激光選區(qū)燒結(jié)（SLS----Selective Laser Sintering）又稱(chēng)選域激光燒結(jié)、粉末材料選擇性燒結(jié)等。是借助精確引導(dǎo)的激光束使材料粉末燒結(jié)或熔融后凝固形成三維原型或制件。

　　1）工藝原理

　　激光選區(qū)燒結(jié)工藝原理（見(jiàn)圖3-8）馋劈。其工藝過(guò)程主要由兩個(gè)過(guò)程組成。

　　a信息過(guò)程 ― 離散處理晾嘶。在計(jì)算機(jī)上建模的 CAD 三維立體造型零件妓雾，或通過(guò)逆向工程得到的三維實(shí)體圖形文件．將其轉(zhuǎn)換成 STL 文件格式。再用一離散（切片）軟件從 STL 文件離散出一系列給定厚度的有序片層∑ㄌ常或者直接從 CAD 文件進(jìn)行切片肖糖。這些離散的片層按次序累積起來(lái)仍是所設(shè)計(jì)的零件實(shí)體形狀。然后宽缎，將上述的離散（切片）數(shù)據(jù)傳遞到成型機(jī)中去菊车，成型機(jī)中的掃描器在計(jì)算機(jī)信息的控制下逐層進(jìn)行掃描燒結(jié)。

　　b物理過(guò)程 ― 疊加成型奕喻。成型系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)是在一個(gè)封閉的成型室中安裝兩個(gè)缸體活塞機(jī)構(gòu)，一個(gè)用于供粉辐轧，另一個(gè)用于成型摧篱。成型過(guò)程開(kāi)始前，用紅外線板將粉末材料加熱至恰好低于燒結(jié)點(diǎn)的某一溫度鬼涂。成型開(kāi)始時(shí)松苹，供粉缸內(nèi)活塞上移一給定量，鋪粉滾筒將粉料均勻地鋪在成型缸加工表面上羔仅，激光束在計(jì)算機(jī)的控制下以給定的速度和能量對(duì)第一層信息進(jìn)行掃描丘多。激光束掃過(guò)之處粉末被燒結(jié)固化為給定厚度的片層，未燒結(jié)的粉末被用來(lái)作為支撐沉桌，這樣零件的第一層便制作出來(lái)谢鹊。這時(shí)，成型缸活塞下移一給定量留凭，供料虹活塞上移佃扼，鋪粉滾簡(jiǎn)再次鋪粉，激光束再按第二層信息進(jìn)行掃描蔼夜，所形成的第二片層同時(shí)也被燒結(jié)固化在第一層上兼耀，如此逐層疊加，一個(gè)三維實(shí)體零件就制作出來(lái)了求冷。這種工藝與立休印刷成型（ SLA ）基本相同瘤运，只是將 SLA 的液態(tài)樹(shù)脂換成在激光照射下可以燒結(jié)的粉末材料，并由個(gè)溫度控制單元優(yōu)化的輥?zhàn)愉伷讲牧弦员ＷC粉末的流動(dòng)性匠题，同時(shí)控制工作腔熱量使粉末牢固粘結(jié)拯坟。

　　2）系統(tǒng)組成

　　激光選區(qū)燒結(jié)決速成型系統(tǒng)一般由主機(jī)、控制系統(tǒng)和冷卻器三部分組成

　　主機(jī)

　　主機(jī)主要由成型工作缸梧躺、廢料桶似谁、鋪粉輥裝置、送料工作缸遣惊、激光器钓赛、振鏡式動(dòng)態(tài)聚焦掃描系統(tǒng)、加熱裝置、機(jī)身與機(jī)殼等組成勃说。

　　a成型工作缸狞饮。在缸中完成零件加工，工作缸每次下降的距離即為層厚痒塞。零件加工完后佣各，缸升起，以便取出制件和為下一次加工作準(zhǔn)備洪磕。工作缸的升降由電動(dòng)機(jī)通過(guò)滾珠絲桿驅(qū)動(dòng) 2 ）廢料桶指胡。回收鋪粉時(shí)溢出的粉末材料晋丑。

　　b鋪粉輥裝置橘忿。包括鋪粉輥及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。其作用是把粉末材料均勻地鋪平在工作缸上嚼债。 4 ）送料工作缸侯选。提供燒結(jié)所需的粉末材料。

　　c激光器土童。提供燒結(jié)粉末材料所需的能源诗茎。目前用于固態(tài)粉末燒結(jié)的激光器主要有兩種， CO2激光器和 Nd : YAG 激光器献汗。CO2激光器的波長(zhǎng)為 10.6UM敢订，Nd : YAG 激光器的波長(zhǎng)為1.06um 。對(duì)于常用的陶瓷罢吃、金屬和塑料等三種主要的固態(tài)粉末來(lái)說(shuō)枢析，選用何種激光器取決于固態(tài)粉末材料對(duì)激光束的吸收情況。一般金屬和陶瓷粉末的燒結(jié)選用 Nd : YAG 激光器刃麸，而塑料粉末的燒結(jié)采用 CO2激光器醒叁。

　　d振鏡式動(dòng)態(tài)聚蕉掃描系統(tǒng)。振鏡式動(dòng)態(tài)聚焦掃描系統(tǒng)由XY掃描頭和動(dòng)態(tài)聚焦模塊組成泊业。 XY 掃描頭上的兩個(gè)鏡子在伺服電動(dòng)機(jī)的控制下把沼，把激光束反射到工作面預(yù)定的 X 、 Y 坐標(biāo)點(diǎn)上吁伺。動(dòng)態(tài)聚焦模塊通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié) Z 方向的焦距饮睬，使反射到 X 、 Y 任意坐標(biāo)點(diǎn)上的激光束始終聚焦在同一平面上谷培。動(dòng)態(tài)聚焦掃描系統(tǒng)和激光器的控制始終是同步的卦瘤。

　　e加熱裝置。加熱裝置給送料裝置和工作缸中的粉末提供預(yù)加熱藤侦，以減少激光能量的消耗和零件燒結(jié)過(guò)程中的翹曲變形瑰氨。

　　f機(jī)身與機(jī)殼牺鱼。機(jī)身和機(jī)殼給整個(gè)快速成型系統(tǒng)提供機(jī)械支撐和所需的工作環(huán)境。

　　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

　　主要由計(jì)算機(jī)特血、應(yīng)用軟件跪晕、傳感檢測(cè)單元和驅(qū)動(dòng)單元組成。

　〔轮（1）計(jì)算機(jī)一般采用上位機(jī)和下位機(jī)兩級(jí)控制啄崖，其中上位主控機(jī)一般采用配置高、運(yùn)行速度快的微機(jī)禀锋，稱(chēng)為主機(jī)垄暗。下位執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用相對(duì)配置低的微機(jī)，稱(chēng)為子機(jī)禀综。主機(jī)郎哭、子機(jī)以特定的通信協(xié)議進(jìn)行雙向通信，構(gòu)成并聯(lián)的雙層系統(tǒng)菇存。整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶有分布式控制系統(tǒng)的特征。為提高數(shù)據(jù)傳輸速度和可靠性邦蜜，依靠雙向通信規(guī)則依鸥，主機(jī)向子機(jī)傳輸數(shù)據(jù)采用寫(xiě)外設(shè)方式。通過(guò)并行控制的總體結(jié)構(gòu)和多處理器主從式交互通信的控制方式悼沈，實(shí)現(xiàn)多重復(fù)雜控制任務(wù)的高效并行協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)贱迟。

　　主機(jī)完成 CAD 數(shù)據(jù)處理和總體控制任務(wù)，主要功能有：

　　l ）從CAD 模型生成符合決速成型工藝特點(diǎn)的數(shù)控代碼信息絮供；

　　2 ）將獲得的數(shù)控代碼信息傳給子機(jī)衣吠；

　　3 ）對(duì)成型清況進(jìn)行監(jiān)控并接受運(yùn)動(dòng)參數(shù)的反饋，必要時(shí)通過(guò)子機(jī)對(duì)決速成型設(shè)備的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行干涉壤靶；

　　4 ）實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互缚俏，提供真實(shí)感的原型三維 CAD 模型顯示和運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)時(shí)顯示；

　　5 ）提供可選加工參數(shù)詢(xún)問(wèn)贮乳，滿足不同材料和加工工藝的要求忧换。

　　子機(jī)進(jìn)行成型運(yùn)動(dòng)控制，即機(jī)電一體運(yùn)動(dòng)控制饥猴。它按照預(yù)定的順序與主機(jī)相互觸發(fā)倔晚，接受控制命令和運(yùn)動(dòng)參數(shù)等數(shù)控代碼，對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行控制屉胳。

　》饩（2）應(yīng)用軟件主要包括下列模塊處理部分。

　　1）切片模塊：有基于STL 文件和基于直接切片文件兩種模塊履剔；

　　2 ）數(shù)據(jù)處理：具有 STL 文件識(shí)別及重新編碼篇臭，容錯(cuò)及數(shù)據(jù)過(guò)濾切片钠彬， STL 文件可視化，原型制作實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真等功能隧蜀；

　　3 ）工藝規(guī)劃：具有多種材料燒結(jié)工藝模塊（包括燒結(jié)參數(shù)捂旨、掃描方式和成型方向等）；

　　4 ）安全監(jiān)控：設(shè)備和燒結(jié)過(guò)程故障自診斷素矛，故障自動(dòng)停機(jī)保護(hù)憨琅。

　　( 3 ）傳感檢測(cè)單元：包括溫度、氯氣濃度和工作缸升降位移傳感器撒蟀。溫度傳感器用來(lái)檢測(cè)工作腔和送料筒粉末的預(yù)熱溫度 〔 預(yù)熱溫度可分別自動(dòng)調(diào)節(jié)）叙谨，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。氮?dú)鉂舛葌鞲衅饔脕?lái)檢測(cè)工作腔中的氮?dú)鉂舛缺Ｍ停员憧刂圃陬A(yù)定的范圍內(nèi)手负，防止零件加工過(guò)程中的氧化

　　( 4 ）驅(qū)動(dòng)單元：主要控制各種電動(dòng)機(jī)完成鋪粉輥的平移和自轉(zhuǎn)、工作缸的上下升降和振鏡式動(dòng)態(tài)聚焦掃描系統(tǒng) X 姑尺、Y竟终、Z軸的驅(qū)動(dòng)。

　　冷卻器

　　由可調(diào)恒溫水冷卻器及外管路組成切蟋，用于冷卻激光器统捶，以提高激光能量的穩(wěn)定性。

　　3）工藝步驟

　　粉末原料的燒結(jié)

　　激光選區(qū)燒結(jié)工藝的原材料一般為粉末柄粹，可選用的粉末主要有金屬粉喘鸟、陶瓷粉和塑料粉等，分別制造出相應(yīng)材料的原型或零件驻右。

　　 l 金屬粉末的燒結(jié)當(dāng)材料為金屬粉末時(shí)什黑，直接燒結(jié)成金屬原型零件但目前直接由激光選區(qū)燒結(jié)成的金屬零件在強(qiáng)度和精度上都很難達(dá)到理想的結(jié)果。

　　以石蠟境猜、塑料為原料時(shí)伺罗，制出的原型用于生產(chǎn)金屬零件的方法與采用立體印刷成型方法制造的樹(shù)脂原型用來(lái)生產(chǎn)金屬零件的方法是相同的。

用于激光選區(qū)燒結(jié)的金屬粉末主要有三種：?jiǎn)我唤饘俜勰┬氐⒔饘倩旌戏劬〖堋⒔饘俜奂佑袡C(jī)物粉末等。相應(yīng)地金屬粉末的激光選區(qū)燒結(jié)也有三種方法虎疗。

　　( l ）單一成分金屬粉末的燒結(jié)糜罢。例如鐵粉。先將鐵粉預(yù)熱到一定溫度再用激光束掃描榄缸、燒結(jié)蛹吱。燒結(jié)好的制件經(jīng)熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing）處理，可使最后零件的相對(duì)密度達(dá)到 99.9％涌疲。

　　( 2 ）金屬混合粉末晨每。主要是兩種金屬的混合粉末倚胀，其中一種粉末具有較低的熔點(diǎn)，另一種粉末的熔點(diǎn)較高所脉。例如青銅粉和鎳粉的混合粉可款。先將金屬混合粉末預(yù)熱到某一溫度，再用激光束進(jìn)行掃描克蚂，使低熔點(diǎn)的金屬粉末熔化（如青銅粉）從而將難熔的鎳粉枯結(jié)在一起闺鲸。燒結(jié)好的制件再經(jīng)液相燒結(jié)后處理可使最后制件的相對(duì)密度達(dá)到82 %。

　　( 3 ）金屬粉末與有機(jī)粘結(jié)劑粉末的混合體將金屬粉末與有機(jī)粘結(jié)劑粉末按一定比例均勻混合激光束掃描后使有機(jī)粘結(jié)劑熔化埃叭，熔化的有機(jī)粘結(jié)劑將金屬粉末粘結(jié)在一起摸恍，如銅粉和 PMMA （有機(jī)玻璃）粉。燒結(jié)好的制件再經(jīng)高溫后續(xù)處理赤屋，一方面去除制件中的有機(jī)粘結(jié)劑立镶，另一方面提高制件的力學(xué)強(qiáng)度和耐熱性能，并增加制件內(nèi)部組織和性能的均勻性类早。

　　2 陶瓷粉末的燒結(jié)    陶瓷材料的激光選區(qū)燒結(jié)需要在粉末中加人粘結(jié)劑目前所用的純陶瓷粉末原料主要有 AL2O3和 SIC 媚媒，而粘結(jié)劑有無(wú)機(jī)粘結(jié)劑、有機(jī)粘結(jié)劉和金屬粘結(jié)劑等三種涩僻。例如缭召，用于激光選區(qū)燒結(jié)的 AL2O3 陶瓷粉末有：AL2O3 陶瓷粉加無(wú)機(jī)粘結(jié)劑磷酸二氫氨粉；AL2O3陶瓷粉加有機(jī)枯結(jié)劑甲基丙烯酸甲醋令哟；從仇陶瓷粉加金屬粘結(jié)劑 Al 粉等。

　　當(dāng)材料為陶瓷粉末時(shí)怔哮，可以直接燒結(jié)鑄造用殼型來(lái)生產(chǎn)各類(lèi)鑄件甚至是復(fù)雜的金屬零件瓜收。由于工藝過(guò)程中鋪粉層的原始密度低，因而制件密度也低鸡蒲，故多用于鑄造型殼的制造箭雪。例如，以反應(yīng)性樹(shù)脂包覆的陶瓷粉末為原料束咙，燒結(jié)后濒秸，型殼部分成為燒結(jié)體零件部分不屬于掃描燒結(jié)的區(qū)域，仍是未燒結(jié)的粉末览止。將殼體內(nèi)部粉末清除干凈邢垮，再在一定溫度下使燒結(jié)過(guò)程中未完全固化的樹(shù)脂充分固化得到型殼。結(jié)果表明校增，型殼在強(qiáng)度黔攀、透氣性和發(fā)氣量等方面的指標(biāo)均能滿足要求，但表面光潔程度仍有待改善茁只。

　　陶瓷粉末燒結(jié)的制件的精度由激光燒結(jié)時(shí)的精度和后續(xù)處理時(shí)的精度決定在激光燒結(jié)過(guò)程中粉末燒結(jié)收縮率膛胜、燒結(jié)時(shí)問(wèn)缔莲、光強(qiáng)、掃描點(diǎn)間距和掃描線行間距對(duì)陶瓷制件坯體的精度有很大影響霉旗。另外痴奏，光斑的大小和粉末粒徑直接影響陶瓷制件的精度和表面粗糙度。后續(xù)處理（焙燒）時(shí)產(chǎn)生的收縮和變形也會(huì)影響陶瓷制件的精度厌秒。

　　塑料粉末的燒結(jié)     塑料粉末的激光選區(qū)燒結(jié)均為直接激光燒結(jié)读拆，燒結(jié)好的制件一般不必進(jìn)行后續(xù)處理。采用一次燒結(jié)成型將粉末預(yù)熱至稍低于其熔點(diǎn)简僧，然后控制激光束來(lái)加熱粉末建椰，使其達(dá)到燒結(jié)溫度，從而把粉末材料燒結(jié)在一起共他步驟和陶瓷粉末的燒結(jié)相同岛马。

　　燒結(jié)件的后處理

　　金屬或陶瓷粉末（或混合體粉末）經(jīng)過(guò)激光選區(qū)燒結(jié)后只形成了原型或零件的坯體棉姐，這種坯體還需要進(jìn)行后處理以進(jìn)一步提高其力學(xué)性能和熱學(xué)性能。坯體的后處理方法有多種如高溫?zé)Y(jié)啦逆、熱等靜壓燒結(jié)伞矩、熔浸和浸漬等。根據(jù)不同材料坯體和不同的性能要求夏志，可以采用不同的后處理方法乃坤。例如，由金屬粉末燒結(jié)的制件常稱(chēng)為“綠色”零件兰吁，將“綠色”零件放到加熱爐內(nèi)進(jìn)行后處理驼吓，當(dāng)爐內(nèi)粘結(jié)劑燒盡后金屬粒子被燒結(jié)并緊緊地粘接在一起。燒結(jié)后的零件稱(chēng)為“棕色”零件肘抒，它具有滲透功能配赊。最后一步是向爐內(nèi)添加一種稱(chēng)之為滲透劑的金屬。這種金屬在爐內(nèi)高溫下變成液體任感，通過(guò)毛細(xì)管作用积苞，滲透到“棕色”零件中，使之成為完全致密的金屬零件乳吉。燒結(jié)件的后處理也有多種方法这疟，常用的有高溫?zé)Y(jié)、熱壓燒結(jié)醋躏、熱等靜壓虹婿、熔浸、浸漬等擒买。

　　1．高溫?zé)Y(jié)   金屬和陶瓷坯體均可用高溫?zé)Y(jié)的方法進(jìn)行處理唱逢。經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后，坯體內(nèi)部孔隙減少屋休，密度坞古、強(qiáng)度增加其他性能也得到改善备韧。

　　一般說(shuō)來(lái)在高溫?zé)Y(jié)后處理中升高涓度有助＋界面反應(yīng)延長(zhǎng)保消時(shí)間有利于通過(guò)界面反應(yīng)建立平衡，使制件的密度和強(qiáng)度增加痪枫，均勻性和其他性能得到改善．

　　雖然高溫?zé)Y(jié)后制件密度织堂、強(qiáng)度增加，但是由于內(nèi)部孔隙減少會(huì)導(dǎo)致體積收縮奶陈，影響制件的尺寸精度易阳。同時(shí)，在高溫?zé)Y(jié)后處理中吃粒，要盡量保持爐內(nèi)溫度梯度均勻分布潦俺。由于爐內(nèi)溫度梯度分布不均勻，可能造成制竹各個(gè)方向的收縮不一致徐勃，使制件翹曲變形在應(yīng)力集中點(diǎn)還會(huì)使制件產(chǎn)生裂紋和分層事示。

　　2 熱等靜壓    熱等靜壓后處理工藝是通過(guò)流體介質(zhì)將高溫和高壓同時(shí)均勻地作用于坯體表面，消除其內(nèi)部氣孔益侨，提高密度和強(qiáng)度暇寸，并改善其他性能。熱等靜壓處理可使制件非常致密积碍，這是其他后處理方法難以達(dá)到的庸磅，但制件的收縮也較大。

　　金屬和陶瓷坯體均可采用熱等靜壓進(jìn)行后處理蚌斑。如對(duì)鐵粉燒結(jié)的坯體進(jìn)行熱等靜壓處理可使最后制件的相對(duì)密度達(dá)到奋完，99.9 % ，對(duì)AL2O3陶瓷坯體進(jìn)行熱等靜壓處理慰适，也可使最后制件的相對(duì)密度達(dá)到96％~98％淫兑。

　　3 熔浸    前兩種處理方法雖然能夠提高制件的密度但也會(huì)引起制件較大的收縮和變形。為獲得足夠的強(qiáng)度（或密度）留满，又希望收縮和變形很少嫂藏，可采用熔浸的方法對(duì)激光選區(qū)燒結(jié)的坯體進(jìn)行后處理榔夹。

　　熔浸是將金屬或陶瓷制件與另一種低熔點(diǎn)的液體金屬接觸或浸埋在液態(tài)金屬內(nèi)讓金屬填充制件內(nèi)部的孔隙喻谭，冷卻后得到致密的零件。熔浸過(guò)程依靠金屬液在毛細(xì)管力作用下浸潤(rùn)零件答渔，液態(tài)金屬沿著顆粒間孔隙流動(dòng)关带，直到完全填充孔隙為止。因此沼撕，制件的致密化過(guò)程主要靠易熔成分從外面補(bǔ)充填滿孔隙宋雏，而不是靠制件本身的收縮。所以务豺，經(jīng)過(guò)熔浸處理的零件基本上不產(chǎn)生收縮磨总，得到的零件密度高嗦明，強(qiáng)度大，尺寸變化小蚪燕。

　　4 ．浸漬    浸漬和熔浸相似娶牌，所不同的是浸漬是將液態(tài)非金屬物質(zhì)浸人多孔的激光選區(qū)燒結(jié)坯體的孔隙內(nèi)。和熔浸相似馆纳，經(jīng)過(guò)浸漬處理的制件尺寸變化很小诗良。

　　在后處理中，要控制浸漬后坯體零件的干燥過(guò)程鲁驶。干燥過(guò)程中溫度鉴裹、濕度、氣流等對(duì)干燥后坯體的質(zhì)量有很大的影響憾顿。干燥過(guò)程控制不好窜抽，會(huì)導(dǎo)致坯體開(kāi)裂，嚴(yán)重影響零件的質(zhì)量帚萧。

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