2、选择性激光烧结Selective Laser Sintering (SLS)
SLS技术与SLA技术很相似,只是用粉末原料取代了液态光聚合物,并以一定的扫描速度和能量作用于粉末材料。该技术具有原材料选择广泛、多余材料易于清理、应用范围广等优点,适用于原型及功能零件的制造。在成形过程中,激光工作参数以及粉末的特性和烧结气氛是影响烧结成形质量的重要参数。 热可塑造型法以DTM公司开发的选择性激光烧结即SLS(Selective Laser Sintering)应用较多。该方法是用CO2激光熔融烧结树脂粉末的方式制作样件。工作时,由CO2激光器发出的光束在计算机控制下,根据几何形体各层横截面的几何信息对材料粉末进行扫描,激光扫描处粉末熔化并凝固在一起。然后,铺上一层新粉末,再用激光扫描烧结,如此反复,直至制成所需样件。如图3所示。
图3 选择性激光烧结原理图
目前,可用于SLS技术的材料包括:尼龙粉、覆裹尼龙的玻璃粉、聚碳酸脂粉、聚酰胺粉、蜡粉、金属粉(成型后常须进行再烧结及渗铜处理)、覆裹热凝树脂的细沙、覆蜡陶瓷粉和复蜡金属粉等。粉末材料薄薄地铺一层在工作台上,按截面轮廓的信息,CO2激光束扫过之处,粉末烧结成一定厚度的实体片层,逐层扫描烧结最终形成快速原型。用此法可以直接制作精铸蜡模、实型铸造用消失模、用陶瓷制作铸造型壳和型芯、用覆膜砂制作铸型[1]、以及铸造用母模等。在造型过程中,未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂部分起着支撑作用,不必象SLA工艺那样另行生成支撑工艺结构。
SLS技术造型速度快(一般制品,仅需1天~2天即可完成)、造型精度高(每层粉末最小厚度约0.07mm,激光动态精度可达±0.09mm,并具有自动激光补偿功能)、原型强度高(聚碳酸脂其弯曲强度可达34.5MPa,尼龙可达55MPa),因此,可用原型进行功能试验和装配模拟,以获取最佳曲面和观察配合状况。
SLS技术最早由美国德克萨司大学开发,并由DTM公司将其推向市场。
SLS技术视所用的材料而异,有时需要比较复杂的辅助工艺过程。以聚酰胺粉末烧结为例,为避免激光扫描烧结过程中材料因高温起火燃烧,必须在造型机器的工作空间充入阻燃气体,一般为氮气。为了使粉状材料可靠地烧结,必须将机器的整个工作空间、直接参与造型工作的所有机件以及所使用的粉状材料预先加热到规定的温度,这个预热过程常常需要数小时。造型工作完成后,为了除去工件表面沾粘的浮粉,需要使用软刷和压缩空气,而这一步骤必须在闭封空间中完成以免造成粉尘污染。
●在汽车模具制造中应用 美国德克萨斯州立大学研究的SLS技术,已由美国DTM公司商品化。目前该公司已研制出SLS2000系列第三代产品。该系统能烧结蜡、聚碳酸酯、尼龙、金属等各种材料。用该系统制造的钢铜合金注塑模具,可注塑5万件工件。近年来基于RPM技术模具制造技术已从最初的原型制造,发展到快速工模具制造,成为国内外应用研究开发的重点。基于RPM的模具制造方法可分为直接制模法和间接制模法。
直接制模法是直接采用RPM技术制作模具,在RPM技术诸方法中能够直接制作金属模具的是SLS法。用这种方法制造的钢制铜合金注射模,寿命可达5万件以上。但此法在烧结过程中材料发生较大收缩,精度难以控制。
间接制模法可分为:
(1)软质简易模具的制作 采用硅橡胶、金属粉环氧树脂粉和低熔点合金等将原型准确复制成模具,或对原型进行表面处理,用金属喷涂法或物理蒸发沉积法镀上一层熔点较低的合金来制作模具。这些简易模具的寿命为50~5000件,由于其制造成本低、周期短,特别适合于产品试制阶段的小批量生产。
(2)钢质模具的制作将RPM技术与精密铸造技术相结合,可实现金属模的快速制造。或者直接制造出复形精度较高的EDM电极,用于注塑模、锻模、压铸等钢制模具型腔的加工。一个中等大小、较为复杂的电极一般4~8h即可完成,复形精度完全满足工程要求。福特汽车公司用此技术制造汽车模具取得了满意的效果。上海交通大学也已通过RP与精密铸造结合的方法为汽车及汽车轮胎等行业生产进口替代模具计80余副。与传统机加工法相比,快速模具制造的制作成本及周期大大降低。我国每年需进口模具达8亿多美元,主要是复杂模具和精密模具,因此,SLS技术在未来的汽车模具制造业中的应用前景十分广阔。
●在汽车灯具制造上的应用 汽车灯具大多数的形状是不规则的,曲面复杂,模具制造难度很大。通过快速成型技术,可以很快得到精确的产品试样,为模具设计CAD和CAM提供了有利的参考。同时,也可以通过快速成型技术,用熔模铸造的方法快速、高精度地制造出灯具模具。 |