sls复合烧结材料的研究

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1、SLS复合烧结材料的研究SLS复合烧结材料的研究傅蔡安,薛旷华(江南大学机械工程学院,江苏无锡214122)摘要:通过对激光选区烧结技术——SLS烧结成型件形状和尺寸精度的研究,分析了造成收缩变形,翘曲变形的原因,提出了改变粉末烧结材料特性,提高SLS烧结精度的方法,并通过试试验验证了该方法的可行性和实用性.关键词:SLS;成型;收缩;翘曲中图分类号:TH16文献标志码:ASLS是目前应用相对比较广泛的一种快速原型制造方法,它借助精确引导的激光束使烧结或熔融后凝固形成三维原型制件;但是成型过程中的收缩变形,翘曲变形等严重影响加工件的

2、形状和尺寸精度,使得SLS的应用与发展受到极大影响.如何进一步提高SLS加工件的精度,已成为SLS研究中的重要课题.l影响成型零件质量因素的分析影响成型零件形状和尺寸精度的主要因素有CAD模型误差,机器误差和工艺误差l_1],其中工艺误差影响最大,是产生误差最重要的因素.零件烧制时,粉末材料在冷却过程中的收缩是产生工艺误差的一个重要来源.SLS成型过程中的收缩由温至收缩,烧结收缩和结晶收缩(非结晶聚合物没有结晶收缩)组成l_2],收缩一般会对加工件精度产生下列影响.1)零件整体尺寸缩小温至收缩是成形件从工作温度降至室温时产生的收缩.

3、由于温至收缩的影响,当成型件从工作温度降到室温时会产生x,y,z3个方向上的收缩,且由于原型件外层材料冷却收缩定形较快,当内部材料收缩时,就会对外层材料产生向内拉的作用,从而使零件表面出现内凹的倾向,原型件与理想的CAD模型产生差异,出现整体尺寸缩小(图1).理想的CAD模型实际烧结的零件图1模型和原型件的差别2)造成翘曲变形翘曲出现在成型的整个过程中,一般加工的初始阶段尤为严重.粉末材料吸收激光能量后熔融或熔化,在与下层材料黏结后,逐渐冷却产生烧结收缩,由于下部的结构材料先前已经冷却,所以上层材料的收缩会使与之黏结的下层材料受到压

4、应力的作用,而正在冷却和收缩的上层材料受到下层材料的束缚,受到拉应力的作用,其结果导致已成型层产生翘曲.通常翘曲后的烧结层两端翘起(图2a),当铺下一层粉的时候,由于受到铺粉小车前推摩擦力和下压力的作用(图2b),产生向前滑移和向下塌陷(图2c),出现原型件歪斜且成前后高低不一的现象,造成严重的翘曲变形.b)c)图2翘曲对成型过程的影响示葸图SLS原型件的精度不高,很大程度是由粉末材料在烧结冷却过程中收缩造成的,激光功率,扫描速度,工作温度,扫描路径和添加支撑等都会影响原型件的收缩大小].对于常用的烧结材料,经过优选的设备工艺参数,

5、可以提高成型件的精度,但最有效的措施可能还是改进烧结材料的性能.通过对烧结过程中材料状态变化的观察和通过改善粉末材料的性能研究发现,在常用的粉末烧结材料中添加不易收缩的材料,可明显减小降温过程中的材料收缩效应,提高成型件的精度.2复合粉末烧结的研究SLS技术所使用的烧结材料——PS粉末是一种能吸收激光能量,并能熔融黏结成型的材料,其主要性能为:密度1.040～1.065g?cm_',收缩率0.2～0.6,黏态流动温度175～195℃,分解温度>300.C.由于PS粉末颗粒与颗粒之间有空隙,在实际烧结过程中,熔融材料流动并充填空

6、隙,因此其收缩率值会更大.假设粉末颗粒都是球团形的,那么在固态未压?92?《新技术新工艺?材料与表面处理技术2007年第12期一实时,其最大密度只有全密度的74.一般来说粉末的密度是全密度的70%左右,烧结成型后制品的密度可达全密度的90以上.所以,烧结成型过程中密度的变化必然引起制品的收缩.设粉末的密度为10,烧结制品密度为10.,10与lD2的比为y,同时设烧结粉末某个微元的体积收缩率为,3个方向收缩率为,,,则对应的收缩模型为¨2:g_k—y一(1一)(1一)(1--a)102假设3个方向收缩率相同,则有:y一(1一)..根据

7、公式,如果在体积V的PS纯粉中加入粒度相同且在加工中不易收缩的粉末材料(如水泥粉,石膏粉),设加入M千克,体积为V,该部分体积在烧结后视为不变.而纯粉部分V变成V,混合粉末烧结前后密度分别为

8、0M与J0M.,比值为yM,3个方向的收缩率用胁表示,那么公式:一一.忽略烧结过程中粉末分解而损失的质量,可将纯粉部分烧结前后质量视为不变,有(pV+M)=(p2+M),则～一DM1一一±,y一.0Mi一V1V>p2.0M2十,因为lD2>P1,101V1=p2Va,所以P2(V2+V)>P】(V1+V),从而有(1一).&g

9、t;(1--a).,即协<,所以混合粉末的整体收缩率要小于纯粉的整体收缩率,且可以判断,不收缩粉末在混合粉末中占的比例越大,烧结后收缩越小.3混合粉末烧结试验结果分析为了验证上述理论推导,验证混合粉末能降低烧结收缩,并能改善原型