1、引言
快速原型制造技術(shù)RP(rapid prototyping)是一種產(chǎn)生于上世紀(jì)八十年代末期的新型制造技術(shù)，它匯集了計算機科學(xué)、CAD/CAM、數(shù)控技術(shù)、激光加工技術(shù)、新材料等諸多工程領(lǐng)域的先進成果。RP技術(shù)從出現(xiàn)到現(xiàn)在經(jīng)過了近二十年的時間，在世界范圍內(nèi)得到了很快的發(fā)展并獲得了廣泛的應(yīng)用。目前，RP技術(shù)的快速原型制造工藝方法有十多種，其中比較成熟的主要有：立體印刷(SLA)；分層實體制造(LOM)；選擇性激光燒結(jié)(SLS)；熔化沉積成形(FDM)；三維打印(3D-P)；固基光敏液相法(SGC)。各種 RP方法均有自身的特點和適用范圍。
選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，簡稱SLS)作為快速原型制造技術(shù)RP的一個重要組成部分，其優(yōu)點是：以粉末為成型材料，用材種類廣泛、工藝過程簡單、成型效率高以及近乎百分之百的材料利用率、無需支撐、可制造任意復(fù)雜形狀的零件等。選擇性激光燒結(jié)成功解決了傳統(tǒng)加工方法中復(fù)雜零件的快速制造難題，能夠自動、快速、準(zhǔn)確地將設(shè)計轉(zhuǎn)化為一定功能的產(chǎn)品原型或直接制造零件，對縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約開發(fā)成本、提高企業(yè)競爭力都有重大的意義"。主要介紹金屬粉末選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展情況。
2、選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)
2.1 SLS技術(shù)的基本原理
選擇性激光燒結(jié)(SLS)又可稱為選區(qū)激光燒結(jié)，是利用激光有選擇地逐層燒結(jié)粉末，逐層的疊加從而預(yù)定形狀的三維實體零件的一種快速成形制造方法。SLS快速成形系統(tǒng)的工作原理，如圖1所示。
整個工藝裝置由粉末缸和成形缸組成，工作時粉末缸送粉活塞上升一個鋪粉厚度，由鋪粉滾筒在成形缸工作活塞上均勻鋪上一層粉末，由計算機根據(jù)切片模型控制激光束進行二維軌跡掃描，有選擇地?zé)Y(jié)粉末材料從而形成零件的一個截面層。燒結(jié)完一層后工作活塞下降-個鋪粉厚度，鋪粉系統(tǒng)重新鋪上一層新的粉末，系統(tǒng)控制激光束再次掃描燒結(jié)新的一個截面層。如此循環(huán)，層層疊加，直到整個三維零件燒結(jié)完成。最后取出燒結(jié)好的零件，將工作缸中未燒結(jié)的粉末回收到粉末缸中重復(fù)使用。
2.2 SLS技術(shù)的特點
SLS技術(shù)的特點歸納起來主要有以下幾點：
(1)生產(chǎn)周期短,開發(fā)成本相對較低。
(2)成形過程與零件的復(fù)雜程度無關(guān)，可以成形幾乎任意幾何形狀的零件,是真正意義上的自由制造，對于具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件,SIS具有傳統(tǒng)制造方法無法比擬的優(yōu)勢。
(3)材料范圍寬，從理論上說,任何加熱后能夠粘結(jié)的粉末材料都有被用作SLS原材料的可能性，這包括了塑料、陶瓷、金屬粉末及它們的復(fù)合粉末。
(4)成形件應(yīng)用面廣，由于成形材料的多樣化，使得SLS適合于多種應(yīng)用領(lǐng)域,如原型設(shè)計驗證、模具母模、精鑄熔模、鑄造型殼和型芯等。
3、金屬粉末選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)
SLS最初只能用于塑料粉末和蠟粉的成形,20世紀(jì)90年代初,德國EOS公司與芬蘭的Rapid Product Innovations合作,研制出可用于SIS成形的燒結(jié)不收縮銅粉和不銹鋼粉，從而將SIS技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域拓展到了金屬材料成形領(lǐng)域。利用SLS工藝直接燒結(jié)金屬粉末成形三維零部件是SLS技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)之一，也是快速成形制造的最終目標(biāo)之—。國內(nèi)外科研人員在這方面進行了大量的研究工作，并初步取得了一些成果,在某些高科技領(lǐng)域得到了一定范圍的應(yīng)用。
目前，金屬粉末的SLS成形主要分為間接法和直接法兩種。
3.1間接法
SLS間接法金屬粉末與有機粘結(jié)劑按-一定配比所組成的混合物作為燒結(jié)用金屬粉末。燒結(jié)過程中,因為有機材料的紅外光吸收率高、熔點低，因此覆膜或粘結(jié)劑熔化后將金屬粉末顆粒粘結(jié)起來,形成金屬零件的坯體(綠件)。
3.1.1間接法使用的粉末材料
間接法成形中所使用的粉末材料為金屬粉末與有機材料粉末組成的混合物，其中有機粉末材料為粘結(jié)劑。金屬粉末與有機粘結(jié)劑的混合方法有兩種:
(1）利用有機材料包覆金屬材料制得的覆膜金屬粉末，這種粉末的制備工藝復(fù)雜，但燒結(jié)性能好，且所含有機材料比例較小，更有利于后處理;
(2)金屬與有機材料的混合粉末，制備較簡單，但燒結(jié)性能較差。
3.1.2間接法研究現(xiàn)狀
美國Harrisl,Marcus等人對60Cu-40PMMA(有機玻璃)混合粉末進行了燒結(jié),經(jīng)后處理工藝,相對密度在(84~96)%之間。南京航空航天大學(xué)在RAP-Ⅱ設(shè)備上對粉末材料：鐵粉(79%或鎢粉)+聚酯粘結(jié)劑(21%)進行燒結(jié)，經(jīng)滲銅處理得到EDM電極，并進行EDM放電試驗，實驗表明，當(dāng)采用的放電加工參數(shù)合理時，電極的體積損耗可降到4%或更低，接近于純銅。吉林工業(yè)大學(xué)用有機樹脂包覆的鐵基合金98Fe2Ni進行了燒結(jié)研究。華中科技大學(xué)對覆膜金屬粉末(尼龍12覆膜CuAI、碳鋼)進行了燒結(jié)實驗研究。
3.1.3間接法成形工藝
(1)燒結(jié)工藝
SIS成形件的質(zhì)量與成形參數(shù)有關(guān)。SLS的成形參數(shù)有激光功率、掃描速度、掃描間距、層厚、光斑大小等。較大的激光功率，較低的掃描速度和較小的光斑直徑,可獲得高的能量密度，可使粉末的燒結(jié)深度和寬度增加，但也會使成形件容易產(chǎn)生翹曲變形；反之，如果能量密度太低，則在金屬粉粒間形成的聯(lián)結(jié)強度太低，成形件不能保持形狀；掃描間距和層厚要兼顧成形效率和成形件的強度、精度，在滿足后者的前提下，使用較大的掃描間距和層厚有利于提高成形效率。
(2)后處理工藝
成形坯件(綠件)必須進行后處理，才能成為致密的金屬功能件。后處理一般有三步：降解聚合物、二次燒結(jié)和滲金屬。
①降解聚合物：通過加熱、保溫來去除金屬粉粒間起聯(lián)結(jié)作用的聚合物。
②二次燒結(jié)：經(jīng)過第一步后，金屬粉粒間的聚合物幾乎全部被去除，此時金屬粉粒間只靠殘余的一點聚合物和金屬粉末間的摩擦力來保持，這個力很小。要保持形狀，必須在金屬粉粒間建立新的聯(lián)結(jié)，這就需要將坯件加熱到更高溫度，通過擴散來建立新的聯(lián)結(jié)。
③滲金屬：二次燒結(jié)后的成形件是多孔體，強度也不高，提高強度的方法就是滲金屬。熔點較低的金屬熔化后，在毛細(xì)力或重力的作用下，通過成形件內(nèi)相互連通的孔隙，填滿成形件內(nèi)的所有孔隙，使之成為致密的金屬件。
間接法具有燒結(jié)速度快，對激光器功率要求不高、對環(huán)境要求較低等優(yōu)點,可極大的降低生產(chǎn)成本和設(shè)備成本叫；間接法的主要缺點就是：
(1)間接法獲得的成形件孔隙率較大，強度也不是很高，必須要經(jīng)過后續(xù)處理才能用作金屬功能件。一般的后續(xù)處理工藝為脫脂→高溫焙燒→金屬熔浸。
(2)工藝周期長，后續(xù)處理中零件的尺寸和形狀精度會降低。
3.2直接法
SLS直接金屬粉末成形即直接金屬粉末激光燒結(jié)(Directmetal Laser Sintering, DMLS)，與間接法不同, DMIS成形所使用的金屬粉末中不含任何有機粘結(jié)劑。DMIS成形過程中，利用高能量的激光直接燒結(jié)金屬粉末獲得金屬零部件。目前，由于材料和工藝因素的限制，DMLS成形所獲得的金屬零部件的機械強度和致密度差別較大。對于致密度較低的燒結(jié)件，一般需要通過后續(xù)處理來提高機械強度以滿足使用要求。
3.2.1直接法使用的粉末材料
(1)單組分金屬粉末
對單元系燒結(jié),特別是高熔點的金屬，在較短的時間內(nèi)達到熔融溫度，需要很大功率的激光器。燒結(jié)過程中，激光在任一金屬粉末顆粒上持續(xù)輻照的時間很短,很短,通常在(0.5~25)ms 之間，粉末顆粒的熔化和凝固是在瞬間完成的，在如此短暫的熱循環(huán)下，一般只能通過粉末顆粒的粘性流動或熔化的方式來形成快速粘結(jié)，因此很難獲得致密度較高的零部件。
(2)多組分金屬粉末混合體系
多組分金屬粉末混合體系成形機制一般沿用傳統(tǒng)的液相燒結(jié)機制，液相燒結(jié)可以顯著提高原子的擴散速率，引起物質(zhì)的遷移,加速燒結(jié)過程的進行，而且液相將填充燒結(jié)體內(nèi)固體顆粒間的孔隙，可以獲得致密性較高的燒結(jié)件。
(3)預(yù)合金粉末
①單組分預(yù)合金粉末
預(yù)合金粉末顆粒的粘結(jié)也是通過液相燒結(jié)來完成的，燒結(jié)溫度在其組分的液相線溫度和固相線溫度之間進行選擇，稱之為超固相線液相燒結(jié)。預(yù)合金化粉末的燒結(jié)過程：液相生成、顆粒破碎、重新排列、晶粒再填充和滑動,粗化、溶解再沉淀消除孔隙。
②預(yù)合金粉末與單組分金屬粉末混合系
預(yù)合金粉末與單組分金屬粉末混合系的選擇性激光燒結(jié)具備了多組分純金屬粉末燒結(jié)和預(yù)合金粉末燒結(jié)的工藝優(yōu)勢。
3.2.2直接法研究現(xiàn)狀
G.Zong 等研究了帶氣體保護裝置的鐵粉直接燒結(jié)成型，成型后密度可達到48%，進一步提高性能，需進行致密化等其它處理。
Haase于 1989年對鐵粉進行了研究，燒結(jié)的零件經(jīng)熱等靜壓處理后,相對密度達90%以上。Austin大學(xué)也對單一金屬粉末激光燒結(jié)成型進行了研究，成功地制造了用于F1戰(zhàn)斗機和AIM-9導(dǎo)彈的INCONEL625超合金和Ti-6Al-4合金的金屬零件。美國航空材料公司已研究開發(fā)成功先進鈦合金構(gòu)件的激光快速成型。大連理工大學(xué)在進行314奧氏體不銹鋼粉末直接燒結(jié)時，采用大小2種球形顆粒按-定比例混合，在燒結(jié)過程中小顆粒能排列到大顆粒之間的間隙中，從而降低孔隙率，提高制件密度。南京航空航天大學(xué)開展了316L不銹鋼粉末。Ni-Cu基合金粉末和Ni基合金粉末F105的燒結(jié)研究。還有北京有色金屬研究總院的張永忠、石力開等人直接燒結(jié)高溫合金Rene-95，獲得具有良好外形和尺寸精度的成形零件。
316L不銹鋼粉末 圖源：天久金屬
3.2.3直接法成形工藝
(1)燒結(jié)工藝
由于直接法所用粉末材料中是用金屬粉末充當(dāng)粘接劑,根據(jù)液相燒結(jié)機制,熔化充當(dāng)粘接劑的金屬粉末所需的能量也相對較多。因此在直接金屬粉末燒結(jié)成形中所需的激光功率相對較高，掃描速度相對較低以提高能量密度來完成燒結(jié)。另外也可以通過粉床預(yù)熱的方法來實現(xiàn)低激光功率下燒結(jié)成形,預(yù)熱溫度需要根據(jù)不同的粉末組成來確定,而且粉床預(yù)熱還能降低燒結(jié)件的內(nèi)應(yīng)力,減少變形,提高制件的精度。
掃描方式對成形件的精度和強度有著很大的影響，且受很多因素的影響,其規(guī)律難以掌握。燒結(jié)金屬粉末般多用變向掃描方式。
(2)后處理工藝
燒結(jié)制件中存有大量的孔隙，其力學(xué)性能也較差。因此,需要后處理工序來提高密度，以提高強度。
①滲金屬：用熔點更低的金屬熔化后滲入燒結(jié)體內(nèi)的孔隙中，制成致密金屬件，使燒結(jié)制件的強度進-步提高。
②熱等靜壓處理：對坯件進行熱等靜壓處理，使密度提高，強度提高。
4、金屬粉末SLS存在的問題
金屬粉末SLS技術(shù)是一個非常年輕的制造領(lǐng)域，在許多方面還不夠完善,如目前制造的三維零件普遍存在強度不高、精度較低及表面質(zhì)量較差等問題。SLS工藝過程中涉及到很多參數(shù)(如材料的物理與化學(xué)性質(zhì)、激光參數(shù)和燒結(jié)工藝參數(shù)等)，這些參數(shù)影響著燒結(jié)過程、成形精度和質(zhì)量。零件在成型過程中,由于各種材料因素、工藝因素等的影響，會使燒結(jié)件產(chǎn)生各種冶金缺陷(如裂紋、變形、氣孔、組織不均勻等)。引起這些問題的主要因素有:
(1)粉末材料性質(zhì)：粉末材料的物理特性，如粉末粒度、密度、熱膨脹系數(shù)及流動性等對零件缺陷形成有重要的影響。粉末粒度和密度對成形件的精度和粗糙度也有顯著的影響。粉末的膨脹和凝固機制對燒結(jié)過程的影響可導(dǎo)致成形件孔隙增加和抗拉強度降低。
(2)工藝參數(shù)：激光和燒結(jié)工藝參數(shù)：如激光功率、光班直徑、掃描速度和方向及間距、掃描方式,燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間以及層厚等對層與層之間的粘接燒結(jié)體的收縮變形、翹曲變形甚至開裂都會產(chǎn)生影響。此外，預(yù)熱是金屬粉末SLS 中一個重要環(huán)節(jié)，對金屬粉末材料進行預(yù)熱可減小因燒結(jié)在工件內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力,防止產(chǎn)生翹曲和變形，提高成形精度。
(3)后處理影響：利用SLS雖可直接成形金屬零件，但成形件的力學(xué)性能和熱學(xué)性能還不能很好滿足直接使用的要求，經(jīng)后處理后可明顯得到改善，對尺寸精度有所影響。
5、結(jié)語
金屬粉末SLS技術(shù)是一種正在進一步發(fā)展和完善的技術(shù)。商業(yè)化的SLS材料大多是聚合物或覆膜聚合物的金屬粉末，因而成形零件的力學(xué)性能較差，精度較低，一般只能作為樣件使用。雖然可以通過一些方法來提高成形零件的密度或以這個原型為母模去翻制出最終產(chǎn)品，但這并不是SIS技術(shù)快速成形的最終目標(biāo)。隨著人們對激光成形機理的掌握，各種材料最佳燒結(jié)參數(shù)的獲得，以及系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的成形材料的出現(xiàn)，金屬粉末SLS技術(shù)也將日趨完善，隨著新材料、新工藝的不斷開發(fā)以及智能化相關(guān)技術(shù)的不斷應(yīng)用，SLS技術(shù)的研究和應(yīng)用必將進入一個新的階段。（文章來源：天久金屬）
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