的经济价值。在普茨迈斯特今年计划
增加的
210
个职位中
,
只有
50
个在德国
,
但该公司去年确实
已增加过国内雇员。电子工程巨头———西门子公司
(
Siemens
)
上周宣布
,
计划未来
3
至
5
年内向中国投资
10
亿
欧元
,
促使其在该国的销售额翻一番。
向低工资的国家外包业务
,
现在是发达国家的普遍现
象。但对德国的影响看来尤其明显
,
因为不论是在地理上还
是文化上东欧都与其联系密切
,
特别是对那些不敢进军亚洲
市场的家庭公司。德国正走向“市集经济”
,
把用原产地日益
多样化的零部件生产出的产品销往全世界。
正如重型工程业所表现出的
,
近来积极的迹象不断增
多。慕尼黑国际建筑机械交易会的会展面积达
50
万平方
米
,
在世界同类交易会中是最大的。今年它共吸引了
41
万
参展者
,
创历史新高
,
其中大约三分之一来自海外。如果你
想购买世界上最长的机动混凝土泵
,
德国是不二选择。
加雇员
10%
。他说“
:
德国是质量的象征。就像德国车
,
人
们愿意花高价购买。”目前
,
海外销售已占其产量的
90%,
而
10
年前仅为
60%
。近日公布的官方统计数据证实
,
很多公
司都像
Mahlmann
那样
,
抛开疲软的国内经济
,
转而利用美国
和亚洲等地更加繁荣的市场。
与一年前同期相比
,3
月份德国出口增长近
17%,
是上
世纪
50
年代有记录以来增长最快的月份之一。今年第一季
度
,
商品出口增长近
9%,
而整个
2003
年的数据显示
,
德国正
从美国手中重新夺回出口大国的地位。
随着出口的增长
,
人们希望其能够引导德国摆脱经济萧
条
,
创造就业机会
,
并抵消消费者信心不振对国内需求的影
响。构成德国工业支柱的家庭控制的公司
,
如普茨迈斯特
,
看来正再次成为经济复苏的领导力量。
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2024年5月23日发(作者：广承恩)
2004
年第
38
卷№
6
3
选择性激光烧结技术的发展现状
3
潘琰峰 沈以赴 顾冬冬 胥橙庭
南京航空航天大学
摘 要
:
介绍了选择性激光烧结技术的原理、特点及其研究发展状况
,
简述了选择性激光烧结金属粉末的两种
典型成型工艺
,
并简要分析讨论了选择性激光烧结技术成型金属零件所存在的一些问题。最后
,
总结了选择性激
光烧结技术的应用和发展前景。
关键词
:
快速成形
,
选择性激光烧结
,
烧结粉末
PresentStatusofDevelopmentforSelectiveLaserSintering(SLS)
PanYanfeng
ShenYifu
GuDongdong
etal
Abstract:estresearchesonSLS,includingtwotypicalSLSof
metallicpowder,y,theapplicationofSLS
nowadaysisreviewedanditsprospectinthefutureisalsopresented.
Keywords:rapidprototyping,
selectivelasersintering,
powderforsintering
1
引言
快速成型
[1-5]
RP
(
RapidPrototyping
)
技术第一次
出现于
20
世纪
80
年代后期。它集
CAD
技术、数控
技术、激光加工技术和材料科学技术于一体
,
其原理
突破了传统的材料变形成型和去除成型的工艺方
法
,
可在没有工装夹具或模具的条件下
,
迅速制造出
任意复杂形状的三维实体零件
,
且可有效地降低产
品开发周期。因此
,RP
在当今制造业中越来越具有
竞争力
,
有望成为
21
世纪的主流制造技术。
目前
RP
技术的快速成型工艺方法有十多种
,
主要有
:
立体光固造型
(
立体印刷
)
SLA
(
StereoLithog
2
raphyApparatus
)
;
选择性激光烧结
SLS
(
SelectiveLaser
Sintering
)
;
叠层制造
LOM
(
LaminatedObjectManufac
2
turing
)
;
熔融沉积造型
FDM
(
FusedDepositionModel
2
ing
)
;
三维印刷
3D-P
(
ThreeDimensionalPrinting
)
。
各种
RP
方法均具有自身的特点和适用范围。
选择性激光烧结
(
SLS
)
是发展最快、最为成功且
已经商业化的
RP
方法之一
,
采用该技术不仅可以
制造出精确的模型和原型
,
还可以成型具有可靠结
构的金属零件作为直接功能件使用
[6]
。由于其具有
诸多优点
,
如粉末选材广泛、适用性广
,
可直接烧结
零件等
,
因此在现代制造业中受到越来越广泛的重
视。
2
选择性激光烧结
(SLS)
技术
2
1
1
SLS
技术及其特点
3国家自然科学基金资助项目
(
项目编号
:10276017
)
收稿日期
:2003
年
3
月
选择性激光烧结
[7-10]
是采用激光有选择地分
层烧结固体粉末
,
并使烧结成型的固化层层层叠加
生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括
CAD
模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。
SLS
技术的快速成型系统工作原理如图
1
所
示。
图
1
选择性激光烧结原理
整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成
,
工作时
粉末缸活塞
(
送粉活塞
)
上升
,
由铺粉辊将粉末在成
型缸活塞
(
工作活塞
)
上均匀铺上一层
,
计算机根据
原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹
,
有选
择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉
末完成一层后
,
工作活塞下降一个层厚
,
铺粉系统铺
上新粉
,
控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往
复
,
层层叠加
,
直到三维零件成型。最后
,
将未烧结
的粉末回收到粉末缸中
,
并取出成型件。对于金属
粉末激光烧结
,
在烧结之前
,
整个工作台被加热至一
定温度
,
可减少成型中的热变形
,
并利于层与层之间
的结合。
与其它
RP
方法相比
,SLS
最突出的优点在于它
所使用的成型材料十分广泛。从理论上说
,
任何加
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
4
工具技术
热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为
SLS
的成型材料。目前
,
可成功进行
SLS
成型加工
的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复
合粉末材料。由于
SLS
成型材料品种多、用料节省、
成型件性能分布广泛、适合多种用途以及
SLS
无需
设计和制造复杂的支撑系统
,
所以
SLS
的应用越来
越广泛。
SLS
技术的特点
[10-13]
归纳起来主要有以下几
点
:
①过程与零件复杂程度无关
,
是真正的自由制
造
,
这是传统方法无法比拟的。
SLS
与其它
RP
不
同
,
不需要预先制作支架
,
未烧结的松散粉末作了自
然支架。
SLS
可以成型几乎任意几何形状的零件
,
对具有复杂内部结构的零件特别有效。
②产品的单价几乎与批量无关
,
特别适合于新
产品的开发或单件、小批量零件的生产。
③生产周期短
,
从
CAD
设计到零件的加工完成
只需几小时到几十小时
,
整个生产过程数字化
,
可
随时修正、随时制造。这一特点使其特别适合于新
产品的开发。
④与传统工艺方法相结合
,
可实现快速铸造、快
速模具制造、小批量零件输出等功能
,
为传统制造方
法注入新的活力。
⑤材料范围宽
,
任何受热粘结的粉末材料都有
被用作
SLS
原材料的可能性。材料无浪费
,
未烧结
的粉末可重复使用。
⑥应用面广。由于成型材料的多样化
,
使得
SLS
适合于多种应用领域
,
如原型设计验证、模具母
模、精铸熔模、铸造型壳和型芯等。
2
1
2
SLS
技术的发展及研究状况
SLS
工艺最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分
商品化设备。
按烧结用材料的特性
,SLS
技术的发展可分为
两个阶段
[14]
:
①用
SLS
技术烧结低熔点的材料来制
造原型。目前的烧结设备和工艺大多处于这一阶
段
,
所用的材料是塑料、尼龙、金属或陶瓷的包衣粉
末
(
或与聚合物的混合物
)
。②用
SLS
技术直接烧结
高熔点的材料来制造零件。
2
1
3
国内外
SLS
成型材料的产品及用途
[15]
成型材料是
SLS
技术发展和烧结成功的一个关
键环节
,
它直接影响成型件的成型速度、精度和物
理、化学性能
,
影响成型工艺和设备的选择及成型件
的综合性能。因此
,
国内外有许多公司和研究单位
加强了这一领域的研究工作
,
并且取得了重大进步。
(
1
)
国外主要
SLS
成型材料的产品及用途
国外的许多快速成型系统开发公司和使用单位
都对快速成型材料进行了大量的研究工作
,
开发了
多种适合于快速成型工艺的材料。其中在
SLS
领
域
,
以
DTM
公司所开发的成型材料最具代表性
,
其
已商品化的
SLS
用成型材料产品见表
1
。
表
1
DTM
开发的
SLS
用成型材料产品
材料型号
DuraFormPolyamide
DuraFormGF
DTMPolycarbanate
TrueFormPolymer
SandFormSi
SandFormZR
Ⅱ
CopperPloyamide
RapidSteel2.0
材料类型
聚酰胺粉末
添加玻璃珠的
聚酰胺粉末
聚碳酸酰粉末
聚苯乙烯粉末
覆膜硅砂
覆膜锆砂
铜
/
聚酰胺复合粉
覆膜钢粉
使用范围
概念型和测试型制造
能制造微小特征
,
适合
概念型和测试型制造
消失模制造
消失模制造
砂型
(
芯
)
制造
砂型
(
芯
)
制造
金属模具制造
功能零件或
金属模具制造
(
2
)
国内主要
SLS
成型材料的产品及用途
与快速成型设备的研究相比
,
我国快速成型材
料及工艺的研究相对滞后
,
目前还处在起步阶段
,
与
国外相比存在较大差距。虽国内有多家研究开发单
位对
SLS
材料和工艺进行了研究开发工作
,
但还没
有专门的成型材料生产和销售单位。国内几家主要
快速成型技术研究单位开发的材料见表
2
。
表
2
国内主要快速成型技术研究单位开发的
SLS
用材料
研究单位
华中科技大学
北京隆源自动
成型有限公司
华北工学院
成型材料
覆膜砂、
PS
粉等
覆膜陶瓷、塑料
(
PS
、
ABS
)
粉
使用范围
砂铸、熔模铸造
熔模铸造
校的
CarlDeckard
于
1989
年在其硕士论文中提出
的。后美国
DTM
公司于
1992
年推出了该工艺的商
业化生产设备
SinterSation
。几十年来
,
奥斯汀分校
和
DTM
公司在
SLS
领域做了大量的研究工作
,
在设
备研制和工艺、材料开发上取得了丰硕成果。德国
的
EOS
公司在这一领域也做了很多研究工作
,
并开
发了相应的系列成型设备。
在国内
,
也有多家单位进行
SLS
的相关研究工
作
,
如华中科技大学、南京航空航天大学、西北工业
大学、华北工学院和北京隆源自动成型有限公司等
,
也取得了许多重大成果
,
如南京航空航天大学研制
的
RAP-I
型激光烧结快速成型系统、北京隆源自
动成型有限公司开发的
AFS-300
激光快速成型的
覆膜金属、覆膜陶瓷、金属模具、陶瓷精铸、
精铸蜡粉、原型烧结粉熔模铸造、原型
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2004
年第
38
卷№
6
5
2
1
4
金属粉末的
SLS
技术
早期
,SLS
主要使用的是塑料粉末
,
随着工艺和
材料的发展及制造业的要求
,
国内外科技工作者近
几年对金属粉末的选择性烧结工艺做了大量的研究
工作
,
并取得了重大进步。
目前
,
金属粉末的
SLS
主要有直接法和间接法
两种方法。
(
1
)
直接法
[5,6,16]
目前
,
直接法使用的金属粉末材料是由高熔点
金属粉末
(
用作结构材料
)
和低熔点金属粉末
(
用作
粘结剂
)
混合而成。烧结时激光将粉末升温至两金
属熔点之间的某一温度
,
使粘结金属粉末熔化
,
并在
表面张力的作用下填充于未熔化的结构金属粉末颗
粒间的孔隙中
,
从而将结构金属粉末粘结在一起。
为了更好地降低孔隙率
,
粘结金属的颗粒尺寸
必须比结构金属的小
,
这样可以使小颗粒熔化后更
好地润湿大颗粒
,
填充颗粒间的孔隙
,
提高烧结体的
致密度。此外
,
激光功率对烧结质量也有较大影响。
如果激光功率过小
,
会使粘结金属熔化不充分
,
导致
烧结体的残余孔隙过多
;
反之
,
如果功率太高
,
则又
会生成过多的金属液
,
使烧结体发生变形。因此对
直接法而言
,
最佳的激光功率和颗粒粒径比是获得
良好烧结结构的基本条件。
直接法烧结后的零件机械强度和致密度较低
,
需进行后续处理
(
如液相烧结、热等静压等
)
才能满
足使用要求。
目前
,
直接
SLS
用的成型材料主要有
:Ni
2
Sn
、
Fe
2
Sn
、
Cu
2
Sn
、
Fe
2
Cu
、
Ni
2
Cu
等。
(
2
)
间接法
[17-19]
间接法使用的金属粉末实际上是一种金属组元
与有机粘结剂的混合物。由于有机材料的红外光吸
收率高、熔点低
,
因而在激光烧结过程中
,
有机粘结
剂熔化
,
将金属颗粒粘结起来。烧结后的成型件孔
隙率较大
,
强度也不是很高
,
必须经后处理才能成为
密实的金属功能件。一般的后处理工艺为脱脂→高
温焙烧
(
或称二次烧结
)
→金属熔浸。间接法的优点
是烧结速度快
,
但主要缺点是工艺周期长
,
在后处理
过程中零件的尺寸和形状精度会降低
[20]
。
由于直接
SLS
可以显著缩短工艺周期
,
因而近
几年来
,
直接
SLS
在金属
SLS
中所占比重明显上升
,
国内外相关报道也有很多。
3
选择性激光烧结金属粉末成型存在的问题及
考虑
[9,15,21]
SLS
是非常年轻的一个制造领域
,
在许多方面
还不够完善
,
如目前制造的三维零件普遍存在强度
不高、精度较低及表面质量较差等问题。因此
,
需要
加强
SLS
技术的研究
,
以使其能更好的服务于制造
业。
SLS
工艺过程中涉及到很多参数
(
如材料的物
理与化学性质、激光参数和烧结工艺参数等
)
,
这些
参数影响着烧结过程、成形精度和质量。零件在成
型过程中
,
由于各种材料因素、工艺因素等的影响
,
会使烧结件产生各种冶金缺陷
(
如裂纹、变形、气孔、
组织不均匀等
)
。
(
1
)
粉末材料的影响
粉末材料的物理特性
,
如粉末粒度、密度、热膨
胀系数以及流动性等对零件中缺陷形成具有重要的
影响。粉末粒度和密度不仅影响成型件中缺陷的形
成
,
还对成型件的精度和粗糙度有着显著的影响。
粉末的膨胀和凝固机制对烧结过程的影响可导致成
型件孔隙的增加和抗拉强度的降低
[12]
。
(
2
)
工艺参数的影响
激光和烧结工艺参数
,
如激光功率、扫描速度和
方向及间距、烧结温度、烧结时间以及层厚度等对层
与层之间的粘接、烧结体的收缩变形、翘曲变形甚至
开裂都会产生影响。
FCostache
[12]
等的研究表明层
厚的增加会降低零件的精度和表面光洁度。
此外
,
预热是金属粉末
SLS
中一个重要环节
,
没有预热
,
或者预热温度不均匀
,
将会使成型时间增
加
,
所成型零件的性能低和质量差
,
零件精度差
,
或
使烧结过程完全不能进行
[22,23]
。对金属粉末材料
进行预热
,
可减小因烧结成型时受热在工件内部产
生的热应力
,
防止其产生翘曲和变形
,
提高成型精
度。
因此
,
对上述各种参数进行最优化设计对成型
件质量的改善有着重要的意义。上述各种参数在成
型过程中往往是相互影响的
,
如
Yong
2
AkSong
[20]
等
研究表明降低扫描速度和扫描间距或增大激光功率
可减小表面粗糙度
,
但扫描间距的减小会导致翘曲
趋向增大。因此
,
在进行最优化设计时就需要从总
体上考虑各参数的优化
,
以得到对成型件质量的改
善最为有效的参数组。
目前制造出来的零件普遍存在着致密度、强度
及精度较低、机械性能和热学性能不能满足使用要
求等一些问题。这些成型件不能作为功能性零件直
接使用
,
需要进行后处理
(
如热等静压
HIP
、液相烧
结
LPS
、高温烧结及熔浸
)
后才能投入实际使用。
此外
,
还需注意的是
,
由于金属粉末的
SLS
温度
较高
,
为了防止金属粉末氧化
,
烧结时必须将金属粉
末封闭在充有保护气体的容器中。保护气体有氮
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6
工具技术
气、氢气、氩气及其混合气体。烧结的金属不同
,
要
求的保护气体也不同
[24]
。
4
SLS
的应用和实例
几十年来
,SLS
工艺已经成功应用于汽车、造
船、航天和航空等诸多行业
,
为许多传统制造业注入
了新的生命力和创造力。
概括地说
,SLS
工艺可以应用于以下一些场
合
[2,11,16]
:
①快速原型制造。可快速制造设计零件的原
型
,
及时进行评价、修正以提高产品的设计质量
;
使
客户获得直观的零件模型
;
制造教学、试验用复杂模
型。
②快速模具和工具制造。将
SLS
制造的零件直
接作为模具使用
,
如砂型铸造用模、金属冷喷模、低
熔点合金模等
;
也可将成型件经后处理后作功能性
零部件使用。
③单件或小批量生产。对于那些不能批量生产
或形状很复杂的零件
,
利用
SLS
技术来制造
,
可降低
成本和节约生产时间
,
这对航空航天及国防工业更
具有重大意义。
具体应用已有诸多报道
[5,25
～
27]
。德国
EOS
公
司在这方面走在前列
,
它开发了可直接对未经预热
的金属粉末进行激光烧结的系统
EosintM
。该系统
所使用的是不同金属组成的混合物
,
各混合物在烧
结过程中相互补偿体积的变化而使全部粉末的收缩
率可小到忽略不计
,
有利于保证制作精度
;
而且各混
μ
合物的粒度仅为
50
m
左右
,
有利于提高表面质量
;
可制作形状复杂的薄壁金属零件
,
特别是用于制作
注塑模具。
DTM
公司于
1994
年推出
RapidSteel
制造技术
,
在
SLS-2000
系统中烧结表面包覆树脂材料的铁
粉
,
初次成型零件后
,
置入铜粉中再一起放入高温炉
进行二次烧结制造出注塑模具
,
此模具在性能上相
当于
7075
铝合金
,
可以注塑
5
万件。
国内
,
北京隆源自动成形系统有限公司在快速
精密铸造方面取得了诸多成果
,
利用其开发的
AFS
-300
激光快速成型机在较短时间内可为用户制成
铸件原型、熔模及铸造型壳。
5
结语
快速成型技术中
,
金属粉末激光烧结是近年来
人们研究的一个热点
,
实现使用高熔点金属直接烧
结成型金属零件
,
对传统切削加工方法难以制造出
高强度零件以及对快速成型技术更广泛的应用具有
重要的意义
[14]
,
尤其是在航天器件、飞机发动机零
件及武器零件的制备方面。
近十几年来
SLS
技术得到了飞速发展
,
获得了
良好的应用效果
,
但作为一项新兴制造技术
,
尚处于
一个不断发展、不断完善的过程之中。目前
,SLS
技
术还有很大的发展空间
[2,5]
:
①成形工艺和设备的开发与改进
,
以提高成型
件的表面质量、尺寸精度和机械性能
;
②新材料成型机理、成型性的研究与开发
,
为
SLS
提供具有良好综合性能的烧结粉末材料及形成
快速成型材料的商品化
;
③探索
SLS
技术与传统加工、特种加工等技术
相结合的多种加工手段的综合工艺
,
为快速模具、工
具制造提供新的技术手段
;
④后处理工艺的优化。利用
SLS
虽可直接成型
金属零件
,
但成型件的机械性能和热学性能还不能
很好满足直接使用的要求
,
经后处理后可明显得到
改善
,
但对尺寸精度有所影响
[10]
,
这就需要优化设
计现有的后处理工艺以提高综合质量。
随着
SLS
技术的发展
,
新工艺、新材料的不断出
现
,
势必会对未来的实际零件制造产生重大影响
,
对
制造业产生巨大的推动作用。
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:
潘琰峰
,
硕士研究生
,
南京航空航天大学材料
科学与技术学院材料科学与工程系
,210016
南京市
制造工艺带动德国经济复苏
在经济持续萧条的阴霾下
,
德国充斥着需求疲软、政治
体制僵化以及商业环境束缚手脚的言论。与之相比
,
普茨迈
斯特公司
(
Putzmeister
)
的表现却令人耳目一新。
这家位于南部城市斯图加特附近的建筑机械制造商
,
不
仅生产出世界上最长的机动混凝土泵
,
体现了德国高超的传
统制造工艺
,
而且引人注目的是
,
它还是该国目前出口猛增
的例证。
(
1
)
积极利用美国、亚洲等繁荣市场
普茨迈斯特公司首席执行官
HinrichMahlmann
说
,
进入
2004
年以来
,
海外订单“强劲”增长
,
为此公司预计今年要增
德国商业银行
(
Commerzbank
)
的分析师
CarolaHunger
2
Siegler
说“
:
德国出口的表现越好
,
生产能力就越能得到充分
利用。希望通过增加收入和投资
,
对国内经济产生影响。”
(
2
)
欧元升值带来不利影响
当然
,
形势亦非一片大好
,
也有不足之处。以货币为例
,
由于近来欧元坚挺
,
德国出口的美元价值大幅提高。随着欧
元升值的幅度越大、时间越长
,
消极影响就会显现
,
德国商品
的昂贵价格会吓跑海外买家。
另外
,
德国只感受到出口增长带来的部分好处。企业的
趋势是生产也要向海外转移
,
以利用东欧等地的廉价劳务成
本
,
并减少在德国创造的经济价值。在普茨迈斯特今年计划
增加的
210
个职位中
,
只有
50
个在德国
,
但该公司去年确实
已增加过国内雇员。电子工程巨头———西门子公司
(
Siemens
)
上周宣布
,
计划未来
3
至
5
年内向中国投资
10
亿
欧元
,
促使其在该国的销售额翻一番。
向低工资的国家外包业务
,
现在是发达国家的普遍现
象。但对德国的影响看来尤其明显
,
因为不论是在地理上还
是文化上东欧都与其联系密切
,
特别是对那些不敢进军亚洲
市场的家庭公司。德国正走向“市集经济”
,
把用原产地日益
多样化的零部件生产出的产品销往全世界。
正如重型工程业所表现出的
,
近来积极的迹象不断增
多。慕尼黑国际建筑机械交易会的会展面积达
50
万平方
米
,
在世界同类交易会中是最大的。今年它共吸引了
41
万
参展者
,
创历史新高
,
其中大约三分之一来自海外。如果你
想购买世界上最长的机动混凝土泵
,
德国是不二选择。
加雇员
10%
。他说“
:
德国是质量的象征。就像德国车
,
人
们愿意花高价购买。”目前
,
海外销售已占其产量的
90%,
而
10
年前仅为
60%
。近日公布的官方统计数据证实
,
很多公
司都像
Mahlmann
那样
,
抛开疲软的国内经济
,
转而利用美国
和亚洲等地更加繁荣的市场。
与一年前同期相比
,3
月份德国出口增长近
17%,
是上
世纪
50
年代有记录以来增长最快的月份之一。今年第一季
度
,
商品出口增长近
9%,
而整个
2003
年的数据显示
,
德国正
从美国手中重新夺回出口大国的地位。
随着出口的增长
,
人们希望其能够引导德国摆脱经济萧
条
,
创造就业机会
,
并抵消消费者信心不振对国内需求的影
响。构成德国工业支柱的家庭控制的公司
,
如普茨迈斯特
,
看来正再次成为经济复苏的领导力量。
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