1、快速成型技術及應用快速成型技術及應用上次課內容回顧：v1、FDM原理；原理；v2、 FDM設備組成和個組成的作用；設備組成和個組成的作用；v3、 FDM成型過程；成型過程；v4、 FDM成型精度及控制方法；成型精度及控制方法；v5、 FDM原材料有哪些及對其要求；原材料有哪些及對其要求；v6、 FDM成型特點。成型特點。第二章粉末材料選擇性激光燒結粉末材料選擇性激光燒結概述 v粉末材料選擇性激光燒結（粉末材料選擇性激光燒結（Selected Laser Sintering，簡，簡SLS）快速成形技）快速成形技術，和術，和SLA類似，也是用激光束來掃描類似，也是用激光束來掃描各層材料，從而得到三

2、維實體的方法，各層材料，從而得到三維實體的方法，但用粉末（塑料粉、金屬粉、陶瓷粉）但用粉末（塑料粉、金屬粉、陶瓷粉）代替液體聚合物。目前，以該工藝制造代替液體聚合物。目前，以該工藝制造的快速零件制品市場占有率約為的快速零件制品市場占有率約為9。v研究研究SLS的有的有DTM公司、公司、EOS公司、北公司、北京隆源公司、華中科技大學和南京航空京隆源公司、華中科技大學和南京航空航天大學等。航天大學等。快速成型原理v疊加法：疊加法：SLS成形原理 v1.在開始加工之前，先在開始加工之前，先將充有將充有氮氣氮氣的工作室升的工作室升溫，溫度保持在粉末的溫，溫度保持在粉末的熔點以下。熔點以下。 v2.成型

3、時，送料筒上升，成型時，送料筒上升，鋪粉滾筒移動，先在工鋪粉滾筒移動，先在工作平臺上鋪一層粉末材作平臺上鋪一層粉末材料，料， SLS成形原理v3.激光束在計算機控制下，激光束在計算機控制下，按照截面輪廓對實心部分按照截面輪廓對實心部分所在的粉末進行燒結，使所在的粉末進行燒結，使粉末熔化并相互黏結，繼粉末熔化并相互黏結，繼而形成一層固體輪廓，未而形成一層固體輪廓，未經燒結的粉末仍留在原處，經燒結的粉末仍留在原處，作為下一層粉末的支撐作為下一層粉末的支撐 SLS成形原理v4.第一層燒結完成后，第一層燒結完成后，工作臺下降一截面層的工作臺下降一截面層的高度，再鋪上一層粉末，高度，再鋪上一層粉末，進行

4、下一層燒結，如此進行下一層燒結，如此循環，形成三維的原型循環，形成三維的原型零件。零件。v5.最后經過最后經過5-10小時冷小時冷卻，即可從粉末缸中取卻，即可從粉末缸中取出零件。出零件。SLS裝置圖SLS成形機的系統組成 v SLS成形機主要由激光燒結系統、粉末供成形機主要由激光燒結系統、粉末供給系統、升溫系統、可升降工作臺、和計算給系統、升溫系統、可升降工作臺、和計算機控制系統組成。機控制系統組成。激光燒結系統v1.激光器的選擇激光器的選擇 用于用于SLS成形技術的激光器主要有兩種：成形技術的激光器主要有兩種：v （1）CO2激光器，波長為激光器，波長為10.6m，屬于紅外光范，屬于紅外光范

5、圍，多用于塑料粉末的燒結；圍，多用于塑料粉末的燒結；v （2） Nd：YAG激光器，即摻釹釔鋁石榴石連續激光器，即摻釹釔鋁石榴石連續激光器，波長為激光器，波長為1.06m，屬于近紅外光范圍，多，屬于近紅外光范圍，多用于金屬粉末和陶瓷粉末的燒結。用于金屬粉末和陶瓷粉末的燒結。v 依據：粉末對激光的吸收率大。依據：粉末對激光的吸收率大。粉末供給系統 v 由機械裝置驅動送料筒和鋪粉滾筒，用來由機械裝置驅動送料筒和鋪粉滾筒，用來鋪設燒結用粉末，粉末的直徑為鋪設燒結用粉末，粉末的直徑為50125m。 計算機控制系統 v SLS成形機的控制系統主要由數據處理和成形執成形機的控制系統主要由數據處理和成形執行

6、機構兩部分組成。行機構兩部分組成。v 數據處理部分包括三維數據處理部分包括三維CAD模型構建、利用加工模型構建、利用加工軌跡的離散過程軟件使三維模型轉化成軌跡的離散過程軟件使三維模型轉化成STL格式，格式，并對模型進行切片，得到相應的二維輪廓，并向成并對模型進行切片，得到相應的二維輪廓，并向成形機構輸入信息。形機構輸入信息。v 成形執行機構根據數據處理部分傳來的信息，由成形執行機構根據數據處理部分傳來的信息，由數控設備來完成執行和控制加工過程。數控設備來完成執行和控制加工過程。SLS工藝過程工藝過程vSLS工藝過程同樣分為三個過程：前處理、中處理、工藝過程同樣分為三個過程：前處理、中處理、后處

7、理。后處理。v前處理主要進行畫圖及分層處理，后處理主要是工前處理主要進行畫圖及分層處理，后處理主要是工件的取出，以及冷卻和表面處理。件的取出，以及冷卻和表面處理。v中處理：既工件的制作過程，疊加過程。中處理：既工件的制作過程，疊加過程。v按照燒結材料的不同分為：高分子粉末燒結、金屬按照燒結材料的不同分為：高分子粉末燒結、金屬粉末燒結和陶瓷材料制作。粉末燒結和陶瓷材料制作。高分子粉末燒結：高分子粉末燒結：v高分子粉末為有機材料粉末，材料的熔點低，燒結高分子粉末為有機材料粉末，材料的熔點低，燒結溫度不高，制作容易。溫度不高，制作容易。金屬粉末燒結：金屬粉末燒結：v分為間接金屬燒結和直接金屬燒結。分

8、為間接金屬燒結和直接金屬燒結。v間接燒結原理：先用金屬粉末和樹脂粉末混合制得間接燒結原理：先用金屬粉末和樹脂粉末混合制得工件燒結，將其中的樹脂粉末燒熔，同時得到工件工件燒結，將其中的樹脂粉末燒熔，同時得到工件的原形，這一過程一般稱的原形，這一過程一般稱RP原形，為了提高強度，原形，為了提高強度，再次進行二次和三次燒結，再進行金屬的溶滲，得再次進行二次和三次燒結，再進行金屬的溶滲，得到金屬工件。到金屬工件。v金屬直接燒結法：將金屬粉末直接高溫燒結，燒結金屬直接燒結法：將金屬粉末直接高溫燒結，燒結溫度達到金屬的熔點，得到工件過程。溫度達到金屬的熔點，得到工件過程。陶瓷粉末燒結：陶瓷粉末燒結：v由于

9、陶瓷粉末的熔點很高，燒結溫度高，工藝過程由于陶瓷粉末的熔點很高，燒結溫度高，工藝過程復雜。復雜。影響SLS成形質量的因素 v1.激光功率密度和掃描速度激光功率密度和掃描速度 激光功率密度定義：單位面積上激光功率的激光功率密度定義：單位面積上激光功率的大小。大小。 dw/r2v 因此，它由激光功率的大小和激光的光斑因此，它由激光功率的大小和激光的光斑直徑決定。直徑決定。影響SLS成形質量的因素v 激光功率密度和掃描速度決定了激光能對激光功率密度和掃描速度決定了激光能對粉末的加熱溫度和時間。粉末的加熱溫度和時間。 激光功率密度過大，掃描速度過小，則局激光功率密度過大，掃描速度過小，則局部溫度過高，

10、導致粉末氣化，燒結表面凹凸部溫度過高，導致粉末氣化，燒結表面凹凸不平。不平。 激光功率密度過小，掃描速度過大，則粉激光功率密度過小，掃描速度過大，則粉末燒結不充分甚至不能燒結，建立的制件強末燒結不充分甚至不能燒結，建立的制件強度低或者不能成形。度低或者不能成形。 影響SLS成形質量的因素v2. 激光束掃描間距激光束掃描間距 激光束的掃描間距是指相鄰激光掃描行之激光束的掃描間距是指相鄰激光掃描行之間的距離。間的距離。 激光掃描間距和激光束半徑的配合會影響激光掃描間距和激光束半徑的配合會影響激光燒結的質量。激光燒結的質量。影響SLS成形質量的因素v定義掃描間距為定義掃描間距為h，激光束直徑為，激光

11、束直徑為，激光束半，激光束半徑為徑為v（1）h時，掃描過程中必定有部分的粉末不時，掃描過程中必定有部分的粉末不能被燒結；能被燒結；v（2） h時，掃描線大部分重疊，此時相鄰時，掃描線大部分重疊，此時相鄰區域的激光能量可以使該區域的粉末燒結，到區域的激光能量可以使該區域的粉末燒結，到激光能量呈波峰波谷，分布不均勻，導致燒結激光能量呈波峰波谷，分布不均勻，導致燒結深度不一致，制件密度也不均勻。深度不一致，制件密度也不均勻。v（3） h時，掃面線的激光能量疊加后，時，掃面線的激光能量疊加后，分布基本上是均勻的，此時燒結深度一致，制分布基本上是均勻的，此時燒結深度一致，制件密度也均勻，是我們需要的。件

12、密度也均勻，是我們需要的。v（4）h時，總的激光能量太大，會引起燒時，總的激光能量太大，會引起燒結深度增大，進而使制件變形翹曲。結深度增大，進而使制件變形翹曲。影響SLS成形質量的因素v4 激光掃描方式激光掃描方式 激光的掃描方式有光柵式、矢量式以及兩種激光的掃描方式有光柵式、矢量式以及兩種方式的混合式。方式的混合式。v（1）光柵式掃描）光柵式掃描 光柵式掃描如同鋸齒，光柵掃描的優點：光柵式掃描如同鋸齒，光柵掃描的優點： 只需快速成形機的一個軸運動，因此掃描只需快速成形機的一個軸運動，因此掃描速度快；速度快； 掃描算法簡單，所以程序也簡單，容易實掃描算法簡單，所以程序也簡單，容易實現。現。 所

13、以光柵式掃描在激光掃描中用的最多。所以光柵式掃描在激光掃描中用的最多。影響SLS成形質量的因素v（2）矢量式掃描）矢量式掃描 掃描沿著一定的方向和大小來進行，適合掃描沿著一定的方向和大小來進行，適合于邊界的掃描。于邊界的掃描。v（3）混合式掃描）混合式掃描 掃描內部時采用光柵式掃描，掃描外部邊掃描內部時采用光柵式掃描，掃描外部邊界時按矢量式掃描。界時按矢量式掃描。 SLS成形用材料及其特點 v 可用于可用于SLS技術的材料包括：尼龍粉、覆技術的材料包括：尼龍粉、覆裹尼龍的玻璃粉、聚碳酸脂粉、聚酰胺粉、裹尼龍的玻璃粉、聚碳酸脂粉、聚酰胺粉、蠟粉、金屬粉（成型后常須進行再燒結及滲蠟粉、金屬粉（成型

14、后常須進行再燒結及滲銅處理）、覆裹熱凝樹脂的細沙、覆蠟陶瓷銅處理）、覆裹熱凝樹脂的細沙、覆蠟陶瓷粉和復蠟金屬粉等。粉和復蠟金屬粉等。v要求：容易制備成粉末；熔點低。要求：容易制備成粉末；熔點低。SLS快速原型技術的優缺點 v一一.SLS快速原型技術的優點快速原型技術的優點 v1.與其他工藝相比，能生產很硬的模具，有與其他工藝相比，能生產很硬的模具，有直接金屬型的概念。直接金屬型的概念。2.可以采用多種原料，例如絕大多數工程用可以采用多種原料，例如絕大多數工程用塑料、蠟、金屬、陶瓷等。塑料、蠟、金屬、陶瓷等。 3.零件的構建時間短。零件的構建時間短。 SLS快速原型技術的優點v4.無需對零件進行

15、后矯正。無需對零件進行后矯正。v5.無支撐結構無支撐結構 SLS快速原型技術的缺點v1.需要專門實驗室環境，維護費用高昂。需要專門實驗室環境，維護費用高昂。vSLS成型工藝周期與成型工藝周期與SLA相比，哪個周相比，哪個周期長？為什么？期長？為什么？vSLS與與SLA相比較，相比較，SLS的成型周期的成型周期要長。因為要長。因為SLS成型過程中有前預熱成型過程中有前預熱段，中間的疊加段和后處理的后冷卻段，中間的疊加段和后處理的后冷卻段，所以其周期長。段，所以其周期長。SLS快速原型技術的缺點v2.在加工前，要花近在加工前，要花近2小時的時間將粉末加熱小時的時間將粉末加熱到熔點以下，當零件構建之

16、后，還要花到熔點以下，當零件構建之后，還要花5-10小時冷卻，小時冷卻， 然后才能將零件從粉末缸中取出。然后才能將零件從粉末缸中取出。 （預熱和冷卻時間長，總的成形周期長）（預熱和冷卻時間長，總的成形周期長）SLS快速原型技術的缺點v3.成形件強度和表面質量較差，精度低。表成形件強度和表面質量較差，精度低。表面粗糙度的高低受粉末顆粒大小及激光光斑面粗糙度的高低受粉末顆粒大小及激光光斑的限制。的限制。 SLS快速原型技術的缺點v4.零件的表面一般是多孔性的，為了使表面零件的表面一般是多孔性的，為了使表面光滑必須進行滲蠟等較復雜的后處理。在后光滑必須進行滲蠟等較復雜的后處理。在后處理中難于保證制件

17、尺寸精度，后處理工藝處理中難于保證制件尺寸精度，后處理工藝復雜，樣件變型大，無法裝配。復雜，樣件變型大，無法裝配。v5.需要對加工室不斷充氮氣以確保燒結過程需要對加工室不斷充氮氣以確保燒結過程的安全性，加工的成本高。的安全性，加工的成本高。 v6.該工藝產生有毒氣體，污染環境。該工藝產生有毒氣體，污染環境。 SLS快速原型技術的應用 v 粉末材料選擇性燒結工藝適合成型中小件，能直粉末材料選擇性燒結工藝適合成型中小件，能直接得到塑料、陶瓷或金屬零件，零件的翹曲變形比接得到塑料、陶瓷或金屬零件，零件的翹曲變形比液態光敏樹脂選擇性固化工藝要小。液態光敏樹脂選擇性固化工藝要小。v 粉末材料選擇性燒結快

18、速原型工藝適合于產品設粉末材料選擇性燒結快速原型工藝適合于產品設計的可視化表現和制作功能測試零件。由于它可采計的可視化表現和制作功能測試零件。由于它可采用各種不同成分的金屬粉末進行燒結、進行滲銅等用各種不同成分的金屬粉末進行燒結、進行滲銅等后處理，因而其制成的產品可具有與金屬零件相近后處理，因而其制成的產品可具有與金屬零件相近的機械性能，故可用于制作的機械性能，故可用于制作EDM電極、直接制造金電極、直接制造金屬模以及進行小批量零件生產。屬模以及進行小批量零件生產。 SLS產品產品SLS產品產品幾種成型工藝的比較指標 SLALOMFDMSLS成型速度 較快快慢較慢精度 較高較高較低較低成本較大

19、小較小較小復雜程度中等簡單中等復雜零件大小中小件中大件中小件中小件常用材料光敏材料紙等薄材低熔點材料金屬、陶瓷等RP技術的現狀v RP技術經過十幾年的發展，設備與材料兩技術經過十幾年的發展，設備與材料兩方面都有了長足進步。方面都有了長足進步。v 目前由于該技術的成本較高，加以制件的精目前由于該技術的成本較高，加以制件的精度、強度和耐久性還不能完全滿足用戶的要度、強度和耐久性還不能完全滿足用戶的要求，而且原材料的性能也阻礙了求，而且原材料的性能也阻礙了RP技術的推技術的推廣普及。廣普及。RP技術的現狀v 但是，在成形復雜中空的零件方面，但是，在成形復雜中空的零件方面，CNC切削機床是不能取代切削機床是不能取代RP技術的，這種直接從技術的，這種直接從概念設計迅速轉為產品設計的生產模式，必