選擇激光燒結(jié)材料研究進(jìn)展

郭池++陳號(hào)

摘 要：快速成型技術(shù)是近年來逐漸流行的一種快速制造模型和樣件的工藝方法，本文對(duì)快速成型中的選擇性激光粉末燒結(jié)技術(shù)（SLS）進(jìn)行了簡要介紹。主要內(nèi)容包括：部件結(jié)構(gòu)、工藝過程和工藝材料等，最后又對(duì)工藝材料的發(fā)展過程進(jìn)行了整理與論述。

關(guān)鍵詞：快速成型技術(shù)；選擇性激光粉末燒結(jié)；整理與論述

1 快速成型技術(shù)簡介

快速成型技術(shù)（Rapid Prototyping，RP）是一種根據(jù)數(shù)字化模型快速制造模型和樣件的工藝方法，是一種將CAD技術(shù)、CAM技術(shù)、激光科學(xué)、材料科學(xué)等多學(xué)科技術(shù)深入結(jié)合綜合制造技術(shù)[1-4]。根據(jù)離散-堆積成型原理，首先將整體的零件進(jìn)行數(shù)字化離散處理，之后通過逐層堆積的方式成型零件，實(shí)現(xiàn)了無模數(shù)字化加工，具有周期短、成本低的優(yōu)勢。此項(xiàng)技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)中具有廣闊的應(yīng)用前景，近期特別是近五年此項(xiàng)技術(shù)被賦予了3D打印的新概念被大眾廣泛認(rèn)知，被認(rèn)為是工業(yè)4.0時(shí)代最具代表性的工藝方法。

快速成型技術(shù)包括立體光固化成型技術(shù)（SLA），熔融沉積成型技術(shù)（FDM）、分層實(shí)體制造（LOM），選擇性激光粉末燒結(jié)技術(shù)（SLS）等多種方法，其中選擇性激光粉末燒結(jié)技術(shù)具有成型材料應(yīng)用廣泛、近凈成形、應(yīng)用領(lǐng)域廣等優(yōu)點(diǎn)收到了廣泛關(guān)注，也成為近幾年研究的熱點(diǎn)。

SLS技術(shù)是一種典型的快速成型方法，首先由CAD方法或CAM方法構(gòu)造工件的原型，之后將其進(jìn)行離散化處理，輸出為一種STL格式，STL文件是一種使用三角形表示三維模型的文件格式，是快速成型制造領(lǐng)域廣泛使用的一種文件格式。之后將其分割成層厚為0.05-0.7左右的截面?zhèn)鬏斀o激光器控制器，激光器在計(jì)算機(jī)控制下對(duì)分割出的沒一個(gè)平面進(jìn)行掃描，根據(jù)材料的不同選擇不同工藝方法對(duì)材料進(jìn)行燒蝕熔融，最終形成完整的工件。

SLS設(shè)備主要的部件有激光器及光路系統(tǒng)、加工平臺(tái)、工作臺(tái)、升降缸和鋪粉裝置等。典型的雙缸SLS工藝過程為：粉末缸活塞（送粉活塞）上升，鋪粉輥在模型缸活塞（工作活塞）鋪粉，激光器工作選擇燒結(jié)固體粉末形成工作層面，粉末燒結(jié)完成后工作活塞下降，鋪粉系統(tǒng)鋪設(shè)新粉，如此為一個(gè)循環(huán)，逐層進(jìn)行疊加得到三維零件。

在SLS的工藝過程中材料的選擇極為重要，材料的多樣性也是這種工藝方法得以廣泛被應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵因素，現(xiàn)有的SLS應(yīng)用材料主要有聚合物、金屬粉末、陶瓷粉末、復(fù)合材料等。

2 聚合物成型材料

尼龍材料具有良好的機(jī)械力學(xué)性能，可以直接作為功能件使用，因此尼龍材料時(shí)最早用SLS方法的材料。DTM公司于1993年推出了其第一種用于SLS的尼龍材料，在這個(gè)基礎(chǔ)上由推出了纖細(xì)尼龍，以及DuraForm AP和DuraForm GF。這兩種材料的成型零件的表面質(zhì)量極好，成型精度及表面特征細(xì)節(jié)都具有良好的表現(xiàn)。

1998年DTM公司開發(fā)了一種銅-尼龍復(fù)合材料，這種材料具有耐熱性可達(dá)道285℃，這種材料的主要用途是制造工模具，同時(shí)這種材料具有良好的機(jī)械性能，表面可進(jìn)行表面打磨，同時(shí)可進(jìn)行機(jī)械加工處理。這種材料的開發(fā)極大的縮短了注塑產(chǎn)品開發(fā)制造的周期。

德國的EOS公司開發(fā)一種PA 2200和PA 3200GF尼龍粉末。PA2200是一種良好的彈性體材料，其抗拉強(qiáng)度為45±3MPa，伸長率為20±5%，這種材料主要用于功能原型的制造。PA 3200GF的拉伸模量可達(dá)3200±3 MPa，抗拉強(qiáng)度為48±3MPa，最大伸長率為6±3%，彎曲模量可達(dá)2100±150MPa，用它制造的零件具有高精度、極好的表面質(zhì)量和機(jī)械加工性能，主要用于制作殼體和熱應(yīng)力零件。

Li Juan等人研究了碳納米管復(fù)合PA6尼龍材料，通過在PA6中添加一定量的多壁碳納米管能降低PA6的結(jié)晶度，碳納米管的加入能夠形成更多的晶核，使得PA6在非等溫結(jié)晶過程中降低結(jié)晶速率，同時(shí)降低形核率。崔意娟等人[5]嘗試制備了玻璃微珠復(fù)合尼龍粉末結(jié)合的復(fù)合材料，采用HLP-350I 點(diǎn)掃描激光燒結(jié)快速成型機(jī)進(jìn)行工藝測試，通過添加玻璃微珠可以減小尼龍材料的收縮率，同時(shí)增加其機(jī)械強(qiáng)度，這種無機(jī)-有機(jī)復(fù)合材料時(shí)現(xiàn)代材料發(fā)展的趨勢。

3 金屬成型材料

Texas大學(xué)開發(fā)了一種金屬SLS材料，這種材料不添加聚合物粘結(jié)劑。其采用鎳粉為主材，同時(shí)添加銅粉作為合金添加成分以增強(qiáng)金屬材料燒結(jié)的結(jié)晶度。他們采用這種材料使用SLS工藝成功制造了F1戰(zhàn)斗機(jī)及AIM9型導(dǎo)彈的關(guān)鍵零件，具有廣闊的應(yīng)用前景。這種使用激光直接對(duì)金屬粉末進(jìn)行加工的SLS工藝目前多是使用多種金屬進(jìn)行混合，一般情況下會(huì)有熔點(diǎn)較低的金屬粉末，在溫度較低的情況下即可融化，起到催化劑和粘結(jié)劑的作用，將未融化的金屬粉末粘結(jié)成型。這種方法的缺點(diǎn)在于成型零件機(jī)械強(qiáng)度較差。

4 總結(jié)

近十幾年來SLS 技術(shù)得到了快速發(fā)展，現(xiàn)階段主要限制SLS的廣泛推廣的瓶頸在于材料發(fā)展的之后，新材料的開發(fā)與性能提高是現(xiàn)階段亟待解決的問題，未來新材料的研究主要集中在一下以及各方面：新才來形成機(jī)制的研究；根據(jù)使用環(huán)境和要求不同新材料的開發(fā)，例如生物制造領(lǐng)域、生活材料等，材料燒結(jié)性能的提高，特別是成型精度的提高，這直接影響SLS成型產(chǎn)品的效率與質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]Chua Chee Kai，Leong Kah Fai.Rapid prototyping in Singapore：1988 to 1997.Rapid Prototyping Journal，1997，3（03）：116-119.

[2]張劍峰，張建華，趙劍峰等.激光快速成形制造技術(shù)的應(yīng)用研究進(jìn)展.航空制造技術(shù)，2002（07）：34-37.

[3]Knuth J P.Material increase manufacturing by rapid prototyping technique.Annals of the CIPP，1999，40（02）：603-604.

[4]朱劍英.增材制造法-MIM技術(shù).航空精密制造技術(shù)，1993（01）：29-32.

[5]崔意娟，白培剛，王建宏等，選擇性激光燒結(jié)復(fù)合尼龍粉末的制備及成型機(jī)理研究，硅酸鹽通報(bào)，2008（27）：86+89.

基金項(xiàng)目：應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃-工業(yè)部分（SYG201220）科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)計(jì)劃-高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（SZS201303）

作者簡介：郭池（1980-），男，新疆昌吉人，教師，研究方向：快速成型工藝。endprint