机械零件快速成型的关键技术研究与开发

赵　威营口市信息技术学校

机械零件快速成型的关键技术研究与开发

赵威
营口市信息技术学校

随着市场环境的不断变化，人们对产品的要求越来越个性化、主体化和多样化，于是制造商为满足消费者需求赢得市场竞争的优势就需要不断的推出新的制造方法和工艺。本论文针对机械零件的成型制造进行了深入的研究，对选择性激光烧结热物理过程进行了分析和参数对比。希望对实际成型加工起到理论指导作用，并且能够用于选择性激光烧结成型加工的指导。

机械零件制造快速成型；SLS

一、选择性激光烧结技术及其研究意义

选择性激光烧结（简称SLS），又被称作分层制造或增材制造技术，是快速原型与制造技术（RP&M）中的一种。这种技术与普通机加工类的建材制造技术是不同的。SLS技术可以制造普通加工制造技术所不能完成的复杂结构零件。当今社会的各个国家都认为这种SLS技术不仅可以降低特殊结构零件的制造成本，还能提高制造效率，从而达到增强企业竞争力的目的。

采用SLS技术制造零件的基本过程并不复杂，基本可以归纳为以下几步：

1.运用CAD等图形软件设计出需要制造的零件模型；

2.将这个零件的模型用一系列的三角形来拟合，就是所谓的STL文件的转化；

3.把转化好的STL文件进行横截面切割；

4.采用激光热粘结分层的方式将零件的原型制造出来，这就是零件的雏形；

5.对零件原型清粉等处理。

由于这种金属零件应用很广泛，并且性能优越、种类很多，而采用SLS技术制造零件既方便又快捷，这样就会减少成本，增加效率。这种技术如今已成为世界各国关注的焦点。

二、SLS制造金属零件研究现状及发展趋势

到现在为止，SLS间接法制造出的金属零件研究还比较多，而且已经有应用的先例，粉末材料为SLS间接法奠定了良好的基础，但是现在它的应用领域还不够广泛，需要更大的拓展。

国外在这方面的研究也明显好于国内，没有商业化的粉体材料，可以应用于零件的结果。通过国内外烧结材料的应用现状可知，过去和现在的研究没有SLS粉末冶金结合已经成熟的技术，缺乏灵活性的材料选择，只考虑部分的最终性能直接与单一粉体材料的选择，如aisi1080碳钢等材料对应。虽然许多种粉体材料已经商业化，制备方法很麻烦，成本也很高，所以需要进一步改进。SLS直接法由于金属零件形坯接近理论密度，成为国际研究的热点，但一些问题（如热应力）不彻底解决和粉体材料的测定是有限的。因此，它仍然无法延长。虽然现有研究机构创建的一部分，但部分一般都是体积小。而形成的速度慢、精度低，目前只有少数几种金属材料的成形制造达到了商业化水平，并只应用于医学领域。因此，直接法不能与间接法进行比较。从快速成形制造技术发展来看，基本经历了快速原型、到快速制模、再到快速制造的不同阶段，而SLS制造金属零件应用领域的拓展基本经历上述几个阶段，目前该技术也趋向于采用最终金属零件构成材料制造出可供直接使用的零件。

三、金属零件快速成型的关键技术

如果形成高质量的金属粉末材料的SLS零件制造条件的间接SLS粉末，然后适应的形成过程，必须生产高质量的金属部件的第一前提的前提条件。

SLS工艺、铺粉和两点作用：一是在工作缸将接受粉末激光扫描区域；二是将扫描铺粉表面，扫描层厚达到预设值。粉店的质量往往是由SLS型坯质量的影响。粉末撒辊运动过程、粉体及受力对粉体表面的影响是由双组分组成。一种是粉末的摩擦，另一种是粉末的径向压力。这2种力是表面分布力的存在。如果将粉体视为弹性连续，则将粉体和力的变化进行转移。无论对非弹性碰撞的粉末颗粒的原因，干扰粉和粉末表面力传下来的应用，也造就了粉末内滞弹性内耗。扫描后的激光扫描界面粉末状态的变化，使摩擦系数跟随变化。虽然摩擦副作用有副作用，但它也可以通过在非扫描区域和密集的粉体颗粒的重建，和粉末颗粒是完整的嵌入式扫描区，有利于进一步固定的扫描面积，并提高下一次扫描层密度。

SLS的工艺参数一般有以下几个：激光功率、扫描间距、扫描速度、切片厚度及粉床预热温度，工艺参数组合将对SLS成形过程产生综合性的影响。在SLS技术中，上述参数有如下定义：

1激光功率：激光的输出功率直接决定了激光束的功率密度，这是影响激光能量输入的主要因素。与高斯分布按照辐射激光光斑的二维平面能量粉末床，越靠近中心的激光束的能量高。

2.扫描间距：相邻激光束扫描与轴心线之间的距离。

3.扫描速度：光斑的位移线的速度。

4.切片厚度：STL文件被离散的截面体厚度，即每层铺粉堆积的厚度。

5.预热温度：SLS成形中恒定的环境（粉床）基础温度。

激光烧结系统的高斯光束由于激光束的焦平面工作缸粉飞机。在扫描区域的轴线上，激光能量和能量沿着减小的向外的轴线方向得到。单扫描线截面能量分布与重叠扫描线数有关，且截面的能量分布与扫描空间和其它参数有关。如果考虑时间的影响，扫描区域的时间对环境的热损失和扫描线的存在直接耦合传热。假设热损失随着时间的推移变成一个简单的指数衰减，辐射的扫描区域的温度的结束状态达到环境温度。扫描线能量随时间的衰减为该条扫描线能量与衰减因子的乘积。激光能量分布的均匀性和最大值随扫描距离的增加而变化。激光能量随扫描距离的减小而增大。不均匀的能量分布会导致异形坯强度的不均匀，导致温度场分布不均匀。在能量分布不均匀的情况下，通过调整扫描间隔，不影响不影响小的成形效率，扫描线的耦合效应比较大，从而抑制了能量的耗散，提高了能量分布的均匀性。

四、结论与展望

当前的SLS技术还在发展与完善的阶段，它跟随着相关的科学理论的发展而发展。含有高聚物粘结剂的金属粉来进行SLS间接制造的零件技术已经被科研院以及一些商业的研究机构进行了多年的研究，但其开发应用潜力还需我们继续拓展。

[1]林锉云，董加礼.多目标优化的方法与理论.长春：吉林教育出版社，2010

[2]李占利.快速成型制造中的SLS技术.西安：西安交通大学，2008