選擇性激光燒結(jié)技術(shù)在過(guò)渡法蘭中的應(yīng)用

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)在過(guò)渡法蘭中的應(yīng)用

激光選擇燃燒sys（選自選定排列）技術(shù)，也稱為選擇性激光燃燒，是1989年聯(lián)合揚(yáng)斯特學(xué)院斯塔特爾學(xué)校的一種快速成像方法。該技術(shù)是發(fā)展最快、最為成功且已經(jīng)商業(yè)化的快速成形方法之一,不僅可以制造出精確的零件模型,還可以成型具有可靠結(jié)構(gòu)的金屬零件作為直接功能使用。由于其具有諸多優(yōu)點(diǎn),如粉末選材廣泛、適用性廣,以及可直接燒結(jié)零件等,在現(xiàn)代制造業(yè)中受到越來(lái)越廣泛的重視。本文對(duì)其工藝原理及實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)介紹,為今后生產(chǎn)與應(yīng)用提供參考依據(jù)。1sl的工藝原理和特點(diǎn)1.1選擇性激光燒結(jié)工藝選擇性激光燒結(jié)是采用激光有選擇地分層燒結(jié)固體粉末,并使燒結(jié)成型的固化層層層疊加生成所需形狀的零件。其整個(gè)工藝過(guò)程包括CAD模型的建立及數(shù)據(jù)處理、鋪粉、燒結(jié)以及后處理等。其中CAD模型的建立可以用AutoCAD或Pro/E等軟件虛擬生成,也可以通過(guò)3D傳感器(如聲、光數(shù)字儀)、醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)或其他3D數(shù)據(jù)源生成,而CAD模型不能直接被快速成型系統(tǒng)所利用,必須先轉(zhuǎn)化為立體光刻固化成型(Stereolithography,STL)方法所用的格式。選擇性激光燒結(jié)原理圖如圖1所示。整個(gè)工藝裝置由粉末缸和成型缸組成,工作時(shí)粉末缸活塞(送粉活塞)上升,由鋪粉輥將粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均勻鋪上一層,計(jì)算機(jī)根據(jù)原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡,有選擇地?zé)Y(jié)固體粉末材料以形成零件的一個(gè)層面。一層粉末燒結(jié)完成后,工作活塞下降一個(gè)層厚,鋪粉系統(tǒng)鋪上新粉,控制激光束再次掃描燒結(jié)新層。如此循環(huán)往復(fù),層層疊加,直到三維零件成型。最后,將未燒結(jié)的粉末回收到粉末缸中,并取出成型件。當(dāng)實(shí)體構(gòu)建完成并在原型部分充分冷卻后,粉末塊會(huì)上升到初始的位置,將其拿出并放置到一個(gè)空的工作臺(tái)上,用刷子刷去表面粉末露出加工件部分,其余殘留的粉末可用壓縮空氣除去。1.2自然支架工藝SLS技術(shù)與其他快速成形方法相比,最大的優(yōu)點(diǎn)在于選材較為廣泛。從理論上講,任何受熱黏結(jié)的粉末材料都有被用作SLS原材料的可能性,并且能夠直接制作金屬制品。同時(shí)該技術(shù)還具有下列顯著特點(diǎn):1)過(guò)程與零件復(fù)雜程度無(wú)關(guān),是真正的自由制造,這是傳統(tǒng)方法無(wú)法比擬的。SLS與其它快速成形方法不同,不需要預(yù)先制作支架,未燒結(jié)的松散粉末作了自然支架,可以成型幾乎任意幾何形狀的零件,對(duì)具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件特別有效。2)產(chǎn)品的單價(jià)幾乎與批量無(wú)關(guān),特別適合于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)或單件、小批量零件的生產(chǎn)。3)生產(chǎn)周期短。從CAD設(shè)計(jì)到零件的加工完成只需幾個(gè)小時(shí)到幾十個(gè)小時(shí),整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字化,可隨時(shí)修正、隨時(shí)制造,這一特點(diǎn)使其特別適合于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。4)與傳統(tǒng)工藝方法相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)快速鑄造、快速模具制造、小批量零件輸出等功能,為傳統(tǒng)制造方法注入新的活力。5)高精度。該工藝一般能夠達(dá)到工件整體范圍內(nèi)±(0.05～2.5)mm的公差,當(dāng)粉末粒徑為0.1mm以下時(shí),成型后的原型精度可達(dá)±1%。6)材料利用率高,未燒結(jié)的粉末可重復(fù)使用,從而價(jià)格便宜,成本低。7)應(yīng)用面廣。SLS適合多種應(yīng)用領(lǐng)域,如原型設(shè)計(jì)驗(yàn)證、模具母模、精鑄熔模、鑄造型殼和型芯等。2sl的應(yīng)用示例2.1維平面圖形本實(shí)例是運(yùn)用SLS技術(shù)制作過(guò)渡法蘭。過(guò)渡法蘭是用于設(shè)備與管道之間或不同直徑管道之間的連接零件。二維平面圖形如圖2所示。該零件的最大外形尺寸為Φ150mm×70mm,其他所有尺寸都是依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)而定的。該零件制作的基本過(guò)程是:首先利用AFS-320激光快速成形設(shè)備,運(yùn)用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制作出該零件的實(shí)體模型,然后用消失模鑄造方法將其澆注成型,最后得到該零件的金屬實(shí)體。2.2層片數(shù)據(jù)處理2)將三維實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為STL格式STL文件是通過(guò)對(duì)CAD實(shí)體模型或曲面模型進(jìn)行表面三角化離散得到的,相當(dāng)于用一種全由小三角形面片構(gòu)成的多面體近似原CAD模型。3)將STL文件模型分切成許多薄的橫截面模型在Magics軟件中分片生成CLI數(shù)據(jù),然后在ARPS中轉(zhuǎn)化為AFI數(shù)據(jù)。在此過(guò)程中,首先利用預(yù)處理程序調(diào)整模型的尺寸、位置和方向,然后將實(shí)體模型分切成許多厚度為0.01～0.70mm的截面,本試驗(yàn)所設(shè)置的層片厚度為0.20mm。進(jìn)行分層處理時(shí)方向的選擇至關(guān)重要,因?yàn)橹颇r(shí)垂直方向的精度要低于X-Y平面,同時(shí)將模型的最短尺寸作為垂直方向可以減少截面層數(shù)目以縮短制模時(shí)間。本試驗(yàn)選擇所設(shè)計(jì)的過(guò)渡法蘭的高度方向(高度為70mm)作為分層時(shí)的垂直方向。4)添加堆積的支撐結(jié)構(gòu)快速成形技術(shù)都是逐層制造原型/零件,所有的快速成形工藝在成形過(guò)程中都需要支撐(無(wú)論是專門添加的,還是自然產(chǎn)生)。支撐結(jié)構(gòu)在固定零件、保持零件形狀、減少翹曲變形方面有著重要作用。本試驗(yàn)就是通過(guò)軟件自動(dòng)生成,將支撐結(jié)構(gòu)添加到零件底部。2.3燒結(jié)工藝性能測(cè)試采用的燒結(jié)材料為PSC。由于在后續(xù)的制作中要采用消失模鑄造方法成型零件,因此采用可消失的塑料粉末材料PSC(PS為基體)。PS是現(xiàn)今廣泛使用的一種SLS基體材料,價(jià)格便宜,用它作為基體材料的粉末材料制造出來(lái)的SLS原型件具有成型精度高,且熔模件的鑄造工藝與傳統(tǒng)的蠟?zāi)Ｏ嗨频葍?yōu)點(diǎn)。PS基粉末的主要性能見(jiàn)表1。1)開(kāi)啟成型機(jī),進(jìn)入AFS控制程序,調(diào)出成型文件,設(shè)定工藝參數(shù)。本試驗(yàn)所設(shè)置的燒結(jié)工藝參數(shù),見(jiàn)表2。2)將供料缸清理干凈(不得混入其他材料或雜質(zhì)),然后將供料缸活塞下降到合適位置,加入PSC粉料,高于工作平臺(tái)6～7mm刮平。3)將成型缸活塞上升到適當(dāng)位置,然后反復(fù)運(yùn)行鋪粉裝置直到將成型缸填滿鋪平。4)將加熱燈移到成型缸上方位置,按操作面板上的加熱鍵。5)用紅外測(cè)溫儀測(cè)量成型缸粉末的表面溫度,當(dāng)溫度達(dá)到要求時(shí)(此時(shí)溫度是118℃),開(kāi)始成型零件。6)成型數(shù)層后,將加熱功率降低到一定功率值,使成型缸粉末表面的溫度恒定在成型所需的溫度范圍內(nèi)(95℃)。7)零件燒結(jié)完成后,系統(tǒng)自動(dòng)停止。零件在成型缸中自然冷卻1h,然后使成型缸活塞上升到適當(dāng)高度(略低于零件高度),邊上升邊用毛刷將粉料清除,小心取出成型室,再用毛刷將零件上多余粉末去除掉。試驗(yàn)結(jié)果:經(jīng)過(guò)測(cè)量,除去零件的底部(直徑為150mm面)出現(xiàn)了翹曲變形外,其余的尺寸和原始設(shè)計(jì)的尺寸基本相同,表面比較粗糙。2.4零件的預(yù)處理1)將熔化的石蠟在70℃保溫30min,同時(shí)將清理干凈的零件放在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中(設(shè)定為50℃)干燥、預(yù)熱30min。2)待蠟溫穩(wěn)定后,將預(yù)熱后的零件緩慢沉入蠟中,下沉速度與零件吸蠟速度一致。零件完全進(jìn)入蠟中后,放置3min,待無(wú)氣泡溢出,把零件取出,靜置,使多余蠟析出。3)待零件冷卻到室溫后,在制件不平整的部位涂上蠟液,利用電吹風(fēng)機(jī)的微熱進(jìn)行修補(bǔ)。4)滲蠟和修補(bǔ)工作完成后,用細(xì)砂紙?jiān)谄浔砻孢M(jìn)行打磨,將表面疤痕磨平。試驗(yàn)結(jié)果:零件經(jīng)過(guò)滲蠟處理后,由于蠟液可以滲透零件,因此零件的空隙和缺陷都得到了填補(bǔ),其粗糙的表面得到很大的改善,同時(shí)零件的強(qiáng)度也有了一定程度的提高,而且表面的粉末不再脫落。3sls技術(shù)的應(yīng)用1)SLS技術(shù)是目前快速成型技術(shù)中研究的熱點(diǎn)。對(duì)于傳統(tǒng)切削加工方法難以制造出的高強(qiáng)度零件以及快速成型技術(shù)更廣泛的應(yīng)用都具有十分重要的意義,尤其在快速原型制造、快速模具和工具制造中,SLS技術(shù)給傳統(tǒng)制造業(yè)注入新的生命力和創(chuàng)造力。2)通過(guò)SLS技術(shù)在燒結(jié)實(shí)體零件一過(guò)渡法蘭的全部制作過(guò)程的介紹,使應(yīng)用者熟悉實(shí)體零件的整個(gè)制作的工藝過(guò)程,從而對(duì)選擇性燒結(jié)技術(shù)有進(jìn)一步了解。同時(shí)隨著S