SLS成型技術(shù)工藝原理及應(yīng)用

孔祥忠

（湖南理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖南 岳陽 414000）

0 引言

選擇性激光燒結(jié)快速成形（Selective Laser Sintering Rapid Prototyping，SLS）技術(shù)材料選擇廣泛，正在迅速發(fā)展，并得到了越來越多的關(guān)注[1]。SLS 技術(shù)與其他快速成型的制作過程相同，都采用離散堆疊成型原理，使用Nd：YAG 激光發(fā)射器作為光源，利用切片中的二維信息，通過計(jì)算機(jī)來控制激光束，調(diào)整合適的激光密度，全部燒結(jié)后，除去多余的粉末，進(jìn)行一系列研磨處理后得到零件。該技術(shù)將CAD 技術(shù)、數(shù)字控制加工、激光和材料技術(shù)相結(jié)合，縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造周期，降低了開發(fā)成本，提高了產(chǎn)品競爭力。由于SLS 工藝具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如粉末材料選擇廣泛，其制造工藝相對簡單，具有無支撐結(jié)構(gòu)以及零件直接燒結(jié)等特點(diǎn)，因此其發(fā)展最為迅速，已成為最成功和商業(yè)化的快速成型方法之一[2-3]。

1 SLS 技術(shù)原理

1.1 SLS 技術(shù)的成形工藝原理

圖1 是SLS 技術(shù)制造工藝的原理。首先，建立CAD 模型，并轉(zhuǎn)化為STL 格式，利用分層軟件對CAD 模型進(jìn)行切片，獲得各加工層的數(shù)據(jù)信息，在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)層面信息調(diào)整激光束進(jìn)行掃描，使粉末燒結(jié)固化，重復(fù)該過程，直到得到三維實(shí)體[4]。

圖1 SLS 技術(shù)的成形工藝原理

1.2 SLS 快速成形技術(shù)工藝流程

SLS 快速成形技術(shù)工藝，具體流程如圖2 所示。

1.2.1建立CAD 模型

采用Pro/E，UG 等三維CAD 軟件建立3D 實(shí)體模型，并以STL 格式輸出。

圖2 SLS 快速成形工藝流程圖

1.2.2 分層處理

目前，SLS 所支持的文件格式為STL，采用分層軟件在Z方向進(jìn)行分層處理，得到分層截面，并將該層面信息轉(zhuǎn)化為激光掃描時(shí)的軌跡。

1.2.3 燒結(jié)成形

掃描之前，先將成型缸下降一定厚度，然后使供粉缸升高一定的高度，鋪粉輥從左邊壓到成型缸上。激光掃描第1 層橫截面及輪廓信息，激光掃描的粉末會(huì)在高溫下迅速熔化并相互黏接；燒結(jié)完第一層后，鋪粉，進(jìn)行第2 層激光掃描，如此重復(fù)直到燒結(jié)完成。

1.2.4 后處理

零件燒結(jié)完成后，升起成型缸，取出零件，然后用氣槍對零件表面殘余的白色粉末部分進(jìn)行清潔。通常，激光燒結(jié)的零件強(qiáng)度相對較低，且零件多孔，應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行熱激光固化和滲蠟等后處理。

2 金屬材料SLS 成型技術(shù)分析

2.1 金屬材料SLS 成型技術(shù)

目前，金屬粉末SLS 成型的主要方法有間接和直接2種。

2.1.1 間接法成形工藝

2.1.1.1 間接法使用的粉末材料

金屬粉末與有機(jī)黏合劑的混合方法有以下2 種：1） 金屬材料包裹在覆有有機(jī)材料的金屬粉末上。制作該粉末材料的過程雖然復(fù)雜，但是該材料具有較好的燒結(jié)性能和更高比例的有機(jī)材料。2）金屬與有機(jī)材料混合的粉末雖然較容易得到，但燒結(jié)性能差。

2.1.1.2 間接法成形工藝

SLS 間接法成型工藝分為3 個(gè)階段：SLS 的原型制造，粉末燒結(jié)制件的生產(chǎn)以及金屬后處理。

2.1.1.2.1 燒結(jié)工藝

SLS 成型零件的質(zhì)量與成型參數(shù)有關(guān)。SLS 成型參數(shù)主要包括激光功率、掃描速度、掃描距離、層厚和光斑大小等。如果能量密度過低，金屬顆粒之間的結(jié)合強(qiáng)度就會(huì)很低。為了使模塑零件能夠維持其形狀，掃描距離和厚度必須考慮成型效率以及強(qiáng)度和密度，使用較大的掃描間距和層厚會(huì)對成型效率有利。

2.1.1.2.2 后處理工藝

形成的坯件需要進(jìn)行后處理才能成為高密度金屬功能部件。后處理通常包括3 個(gè)步驟：1）降解聚合物。加熱能夠除去連接金屬顆粒的聚合物。2）二次燒結(jié)。在第1步后，金屬粉末顆粒之間的聚合物幾乎被完全清除。為了能夠保持其穩(wěn)定形態(tài)，需要建立金屬粉末顆粒之間的離子連接，這需要將坯料加熱到較高溫度。3）滲金屬。二次燒結(jié)后，成型件多孔、強(qiáng)度較低，使用滲金屬的方法進(jìn)行后處理。低熔點(diǎn)的金屬在熔化過程中，由于毛細(xì)、重力等作用，模塊內(nèi)的孔都被密度較高的金屬填充

2.1.2 直接法

2.1.2.1 直接法使用的粉末材料

2.1.2.1.1 單組分金屬粉末

單組分燒結(jié)，特別是對于難熔金屬，需要非常強(qiáng)大的激光才能在相對較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到熔化溫度。在燒結(jié)過程中，激光在很短的時(shí)間內(nèi)（通常為0.5 ms～25 ms），連續(xù)照射金屬粉末顆粒，粉末顆粒的熔化和固化立即完成。在這樣短的熱循環(huán)中，黏性流或粒子熔化可以使金屬粉末顆粒快速結(jié)合，但是難以獲得致密的零件。

2.1.2.1.2 多組分金屬粉末混合體系

多組分金屬粉末混合的形成機(jī)制一般遵循傳統(tǒng)液相燒結(jié)的機(jī)制。液相燒結(jié)明顯提高了原子擴(kuò)散的速度，引起了物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，加快了燒結(jié)過程，填充了固體顆粒的孔，從而獲得致密性更好的燒結(jié)零件。

2.1.2.1.3 預(yù)合金粉末

單組分的預(yù)合金粉末：預(yù)合金粉粒的預(yù)熱黏結(jié)也可以通過液相熱燒結(jié)完成。其中燒結(jié)溫度控制在液相燒結(jié)線和固定液相線溫度之間，稱為超固相線液相燒結(jié)。

2.1.2.2 直接法成形工藝

2.1.2.2.1 燒結(jié)工藝

SLS 直接金屬激光燒結(jié)（Direct Metal Laser Sintering，DMIS）與間接法不同，用于DLS 成型的金屬粉末不包括有機(jī)黏合劑。DMIS 成型工藝使用高能激光器直接燒結(jié)金屬粉末以獲得金屬零件。目前由于材料和工藝因素的限制，DMIS成型得到的金屬件的強(qiáng)度和密度的變化較大。對于低密度燒結(jié)件，需要通過后處理提高強(qiáng)度來滿足使用要求。

2.1.2.2.2 后處理工藝

燒結(jié)部分有許多孔，并且力學(xué)性能差。因此，必須進(jìn)行后處理以增加密度和強(qiáng)度。

滲金屬是具有低熔點(diǎn)的金屬熔融并滲透到燒結(jié)體的孔中以形成致密的金屬部件，從而進(jìn)一步提高了燒結(jié)件的強(qiáng)度。

2.1.3 金屬粉末SLS 存在的問題

SLS 工藝參數(shù)包括材料的物理性能、激光燒結(jié)工藝參數(shù)，這些參數(shù)對燒結(jié)工藝的成型、精度和質(zhì)量有較大影響，引起這些問題的主要因素包括3 點(diǎn)：1） 粉末材料特性。粉末粒徑、密度對成型零件的精度、粗糙性具有較大的影響。粉末膨脹及顆粒凝固機(jī)制直接影響燒結(jié)過程，大大增加了燒結(jié)孔的數(shù)量，降低了成型零件的抗拉強(qiáng)度。2） 工藝參數(shù)。激光功率、光斑直徑、掃描速度、掃描方式、燒結(jié)時(shí)間以及層厚等多種因素對燒結(jié)件的收縮翹曲變形有影響。3） 后處理。雖然金屬零件可以采用SLS 直接法制造，但是零件的機(jī)械和熱性能與使用要求不符，后處理會(huì)對其有很大的改善，但對尺寸的精度影響很大。

2.2 SLS 成型精度影響因素

SLS 技術(shù)成型精度的影響因素很多，主要包括掃描方式、掃描速度、激光功率、單層厚度、掃描距離和粉末顆粒等。

2.2.1 激光功率

隨著激光功率的增加，尺寸誤差增加，零件強(qiáng)度也增加；如果激光功率過高，則由于熔融收縮而導(dǎo)致的零件的翹曲和變形將加劇。

2.2.2 掃描速度

掃描速度快，尺寸誤差小，并且燒結(jié)零件的強(qiáng)度降低。

2.2.3 燒結(jié)間距

隨著燒結(jié)間距的加大，尺寸誤差下降，燒結(jié)件強(qiáng)度下降，成型效率提高。

2.2.4 單層層厚

單層厚度增加，尺寸誤差減小，燒結(jié)件強(qiáng)度降低，成型效率提高。考慮到上述因素，需要綜合選擇適當(dāng)?shù)臒Y(jié)激光功率，掃描速度，燒結(jié)間距和單層厚度。通常，在保證零件正常制作的基礎(chǔ)上，應(yīng)該選擇盡可能大的工藝參數(shù)以提高加工效率[5]。

3 SLS 成型技術(shù)的應(yīng)用

目前，SLS 成型技術(shù)的應(yīng)用主要包括以下3 個(gè)方面。

3.1 復(fù)雜金屬零件的快速無模具鑄造

SLS 激光高速成型與精密鑄造技術(shù)相結(jié)合，特別適用于復(fù)雜的金屬制造，生產(chǎn)成本可大幅降低。SLS 原型的快速無模具鑄造產(chǎn)品，如圖3 所示。

3.2 在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

心血管的三維結(jié)構(gòu)，如圖4 所示；心腦血管的SLS 模型，如圖5 所示。

圖3 SLS 原型快速無模具鑄造產(chǎn)品

圖4 心血管三維結(jié)構(gòu)

圖5 心血管SLS 模型

3.3 生物工程領(lǐng)域—PCL 多孔支架制作

PCL 是生物可溶性聚合物，具有修復(fù)軟骨的作用。SLS技術(shù)可輕松實(shí)現(xiàn)具有各種內(nèi)部結(jié)構(gòu)和空隙的PCL 支架。使用UG3D 建模軟件設(shè)計(jì)的多孔支架STL 模型，如圖6（a）所示；用PCL 粉末制作的SLS 的模型，如圖6（b）所示。

圖6 PCL 多孔支架的制造

4 結(jié)語

雖然SLS 工藝發(fā)展迅速并取得了不錯(cuò)的成果，但是由于SLS 制作的零件精度和表面粗糙度不能滿足生產(chǎn)要求、工藝參數(shù)對零件精度有很大的影響，因此，當(dāng)前的研究應(yīng)該集中在以下3 個(gè)方面：1） 新型材料的研究。目前使用SLS 技術(shù)制造的零件強(qiáng)度低、精度低，需要后處理，急需開發(fā)新型材料。2） SLS 工藝參數(shù)優(yōu)化研究。工藝參數(shù)與成型質(zhì)量之間的關(guān)系是我國SLS 技術(shù)研究中的熱點(diǎn)。3） SLS 仿真研究。由于燒結(jié)過程相當(dāng)復(fù)雜，因此實(shí)時(shí)觀測是很困難的。在燒結(jié)過程中，需要用計(jì)算機(jī)仿真來加強(qiáng)對燒結(jié)過程的理解以及指導(dǎo)工藝參數(shù)的選擇。

SIS 技術(shù)的發(fā)展對設(shè)備、新技術(shù)和新材料的研究、開發(fā)和應(yīng)用有積極的影響，大大促進(jìn)了制造業(yè)的環(huán)境保護(hù)往高效和節(jié)能的方向發(fā)展。