工业设计师需要了解的工艺——SLS快速成型技术

2017-08-04 09:40:29


快速成型技术(Rapid Prototyping) 20 世纪80 年代中后期发展起来的一项新型的造型技术。近年来随着国内企业对产品外观设计的重视度提高,有了较大的发展,大量从事工业设计行业的设计师开始在日常工作中越来越多的接触到各种快速成型技术。


快速成型技术是将计算机辅助设计(CAD) 、计算机辅助制造(CAM) 、计算机数控加工技术(CNC) 、材料学和激光技术相结合起来的综合性造型技术。经过十多年的发展,已经形成了几种比较成熟的快速成型工艺:光固化立体造型(SLA-Stereolithography) 、分层实体制造(LOM-Laminated Object Manufacturing) 、选择性激光烧结(SLS-Selected Laser Sintering) 和熔融沉积成型( FDM-Fused Deposition Modeling)等。经过之前两篇文字的简单介绍,目前对于塑料产品制造常用的SLAFDM快速成型技术相信大家已经有所了解。本次笔者将介绍的是一种常用于金属制品打印制作的快速成型技术,即选择性激光烧结(SLS-Selected Laser Sintering)技术。


SLS技术起源于美国德克萨斯大学澳斯汀分校(University of Texas at Austin)1986年,该校学者Carl Deckard在其硕士论文中首次提出了SLS工艺原理,于1988年研制成功了第一台SLS成形机。随后,由美国的DTM公司将其商业化,于1992年推出了该工艺的商业化生产设备SinterStation 2000成形机。在过去的20多年里,SLS技术在各个领域得到广泛的应用,各国研究人员对SLS技术从基本形成原理、加工工艺、新材料、精度控制、数值仿真等方面进行了广泛而深入的研究,有力地推动了SLS工艺的发展。


由于SLS工艺具有粉末选材广泛、适用性广、制造工艺比较简单、成形精度高、无需支撑结构、可直接烧结零件等诸多优点,成为当前发展最快、最为成功的且已经商业化的快速成型方法之一,在现代制造业得到越来越广泛的重视。


由于可用材料很广泛,在使用不同的材料时,使用SLS工艺加工快速成型件的具体工艺会存在一些差别。不过大体上,整个成型工艺可以分为前处理、粉层烧结及后处理三个阶段。


在前处理阶段,通过使用计算机,将需要制造的快速成型件的三维数据转换成符合快速成型技术要求的stl文件,再经过不同快速成型制造系统提供的处理软件,生成系统自身可接受的层片模型。特别应该注意的是:由于SLS工艺的特点,其并不需要像之前介绍的FDM或者SLA工艺那样增设支撑体,但不能制造完全封闭的空腔,所有此类空腔必须由人工增设开孔,以便排出余料。


随后,通过将前处理获得的数据送入经过预热准备的设备,加工进入粉层烧结阶段。在此阶段,铺粉棍将一层粉末材料平铺在成型区域的表层,然后,使用激光束在软件控制下按照该层的截面轮廓在粉末上扫描,使粉末的温度升至熔点,进行烧结,并与下面已成型的部分实现粘结。当一层截面烧结完成后,工作台下降一个层的厚度,铺料辊又在上面铺上一层均匀密实的粉末,进行新一层截面的烧结,直至完成整个模型。在这一过程中,底层未固化的材料粉末充当了新一层材料的基础,从而省去了支撑体的构造。


快速成型件逐层烧结完毕后,将已烧结的部分取出冷却后,即可进入后处理工序,而余下的粉末经回收仍可用于此后的快速成型加工中,故此,理论上,使用SLS工艺制造产品的材料利用率为100%。在此阶段,视使用的材料不同,快速成型件需要经过余粉清理、二次烧结、材料融渗等不同方式的再加工,从而获得需要的性能。


需要特别指出的是,对材料的预热是SLS工艺中的一个重要环节,没有预热或者预热温度不均匀,将会使成型时间增加,所成型零件的性能低、质量差、精度差甚至使烧结过程完全不能进行。对粉末材料进行预热,可减小因烧结成型时因受热在工件内部产生的热应力,防止其产生翘曲和变形,提高成型精度。


通过对SLS快速成型工艺流程的梳理,我们可以发现,SLS快速成型件的表面精度依赖于使用的材料种类和粒径、产品的几何形状和复杂程度,该工艺一般能达到工件整体范围内±(0.05--2.5mm的公差。当粉末粒径为0.1mm以下时,成型后的原型精度可达±1%。同时,由于SLS工艺的原料是粉末状的,原型的建造是由材料粉层经加热熔化而实现逐层粘结的,因此,严格的来说,原型的表面是粉粒状的,因而最终产品的表面平整度不高。


从成本角度看,虽然激光器单位寿命的成本仍然较高,然而SLS工艺中使用的多数粉末的价格较便宜,所以SLS模型的成本相比较来看并不是最高的。不过,由于原材料为各种粉末,所以工作中会有很多的粉状物体污染设备周边的空间,此外,由于种种难以完全避免的原因,激光烧结过程中会产生一些异味,倒置设备需要有单独房间的放置,并加强通风换气。这导致整体的设备运营成本仍然居高不下,不利于其推广普及。


在设计领域中,SLS技术最典型的应用是在内燃机进气管的设计过程中,采用SLS工艺快速制作内燃机进气管模型。由此种方法获得的快速成型件,可以直接与相关零部件安装,进行功能验证,快速检测内燃机运行效果以评价设计的优劣,然后进行针对性的改进,以达到内燃机进气管产品的设计要求。


此外,在模具及铸造行业中SLS已经越来越多的被用于直接制作快速模具或复杂金属零件的快速无模具铸造等工艺中。产品成功应用于汽车、造船、航天和航空等诸多行业。


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,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,经过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。
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