激光燒結樹脂砂薄層燒結工藝研究

0影響我國制造技術的現代化隨著3d打印技術的發展，國內外已經開發出了幾種快速原型設備。但是現在市場上的激光燒結類型的快速原型設備價格仍然較高,影響到在校學生學習先進的制造思想并阻礙了我國制造技術的現代化。在保證選擇性激光燒結(SLS)性能的基礎,針對SLS設備的特點,以綜合成本最低為目標,對若干關鍵技術進行研究,研制出采用樹脂砂的低成本選擇性激光燒結機,并在此基礎上進行試驗來分析燒結參數。1輔助裝置及控制要求我們所設計制造的選擇性激光燒結機試驗樣機整機如圖1所示。該裝置采用鋼絲繩牽引、步進電機驅動來實現工作臺X、Y方向上的運動,同時為了滿足選擇性激光燒結工藝的要求,系統還包括Z方向升降活塞及傳動裝置、光路系統、二氧化碳激光器等相應的輔助裝置。在激光燒結過程中,采用具有精細復雜結構的分形曲線的掃描路徑填充薄層平面,對控制系統提出了較高的要求,具體要求如下:數控軸系統的反向間隙小,運動脈沖分辨率高;實現工作臺的快速運動響應;實現控制系統中X軸、Y軸同步掃描控制;實現控制系統中激光功率控制和激光啟停控制。2檢查機構的安裝本系統中X、Y掃描工作臺采用鋼絲繩牽引的驅動方式:將鋼絲繩纏繞在電機的聯接軸上,利用鋼絲繩與軸之間的靜摩擦力來實現驅動,鋼絲繩與軸之間無相對滑動,理論上可實現無傳動間隙和反向間隙的驅動,工作臺的X向和Y向的運動導軌選用高精度的直線導軌,重復定位誤差可控制在0.2μm之內,摩擦系數為0.025~0.05。掃描工作臺的結構示意圖如圖2所示。3工作成為系統的傳動機構鋪粉裝置主要由工作活塞、送粉活塞、兩個工作缸體、鋪粉滾輪和驅動電機組成。根據SLS中分層厚度的要求,對工作活塞的運動的分辨率和定位精度要求較高,在本系統中,采用齒輪螺紋副來實現活塞的直線傳動。驅動電機仍選用步進電機,由電機驅動傳動齒輪,從而驅動活塞的Z方向的運動。工作活塞和送粉活塞的運動配合鋪粉滾輪的運動構成功能完善的鋪粉裝置。鋪粉滾輪是有齒形皮帶傳動的,同樣采用步進電機驅動。鋪粉裝置的結構如圖3所示。4主從式多處理器為了實現上述控制功能,本系統中采用了主從式多微處理器控制體系結構,其中主機為PC機,從機為Atmel公司MCS51系列單片機,系統框圖如圖4所示。5選擇性激光燒脫液5.1cdd-ip的放大觀測系統本試驗的粉末原料采用激光燒結專用樹脂砂。其成分為石英砂,樹脂等,制作過程中把樹脂包裹在石英砂表面。激光燒結導致樹脂融化使粉末互相粘結固化。材料參數為:密度約為4.7g/cm3,顆粒直徑小于0.1mm。本試驗用的CO2激光器JS-A+,最大激光功率為15W,激光光斑直徑為0.2mm。為了研究激光燒結線寬與激光功率、掃描速度和其它相關參數的關系,需要一套放大觀測輔助系統,以實現對激光燒結試驗中燒結成型的薄層組織結構和燒結線線寬的觀測。我們自行構建了一套基于CCD圖象傳感器的放大觀測裝置,如圖5所示,該裝置具有以下功能:(1)采用一套光學系統對觀測對象進行放大觀測。(2)采用臺灣敏通MTV-53D0CCD成像,直接產生視頻輸出。(3)CCD攝像系統輸出的視頻信號,通過視頻信號采集卡,將視頻信號轉換為圖像數據送入計算機,進行存儲并進行圖像數據處理。(4)實現燒結線寬的測量。在確定的放大倍數下,將CCD圖象的尺寸進行標定,利用標定的尺寸可實現激光燒結線寬的測量。通過試驗標定:單像素的尺寸為:0.0035(mm/dot).5.2從燒結型為致密程度為了尋找較為適宜的燒結條件,將掃描速度和激光功率組合進行燒結試驗[10,11,12,13,14,15,16],試驗結果見表1所示,圖6所示為燒結的圖樣。根據燒結成型的致密程度可分為以下幾種:(1)燒結疏。即樹脂粉末熔化不完全,石英顆粒間連接不緊密,顆粒狀明顯,見圖6中(e)、(f)。(2)燒結密。即樹脂粉末熔化完全,連接緊密,顆粒狀不明顯,見圖6中(g)、(h)、(i)。過燒現象可分為以下三種:(1)無過燒。樹脂粉末無炭化現象或微少部分炭化,見圖6中(c)、(d)。(2)過燒少。有部分樹脂粉末炭化,見圖6中(b)。(3)過燒。即燒結線部分樹脂粉末炭化現象非常明顯,見圖6中(a)。5.3燒結速度和功率從燒結試驗的結果可以得出以下結論:(1)激光功率大易于引起過燒現象的產生,樹脂粉末炭化嚴重,從而導致燒結線的致密度降低。(2)在激光功率較大時提高燒結速度可以減少過燒現象的產生,但由于燒結速度快,使得燒結的時間縮短,燒結點的溫度變化劇烈程度加大,易產生飛濺,同樣使得燒結線致密程度降低。(3)激光功率太低,或燒結速度快,起粘接作用的樹脂粉末熔化不完全