SLS技術(shù)簡(jiǎn)介

　　選區(qū)激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering绎编，簡(jiǎn)稱SLS）技術(shù)是采用紅外激光作為熱源來(lái)燒結(jié)粉末材料劳闹，以逐層添加方式成形三維零件的一種快速成型（又稱快速原型寻歧，英文為Rapid Prototyping胸囱，簡(jiǎn)稱RP）技術(shù)祷舀。SLS工藝的特點(diǎn)是材料適應(yīng)面廣，不僅能制造塑料零件烹笔，還能制造陶瓷裳扯、金屬粉末、石蠟等材料的零件谤职，特別是可以制造金屬模具饰豺。

　　激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）工藝由美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功。目前德國(guó)EOS公司推出了自己的SLS工藝成形機(jī)EOSINT允蜈，分為適用于金屬冤吨、聚合物和砂型三種機(jī)型。我國(guó)的北京隆源自動(dòng)成形系統(tǒng)有限公司和華中科技大學(xué)也相繼開發(fā)出了商品化的設(shè)備秃囚。

　　金屬模具快速制造(Rapid Metal Tooling融确，簡(jiǎn)稱RMT)

　　RP技術(shù)已經(jīng)能成功地制造包括金屬、陶瓷测佣、塑料醒横、石蠟、樹脂等原型忽件。由于所采用材料的限制禁舌，RP發(fā)展初期成型零件往往只能在有限的場(chǎng)合替代真正的金屬或其它類型功能零件做功能實(shí)驗(yàn)，隨著需求的增加和技術(shù)的不斷發(fā)展涌俘，RP正向RMT的方向發(fā)展权煎。RMT具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)蒂扇，如制造環(huán)節(jié)簡(jiǎn)單，特別是與計(jì)算機(jī)技術(shù)密切結(jié)合狱揩、快速完成產(chǎn)品制造,在縮短制造周期喝暂、節(jié)省資源、發(fā)揮材料性能彻犁、提高精度叫胁、降低成本等方面具有很大潛力,但在模具精度和性能控制等方面比較困難，如特殊的后處理設(shè)備與工藝使制造成本提高汞幢，成形尺寸也受到較大的限制驼鹅。RMT研究和應(yīng)用的關(guān)鍵在于如何提高模具的表面精度和制造效率，以及保證其綜合性能質(zhì)量,從而直接快速制造耐久森篷、高精度和表面質(zhì)量能滿足工業(yè)化批量生產(chǎn)條件的模具输钩。基于RP的RMT技術(shù)可分為直接法和間接法仲智。

　　◆ 金屬模具直接制造法

　　直接制造法即用RP原型直接制模买乃。基于SLS的直接法因其不需要工藝轉(zhuǎn)換坎藐，在模具制造周期等方面具有很大的應(yīng)用潛力为牍，從而受到高度關(guān)注。粉末堆積成形是SLS中最常見的直接制造金屬模具的方法岩馍。SLS直接制模過程包括一個(gè)高溫工作室和用以熔燒金屬的高功率激光器碉咆。高溫工作室內(nèi)通常有還原性氣氛、惰性氣體或采用真空浇沧，以防材料氧化盆篡。激光燒結(jié)前，材料已經(jīng)被加熱到接近熔點(diǎn)坏扣，研究表明春异，這能更為有效地進(jìn)行燒結(jié)且材料翹曲較小。直接制造出的零件具有很高的強(qiáng)度则徒，可以直接作為模具氛坪。德國(guó)EOS公司Direct Steel 20-V1法以鋼粉為主，其直徑為20mm冠幕，層厚0.02mm骡侮，燒結(jié)密度為鋼密度的95%～99%，成功解決了金屬粉末凝固收縮的問題雇蚁。Lohner A.等采用Ni-Cu粉末直接制造的模具,密度為理論值的80%,強(qiáng)度為100～200MPa束沼，精度為0.1mm，平均粗糙度Ra為10～15um，已用于生產(chǎn)數(shù)百件注塑成形件揣誓。

　　◆ 金屬模具間接制造法

　　間接制造法即用RP原型間接制模系谐。SLS原型主要以非金屬型為主（如ABS、蠟讨跟、樹脂等）纪他，在大多數(shù)情況下非金屬原型無(wú)法直接作為模具使用，需要以原型作模樣许赃，經(jīng)過工藝轉(zhuǎn)換止喷，制造金屬模具馆类。間接制造的特點(diǎn)是RP技術(shù)與傳統(tǒng)成形技術(shù)相結(jié)合混聊，充分利用各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已成為目前應(yīng)用研究開發(fā)的熱點(diǎn)乾巧【湎玻基于SLS的間接制造工藝包括粉末冶金成形、SLS原型的快速精密鑄造沟于、SLS陶瓷殼型鑄造咳胃、樹脂砂型快速鑄造等。

　】跆（1）粉末冶金成形

　　粉末冶金成形比較類似金屬粉末堆積成形展懈，但所用復(fù)合粉末材料通常含有低溫易熔組元或粘接劑。采用低功率激光器在較低溫度下燒結(jié)易熔組元祟勿，經(jīng)SLS過程后得到三維實(shí)體停柬，稱為生坯。這種生坯強(qiáng)度較低耀旅，但形狀準(zhǔn)確盯糠，需要經(jīng)過后處理才能得到高強(qiáng)度的金屬或陶瓷零件。后處理通常包括脫粘與再燒結(jié)兩步傅女。生坯放到燒結(jié)爐中進(jìn)行脫粘與再燒結(jié)洁揽，脫去易熔低強(qiáng)度組分，剩余的金屬或陶瓷粉末燒結(jié)成金屬或陶瓷零件原酷。完成的金屬件通常呈褐色杉轿，稱為褐色件。為降低空隙率或相對(duì)密度蔼俐，褐色件還可以滲入環(huán)氧樹脂或銅等金屬昏络。

　　美國(guó)DTM公司采用激光燒結(jié)包覆有粘結(jié)劑的鋼粉,由計(jì)算機(jī)控制激光束的掃描路徑,加熱融化后的粘結(jié)劑將金屬粉末粘結(jié)在一起(非冶金結(jié)合),生成約有45%孔隙率的零件,干燥脫濕后,放入高溫爐膛內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)、滲銅,生成表面密實(shí)的零件,此時(shí)零件中的材料成分為65%的鋼和35%的銅欲炉，經(jīng)打磨等后處理工序,得到最終的模具憾宅。

　　SLS用的復(fù)合粉末通常有兩種混合形式：一種是粘接劑粉末與金屬或陶瓷粉末按一定比例機(jī)械攙和，另一種則是把金屬或陶瓷粉末放到粘接劑稀釋液中愧捕，使基體粉末與粘接劑充分接觸奢驯，制取具有粘接劑包覆的金屬或陶瓷粉末申钩。實(shí)驗(yàn)表明，這種粘接劑包覆的粉末制備雖然復(fù)雜瘪阁，但燒結(jié)效果較機(jī)械攙和的粉末好撒遣。

　　（2）SLS消失模精密鑄造

　　用塑料管跺、石蠟义黎、樹脂等粉末燒結(jié)制得SLS原型，再進(jìn)行涂料豁跑、撒砂廉涕、干燥等處理并反復(fù)多次，直到在原型上形成一個(gè)所需厚度的型殼艇拍，隨后加熱使模型熔化汽化消失狐蜕，形成型殼，再對(duì)型殼進(jìn)行焙燒卸夕，最后把熔化的金屬澆注入型殼层释，冷卻后即可得所需的模具鑄件。該工藝可較好地控制模具的精度讨拷、表面質(zhì)量馅拗、力學(xué)性能與使用壽命，能滿足經(jīng)濟(jì)性的要求依粮。用該方法制得的金屬模具零件通常具有較好的機(jī)械加工性能宿替，可進(jìn)行局部切削加工，能獲得更高的精度购狈，并可嵌入鑲塊魂欺、冷卻部件和澆道等，常用于制造塑料模杂猾、壓鑄模虏绑、注塑模等。

　　用基于SLS的消失模精密鑄造工藝制作的拖拉機(jī)變速箱殼體金屬模具签子。采用SLS工藝制造原型就壳，然后精密鑄造件，從CAD設(shè)計(jì)到獲得零件僅僅15天缺西，傳統(tǒng)工藝至少需要45天涤伐，制造成本降低60％。采用SLS工藝制造原型缨称，采用該工藝制造的消失模鑄造用模具凝果，比傳統(tǒng)的工藝制造周期縮短40%。

　　（3）SLS陶瓷殼型鑄造

　　利用激光對(duì)以反應(yīng)性樹脂包覆的陶瓷粉進(jìn)行燒結(jié)器净，燒結(jié)完成后將粉末倒出型雳，再經(jīng)固化處理就獲得鑄造用的陶瓷型殼，澆注后即可制得金屬模具零件山害。此方法省去傳統(tǒng)精密鑄造多種工藝過程纠俭，是傳統(tǒng)精密鑄造的重大變革。激光束在計(jì)算機(jī)的控制下浪慌，根據(jù)層面中的掃描線冤荆，有選擇地?zé)Y(jié)樹脂砂與環(huán)氧樹脂的混合粉末材料，得到鑄造型殼的一個(gè)層面后权纤，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚钓简，供料臺(tái)上升一個(gè)層高，又開始鋪新料只逐。就這樣逐層鋪料季距，逐層燒結(jié)，最后便得出所需模具鑄件型殼的反型荞亩。選擇性激光燒結(jié)后的鑄造型殼，殘存有未固化的粉末粘結(jié)劑且粘結(jié)劑分布并不均勻抄娜，強(qiáng)度較低驾腕，須對(duì)鑄造型殼進(jìn)行烘烤硬化處理。燒烤硬化后的鑄造型殼砂彻，消除了原型中粘結(jié)劑的聚集現(xiàn)象陷今，使原型均勻硬透。揮發(fā)掉原型中的水分和可氣化物質(zhì)搪狗，改善了鑄造型殼透氣性吻毅，降低鑄造時(shí)的發(fā)氣量，從而使型殼具備良好的鑄造性能跛究。結(jié)合傳統(tǒng)的砂型鑄造工藝妆墩，在鑄造型殼外面構(gòu)筑澆注系統(tǒng)，澆注模具鑄件重虑。

　　它的最大優(yōu)點(diǎn)是速度快践付，不需要任何模具，甚至不需畫圖缺厉，設(shè)計(jì)工程師通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將資料送到鑄造車間的系統(tǒng)中便可完成型殼的設(shè)計(jì)與制作永高。在CAD環(huán)境中，直接將模具零件模樣轉(zhuǎn)換為殼型提针，再配以澆注系統(tǒng)命爬，型殼的厚度可取5～10mm。該工藝的不足之處主要是零件表面粗糙度值較高，其關(guān)鍵技術(shù)是型殼厚度饲宛、型殼表面粗糙度及固化處理工藝卖毁。

　　（4）SLS樹脂砂鑄造

　　將鑄造樹脂砂作為SLS燒結(jié)材料落萎，根據(jù)圖紙或要求設(shè)計(jì)出模具零件的三維CAD 模型 ,進(jìn)行鑄造工藝分析 ,主要是設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)亥啦、冒口和確定鑄件的凝固收縮余量,根據(jù)收縮余量和零件尺寸設(shè)計(jì)出鑄型的 CAD 模型。SLS在計(jì)算機(jī)的控制下,按照截面輪廓的信息,在粉末上掃描出截面形狀,激光的功率要足夠大,使得輪廓邊界處的粉末完全炭化而失去固化作用,逐層掃描直至堆積出零件的三維曲面結(jié)構(gòu)的分型面练链。隨著工作臺(tái)的分步下降,將樹脂砂粉末逐層鋪在工作臺(tái)上,再用平整輥將粉末滾平翔脱、壓實(shí),每層粉末的厚度均對(duì)應(yīng)于CAD 模型的切片厚度。各層上經(jīng)激光掃描加熱的粉末被破壞而失去固化作用,未被激光掃描的粉末仍留在原處起支撐作用,直至掃描完整個(gè)零件颖倾。對(duì)工作臺(tái)的零件進(jìn)行整體加熱,根據(jù)樹脂砂的不同,其加熱溫度為200～280℃匀铸。由于零件表面處的樹脂砂經(jīng)激光炭化而失去固化作用,因而零件表面相當(dāng)于一個(gè)分型面,將零件與周邊的廢料塊分割開來(lái),去掉廢料塊,最終得到鑄型。對(duì)鑄型內(nèi)腔表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇蚰バ拚蛏贤苛弦越档蛢?nèi)腔的表面粗糙度,然后進(jìn)行澆注得到金屬零件或模具才褂。

　　樹脂砂鑄造相對(duì)于快速熔模鑄造有以下優(yōu)點(diǎn)：(a)潰散性好讥认。與熔模鑄造相比，樹脂砂鑄造能鑄造出更復(fù)雜的零件详贿，SLS主要用來(lái)加工無(wú)法用數(shù)控加工的氣道活益、水套部分砂芯等。(b)造型時(shí)間短权惊。SLS和數(shù)控技術(shù)的結(jié)合顯著加快了制造砂型的速度漫窑。熔模鑄造需有固定的制殼周期，而快速砂型鑄造則可靈活地控制鑄造時(shí)間抹播。(c)可鑄造更大模具零件榴栏。采用數(shù)控銑技術(shù)加工型腔部分一方面提高了加工效率，另一方面可以加工更大的砂型痒拧，因此可生產(chǎn)更大的模具零件泌绩。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　基于SLS的RMT，集中體現(xiàn)在金屬宵蕉、高分子材料酝静、蠟、陶瓷和覆膜砂国裳。由SLS直接堆積金屬成型是RMT的今后研究熱點(diǎn)形入，但其難度決定了直接金屬模具制造在未來(lái)短期內(nèi)無(wú)法在快速模具領(lǐng)域中占據(jù)統(tǒng)治地位。而間接快速模具技術(shù)與傳統(tǒng)鑄造技術(shù)相結(jié)合的RMT方法缝左，目前應(yīng)用廣泛亿遂，具有很強(qiáng)的生命力，能夠顯著縮短模具生產(chǎn)周期渺杉，降低成本蛇数。

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