【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 SLS 技術(shù)的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展歷程 SLS最初由德國(guó)薩斯大學(xué)奧斯汀分校的 CARL DECKARD 于 1987年在其碩士論文中提出，之后美國(guó)的 DTM 公司于 1992 年推出了該工藝的商業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備 sinter station20xx。隨著研究的不斷深入，特別是激光束控制技術(shù)的突破，美國(guó)的 DTM 公司，德國(guó)的 EOS 公司，比利時(shí)的 Leuven 大學(xué)，英國(guó)的 MCP 公司，我國(guó)的北京隆源自動(dòng)化成型有限公司，南京航空航天大學(xué)，西北工業(yè)大學(xué)，華北工學(xué)院和華中科技大學(xué)等單位研發(fā)的 SLS 成形機(jī)，功能不斷完善，性能不斷提高。 按 SLS 的原材料特性的不同， SLS 的發(fā)展可分為 2個(gè)階段： 1）利用 SLS 技術(shù)燒結(jié)低熔點(diǎn)的材料。目前的燒結(jié)設(shè)備和工藝大多處于這一階段，所用的材料是聚合物，低熔點(diǎn)金屬或陶瓷的包覆粉末（或陶瓷與聚合物的混合物）； 2）利用 SLS 技術(shù)直接燒結(jié)高熔 10 點(diǎn)金屬材料（如鈦合金，鎳合金等），這是 SLS 的重要發(fā)展方向 之一。 國(guó)外許多快速成形系統(tǒng)開(kāi)發(fā)公司和使用單位對(duì)快速成形材料進(jìn)行了大量的研究，開(kāi)發(fā)出了多種適合于快速成形工藝的粉末材料。美國(guó)的 DTM 公司于 1993 年推出了Rapidsteel 制造技術(shù)，在 SLS2500Plus 系統(tǒng)中燒結(jié)表面包覆樹(shù)脂材料的鐵粉，初次成形零件后，置入銅粉中再一起放入高溫爐進(jìn)行二次燒結(jié)制造出注塑模具，此模具 EOS 公司開(kāi)發(fā)了可直接對(duì)未預(yù)熱的金屬粉末進(jìn)行燒結(jié)的 EOSINT M250 系統(tǒng)。該系統(tǒng)所使用的由不同金屬粉末組成的混合粉，適用于制作滾軸和注塑模具。日本大阪大學(xué)焊接研究實(shí)驗(yàn)室的 MURAKMI T 等用激光焊接技術(shù)，成功制備出高精度高分子材料工件，也可以制備具有高致密度但表面精度稍差的金屬件，與此同時(shí)， SLS 用粉末材料的研究也取得進(jìn)展，粉末的品種越來(lái)越多。 目前，在國(guó)內(nèi)，正在逐漸運(yùn)用于生物應(yīng)用領(lǐng)域，采用 SLS 技術(shù)可快速制造醫(yī)用模型，個(gè)體化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)植入體及組織工程支架，并可通過(guò)調(diào)整 SLS 和后處理工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物醫(yī)用材料的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的控制，只生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域具有重大的價(jià)值，比如在當(dāng)前北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院正在研究采用 SLS成形技術(shù)結(jié)合后處理的方 法制備生物醫(yī)用的多空金屬材料，已經(jīng)取得 了一定的成果，所以，這可以說(shuō)明，利用 SLS 技術(shù)，能方便地制備利用細(xì)胞粘附和長(zhǎng)入的表面粗燥且多孔的金屬材料，尤其是生物相容性和力學(xué)性能優(yōu)良的鈦及鈦合金材料，這將是 SLS 技術(shù)在制備生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的一個(gè)重要的發(fā)展方向。（當(dāng)前，在基于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的基礎(chǔ)上，也提出了一種密排電阻絲燒結(jié)這種新型快速成形方法 — 一種新的成形過(guò)程中的加熱方法。意義就在于替代價(jià)格昂貴的激光器，可以大大減小成型設(shè)備成本，并且可以整截面層同時(shí)燒結(jié)成型，具有區(qū)別于其他快速成形技術(shù)的獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。如果這項(xiàng)技術(shù)得到推廣，那么它將在快速成形技術(shù)又將是 一大亮點(diǎn)，使得未來(lái)的快速成形技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。） 總而言之，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)是當(dāng)前較成熟的快速成形方法之一，它在航空，航天，醫(yī)用等領(lǐng)域逐漸得到重視，這在我們國(guó)家建立節(jié)約型，環(huán)境友好型的中國(guó)將會(huì)具有重大的意義，它值得我們的科學(xué)家，研究者去研究，去普及，去推廣到更多的領(lǐng)域。 SLS 鋪粉裝置的目前現(xiàn)狀 目前市場(chǎng)上 SLS 成型機(jī)產(chǎn)品很多，但從成型過(guò)程來(lái)看，其原理大體分為兩種。一種是 DTM 為代表，而另一種是以 EOS 為代表。下面就以這兩種為例，分別加以介紹 成型系 統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)在一個(gè)封閉的成型室中安裝兩個(gè)剛體活塞結(jié)構(gòu)。一個(gè)用于供粉，另一個(gè)用于成型。成型過(guò)程開(kāi)始前，用于紅外線板將粉末材料加熱之恰好低于燒結(jié)點(diǎn)的某一溫度。成型開(kāi)始時(shí)，供粉缸內(nèi)活塞上移一給定量，而成型缸內(nèi)活塞下一相同量。鋪 11 粉滾筒將粉料均勻的鋪在成型缸的加工面上。激光束在計(jì)算機(jī)控制下以給定速度和能量對(duì)第一層信息進(jìn)行掃描。激光束掃過(guò)之初粉末被燒結(jié)，固化為給定厚度的一層，為燒結(jié)的粉末被用來(lái)作為支撐。這樣，零件的第一層制作出來(lái)了 。 而后，供料缸，成型缸分別重復(fù)操作上述動(dòng)作。激光束按第二層信息掃描，被燒結(jié)的粉末未固化成第 二層。如此反復(fù)至完成。如圖所示 圖 1 DTM 式 在 系統(tǒng)中，燒結(jié)固化過(guò)程與 DTM 過(guò)程相同。而鋪粉方式有所不同。粉末的鋪撒是有一個(gè)槽型噴嘴實(shí)現(xiàn)的，其導(dǎo)向跟蹤板的輪廓被設(shè)計(jì)成當(dāng)噴頭從一邊偏向另一邊是保持噴力的方向始終垂直于工作面。噴頭側(cè)面設(shè)計(jì)有刮刀裝置。 圖 2 式 12 本章小結(jié) 本 章是全文的前言部分： 1，本文的課題來(lái)源，背景，是來(lái)自于當(dāng)前前沿制造技術(shù)的部分，增材技術(shù)是當(dāng)今社會(huì)一個(gè)很好的發(fā)展趨勢(shì)，因此，這要求我們科研者具有開(kāi)拓創(chuàng)新精神，致力于該方向的研究。 2，研究的目的和意義，本文主要是對(duì) SLS 制造技術(shù)的鋪粉裝置的設(shè)計(jì)，它對(duì)成形工件的質(zhì)量的影響是十分重大的，它的改進(jìn)，優(yōu)化或者設(shè)計(jì)創(chuàng)新對(duì)以后 SLS 的在增材制造技術(shù)領(lǐng)域或有很多重大的突破。 3， SLS 快速成型技術(shù)的當(dāng)前背景和研究現(xiàn)狀以及它的鋪粉裝置的當(dāng)前的研究的現(xiàn)狀。 13 2 選擇性激光燒結(jié)的鋪粉裝置設(shè)計(jì) 鋪粉裝置的總體設(shè)計(jì) 選擇性激光燒結(jié)快速成型機(jī)主要由數(shù)據(jù)處理和成型執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分組成。數(shù)據(jù)處理部分包括根據(jù)三維模型構(gòu)建加工軌跡的離散過(guò)程軟件，并由與快速成型機(jī)配套的計(jì)算機(jī)處理。成型執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分根據(jù)離散后的信息由數(shù)控設(shè)備來(lái)完成執(zhí)行和控制加工過(guò)程。本文對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)即鋪粉裝置進(jìn)行了兩種方案的構(gòu)思，所設(shè)計(jì)方案如下所示 鋪粉裝置第一種方案 選擇性激光燒結(jié)快速成型機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理如下圖，由工作臺(tái)，鋪粉裝置，激 光器，激光光路發(fā)生系統(tǒng)外加輔助系統(tǒng)組成。鋪粉裝置主要由伺服電機(jī)，滾珠絲杠，鋪粉軋筒，工作缸體，齒輪和齒條等組成。 在燒結(jié)前或燒結(jié)過(guò)程中，把要燒結(jié)的粉末倒入供粉缸 8 中，根據(jù)工藝要求對(duì)供粉缸8 進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度用溫度傳感器進(jìn)行檢測(cè)，并能進(jìn)行閉環(huán)自動(dòng)控制。待供粉缸中的粉末達(dá)到預(yù)定的預(yù)熱溫度后，由計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，控制鋪粉軋筒 3由供粉缸 8向成形缸9 移動(dòng)，把供粉缸的活塞 6頂起的一定量的粉末均勻，平整地鋪在成型缸 9 的工作面上，激光開(kāi)始掃描燒結(jié)。如此循環(huán)往復(fù)，層層堆積直至整個(gè)零件 4完成為止。在這一工作過(guò)程中，密封裝置使工作 腔保持密封，其作用一是保持工作具有恒定的溫度；二是保證粉末只在工作腔內(nèi)活動(dòng)，余料回收方便；三是避免燒結(jié)過(guò)程中發(fā)生氧化反應(yīng)。 圖 21 成型機(jī)構(gòu)工作原理圖 14 1,齒輪 2，工作臺(tái) 3，鋪粉軋筒 4，工件 5，激光發(fā)生器 6，活塞 7，滾珠絲杠 8，供粉缸 9，成形缸 10，伺服電機(jī) 圖 22 鋪粉裝置的結(jié)構(gòu) 鋪粉裝置的第二種方案 該鋪粉裝置的工作原理和第一種方案基本是差不多，但是它在機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中未選擇用聯(lián)軸器連接而是選擇使用齒輪傳動(dòng)，而且在成形缸的右側(cè)設(shè)置了廢料回收缸，以便能夠節(jié)約材料，讓材料得到充分利用。其結(jié)構(gòu)如下圖所示 15 圖 23 鋪粉裝置的機(jī)構(gòu) 方案的比較及最終選擇 方案一與方案二的比較分析得知，方案一裝配簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，粉末層的密度可通過(guò)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，方案二結(jié)構(gòu)雖復(fù)雜，但從節(jié)約原材料的角度去考慮，而且齒輪傳動(dòng)工作可靠，使用壽命長(zhǎng)，瞬時(shí)傳動(dòng)比為常數(shù)，傳動(dòng)效率高，所以方案二是一個(gè)可行性方案。 通過(guò)比較，選擇設(shè)計(jì)方案二，進(jìn)行設(shè)計(jì)和論證。 設(shè)計(jì)方案的要求： 工作內(nèi)容和要求： 成型空間： 300 300 300mm 最大成型件的重量約為： 5Kg 燒結(jié)深度 /托盤(pán)的層間下降距離： Z 方向的定位精度： 本章總結(jié) 本章主要是對(duì)鋪粉裝置整體的一個(gè)構(gòu)思，通過(guò)分析比較，確定最終的選擇方案，而且所設(shè)計(jì)的方案主要是在本文第一章所闡述的 DTM 式的鋪粉裝置，當(dāng)前國(guó)內(nèi)主流是 式的鋪粉裝置，而國(guó)外選擇的多是 DTM 式的鋪粉裝置。所以鑒于此，選擇嘗試設(shè)計(jì) DTM 式的鋪粉裝置。 16 3 鋪粉裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 主機(jī) 主機(jī)主要由成型工作缸，廢料回收缸，鋪粉輪筒裝置，送料工作缸，激光器振鏡式動(dòng)態(tài)聚焦掃描系統(tǒng)，機(jī)身與機(jī)殼等組成。 成型工作缸 在缸中完成零件的加工，工作缸每次下降的距離及為層厚。零件加工完后，缸升起時(shí)，一邊取出制件和為下一次假工作準(zhǔn)備。工作缸為圓型缸，下部有活塞裝置，活塞桿由連接裝置連接絲杠螺母裝置。絲杠有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，絲杠轉(zhuǎn) 動(dòng)，帶動(dòng)絲杠螺母上下移動(dòng)，通過(guò)連接件從而使活塞作上下運(yùn)動(dòng)。具體結(jié)構(gòu)如下圖 圖 31 傳動(dòng)部件 結(jié)構(gòu)尺寸：底為直徑 400 毫米的圓形，高為 300 毫米。 絲杠的設(shè)計(jì) 絲杠的類(lèi)型的確定 滾珠絲杠副的組成及其特點(diǎn)： 17 滾珠絲杠副是一種新型的螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu) ，其具有螺旋槽的絲杠與螺母之間裝有中間傳動(dòng)元件一滾珠。它由絲杠，螺母，滾珠和反向器四部分組成。當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)，為防止?jié)L珠從滾道面掉出，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有滾珠回程引導(dǎo)裝置構(gòu)成滾珠的循環(huán)返向通道，從而形成滾珠流動(dòng)的閉合通路。 與滑動(dòng)絲杠副相比較，滾珠絲杠副除上述的優(yōu)點(diǎn)外，還具有軸向剛度高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)精度高，不易磨損，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但由于不能自鎖，具有傳動(dòng)可逆性，在用作升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，需要采取制動(dòng)措施。 從作用上來(lái)看，兩者相同 從應(yīng)用上去看，滾珠絲杠多用于數(shù)控機(jī)床，定位工作臺(tái)。而 滑動(dòng)絲杠一般僅用于傳遞力，無(wú)較高定位要求不長(zhǎng)的場(chǎng)合。 基于選擇性激光燒結(jié)的快速成型技術(shù)的鋪粉裝置的設(shè)計(jì)要求，定位精度要較高，因?yàn)闈L珠絲杠副更適合于此。 絲杠的設(shè)計(jì) 絲杠的導(dǎo)程計(jì)算： maxmaxhoVPnI? ? Pho導(dǎo)程 （ mm） Vmax工作臺(tái)最大移動(dòng)速度（ mm/min） nmax電機(jī)最大轉(zhuǎn)速（ r/min） I 傳動(dòng)比，從輸出端（馬達(dá)）至輸入端（絲杠）的傳動(dòng)比。 通過(guò)對(duì)已知條件的比較， 初步選定絲杠導(dǎo)程為 4mm。 絲杠螺母位置簡(jiǎn)圖如下： 18 圖 32 滾珠絲杠 (1) 滾珠絲杠進(jìn)給力的計(jì)算 在設(shè)計(jì)滾珠絲杠時(shí)，首先確定其名義直徑，螺距及滾珠直徑等，確定上述參數(shù)一般是放在防止疲勞點(diǎn)蝕的基礎(chǔ)上，對(duì)滾道上的點(diǎn)而言，其應(yīng)力狀態(tài)是交變的接觸力。因此設(shè)計(jì)時(shí)必須保證它在一定軸向負(fù)載的作用下，這種名義直徑和螺距的滾珠絲杠回轉(zhuǎn)一百萬(wàn)轉(zhuǎn)后，不產(chǎn)生 點(diǎn)蝕現(xiàn)象，這個(gè)負(fù)載成為滾珠絲杠的最大動(dòng)載荷。 作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給力主要包括上下運(yùn)動(dòng)件及成型原料的重力和運(yùn)動(dòng)件間摩檫力，其數(shù)值大小模擬機(jī)床絲杠導(dǎo)軌的計(jì)算大小。 對(duì)于活塞，牽引力可由下式計(jì)算： Fm=KFx+f?(Fz+G) 式中 Fx Fz重力 N K顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù) f? 運(yùn)動(dòng)件上摩檫系數(shù) G移動(dòng)部件重量 N 由于此設(shè)計(jì)采用的運(yùn)動(dòng)件摩擦較小，所以 f?=~，取 f?=， （ 2） 滾珠絲杠的剛度計(jì)算 1 軸向總剛度 滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度受到所有與其相連的部件 (如：軸承、支承、螺母座等 )的影響 。 19 圖 33 絲杠傳動(dòng)副 公式： 1/Rtot=1/Rs+1/Rnu+1/RaL Rtot傳動(dòng)系統(tǒng)軸向總剛度（ N/μm） RaL 支承軸承剛度（ N/μm） Rs 絲杠剛度（ N/μm） Rnu 螺母剛度 （ N/μm） Fa 軸向負(fù)荷 （ N） 2 支 承剛度 支 δ= F a/Rtot δ 軸向彈性變形量 （ μm ） 承軸承剛度 RaL可從軸承生產(chǎn)廠產(chǎn)品樣本中的查出。 RaL=Fa/ δ aL 20 RaL支承軸承剛度