激光选区烧结的若干关键技术研究讲解.docx

1、激光选区烧结的若干关键技术研究讲解华中科技大学博士学位论文激光选区烧结的若干关键技术研究 姓名:李湘生申请学位级别:博士专业:材料科学与工程 指导教师:黄树槐;史玉升 2001.1.1华中科技大学博士学位论文AbstractseIective l觞er sinter.ng(sLstechnolo鲥is撑lated to many subjec协such够mech锄ical, material,sinterin舀optics柚d so on.A lot offund枷ental pmblem including powder deliVe睇enefg delivery绷d sintering m

2、echanism of powder on SLs process a他deeply inVestigatedin this dissenation.The processing teclllloIogy of sLS is also investigated in tIIis dissertation,whichplay a imDonam r01e for m锄ufhcturing quality panS by me蛐s of HRPSI system witllthe tecllIlolo肼 The theoretical and experimentaI佗sults in the d

3、issenation not only supply a refemncefor the design ofcontrol systcm and prchealing sckmd alsojs afound硝on ofdevelop协gnewSLsmatcrials-The energy delivery pmcess in SLS process is inVestigated in thedisse髓t.on-The preheat.ng ene唱y and its distribution are roundly investigaledfor a诧w f抽ili盯p他heal.ng驰t

4、sMain factors innuencjng flux anddistribution for preheating set amthe geometry of preheat component,洒fix location鲫d tlle geometry of咒nect coveL Some me船ums impmVing the non.uniformity of tempcmtu他field ap他sentcd.Impmving the stmctlIml dcsign Ofp他hcating setsis one ofthemThc powderbed temper咖他鲫d its

5、distribution眦aIso i帆stjgated.111e models on powderbed temper咖m under in触md mdiation叭fmher p他sented-The laser sc舢er par咖eters jnnuencing on l够er sc咖ingergy蚰d its d.s仃ibution盯e discussed.It is佗vealed that the化lation of l躯er enefgy density w.thanning spe is nonlinean Theinfluence of omer p猢eteIs Of l笛e

6、r柚d sc锄mr 0n thc ene唱y锄d ns dist曲utiOn is alsO investigaIed.Appmpriate pammeters onl船er明d sc蛐舱r a他fhnher p旭sented for un.fom energy disIrIbution.The simering process蛐d sinIering mech蚰ism for plticpowder峨d SLS processing珊 investigated.Mo他panicul刚y,the materi“movmgmech蛳i锄is deeply investigaled l研pIast

7、k powder sintcring.Thec叫sc明d princ.ple ofshrinkage蚰d densi母ing for plastic powder sintcring are reveaIed.The sintering c印abiliIy ofpl鹊tic powder锄d fkto体influencing jt arc discussedlII , 华中科技大学博士学位论文The geneml progr帅by which process.ng techlo科isdetemi船d is discus3。dThec“racy 0f SLS prototypes iS inve

8、stigated jn deta订by means ofmeoretical锄d experimental melhodIt i3djsclosed that the cause resulted in planar erro硌of pmtotypes盯e difIbrent fmm cause resulted in.venicaI enrs.Main cause resulted in pl卸盯eHD掩of prototypes is s11rinkagc,butmaIn cau8。3 resuIted jn vertical errors are powder layer sinking

9、锄dove“hickness offirst layer sintefedThe shrinking pmblem is a very compIicated in SLS pcessing.The s11rinkagein SLSprocessing js investigated in this pa睁Fjrst s11rinkage is dividedinto恤epans which is slrinkageresulted f如m temperatum,sintering slIrinkage蛐d crystall.zing slIrinkage.Thec叫托sulted in t1

10、1e shrinkage舯d their modelis investigated separaIely.The innuence of shrifll(age oncuracy of pan5 fabricated with SLS pmcess is djscussed.The innuence of processing parametcrs on shrinkagcis panlculany invest.gated柚d somem劬ods ofTeducing咖_inl嗡ge啪p“tedThe mechanical property of pam f曲ricated wiIh SLS

11、 process蛐d its influencing factofs盯e investigaled.It is disclod tll砒mech蛐icaJ pfopeny ofp帅is哪ocialed wilh their pore fractioll. . The Dore fhction is reIated with sintefjng extenL tllemfb旭me sintering extent impacts onthe mechanjcal pmpeny of pam fabricated w.m sLs pmss.11le elastichy moduIus is mos

12、t sensitive to sintering extent.The next ta瑁et fof the investigationsLs妣lllology is p驼nled on me hase of above researches.The developing tnd ofSLS technolo科is 8lso discIlssed.Keywords:seIectiVe I嬲er sintering P他heating L船er eneIgy dis耐butionSintering mech锄ism SIlrjIll(age Accury Processing tecllIlol

13、o科mechanical Prope哪华中科技大学博士学位论文AbstractseIective l觞er sinter.ng(sLstechnolo鲥is撑lated to many subjec协such够mech锄ical, material,sinterin舀optics柚d so on.A lot offund枷ental pmblem including powder deliVe睇enefg delivery绷d sintering mechanism of powder on SLs process a他deeply inVestigatedin this dissenatio

14、n.The processing teclllloIogy of sLS is also investigated in tIIisdissertation,which play a imDonam r01e for m锄ufhcturing quality panS by me蛐s of HRPSI systemwitll the tecllIlolo肼 The theoretical and experimentaI佗sults in the dissenation not only supply arefemnce for the design ofcontrol systcm and

15、prchealing sckmd alsojs afound硝on ofdevelop协gnewSLsmatcrials-The energy delivery pmcess in SLS process is inVestigated in thedisse髓t.on-The preheat.ng ene唱y and its distribution are roundlyinvestigaled for a诧w f抽ili盯p他heal.ng驰tsMain factors innuencjng flux anddistribution for preheating set amthe ge

16、ometry of preheat component,洒fix location鲫d tlle geometry of咒nect coveL Some me船ums impmVing the non.uniformity oftempcmtu他field ap他sentcd.Impmving the stmctlIml dcsign Ofp他hcating setsis one ofthemThc powderbed temper咖他鲫d itsdistribution眦aIso i帆stjgated.111e models on powderbed temper咖m under in触md

17、 mdiation叭fmher p他sented-The laser sc舢er par咖eters jnnuencing on l够ersc咖ingergy蚰d its d.s仃ibution盯e discussed.It is佗vealed that the化lation of l躯er enefgy density w.thanning speis nonlinean The influence of omer p猢eteIs Of l笛er柚d sc锄mr 0n thc ene唱y锄d ns dist曲utiOn is alsO investigaIed.Appmpriate pamm

18、eters onl船er明d sc蛐舱r a他fhnher p旭sented for un.fom energy disIrIbution.The simering process蛐d sinIering mech蚰ism for plticpowder峨d SLS processing珊 investigated.Mo他panicul刚y,the materi“movmgmech蛳i锄is deeply investigaled l研pIastk powder sintcring.Thec叫sc明d princ.ple ofshrinkage蚰d densi母ing for plastic

19、powder sintcring are reveaIed.The sintering c印abiliIy ofpl鹊tic powder锄d fkto体influencing jt arc discussedlII华中科技大学博士学位论文The geneml progr帅by which process.ng techlo科isdetemi船d is discus3。dThec“racy 0f SLS prototypes iS investigated jn deta订by means ofmeoretical锄d experimental melhodIt i3 djsclosed th

20、at the cause resulted in planar erro硌of pmtotypes盯e difIbrentfmm cause resulted in venicaI enrs.Main cause resulted in pl卸盯eHD掩of prototypes is s11rinkagc,butmaIn cau8。3 resuIted jn vertical errors are powder layer sinking锄dove“hickness offirst layer sintefedThe shrinking pmblem is a very compIicate

21、d in SLS pcessing.The s11rinkagein SLSprocessing js investigated in this pa睁Fjrst s11rinkage is dividedinto恤epans which is slrinkageresulted f如m temperatum,sintering slIrinkage蛐d crystall.zing slIrinkage.Thec叫托sulted in t11e shrinkage舯d their modelis investigated separaIely.The innuence of shrifll(a

22、ge oncuracyof pan5 fabricated with SLS pmcess is djscussed.The innuence of processing parametcrs onshrinkagc is panlculany invest.gated柚d somem劬ods ofTeducing咖_inl嗡ge啪p“tedThe mechanical property of pam f曲ricated wiIh SLS process蛐d its influencing factofs盯e investigaled.It is disclod tll砒mech蛐icaJ p

23、fopeny ofp帅is哪ocialed wilh their pore fractioll. . The Dore fhction is reIated with sintefjng extenL tllemfb旭me sintering extent impacts onthe mechanjcal pmpeny of pam fabricated w.m sLs pmss.11le elastichy moduIus is mostsensitive tosintering extent.The next ta瑁et fof the investigationsLs妣lllology

24、is p驼nled on me hase of above researches.The developing tnd ofSLS technolo科is 8lso discIlssed.Keywords:seIectiVe I嬲er sintering P他heating L船er eneIgy dis耐butionSintering mech锄ism SIlrjIll(age Accury Processing tecllIlolo科mechanical Prope哪华中科技大学博士学位论文第一章绪论本章摘要:本章综述了快速成型技术的发展历史,特别介绍了sLs成型技术的发展现 状和存在的问

25、题。并在此基础上提出了本文的研究意义和目的。1.1快速成型技术是一种新型的制造技术1.1.I快速成型技术的一般意义快速成型的定义:直接从计算机的图形数据产生三维物体的成型方法.简记为RP&M(R印id Pmtotyping&Manufacturing,这个术语是由3D公司首先提出并使用的,后来有的研究单位又 采羽术语:sFF(soIid FreeforITl Fabrication,LM(LayeredMuf缸tur-ng,当然还有一些其它 的术语,但用得较多的还是这三个术语。在我们中国,用得较多的是快速成型或者是快速原型 制造。在70年代末到80年代初,有一些学者(A.Hcben of 3M

26、 in MinneapolisH.Kod啪a oftl” Nagoya prefectIlre fesearch institIlte jn Jap锄,c.Hull ofuVP in caIifomia在不同的地点几乎同时 提出了RP(Rapid ProtoIyping的新思想,即利用连续层的选区固化产生三维实体的思想当 Hebert和Kodama两人由于没有资金支持继续将他们的新思想变成商业产品之前,不得不将他 们的研究停下来时,Hull却能得到uvP的继续支持,开发了一个能够自动建造丰青确零件的完整 系统即:SLA1,1986年该系统获得专利,同年,Hull、R.Freed和UVP的股东一

27、起建立 了3D系统公司,从1986年底到1987年底,今天所使用的许多快速成型的概念和技术就在3D 系统公司发展成熟了。随后,1986年。美国Tcx船大学的学生C”1.Deckard提出了激光选区烧结(SLSSelective Laser sjnlering的思想,同年,开发了sLs的初始机型,但很快该机型被抛弃。后来组建了 一 l华中科技大学博士学位论文DTM公司,才在1992年开发了现在使用的sinterstation系列商业化成型机。scon c九lmp在1988年提出了FDM成型的思想,1990年展出了样机,1992年发展了商业机型3DMOGELER。 Michaael Feygin在

28、1984年提出了LoM的思想,1985年组建HELlsYs公司,1989年开发了 样机,稍后开发了商业机型LoM.1050【”。从RP的发展历史来看,RP还是一个新兴产业领域.但由于其独特的技术特点,其成长速 度很快,截止2000年底,全世界的RP装机总量达到七千多台。传统加工技术,一般有这样的三种方法:(j切除材料的加工方法:一般是以简单的棒料或者板料为原料。或者用其它加工方法得到的 毛坯,切除不需要的部分.即可得到所需要的零件。如平常所说的机械加工方法就是其中 的一种。(2成型方法:是以棒料、板料等为原材料,采用变形的方法,依靠各种模具或者专用的工具 将原料的形状和性能改变成所需的零件形状

29、和性能.如锻造、冲压、铸造都属于这一类加 工方法。(3组合加工方法:这是将比较简单的组件通过连接方法组合一个复杂的零件。如焊接加工, 粘结等。在传统加工方法中,采用自动化生产方式,个机械零件的制造费用将是零件形状的复杂 程度和产量的函数,对于切除和成型加工方法,还必须在加工零件之前,加工复杂的工具.制 定复杂的工艺路线。对于传统的组合制造方法,在加工零件之前,还必须预制相应的组件,和 特殊的夹具。传统的自动化加工方法主要适用于大批量的生产.生产的准备时间长。然而,如果生产上只需要少量的甚至是一个零件,通过以上的传统加工方法加工,加工费 用是很高的,而且加工时间也很长,从商业意义上来说,长的生产

30、时间和高的生产费用都是难 以被现代企业所接受。新的加工方法快速制造技术特别适合于制造小批量的特别复杂的零 件。这种方法可以大大降低小批量零件的制造成本,缩短制造周期.这种加工方法使用零件的 计算机模型作为加工文件,只用最简单的最原始的原材料形式(粉末,液体,气体,板材等, 就可加工山复杂的零件,而且加工的费用与时间和制品的复杂程度关系不大。2华中科技大学博士学位论文1.I.2RP技术产生的背景和发展历史在人类历史上,制造技术的发展道路是曲折的。远在石器时代,人类就开始有了原始的制 造技术。为了生存的需要,他们必须选择一些东西作为武器和工具.他们首先看到了到处都存 在的石头。但是适合做武器和工具

31、的锋利石头却不多,于是他们将作为原料的石头改变形状, 制做山锋利的刃口,和适合手拿的把柄,这个过程实际上就是原始的制造过程。从那时开始, 人类的制造技术将原料改变形状和性能获得所用的零件技术就不断地发展。但是只有到了铜器和铁器时代,零件制造才包含了真正的制造技术的含义。对于铜和铁原 料,早期的制造手段主要是以成型为主。然而这个时期。木材的加工倒是发展迅速,这可能是 因为木材的切削很容易,精度可以得到一定的保证。加工方式也只是手工方式,由于手工生产 的效率很低,无法进行大批量的生产,所制造的产品也就具有个性化的特色.此时的制造技术 所制造的产品精度很差,而且多只能制造单件使用的产品,很难制造可以装配的零件产品,但 用木材加工的产品却可以装配更复杂的机械,所以在那个时代,木制机械发展很快,创造了很 多精美的作品和艺术品。到了近代,材料科学的发展,能切削铁器和铜器的工具才出现,现代加工和现代企业走上 了快速发展的轨道。大批量生产的管理手段为现代制造技术向高速高精度方向发展提供了保证。 所以以生产批量和生产效率为目标的制造方法不断出现。这个时期生产的产品具有精度高的特 色,但是完全没有了个性化的东西存在,即使是很简单的东西都能找到看起来完全相同的几百 到几十万件。这时期的制造技术比古代的制造技术已经有了很大的进步。这些大大地改善了人 们生活。但是,随着时代的发展,这样的生产方