機械零件快速成型的關鍵技術研究與開發

趙　威營口市信息技術學校

機械零件快速成型的關鍵技術研究與開發

趙威
營口市信息技術學校

隨著市場環境的不斷變化，人們對產品的要求越來越個性化、主體化和多樣化，于是制造商為滿足消費者需求贏得市場競爭的優勢就需要不斷的推出新的制造方法和工藝。本論文針對機械零件的成型制造進行了深入的研究，對選擇性激光燒結熱物理過程進行了分析和參數對比。希望對實際成型加工起到理論指導作用，并且能夠用于選擇性激光燒結成型加工的指導。

機械零件制造快速成型；SLS

一、選擇性激光燒結技術及其研究意義

選擇性激光燒結（簡稱SLS），又被稱作分層制造或增材制造技術，是快速原型與制造技術（RP&M）中的一種。這種技術與普通機加工類的建材制造技術是不同的。SLS技術可以制造普通加工制造技術所不能完成的復雜結構零件。當今社會的各個國家都認為這種SLS技術不僅可以降低特殊結構零件的制造成本，還能提高制造效率，從而達到增強企業競爭力的目的。

采用SLS技術制造零件的基本過程并不復雜，基本可以歸納為以下幾步：

1.運用CAD等圖形軟件設計出需要制造的零件模型；

2.將這個零件的模型用一系列的三角形來擬合，就是所謂的STL文件的轉化；

3.把轉化好的STL文件進行橫截面切割；

4.采用激光熱粘結分層的方式將零件的原型制造出來，這就是零件的雛形；

5.對零件原型清粉等處理。

由于這種金屬零件應用很廣泛，并且性能優越、種類很多，而采用SLS技術制造零件既方便又快捷，這樣就會減少成本，增加效率。這種技術如今已成為世界各國關注的焦點。

二、SLS制造金屬零件研究現狀及發展趨勢

到現在為止，SLS間接法制造出的金屬零件研究還比較多，而且已經有應用的先例，粉末材料為SLS間接法奠定了良好的基礎，但是現在它的應用領域還不夠廣泛，需要更大的拓展。

國外在這方面的研究也明顯好于國內，沒有商業化的粉體材料，可以應用于零件的結果。通過國內外燒結材料的應用現狀可知，過去和現在的研究沒有SLS粉末冶金結合已經成熟的技術，缺乏靈活性的材料選擇，只考慮部分的最終性能直接與單一粉體材料的選擇，如aisi1080碳鋼等材料對應。雖然許多種粉體材料已經商業化，制備方法很麻煩，成本也很高，所以需要進一步改進。SLS直接法由于金屬零件形坯接近理論密度，成為國際研究的熱點，但一些問題（如熱應力）不徹底解決和粉體材料的測定是有限的。因此，它仍然無法延長。雖然現有研究機構創建的一部分，但部分一般都是體積小。而形成的速度慢、精度低，目前只有少數幾種金屬材料的成形制造達到了商業化水平，并只應用于醫學領域。因此，直接法不能與間接法進行比較。從快速成形制造技術發展來看，基本經歷了快速原型、到快速制模、再到快速制造的不同階段，而SLS制造金屬零件應用領域的拓展基本經歷上述幾個階段，目前該技術也趨向于采用最終金屬零件構成材料制造出可供直接使用的零件。

三、金屬零件快速成型的關鍵技術

如果形成高質量的金屬粉末材料的SLS零件制造條件的間接SLS粉末，然后適應的形成過程，必須生產高質量的金屬部件的第一前提的前提條件。

SLS工藝、鋪粉和兩點作用：一是在工作缸將接受粉末激光掃描區域；二是將掃描鋪粉表面，掃描層厚達到預設值。粉店的質量往往是由SLS型坯質量的影響。粉末撒輥運動過程、粉體及受力對粉體表面的影響是由雙組分組成。一種是粉末的摩擦，另一種是粉末的徑向壓力。這2種力是表面分布力的存在。如果將粉體視為彈性連續，則將粉體和力的變化進行轉移。無論對非彈性碰撞的粉末顆粒的原因，干擾粉和粉末表面力傳下來的應用，也造就了粉末內滯彈性內耗。掃描后的激光掃描界面粉末狀態的變化，使摩擦系數跟隨變化。雖然摩擦副作用有副作用，但它也可以通過在非掃描區域和密集的粉體顆粒的重建，和粉末顆粒是完整的嵌入式掃描區，有利于進一步固定的掃描面積，并提高下一次掃描層密度。

SLS的工藝參數一般有以下幾個：激光功率、掃描間距、掃描速度、切片厚度及粉床預熱溫度，工藝參數組合將對SLS成形過程產生綜合性的影響。在SLS技術中，上述參數有如下定義：

1激光功率：激光的輸出功率直接決定了激光束的功率密度，這是影響激光能量輸入的主要因素。與高斯分布按照輻射激光光斑的二維平面能量粉末床，越靠近中心的激光束的能量高。

2.掃描間距：相鄰激光束掃描與軸心線之間的距離。

3.掃描速度：光斑的位移線的速度。

4.切片厚度：STL文件被離散的截面體厚度，即每層鋪粉堆積的厚度。

5.預熱溫度：SLS成形中恒定的環境（粉床）基礎溫度。

激光燒結系統的高斯光束由于激光束的焦平面工作缸粉飛機。在掃描區域的軸線上，激光能量和能量沿著減小的向外的軸線方向得到。單掃描線截面能量分布與重疊掃描線數有關，且截面的能量分布與掃描空間和其它參數有關。如果考慮時間的影響，掃描區域的時間對環境的熱損失和掃描線的存在直接耦合傳熱。假設熱損失隨著時間的推移變成一個簡單的指數衰減，輻射的掃描區域的溫度的結束狀態達到環境溫度。掃描線能量隨時間的衰減為該條掃描線能量與衰減因子的乘積。激光能量分布的均勻性和最大值隨掃描距離的增加而變化。激光能量隨掃描距離的減小而增大。不均勻的能量分布會導致異形坯強度的不均勻，導致溫度場分布不均勻。在能量分布不均勻的情況下，通過調整掃描間隔，不影響不影響小的成形效率，掃描線的耦合效應比較大，從而抑制了能量的耗散，提高了能量分布的均勻性。

四、結論與展望

當前的SLS技術還在發展與完善的階段，它跟隨著相關的科學理論的發展而發展。含有高聚物粘結劑的金屬粉來進行SLS間接制造的零件技術已經被科研院以及一些商業的研究機構進行了多年的研究，但其開發應用潛力還需我們繼續拓展。

[1]林銼云，董加禮.多目標優化的方法與理論.長春：吉林教育出版社，2010

[2]李占利.快速成型制造中的SLS技術.西安：西安交通大學，2008