粉末材料选择性烧结技术

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  [摘 要]首先介绍了激光3D打印技术是一种基于离散/堆积原理,集成计算机、数控、精密伺服驱动、激光和材料等高新技术而发展起来的先进技术。主要针对金属粉末激光烧结3D打印技术即采用粉末材料选择性烧结技术(SLS)是一种由CAD数据模型驱动的基于使用CO2激光器对粉末材料进行选择性烧结的直接快速制造技术进行了介绍。最后阐述在无机粉末材料的激光烧结成型机理方面,金属粉末经过激光烧结和后续处理后,所制得的零件具有较好的力学性能和热学性能,金属粉末的选择性激光烧结是目前选择性激光烧结技术的研究热点和发展方向。
  [关键词]激光3D打印技术;粉末材料选择性烧结技术(SLS);CO2激光器
  中图分类号:TB33 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2018)30-0275-05
  [Abstract]Firstly, the laser 3D printing technology is introduced as an advanced technology developed based on discrete/stacking principle, integrated computer, numerical control, precision servo drive, laser and materials. Mainly for metal powder laser sintering 3D printing technology that is using powder material selective sintering technology (SLS) is a kind of direct rapid manufacturing technology driven by CAD data model based on the use of CO2 laser selective sintering of powder materials. Finally, in the aspect of laser sintering mechanism of inorganic powder materials, after laser sintering and subsequent processing of metal powder, the obtained parts have good mechanical properties and thermal properties. Selective laser sintering of metal powder is currently the selective laser. Research hotspot and development direction of sintering technology.
  3D打印(3D PRINTING)即3D打印技術,是20世纪80年代才兴起的一门新兴的技术,是21世纪制造业最具影响的技术之一。通过计算机仿真和3D打印增加产品的信息量,以便更快的完成设计及其制造过程,将产品设计和制造过程的时间周期尽量缩短,防止投产后发现问题造成不可挽回的损失。3D打印技术是由CAD模型直接驱动的快速制造复杂形状的三维实体的技术总称。简单的讲,3D打印制造技术就是快速制造新产品首版样件的技术,它可以在没有任何刀具、模具及工装夹具的情况下,快速直接的实现零件的单件生产。该技术突破了制造业的传统模式,特别适合于新产品的开发、单件或少批量产品试制等。它是机械工程、计算机CAD、电子技术、数控技术、激光技术、材料科学等多学科相互渗透与交叉的产物。它可快速,准确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或零件,以便进行快速评估,修改及功能测试,从而大大缩短产品的研制周期,减少开发费用,加快新产品推向市场的进程。
  其中粉末材料选择性烧结技术(SLS)也被称为激光加成、激光成型、激光加成制造、固态自由成形、选区激光熔覆等,使用CO2激光器对粉末材料进行选择性烧结,是一种由离散点一层层地堆积成三维实体的工艺方法,适用范围广泛,可以采用多种材料,零件成型时间短,每小时固化高度可达到25.4mm,为航空航天、汽车等领域大型复杂零部件的制造提供了全新的制造手段。
  激光选区烧结在开始加工前,先将充有氮气的工作室升温,并保持在粉末的熔点以下。形成时先在工作台上铺一层粉末材料,激光束在计算机控制下按照截面轮廓对成形部分的粉末进行烧结,使粉末材料熔化形成一层固体轮廓。第一层烧结完成后,工作台下降一截面层的高度,再进行下一层的铺粉烧结,如此循环,直到形成三维产品为止,最后经过5~10h冷却,即可从粉末缸中取出零件。未经烧结的粉末承托正在烧结的工件,当烧结工序完成后,取出工件后,未经烧结的粉末可自行脱落,并重复利用。
  一、SLS快速成型技术劣势是
  1、有激光损耗,并需要专门实验室环境,使用及维护费用高昂。
  2、需要预热和冷却,后处理麻烦;
  3、快速成型表面粗糙多孔,并受粉末颗粒大小及激光光斑的限制。
  4、需要对加工室不断充氮气以确保烧结过程的安全性,加工成本高。
  5、快速成型过程产生有毒气体和粉尘,污染环境。
  二、SLS快速成型技术的优点是:
  1、与其他工艺相比,能生产较硬的模具。
  2、可以采用多种原料,包括类工程塑料、蜡、金属、陶瓷等。
  3、零件的构建时间较短,可达到1in/h高度。
  4、此种快速成型工艺无需设计和构造支撑。
  其中烧结金属粉末主要有两种工艺方法:一种是间接烧结法(indirect metal laser sintering),另一种是直接烧结法(direct metal laser sintering)。其中直接烧结法又分为单组元法和双组元法。   1.间接烧结法(indirect metal laser sintering)
  1.1间接烧结法
  实际上是金属粉末和有机黏结剂按一定的配比混合均匀的混合体,有机黏结剂的含量约为1%。由于有机材料熔点低,并且对红外光具有良好的吸收率,在激光烧结时,有机黏结剂首先被熔化,熔化后将金属颗粒黏结。烧结后的零件主要是靠黏结剂的作用,所以强度不高,并且空隙率较大(45%),需要进行后续处理。一般的后续处理工艺为:烧结后的零件在300℃左右进行脱脂,再在高温下进行焙烧(>700℃),最后在金属溶液中熔浸。该方法烧结速度快,对激光功率要求不高,但后续处理造成工艺周期长,零件尺寸收缩大,精度较差。
  间接烧结法的动力是液相表面张力和固液界面张力,其烧结过程可以大致划分为三个界限不十分明显的阶段。
  2.直接烧结法(direct metal laser sintering)
  2.1 单组元烧结法
  金属粉末为单一组元的金属粉末。在进行激光烧结时,先将金属粉末加热到略低于熔化温度,粉末之间的接触区域发生黏结,之后再用激光束进行选择性扫描烧结。经激光烧结得到的零件已具有相当高的机械强度,如果再经过热等静压(HIP)处理,可使零件的最终相对密度达到99.9%,机械强度得到显著提高。该方法通常采用大功率激光器(1000W以上),设备比较庞大,加工工艺难度大,并形成过程中加工参数难于控制,可操作性差。
  2.2 双组元烧结法
  这种烧结法综合了间接烧结法与单组元烧结法的优点。采用了双组元烧结法时,金属粉末是由高熔点(熔点为T2)金属粉末(结构金属)和低熔点(熔点为T1)金属粉末(黏结金属)混合而成。激光烧结时,将粉末加热到两金属熔点之间的某一温度(T1  在直接金属激光烧结过程中,激光束停留在每一个颗粒上的时间非常短,一般仅有0.5~25ms,粉末颗粒在极短的时间内被加热、熔化、凝固、冷却。熔化的液态金属在空隙中流动,减少了颗粒间的摩擦力,促使固体颗粒发生滑移、旋转。同时润湿的毛细管力作为驱动力,保证固体颗粒间有较强的相互吸引力达到重新密排。这种微观组织的演化在很大程度上决定了制件的宏观力学性能。
  3.激光烧结工艺参数对烧结密度的影响
  激光烧结工艺是SLS技术的研究热点,激光烧结工艺的主要影响因素包括激光功率、扫描间隔、粉层厚度、扫描速度、粉末粒径、粉末材料与基体材料的浸润性等,对于后期工艺处理还有一定的影响。激光烧结成形的质量主要包括成形强度与成形精度。而形成强度主要由烧结密度决定,烧结密度也直接影响着激光烧结成形件后处理质量的好坏。
  3.1 激光烧结深度的影响
  激光烧结深度是直接影响烧结成型质量的重要因素之一,合适的烧结深度是获得良好烧结成型质量的前提。烧结深度必须大于铺粉深度,以保证激光能量能够熔透当前层使相邻两层产生烧结,否则就会产生分层,导致成形强度、精度变差,甚至无法成形。所以对影响烧结深度的因素进行研究,通过合理选择工艺参数来控制烧结深度,具有十分重要的意义。烧结深度主要由激光能量参数及粉末材料决定。其中,激光能量参数又包括激光功率、激光束扫描速度、激光束宽度等。
  3.1.1 激光功率的影响
  伴随着激光功率的增加,烧结件的密度将会增大。由于激光功率的提高激光对粉末传输的能量也将会增大,作为黏结相的低熔点相也也就越会熔化,把周边的粉末黏结在一起。低熔点相熔化后会在表面形成一个微小的凹坑,下次铺粉时,这些微小的凹坑将被新的金属粉末所填充,从而提高了烧结件的密度。
  图3中所示为激光功率与烧结体的质量和密度的关系,其工艺参数是:式样规格25mm*25mm*10mm,扫描间距0.15mm,厚度0.5mm,初始烧结温度92℃,扫描速度2.2m/s。由图3可知,激光功率的提高使烧结体(等体积)的质量和密度都增加。
  3.1.2 激光扫描速度的影响
  激光扫描速度的大小直接影响着扫描在粉末上的瞬时能量的大小,随着扫描速度的增加,烧结件的密度会降低。
  如图4所示(工艺参数同上)当扫描速度增大时,单位距离内激光扫描的时间将减小,激光对粉末的加热时间减少,传输的能量也相应降低,反之则增大。激光功率与扫描速度是一个有机的统一体,过高的激光功率和过慢的扫描速度,不仅影响加工效率和成本,同样会导致粉体严重气化,烧结密度不仅不会增加,还会使烧结表面凹凸不平,直接影响烧结体的质量。扫描速度的大小,影响着成形速度的快慢,从3D打印(快速成型)的角度出发,在保证烧结件的质量的前提条件下,统筹考虑激光功率与扫描速度的因素,尽量选择较高的扫描速度,以提高加工功率。
  3.1.3 激光掃描间隔的影响
  扫描间隔是指激光扫描工件时相邻两条激光轨迹之间的距离△d,如图5所示,一般而言,激光扫描间间隔不应该大于激光光斑半径大小。扫描间隔对烧结体的密度也会产生一定影响,增大扫描间隔将导致烧结密度的显著降低。扫描间隔的大小直接影响照射区材料吸收的能量,扫描间隔小,相邻的扫描线所形成的的温度场相互叠加,使温度升高,零件的密度增加,反之扫描间隔大密度降低。
  3.2 CO2激光器结构及工作原理
  在CO2激光器中,激光工作的物质是CO2它是一种线性排列的三原子分子,在正常情况下,CO2分子处于不停的运动状态,存在三种基本的振动方式和四个振动自由度。在简谐近似条件下,CO2分子的三种基本振动近似简谐振动,并且三种振动相互独立。激光跃迁主要集中在001~100之间,输出波长为10.6μm的激光。   激光的激发过程主要的工作物质由CO2,氮气,氦气三种气体组成。其中CO2是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。加入的氦有两个作用:一个是可以加速010能级热弛预过程,因此有利于激光能级100及020的抽空;另一个是实现有效的传热。氮气的加入主要在CO2激光器中起能量传递作用,为CO2激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。泵浦采用连续直流电源激发。它的直流电源原理:直流电压为把接入的交流电压,用变压器提升,经高压整流及高压滤波获得高压电加在激光管上。
  CO2激光器是一种效率较高的激光器,不易造成工作介质损害,发射出10.6μm波长的不可见激光,是一种比较理想的激光器。按气体的工作形式可分为封闭式及循环式,按激励方式分电激励,化学激励,热激励,光激励与核激励等。与其它激光器相比,CO2激光器有着以下优缺点,如下:
  优点:具有较好的方向性、单色性和较好的频率稳定性。而气体的密度小,不易得到高的激发粒子浓度,因此,CO2气体激光器输出的能量密度一般比固体激光器小。
  缺点:CO2激光器的转换效率是很高的,但最高也不会超过 40%,这就是说,将有 60%以上的能量转换为气体的热能,使温度升高。而气体温度的升高,将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发,这都会使粒子的反转数减少。并且,气体温度的升高,将使谱线展宽,导致增益系数下降。特别是,气体温度的升高,还将引起CO2分子的分解,降低放电管内的CO2分子浓度。这些因素都会使激光器的输出功率下降。
  4 结论
  粉末材料选择性烧结技术(SLS)快速成型技术中,金属粉末激光烧结是近年来人们研究的一个热点 ,实现使用高熔点金属直接烧结成型金属零件 ,对传统切削加工方法难以制造出高强度零件以及对快速成型技术更广泛的应用具有重要的意义,尤其是在航天器件、飞机发动机零件及武器零件的制备方面。近十几年来SLS技术得到了飞速发展,获得了良好的应用效果,但作为一项新兴制造技术,尚处于一个不断发展、不断完善的过程之中。目前,SLS 技术还有很大的发展空间。
  ①成形工艺和设备的开发与改进 ,以提高成型件的表面质量、尺寸精度和机械性能;
  ②新材料成型机理、成型性的研究与开发,为SLS提供具有良好综合性能的烧结粉末材料及形成快速成型材料的商品化;
  ③探索SLS技术与传统加工、特种加工等技术相结合的多种加工手段的综合工艺,为快速模具、工具制造提供新的技术手段;
  ④后处理工艺的优化。利用SLS虽可直接成型金属零件,但成型件的机械性能和热学性能还不能很好满足直接使用的要求,经后处理后可明显得到改善,但对尺寸精度有所影响,这就需要优化设计现有的后处理工艺以提高综合质量。随着SLS技术的发展,新工艺、新材料的不断出现,势必会对未来的实际零件制造产生重大影响,对制造业产生巨大的推动作用。
  参考文獻
  [1] 曹凤国,激光加工技术.北京:北京科学技术出版社,2007.
  [2] 肖荣诗,激光加工技术的现状及发展趋势.第十三届全国特种加工学术论文集.2009.10
  [3] 杨继全,戴宁,侯丽雅著.三维打印设计与制造.北京:科学出版社,2013.
  [4] 王运赣,王宜.三维打印技术.武汉:华中科技大学出版社,2013.
  [5] 曹凤国等.特种加工手册,北京:机械工业出版社,2010.
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