增材制造與3D打印技術(shù)及應(yīng)用課件第4章-粉末材料選擇性激光燒結(jié)增材制造系統(tǒng)

第四章

粉末材料選擇性燒結(jié)增材制造光敏材料選擇性固化增材制造4.1SLS增材制造的原理4.2SLA增材制造成形過程4.3SLS增材制造的材料及選擇4.4SLS增材制造的優(yōu)缺點4.53DP打印技術(shù)

粉末材料選擇性燒結(jié)增材制造又稱為選區(qū)激光燒結(jié)增材制造，英文名稱SelectiveLaserSintering,簡稱SLS。由美國德克薩斯大學奧汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。該方法已被美國DTM公司商品化。SLS增材制造是利用粉末材料（金屬粉末或非金屬粉末）在激光下燒結(jié)的原理，在計算機控制下層層堆積成形。SLS的原理與SLA非常相象，主要區(qū)別在于所使用的材料及其形狀。4.1SLS增材制造的原理

粉末材料選擇性燒結(jié)增材制造又稱為選區(qū)激光燒結(jié)增材制造，英文名稱SelectiveLaserSintering,簡稱SLS。由美國德克薩斯大學奧汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。該方法已被美國DTM公司商品化。SLS增材制造是利用粉末材料（金屬粉末或非金屬粉末）在激光下燒結(jié)的原理，在計算機控制下層層堆積成形。SLS的原理與SLA非常相象，主要區(qū)別在于所使用的材料及其形狀。4.1SLS增材制造的原理4.1SLS增材制造的原理4-1SLS增材制造的原理圖4.1SLS增材制造的原理SLS增材制造的燒結(jié)機理可以分為四大類：固相燒結(jié)、化學燒結(jié)、液相燒結(jié)和部分熔化及完全熔化。雖然把SLS增材制造的燒結(jié)機理分為了四大類，但是每一種燒結(jié)過程中，同時伴隨著其它幾種燒結(jié)的進行。1.固相燒結(jié)固相燒結(jié)的溫度范圍是粉末材料的1/2熔點和熔點之間，在這個過程中伴隨著各種物理和化學反應(yīng)，最重要的是形成擴散。它發(fā)生在相鄰的粉末之間，這種驅(qū)動力會使較低自由能的粉末之間通過頸連接起來。這種燒結(jié)機理適用于陶瓷粉末和部分金屬粉末。2.化學粘結(jié)化學粘結(jié)在現(xiàn)有的激光粉末燒結(jié)中用的較少，但事實證明它對于聚合物、金屬及陶瓷材料都是可行的，如在氮氣氣氛中進行鋁粉的燒結(jié)，氮氣和鋁粉發(fā)生反應(yīng)生成氮化鋁來連接鋁粉，使燒結(jié)不斷繼續(xù)。3.液相燒結(jié)和部分熔化液相燒結(jié)和部分熔化包含一部分粘接劑機制，即一些粉末材料被熔化而其他部分仍保持固態(tài)。熔化的材料在強烈的毛細作用力下在固態(tài)粉末顆粒之間迅速擴展將它們連接在一起。4.完全熔化

完全熔化適用于通過高能量的激光，使其作用在金屬粉末上面，可以完全熔化，得到致密的實體零件，通過此方法獲得的金屬零件的致密度可以達到99.9%。4.1SLS增材制造的原理激光掃描系統(tǒng)由激光器、激光器電源、激光掃描系統(tǒng)構(gòu)成。激光器的作用是為燒結(jié)提供能量。一般用于SLS增材制造的激光器有波長1.06um的CO2激光器和波長為1.06um的YAG脈沖激光器，其功率在45-200W之間。激光掃描系統(tǒng)的主要功能是將激光能量傳輸?shù)酱庸し勰┍韺?，熔融固化粉末材料形成掃描層面。目前，SLS增材制造主要采用XY直線導軌和振鏡掃描。激光燒結(jié)成形過程中，為保證較好的燒結(jié)表面質(zhì)量和燒結(jié)精度，一般要求掃描速度在6m/min以上。掃描參數(shù)直接影響燒結(jié)件質(zhì)量。燒結(jié)件的強度主要取決于面內(nèi)強度和層與層之間的粘結(jié)強度，面內(nèi)強度和層間的粘結(jié)又取決于光斑直徑的大小及光點間的距離。此外，內(nèi)應(yīng)力的大小也與掃描間距有關(guān)。掃描方式的不同則會影響加工強度，內(nèi)應(yīng)力及變形，掃描速度對成形速度和強度也有一定影響。4.2SLS增材制造的成形過程陶瓷材料在進行選擇性燒結(jié)時需要加入粘結(jié)劑。常用的陶瓷粉末材料有Al2O3和SiC，粘結(jié)劑主要有無機粘結(jié)劑、有機粘結(jié)劑和金屬粘結(jié)劑等三種。幾種常用的陶瓷粉末燒結(jié)過程如下：(1)NH4H2PO4助Al2O3的燒結(jié)常溫下NH4H2PO4是固態(tài)粉末晶體，熔點為190℃，Al2O3的熔點很高，為2050℃。NH4H2PO4在熔點以上會發(fā)生分解，生成P2O5，P2O5會和Al2O3發(fā)生反應(yīng)，生成AlPO4,AlPO4是一種無機粘結(jié)劑，用于粘結(jié)Al2O3陶瓷。NH4H2PO4和Al2O3的配比一般為1：4（質(zhì)量比），Al2O3過量，大部分Al2O3未發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)生成的AlPO4包圍Al2O3在周圍，將它們粘結(jié)在一起。(2)PMMA助Al2O3的燒結(jié)將Al2O3粉末和PMMA粉末按某一比例均勻混合，控制好激光參數(shù)，使激光束掃描到的區(qū)域內(nèi)PMMA熔化，將Al2O3粉末粘結(jié)在一起。之后，對激光燒結(jié)的制件進行后續(xù)處理以除去PMMA。(3)Al助Al2O3的燒結(jié)將Al與Al2O3以一定比例均勻混合，控制好激光參數(shù)，使激光束掃描到的區(qū)域內(nèi)Al熔化，熔化的Al將Al2O3粉末粘結(jié)在一起。也有一部分Al在激光燒結(jié)過程中氧化成Al2O3，同時釋放大量的熱量，這些熱量又促進Al2O3熔融、粘結(jié)。這也是一種自蔓延燒結(jié)過程。4.2SLS增材制造的成形過程SLS工藝的后處理1.高溫燒結(jié)金屬和陶瓷坯體均可用高溫燒結(jié)的方法進行處理。坯體經(jīng)高溫燒結(jié)后，坯體內(nèi)部孔隙減少，密度、強度增加，性能也得到改善。高溫燒結(jié)后處理后，由于制件內(nèi)部空隙減少會導致體積收縮，影響制件的尺寸精度。爐內(nèi)溫度梯度不均勻會造成制件各個方向收縮不一致而發(fā)生翹曲變形。2.熱等靜壓金屬和陶瓷坯體均可采用熱等靜壓進行后處理。熱等靜壓后處理工藝是通過流體介質(zhì)將高溫和高壓同時均勻地作用于坯體表面，消除其內(nèi)部氣孔，提高密度和強度，并改善其它性能。使用溫度范圍為0.5Tm～0.7Tm(Tm為金屬或陶瓷的熔點)，壓力為147Mpa以下，要求溫度均勻、準確、波動小。熱等靜壓處理包括三個階段：升溫、保溫和冷卻。采用熱等靜壓后處理方法可以使制件非常致密，這是其它后處理方法難以得到的，但制件的收縮也較大。3.熔浸熔浸是將金屬或陶瓷制件與另一低熔點的金屬接觸或浸埋在液態(tài)金屬內(nèi)，讓液態(tài)金屬填充制件的孔隙，冷卻后得到致密的零件。在熔浸后處理過程中，制件的致密化過程不是靠制件本身的收縮，而主要是靠易熔成分從外面補充填滿空隙，所以，經(jīng)過這種后處理得到的零件致密度高，強度大，基本不產(chǎn)生收縮，尺寸變化小。4.浸漬浸漬后處理和熔浸相似，不同的是浸漬將液態(tài)非金屬物質(zhì)浸入多孔的選擇性激光燒結(jié)坯體的孔隙內(nèi)，經(jīng)過浸漬后處理的制件尺寸變化很小。4.2SLS增材制造的成形過程（c）（d）SLS增材制造工藝參數(shù)的影響1.激光能量與掃描速度激光的能量與掃描速度對SLS增材制造燒結(jié)成形零件的機械性能有著重要的影響。成形零件的致密度和強度隨著激光輸出能量的加大而增高，隨著掃描速度的增大而變小。低的掃描速度和高的激光能量能達到較好的燒結(jié)結(jié)果，是因為瞬間高的能量密度使粉末材料的溫度升高、熔化，導致大量的液相生成，同時高的溫度也使熔化液相的粘度降低，流動性增強，能更好地浸潤固相顆粒。2.預(yù)熱溫度與鋪粉層厚無論燒結(jié)成形金屬、陶瓷以及聚合物等任何材料，粉末的預(yù)熱都能明顯地改善成形制品的性能質(zhì)量。但是預(yù)熱溫度最高不能超過粉末材料的最低熔點或塑變溫度。薄的鋪粉層能提高燒結(jié)的質(zhì)量，改善制品的致密度。鋪粉層厚是由模型切片的厚度參數(shù)控制的，最小的層厚是由粉末材料的顆粒尺寸大小決定的。但薄的鋪粉層會使激光能量對先前燒結(jié)層產(chǎn)生大的影響。3.填充間距對制件強度的影響隨著填充間距的增大，制件的強度會降低，精度會提高一些，但是當填充間距較大時，就會由于導致輪廓處由于偏移量或多或少，從而導致誤差的產(chǎn)生。4.分層厚度對制件強度的影響隨著分層厚度的增大，制件的強度降低，精度有所提高（不包括階梯效應(yīng)所產(chǎn)生的誤差），一般為了獲得比較好的制件效果和表面質(zhì)量，通過選擇小的層厚，降低由階梯效應(yīng)產(chǎn)生的誤差。4.3SLS增材制造的材料及其選擇（c）（d）SLS增材制造對材料性能的要求由成形原理知，SLS增材制造工藝激光對材料的作用本質(zhì)上是一種熱作用，所以，從理論上講，所有受熱后能相互粘結(jié)的粉末材料或表面覆有熱塑（固）性粘結(jié)劑的粉末都能作為SLS增材制造的材料。但要真正適合SLS增材制造燒結(jié)，要求粉末材料應(yīng)滿足以下要求：(1)具有良好的燒結(jié)成形性能，即無需特殊工藝即可快速精確地成形原型。(2)對直接用作功能零件或模具的原型，其機械性能和物理性能（強度、剛性、熱穩(wěn)定性、導熱性及加工性能）要滿足使用要求。(3)當原型間接使用時，要有利于快速、方便的后續(xù)處理和加工工藝。4.3SLS增材制造的材料及其選擇（c）（d）增材制造的材料的種類用于SLS增材制造工藝的材料是各種粉末，如金屬、陶瓷、石蠟以及聚合物的粉末，如尼龍粉、覆裹尼龍的玻璃粉、聚碳酸脂粉、聚酰胺粉、蠟粉、金屬粉（成形后常需進行再燒結(jié)和滲銅處理）、覆裹熱凝樹脂的細沙、覆蠟陶瓷粉和覆蠟金屬粉等，近年來更多的采用復合粉末。4.4SLS增材制造的優(yōu)缺點（c）（d）1.材料范圍廣，開發(fā)前景廣闊從理論上講，任何受熱粘結(jié)的粉末都有被用作SLS增材制造成形材料的可能。通過材料或各類粘結(jié)劑涂層的顆粒制造出適應(yīng)不同需要的任何造型，材料的開發(fā)前景非常廣闊。2.制造工藝簡單，柔性度高在計算機的控制下可以方便迅速地制造出傳統(tǒng)加工方法難以實現(xiàn)的復雜形狀的零件。3.精度高，材料利用率高依賴于使用的材料種類和粒徑、產(chǎn)品的幾何形狀和復雜程度，SLS增材制造工藝一般能夠達到工件整體范圍內(nèi)±0.05～2.5mm的公差。當粉末粒徑為0.1mm以下時，成形的原型精度可達到±1%。粉末材料可以回收利用，利用率近100%。4.料價格便宜，成本低。所用進口材料的價格為10～132美元/千克，國產(chǎn)的材料為150～220元/千克。5.應(yīng)用面廣，生產(chǎn)周期短各項高新技術(shù)的集中應(yīng)用使得這種成形方法的生產(chǎn)周期很短。4.53DP打印技術(shù)（c）（d）3DP打印工藝與SLS增材制造工藝類似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金屬粉末。所不同的是材料粉末不是通過燒結(jié)連接起來的，而是通過噴頭用粘接劑（如硅膠）將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接劑粘接的零件強度較低，還須后處理。具體工藝過程如下：上一層粘結(jié)完畢后，成形缸下降一個距離（等于層厚：0.013～0.1mm）,供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被鋪粉輥推到成形缸，鋪平并被壓實。噴頭在計算機控制下，按下一建造截面的成形數(shù)據(jù)有選擇地噴射粘結(jié)劑建造層面。鋪粉輥鋪粉時多余的粉末被集粉裝置收集。如此周而復始地送粉、鋪粉和噴射粘結(jié)劑，最終完成一個三維粉體的粘結(jié)。未被噴射粘結(jié)劑的地方為干粉，在成形過程中起支撐作用，