SLS快速成型机设计.docx

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SLS快速成型机设计

摘要

快速成型（RP）技术是近年来倍受学术界和制造业关注的一种先进成型制造技术。

目前世界上占主导地位的5种RP成型方法其基本原理业己完善，针对具体的RP系统如何在不增加昂贵的附加成本的同时，进一步提高成型效率、提高成型件的精度、完善成型件性能以及尽量扩展成型件的适用范围是发展RP技术的重要课题.作者正是基于以上观点，就高分子粉末材料的激光选区烧结（SLS）快速成型技术中的成型精度、成型时间、扫描路径、成型件的后处理及成型件在制模中的应用问题开展了深入的研究。

将所研究结果应用于设计机械结构中，提高成型机工作合理性。

选择性激光烧结工艺（SLS）又称为激光选区烧结。

是借助精确引导的激光束使材料粉末烧结或熔融后凝固形成三维原型或制件。

该工艺方法是由美国得克萨斯大学奥斯丁（Austin）分校的C.R.Dechard于1989年研制成功的。

目前研究SLS的有DTM公司，E.O.S公司，3DSystems公司，北京隆源公司，华中科技大学，华北工学院，南京航空航天大学等。

其中，最早将SLS市场化的是DTM公司。

作者对比DTM，EOS两大公司的经典设计方案，改进设计结构，增强工作性能，试图将新的思想带入到SLS成型机的设计中。

关键词：

快速成型，激光选区烧结，成型效率，成型精度

TheSelectiveLaserSinter

Abstract

RapidPrototyping（RP）isanadvancedformingandprocessingtechnologythatisfollowedwithinterestbyresearchersandmanufacturesinrecentyears.NowthebasicprinciplesoffivekindsofRPtechnology,whichdominateintheworld,havebeenintegrated.TospecialRPsystems,itisanimportantsubjecthowtodecreaseformingtime,improvetheprototypingprecisionandextendtheutilizationareaofprototypingwithoutextraexpensivecost.Justonthebasisofallaboveopinions,theresearchontheformingprecision,formingtime,scanningpath,post-treatmentandRTofSLSonthehighmolecularpowdermaterialsispreceded.Theresultofthisresearchhasbeensuccessfullyappliedintothesystemandhasgreateffectonmanufacturingqualifiedparts,alsoisafoundationofamelioratingthissystem.

TheSelectiveLaserSinter（SLS）isalsonamedLaserSelectivitySinter.Itcanmakethedatumpowdersinterorblendtothree-dimensionalantitypebydintofexactitudeintroductorylaser.Thiscraftworkiscreatedin1989byanAmerican,C.R.Dechard,wholivedintheAustin.

Now,therearemanycompanystudyingtheSLSintheworld,forexample,theDTM,E.O.S,3DSystems.Andtherearealsomanycompanyinourcountry,forinstance,BeijingLongyuanLst.,themiddleofChinascienceandtechnologyUniversity.ButthefirstcompanywhomadetheSLScommercialistheDTM.

AuthorwouldlikecomparethedesignblueprintofDTMandE.O.S,andimprovethedesign,alsotrytotakeanewideaintotheSLS.

KEYWORDS:

RapidPrototyping,SelectiveLaserSintering,formingprecision,Formingtime

1绪论……………………………………………………………………………………6

1.1对快速成型技术的全面理解…………………………………………………6

1.2当前主要的RP技术……………………………………………………………7

1.2.1主要快速成型系统的综述…………………………………………………7

1.2.2几种主要RP技术的比较……………………………………………………8

1.2.2.1尺寸精度……………………………………………………………………8

1.2.2.2零件制造时间………………………………………………………………9

1.2.2.3制件的复杂程度……………………………………………………………9

1.2.2.4制作成本……………………………………………………………………9

1.3基于SLS成型技术的材料……………………………………………………9

1.4RP技术的发展现状……………………………………………………………10

1.4.1金属零件的直接制造和模具的快速制造………………………………12

1.4.2RP系统的发展………………………………………………………………13

1.5本课题设计的目的和主要内容……………………………………………13

2设计方案题目要求……………………………………………………………13

3SLS的工作原理…………………………………………………………………13

3.1信息过程——离散处理………………………………………………………13

3.2物理过程——叠加成型………………………………………………………13

3.2.1DTM——分缸铺粉…………………………………………………………14

3.2.2E.O.S——送料槽铺粉………………………………………………………14

4SLS的工艺过程及特点…………………………………………………………17

4.1激光选区烧结（SLS）的工艺特点………………………………………17

4.2工艺过程…………………………………………………………………………17

4.2.1粉末原料的烧结……………………………………………………………18

4.2.2粉末材料的选择……………………………………………………………19

5SLS的系统组成…………………………………………………………………20

5.1主机………………………………………………………………………………21

5.1.1成型工作缸…………………………………………………………………21

5.1.1.1丝杠副设计………………………………………………………………21

5.1.1.2丝杠固定支撑件选择…………………………………………………27

5.1.1.3步进电机的选择…………………………………………………………28

5.1.1.4齿轮的选择…………………………………………………………………29

5.1.2废料回收缸……………………………………………………………………33

5.1.3铺粉滚筒装置………………………………………………………………33

5.1.4送料工作缸……………………………………………………………………33

5.1.5激光器………………………………………………………………………34

5.1.6振镜式动态聚焦扫描系统…………………………………………………34

5.1.6.1步进电机驱动器的选择………………………………………………35

5.1.7机身与机壳………………………………………………………………………38

5.2计算机控制系统…………………………………………………………………38

5.2.1计算机…………………………………………………………………………38

5.2.2应用软件………………………………………………………………………38

5.2.3传感检测单元………………………………………………………………39

5.2.4驱动单元………………………………………………………………………39

5．3冷却器…………………………………………………………………………39

6编写计算程序………………………………………………………………………39

总结……………………………………………………………………………………42

致谢……………………………………………………………………………………43

参考文献………………………………………………………………………………44

1绪论

20世纪80年代末、90年代初发展起来的快速成形（RapidPrototyping&Manufacturing：

RP）技术，突破了传统的加工模式，是近20年制造技术领域的一次重大突破。

它与科学计算可视化和虚拟现实等技术相结合，为设计者、制造者与用户之间提供了一种可测量、可触摸的新手段。

快速成形技术可以自动、快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的原型或直接制造零件（模具），有效地缩短了产品的研发周期，是提高产品质量、缩减产品成本的有力工具。

它的核心是基于数字化的新型成形技术。

快速成形技术对制造企业的模型、原型及成形件制造方式正产生深远的影响。

RP是机械工程、CAD、数控技术及材料科学等学科的集成，它能将已具电子模型的设计迅速、自动地物化为具有一定结构和功能的原型或零件。

RP以极高的柔性给制造业予全新的概念。

1.1对快速成型技术的全面理解

RP的总体目标是在CAD的直接驱动下，快速完成具有复杂形状的零件：

（1）直接CAD驱动，无需专用的工夹具;

（2）快速完成，零件制造全过程的快速性，这是CAD直接驱动的直接结果:

（3）复杂形状的三维实体，RP可制造任意复杂程度的零件，不受零件几何形状的限制。

在RP的发展过程中，不少研究机构和人员都按照自己的理解赋予其不同的称谓，而这些不同称谓即反映了RP不同方面的重要特征；

·材料添加制造（MIM,MaterialIncreaseManufacturing）

“材料添加制造”将材料单元采用一定方式堆积、叠加成形，有别于车削等基于材料去除原理的传统加工工艺。

·分层制造（LM,LayeredManufacturing）

“分层制造”将复杂的三维加工分解成一系列二维层片的加工，着重强调层作为制造单元的特点，每层可采取更低维单元进行累加或高维单元进行加工得到。

·离散堆积制造

“离散堆积制造”是现代成型学理论中在对成型技术发展进行总结的基础上提出的，表明了模型信息处理过程的离散性，强调了成型物理过程的材料堆积性，体现了RP技术的基本成型原理，具有较强的概括性和适应性。

RP由于采用了离散堆积的加工工艺，CAD和CAM能够很顺利地结合在一起，而RP的工艺规划主要作用是对成型过程进行优化以提高造型精度、速度和质量，所以RP可容易地实现设计制造一体化。

·直接CAD制造（DCM,DirectCADManufacturing）

“直接CAD制造”反映了RP是CAD模型直接驱动，实现了设计与制造一体化，

计算机中的CAD模型通过接口软件直接驱动RP设备，接口软件完成CAD数据向设备数控指令的转化和成型过程的工艺规划，成型设备则象打印机一样“打印”零件，完成三维输出。

·实体自由成型制造（SFF,SolidFreeformFabrication）

“实体自由成型制造”表明RP技术无需专用的模腔或夹具，相应不受任何约束。

RP工艺是用逐层变化的截面来制造三维形体零件的形状和结构也，在制造每一层片时都和前一层自动实现联接，不需要专用夹具或工具，使制造成本完全与批量无关，既增加了成型工艺的柔性，又节省了制造工装和专用工具的大量成本。

·即时制造（IM,InstantManufacturing）

“即时制造”反映了该类技术的快速响应性。

由于无需针对特定零件制定工艺操作规程，也无需准备专用夹具和工具，RP技术制造一个零件的全过程远远短于传统工艺相应过程，使得RP技术尤其适合于新产品的开发，显示了其适合现代科技和社会发展的快速反应的特征和时代要求。

1.2当前主要的RP技术

RP是直接根据CAD模型快速生产样件或零件的成组技术的总称，是技术综合的结果。

到目前为止，RP的成型方法已逾百种，但是其中的大多数都还是处于实验室阶段，并没有实现真正的商品化。

不同的RP系统都有其特有的优势，但是同时也存在自身的缺陷，所以必须根据具体的使用要求进行RP系统的选择。

1.2.1主要快速成型系统的综述

现阶段RP技术的基本原理在上世纪90年代初期就得到了基本的完善，这些原理的最主要成果就体现在目前占统治地位的5种快速成型系统上面181191:

光固化立体造型（SLA,Stereolithography），叠层制造（LOM,LaminatedObjectManufacturing）,激光选区烧结（SLS,SelectiveLaserSintering）、熔丝沉积制造（FDM,FusedDepositionModeling）以及三维印刷（3DP,ThreeDimensionPrinting）.多年来主要是从这些原理出发，不断的完善系统性能及成型工艺，而很多其他的RP方法的发展却严重滞后，有些则被淘汰。

关于这五种RP系统的发展概况如下表：

表1典型RP系统的发展概况

1.2.2几种主要RP技术的比较

有关这5种主要的RP技术的成型原理已有很多文献进行过详细的介绍，这里不加赘述。

由于快速成型技术方法以及成型材料的迅猛发展，针对特定的零件如何选择最适合的快速成型系统是近年来快速成型研究的一个重点方面，下面在横向将几种主要的RP技术进行比较。

1.2.2.1尺寸精度:

在大多数情况，SLA能获得的尺寸精度最高，以下依次是LOM,FDM和SLS;

对于中等实体尺寸，SLA的精度最高，LOM次之，而FDM和SLS较差;

对于较小的实体尺寸，SLA的精度同样最高;

对于中等的空心尺寸，FDM和SLS获得的尺寸精度相对较高些;

对于较小的空心尺寸，FDM和LOM,SLA能获得的精度要优于SLS，这主要是由于受SLS材料的粉末粒度的限制及加工过程中产生过烧结而造成的:

对于加工微小尺寸的特征，SLA最好，FDM和SLS次之，并且同一水平上。

而LOM由于后处理太过困难，能获得的尺寸精度最差;

对于圆柱特征的表面粗糙度，SLA和LOM的精度最高，SLS中等，FDM最差;

对于建造大而平的水平面，SLA和SLS都易于产生翘曲变形，因此当用这两种工艺进行加工时，必须采取措施以尽量减轻翘曲变形的产生;

当建造有悬臂特征的零件时，FDM和SLA必须要有支撑，而且由于FDM加工时，零件暴露于空气中，所以相对而言，FDM对支撑的依赖性更大;但同时由于造型机理的原因，FDM支撑材料的选择更广泛一些，所以可以选择更脆且更易移除的材料制造支撑，所以其所获得的精度有时可能会更高些。

综上所述，不同的成型方法所能获得的尺寸精度有所差别，而且都有较难获得高精度的零件特征，所以对于特定的成型方法，应尽量避免加工这些特征。

RP中零件表面（包括水平面和垂直侧面）的完成质量受到以下几方面因素的影响:

成型方法的选择、成型方向、单层厚度、特征类型、激光扫描器或喷头系统的精度、所使用的材料等。

而台阶效应、填充方式、层片变形是影响零件表面质量的主要原因。

用轮廓算术平均偏差（Ra）、轮廓最大高度（Rt）和微观不平度十点高度（Rpm）来度量零件的表面质量：

SLA的Ra，Rt,Rpm比其他成型方法都小，其次是LOM，而FDM和SLS最差。

1.2.2.2零件制造时间

SLA较快，LOM次之，而FDM和SLS的成型速度较慢。

1.2.2.3制件的复杂程度

SLA较高，FDM和SLS次之，LOM较低。

1.2.2.4制作成本

制作成本应包括设备购置成本、设备运行成本以及人工成本，经过综合评价认为SLA较高，FDM和SLS次之，LOM的制作成本较低。

1.3基于SLS成型技术的材料

SLS材料的来源比较广泛，理论上讲受热后能够相互粘结的粉末或表面裹覆有热固性粘结剂的粉末都能作为SLS的材料.目前SLS材料目前主要有:

塑料粉（如聚碳酸酷、尼龙等）、蜡粉、金属粉、表面涂有粘结剂的陶瓷粉、覆膜砂等，它们被加热到熔点后能熔合，冷却后迅速固化.SLS材料要有良好的热固性、一定的导热性，粉末经激光束烧结后要有足够的粘结强度，粉末的直径不宜过大，一般要求小于0.2毫米，否则会降低原型的精度。

当用覆膜砂或陶瓷粉末烧结型芯时还要求有较小的发气性和与涂料良好的涂挂等，以利于浇注合格的铸件。

SLS材料还应有较窄的“软化一固化”温度范围，若该温度范围较大，制件的精度会受影响，此外，还应有良好的废料清除功能。

国外的DTM公司在SLS成型材料的开发上作了大量的工作，其推出的RapidTool2.0系列材料的收缩率很小，只有0.20/3，而且粉末细小，层厚最小可到

0.075mm，所以可以达到很高的精度和表面光洁度，几乎不需要后续抛光处理。

该公司最新研制的材料LaserFormST100的粉粒直径为23-34um，比RapidTool2.0的还小，这有利于成型件的表面处理，同时，也简化了粘结剂的降解和渗金属的工艺，有利于保证精度.该材料主要用于制造注塑模，制成的注塑模生产了卫万件产品还没有磨损;ROCKWELL公司研制的CopperPolymide材料基体为铜粉，粘结剂为聚酞胺（polyamide），其特点是成型后不需要入炉进行二次烧结，制造周期短，可在1天内完成模具的制造加工。

成型件的表面粗糙度可达到25pm，进行很好的抛光后，粗糙度最低可达12µm。

制成的模具可广泛用于PE,PP,PS,ABS,PC/ABS、玻璃增强的Polypropylene和其它的常用塑料的注塑成型，但是模具的寿命只有100~400件/副，EOS公司开发的PA320OGF尼龙粉末材料可以获得高精度和很好的表面光洁度。

Texas大学奥斯汀分校进行了没有聚合物粘结剂的金属粉末（Cu-Sn,Ni-Sn或青铜-镍粉复合粉末）的SLS成型研究，并成功制造了金属模具。

近年来，国内的北京隆源公司、华中科技大学都开发出了低熔点高分子粉末材料，可用于原型件的制作和替代蜡模进行熔模铸造。

南京航空航天大学在覆膜砂材料方面也作了大童的工作，选用250目在使用特性上与酚醛树脂类似的环氧树脂粉末作为搜膜砂粘结剂，经过合理的配比，获得了很好的烧结性能。

同时该大学还进行了金属粉末直接成型的研究，取得了一定的进展。

1.4RP技术的发展现状

1.4.1金属零件的直接制造和模具的快速制造

快速成型制造最早应用于机械零件或产品整体的设计效果的直观物理效果实现，只是用来审查最终产品的造型、结构和装配关系等目的。

RP的第二类用途是制造用于Rapid-Steel快速成型材料，为一种在微颗粒外表面裹覆一层很薄聚脂包衣的钢粉。

它经SLS快速烧结成型后使之在300℃环境下烧失（Debinding）粘结剂包衣，在700℃时使钢粉颗粒之间发生弱联结困（Necking）。

在1120℃时使熔化的铜在氢气气氛中渗入铜颗粒之中，以此工序来制作注塑模。

这种模具钢成分占60，铜占40%，其寿命高达数万件以上1241。

DynamicsTooling公司的PolySteel（复合钢）技术，可以生产出具有很高表面光洁度和尺寸精度的金属模具。

Keltool被认为是目前最有发展前景的一种快速制造金属模具的方法，由美国3DSystems公司开发。

其模具尺寸精度可达250mm误差为±0.04mm。

1.4.2RP系统的发展

近年来RP技术的一个值得注意的方面是RP系统的专业化，即针对某些特殊用途开发出的RP系统产品。

例如Stratasys公司开发的MedModelers系统，主要用于一些医院和医学单位。

近年来五大RP系统占据了绝大部分的RP设备市场份额，并且这五种成型方法以外的孙系统所占比例越来越小，所以大力改善这五大快速成型系统的制作精度、可靠性、生产率和制作大件的能力，并推出新一代（或改进）的机型是当前RP设备的发展方向。

例如3DSystems公司推出的SLA-7000，其制作速度比SLA-5000快8倍，同时SLA-7000的层厚可达0.025mm，比SLA-5000小一半，所以能达到更高的成型精度。

De.Montfort大学发展了一种称为“月芽型光顺”技术，主要针对SLA技术，可以大大提高制件的表面光洁度。

西安交通大学采用改进的二次曝光技术进行SLA原型件的制作，不仅可以减小原型的翘曲变形，而且还消除了传统二次曝光法的层间错位缺陷，从而提高了原型的制作精度。

Stratasys公司的FDMQuantum成型机采用的MagnaDrive系统，利用磁浮技术原理，使X-Y轴移动时速度更快，更滑顺，定位更准确，而且能在同一时间独立控制两个独立的加热喷头，加快了建造速度。

Clemson大学发展了一种旋转的工件建造平台，可以消除分层建造中的台阶问题。

工业界在许多方面对原型件的制作精度并不是太苛刻，所以开发制作速度快、价格低的RP系统的市场将是很大的。

几家美国公司正在推出能力较低但是价格低廉的RP系统，其目标是开发象复印机、打印机、传真机一样操作简便、快捷、安全、无噪声的快速成型系统。

例如Z公司的Z402采用多与125个喷嘴的打印头，其售价低于5万美元，成型速度比其他RP系统快20倍;而BMP技术公司的个人制模机采用5个喷嘴，售价仅为2.9-3.5万美元。

RP技术的一个发展方向是多种材料的复合成型，无需装配一次制造多种材料、复杂形状的零件和器件.这种将材料制备与结构成型一体化的RP方法，将为开发复合结构成型提供新途径，在微机械、电子元器件、电子封装、传感器等领域有广泛的应用前景。

值得一提的是美国卡内基梅伦大学（CarnegieMellon）的L.E.Weiss和斯坦福（Stanford）大学的R.Merz提出的一种多相组织的沉积型制造方法（ShapeDepositionManufacturingofHeterogeneousStructures）。

这种方法的原理如下:

利用等