壓縮包內(nèi)含有CAD圖紙和說(shuō)明書(shū),均可直接下載獲得文件，所見(jiàn)所得，電腦查看更方便。Q 197216396 或 11970985
快速原型制造硅砂模式基于選擇性激光燒結(jié)
J.L. Songa,b,?, Y.T. Lia, Q.L. Dengb, D.J. Hub
中國(guó)，上海200030 , 上海交通大學(xué), 中國(guó)B校機(jī)械與動(dòng)力工程； 太原030024 ,太原科技大學(xué), 學(xué)校材料科學(xué)與工程
摘要：
近年來(lái),快速原型制造技術(shù)( RPM )中已逐漸走向成熟, 已被廣泛地用于制造功能性和實(shí)用金屬和陶瓷零件. 不過(guò),研究選擇性激光燒結(jié)( SLS )的石英砂則非常有限. 實(shí)驗(yàn)中的快速原型制造的石英砂進(jìn)行了基于SLS . 微觀形貌的燒結(jié)模式,在不同的工作條件下觀察三維光學(xué)顯微鏡(庵) . 影響工藝參數(shù)如激光功率,掃描速度,重疊率, 激光光束直徑與粉末混合比對(duì)尺寸精度和燒結(jié)質(zhì)量調(diào)查系統(tǒng). 它表示, "走出效應(yīng)" ,變形的燒結(jié)樣品減少通過(guò)降低切片厚度和 優(yōu)化工藝參數(shù). 最后,有條件的選擇性激光燒結(jié)硅砂的方式獲得.
? 2006 Elsevier公司訴乙版權(quán)所有.
關(guān)鍵詞:快速原型制造; 補(bǔ)充; 硅砂模式; 燒結(jié)質(zhì)量
1. 序言
選擇性激光燒結(jié)( SLS )的一個(gè)重要分支,快速原型制造( RPM ) ,是結(jié)合計(jì)算機(jī)工程, 數(shù)控技術(shù),激光技術(shù)和材料加工技術(shù). 它也是世界上最重要的突破,在最近20年. 在加工前, 復(fù)合添加劑制造方法,可以用來(lái)制作三維任意形狀部件的CAD模式,而不涉及的 專(zhuān)用工具和模具. 因此,生產(chǎn)的靈活性和處理速度可以大大提高,導(dǎo)致時(shí)間和總成本可以降低. 相比其他的RPM技術(shù),廣泛的材料,如有機(jī)聚合物,蠟, 金屬和陶瓷,可用于前,后處理簡(jiǎn)單,它是那么費(fèi)時(shí). 由于 它一直高度集中,自發(fā)明在八十年代末已迅速發(fā)展[ 1-5 ] .
目前, 炎熱的實(shí)地研究的領(lǐng)域選擇性激光燒結(jié)主要集中在金屬加工, 陶瓷材料,取得了顯著成就,已經(jīng)取得的成果. 然而,作為一種豐富而廉價(jià)的原料, 研究補(bǔ)充硅砂還很有限[ 6-8 ] . 在這個(gè)文件中,快速原型制造硅砂模式基于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行了研究. 噴涂工藝參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究和微觀分析方法, 合格硅砂模式取得.
2 . 實(shí)驗(yàn)選擇性激光燒結(jié)
2.1 . 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和材料
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括一個(gè)3kW分橫流CO2激光機(jī),自行設(shè)計(jì)和建造粉末壓裝置 一套計(jì)算機(jī)模擬軟件和西門(mén)子數(shù)控系統(tǒng). 精確的數(shù)值控制系統(tǒng)為0.1毫米. 原則的選擇性激光燒結(jié)系統(tǒng)顯示圖. 1 . 在SLS過(guò)程中, 粉末進(jìn)行了掃描沿預(yù)定軌道由激光束根據(jù)CAD模型的組件. 經(jīng)過(guò)掃描一層,活塞被降下來(lái)了距離一層厚度. 然后粉末預(yù)填在上燒結(jié)層粉末壓輥, 最后整個(gè)硅砂模式可以燒結(jié)掃描逐層.
實(shí)驗(yàn)材料所用的是自制的石英砂-酚醛樹(shù)脂(酚醛樹(shù)脂)的化合物. 主要成分的石英砂中SiO2:99%, Al2O3:0.22%,,而微TiO2含量,熔點(diǎn)為1750?C號(hào) 粘接劑酚醛樹(shù)脂粒度200網(wǎng)及軟化點(diǎn)105-115?C號(hào) 固化劑8-12成胺.
2.2 . 實(shí)驗(yàn)方法
為了考察了工藝參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量及尺寸精度的燒結(jié)樣品, 長(zhǎng)度,寬度及高度的多軌激光燒結(jié)樣品分別標(biāo)示為L(zhǎng)號(hào) 鎢和H的影響激光功率P ,掃描速度六,重疊η, 激光光束直徑D和粉末配比φ對(duì)燒結(jié)質(zhì)量和準(zhǔn)確性分別研究的情況下, 其他參數(shù)不變,在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值多種實(shí)驗(yàn). 在焊接以后樣品, 表面的微形態(tài)學(xué)在另外工作之下情況被觀察了在KEYENCE 三維顯微鏡下。
3 . 結(jié)果與討論
3.1 . 準(zhǔn)分子激光功率對(duì)燒結(jié)質(zhì)量
形成機(jī)制的選擇性激光燒結(jié)石英砂在于吸收激光能量. 在加熱作用激光束,粘接劑軟化,熔融后固化, 石英砂顆粒被插入的粘合,構(gòu)成了固態(tài)連接骨架. 因?yàn)檐浕c(diǎn)硅砂相當(dāng)?shù)?大約只有110?C號(hào) 和優(yōu)化加熱淬火溫度約為250?三,所需的功率較低. 在此同時(shí),因?yàn)闄?quán)力的激光切割機(jī)跳躍一系列的瓦特?cái)?shù), 這導(dǎo)致一個(gè)很明顯的錯(cuò)誤,同時(shí)分析了影響激光功率. 在另一方面,由于電流相對(duì)穩(wěn)定, 它可以用來(lái)作為參考值的激光功率. 據(jù)觀察,從實(shí)驗(yàn)中,在一次電流為0.8 , 粘接劑酚醛樹(shù)脂尚未完全融化; 在電流為1.0 , 燒結(jié)效果最佳; 而電力增加值1.2 , 樣品表面被碳化,并敬獻(xiàn)了黑顏色. 因此,優(yōu)化電流在實(shí)驗(yàn)條件下為1.0甲.
圖2 顯示不同的激光束 力量的作用在微被焊接的樣品的形態(tài)學(xué)。圖2(a) 顯示形態(tài)學(xué)原始的硅土沙子。它表示, 五谷原物硅土沙子是基本上一致規(guī)則半透明水晶提出在牛奶的顏色白色和蒼白黃色。在混合和按以后, 硅土的外部沙子由粘合劑, 硅土的空白包裝了沙粒用bonders 被填裝了。圖2(b) 微形態(tài)學(xué)在更低的力量, 它之下能被看見(jiàn)表面樣品提出淡黃的下面低力量, 零件的顏色黏合劑不充分地被熔化, 并且接合力量是不是足夠。在中等力量之下, 樣品的表面是在一種深褐色的顏色, 硅土沙粒是mosaicked 在堅(jiān)實(shí)黏合劑和形式一個(gè)半透明的保稅的身體與理想的被焊接的作用, 依照被顯示在圖2(c)。圖2(d) 顯示被焊接的表面下面更高的激光束 力量, 因?yàn)槟芰渴翘? 地方區(qū)域在表面當(dāng)前黑棕色顏色并且黏合劑被碳化了。
圖1. SLS 系統(tǒng)的原則。
3.2. 掃描速度F 的作用在維度被焊接的樣品
圖3 表明掃描速度的影響對(duì)維度被焊接的樣品在激光束直徑3 毫米, 重疊的寬度0.5 毫米、激光束 力量12W, 和粉末比率硅土沙子和PF 樹(shù)脂14:1 。以增加掃描加速, 樣品減退的長(zhǎng)度、寬度和高度逐漸。這個(gè)結(jié)果原因是那以增加掃描速度, 激光束的停留時(shí)間在掃描斑點(diǎn)相應(yīng)地變短了, 當(dāng)激光束 力量是恒定的, 實(shí)際輸入能量在單位時(shí)間減少, 和熱受影響的區(qū)域并且被減少了, 導(dǎo)致a 維度變小樣品。
3.3. 重疊的作用η, 激光束直徑D 和粉末混合物比率Φ在樣品的高度
在實(shí)驗(yàn), 激光束直徑D 被設(shè)置了到3mm 調(diào)整defocusing 的數(shù)額, 重疊? 毗鄰掃描軌道變化了在0.5-2.0 毫米, 激光束力量的范圍 P 12W 是, 粉末比率嗎? 是11:1, 和掃描速度F 是650 mm/min 。用增加重疊, 焊接深度增加了。當(dāng)重疊被增加了, 激光束 能量的吸收增加了, 更多黏合劑的數(shù)量被熔化了, 并且變?nèi)岷偷酿ず蟿┑纳疃仍黾恿?。在情況下, 其它實(shí)驗(yàn)性參量是固定的, 激光束能量密度減少了以增加激光束 依照被顯示放光直徑, 和被焊接的深度迅速地被減少, 在圖4 。
圖2. 激光束 力量的作用在被焊接的樣品的微形態(tài)學(xué): (a) 原始的硅土沙子微粒(b) 低力量, (c) 中等力量, 和(d) 大功率。
圖4 并且顯示關(guān)系在粉末混合物之間比率? 并且被焊接的維度在激光束 的情況下察覺(jué)3 毫米, 激光束 力量12W, 重疊1.1mm 和掃描加速650 mm/min 。它能被看見(jiàn), 以增加?, 樣品的長(zhǎng)度、寬度和厚度輕微地變化, 但不非常極大。那是以增加粘合劑, 被焊接的樣品的維度輕微地增加。由于粘合劑內(nèi)容的減少, 連接橋梁在硅土沙子粉末之中減少了, 變?nèi)岷筒⑶胰刍瘏^(qū)域和混雜的粉末的深度減少了相應(yīng)地。所以, 耐壓強(qiáng)度被焊接樣品可能被提高以更高的黏合劑內(nèi)容, 但許多粘合劑導(dǎo)致很多變形并且收縮, 導(dǎo)致波動(dòng)維度。PF 樹(shù)脂的固體化收縮收效一個(gè)區(qū)別在實(shí)際維度和被設(shè)計(jì)的部分之間被焊接的樣品, 但那里仍然有一些規(guī)則被跟隨。隨后實(shí)驗(yàn)的粉末混合物比率被選擇作為11:1 。
3.4. 崗位處理被焊接的樣品和質(zhì)量分析
在崗位之前處理, 有殘余的未熔化的接合粉末在有選擇性的激光束 被焊接的樣品, 和粘合劑的發(fā)行不是同類(lèi)的, 力量樣品是降低, 并且熱量藏品過(guò)程必需。沙子樣式可能只被使用在熔鑄在硬化的過(guò)程以后, 在中接合的聚集的現(xiàn)象代理可能被消滅, 水并且gasifiable 事態(tài)可能是揮發(fā), 和黏合劑可能一致地被分布當(dāng)被焊接的樣品舉行在大約250°C 30 分鐘。在有
圖3. 掃描速度的作用在被焊接的樣品的維度。
有條理改進(jìn)被焊接的樣品的力量沒(méi)有碳化, 崗位處理溫度不應(yīng)該超過(guò) 300?C 。由于有選擇性的激光束 焊接是被碾壓的材料疊加性制造過(guò)程、切的厚度和過(guò)程參量有一個(gè)重大作用在質(zhì)量適當(dāng)?shù)貨](méi)控制和"階段效應(yīng)" 將出現(xiàn)。樣品的維度準(zhǔn)確性和表面結(jié)束將很大地影響。同時(shí), 在處理SLS, 由于不均勻的熱化和收縮, 變形是有義務(wù)發(fā)生。
圖4. 重疊, 斑點(diǎn)大小和粉末比率的聯(lián)系對(duì)維度被焊接的樣品。
避免這些瑕疵和改進(jìn)表面完成, 切的厚度應(yīng)該是足夠稀薄, 和合理處理參量應(yīng)該被選擇。層數(shù)厚度并且有一個(gè)作用在被焊接的組分的物產(chǎn)。稀薄的切的層數(shù)導(dǎo)致一更高尺寸準(zhǔn)確性和機(jī)械力量, 但制造業(yè)時(shí)間將被延長(zhǎng)。如果層數(shù)是太稀薄的, 均一和 粉末層的compactibility 將變得困難。避免這些瑕疵和改進(jìn)表面而且, 激光束 功率密度由激光束 力量和斑點(diǎn)大小決定, 并且熱化粉末的溫度和期間依靠在激光束 功率密度和掃描速度。在條件下低功率密度和迅速掃
圖5. 沙子樣式焊接了由有選擇性的激光束 焊接。
描速度, 粉末的部份不要有足夠時(shí)間完全地熔化, 和力量樣品是更低。但是, 粉末溫度過(guò)份地是更高, 蟲(chóng)膠黏合劑將被燒焦和將被氣化, 并且被焊接的表面將成為概略, 結(jié)合的物產(chǎn)在層數(shù)和焊接之間質(zhì)量將被減少。
根據(jù)上述分析, 它結(jié)束更好焊接作用可能被獲得以媒介激光束 力量和降低掃描速度。優(yōu)化處理參量是如下: 電流1.0 A, 掃描速度650 mm/min, 激光束直徑3 毫米, 重疊0.5mm 和粉末混合物比率11:1 。沙子樣式焊接了以早先參量被顯示在圖5 。
4. 結(jié)論
有選擇性激光束 焊接硅土沙子有特征高靈活性, 更短的前置時(shí)間, 低成本, 做法集中化并且形成沒(méi)有模子。它是特別適當(dāng)?shù)臑閺?fù)雜形狀的鑄件和生產(chǎn)的發(fā)展和小全部片斷。
處理參量有重要作用在物產(chǎn)并且被焊接的樣品的準(zhǔn)確性。以適當(dāng)?shù)妮斎?激光束 力量, 粉末比率和重疊, 表面準(zhǔn)確性并且維度精確度可能被改進(jìn), 夾層接合力量和整體組分的機(jī)械力量罐頭并且被改進(jìn)。
粘合劑可能一致地被分布和力量樣品可能被提高以崗位處理和舉行, 而是藏品溫度無(wú)法超過(guò)300°C 。形成樣品的精確度可能被并且改進(jìn)減少切的厚度和過(guò)程的優(yōu)化參量。
鳴謝
這工作由全國(guó)自然科學(xué)支持了中國(guó)的基礎(chǔ)在被授予的數(shù)量的50375096 之下。
[1] Liu Hongjun, Fan Zitian, Huang Naiyu, A note on rapid manufacturing
process of metallic parts based on SLS plastic prototype, J. Mater. Process.
Technol. 142 (2003) 710–713.
[2] Deng. Qilin, Hu. Dejin, Pei. Jingyu, An Experimental study on selective 激光束
sintering of ceramic powders, Aviat. Precision Manuf. Technol. 37 (2001)
28–31 (in Chinese).
[3] D. King, T. Tansey, Rapid tooling: selective 激光束 sintering injection tooling,
J. Mater. Process. Technol. 132 (2003) 42–48.
[4] Y.P. Kathuria, Microstructuring by selective 激光束 sintering of metallic powder,
Surf. Coat. Technol. 116–119 (1999) 643–647.
[5] J.P. Kruth, M.C. Leu, T. Nakagawa, Progress in additive manufacturing and
rapid prototyping, Keynote papers, CIRP Annals (1998) 525–540.
[6] Y. Tang, J.Y.H. Fuh, H.T. Loh, Direct 激光束 sintering of silica sand, Mater.
Des. 24 (2003) 623–629.
[7] Li Jianguo, Xu Mingheng, Pattern-less rapid precision casting technology
based on SLS prototyping, Mach. Build. Autom. 5 (2003) 12–13, 16 (in
Chinese).
[8] Fan Zitian, Huang naiyu, Li Yan, Investigation on the pre-coated casting
molds (or cores) made by the selected 激光束 sintering, J. Nanchang Univ. 22
(2000) 24–29 (in Chinese)