CN102000821A - 基于sls成型的可控非匀质材料零件制备方法 - Google Patents

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董星涛
王春博
孙磊
李文俊
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Abstract

一种基于SLS成型的可控非匀质材料零件制备方法，包括以下步骤：1)对待加工的非匀质材料零件构造三维模型；2)根据待加工的非匀质材料零件的沿着高度方向的烧结密度分布情况，以及根据SLS成型机中预热温度、激光能量与烧结密度的对应曲面，确定待加工的非匀质材料零件的加工高度方向与预热温度、激光能量的变化曲面；3)将所述三维模型输入SLS成型机中，根据加工高度方向与预热温度、激光能量的变化曲面进行加工控制，依照加工高度依次分层加工得到非匀质材料零件。本发明能够加工非匀质变密度材料零件、实用性良好。

Description

基于SLS成型的可控非匀质材料零件制备方法
技术领域
本发明涉及零件制造技术，尤其是一种非匀质材料零件制备方法。
背景技术
快速原型（Rapid Prototyping，简称RP）技术20世纪80年代后期起源于美国，很快发展到西欧和日本，是20多年来制造技术领域的一次重大突破。快速原型技术是CAD、数控技术、激光技术以及材料科学与工程的技术集成，它可以自动、快速地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零部件，从而可以对产品设计进行快速评价、修改，以响应市场需求、提高企业的竞争能力；快速原型技术的出现，反映了现代制造技术本身的发展趋势以及激烈的市场竞争对制造技术发展的重大影响。
快速原型技术自诞生以来，已发展了多种技术，目前比较成熟的快速原型技术有以下几种：立体印刷成型、层合实体制造、熔融沉积造型、选区激光烧结。
想材料零件（Ideal Functional Material Components，简称IFMC）概念的产生是仿生学的又一成果。自然界中的众多生物体结构经过长期的优胜劣汰，其功能和结构达到了几乎完美的程度。例如竹子等植物体以非均质的形式实现了高强度、低重量的生存要求；而介观细结构的存在使某些动物体的骨骼具有负的泊松比，保证了骨骼的柔韧性要求。类似这样，按照零件的最佳使用功能要求来设计制造的，由均质材料、呈梯度变化的组织成分、按一定规律分布的细结构材料以及嵌入器件构成，实现材料组织结构和零件性能最佳组合的零件，就是理想材料零件。它面向具体的力学、热学、电磁学等多方面的梯度功能和智能等性能使用要求，在不同的区域，结合预设的几何特征、工艺特性及临近区域的材料特性，从均质材料和非均质材料中选择最适合的构材。
其实在自然界中，高精度和自组装的非匀质材料非常普遍，梯度结构广泛的存在于各种生物和动物中。动物的骨骼和牙齿是完美的天然非匀质材料，骨骼中骨细胞密度由内向外市逐步增加的，这种海绵质向致密质逐步变化的梯度结构式骨骼具有坚硬结实而不是柔性，具有很好的力学性能和支撑作用。现在使用传统的加工方法是无法加工出这种非匀质变密度的材料的。
发明内容
为了克服已有的零件加工技术无法加工非匀质变密度材料零件的不足，本发明提供一种能够加工非匀质变密度材料零件、实用性良好的基于SLS成型的可控非匀质材料零件制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 
一种基于SLS成型的可控非匀质材料零件制备方法，所述非匀质材料零件制备方法包括以下步骤：
1）对待加工的非匀质材料零件构造三维模型；
2）根据待加工的非匀质材料零件的沿着高度方向的烧结密度分布情况，以及根据SLS成型机中预热温度、激光能量与烧结密度的对应曲面，确定待加工的非匀质材料零件的加工高度方向与预热温度、激光能量的变化曲面；
3）将所述三维模型输入SLS成型机中，根据加工高度方向与预热温度、激光能量的变化曲面进行加工控制，依照加工高度依次分层加工得到非匀质材料零件。
作为优选的一种方案：所述步骤2）中，所述烧结密度分布情况呈梯度变化，所述变化曲线呈梯度变化。
本发明的技术构思为：选区激光烧结（Selected Laser Sintering, SLS）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零件。即成型机按照计算机输出的原型分层轮廓，采用激光束在指定路径上有选择性地扫描并熔融工作台上很薄且均匀铺层的材料粉末。由分层图形所选择的扫描区域内的粉末被激光束熔融，连结在一起，而未在该区域内的粉末仍然是松散的。当—层扫描完毕，向上（或下）移动工作台，控制完成新一层烧结。全部烧结后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获得原型或零件。
基于SLS成型的非均质材料零件设计思想和理想材料零件设计思想相同，即根据零件不同的功能要求，将其划分为有限个区域，各个区域中，材料的组分相和体分比都是根据需要而连续变化的；整体上表现出零件材料和功能的非均匀性。由于实验所使用的SLS成型机在加工时使用的是单一的尼龙材料，其非均匀性的表现是零件不同部位的密度不同，所以基于SLS成型的非均质材料零件是理想材料零件中的变密度材料零件。
在SLS成型工艺中，零件成型强度由烧结密度来决定，烧结密度不仅与工艺参数有关，而且与零件摆放位置有关。已做的SLS成型实验表明， SLS成型工艺方式和烧结区域的预热温度场极大地影响烧结件的微观结构和宏观结构（如孔隙率分布和各向尺寸精度等），烧结过程中非均匀的预热温度场影响着不同位置摆放试件的烧结密度，同时，烧结密度随着激光功率的增加而增加；因此导致了不同位置试件的强度变化，这就为加工非匀质材料零件提供了可能。
本发明的有益效果主要表现在：能够加工非匀质变密度材料零件、实用性良好。
附图说明
图1是SLS成型设备的加工示意图。
图2是预热温度-激光功率与零件位置的设置示意图。
图3是烧结密度随预热温度、激光功率的变化曲面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图3，一种基于SLS成型的可控非匀质材料零件制备方法，所述非匀质材料零件制备方法包括以下步骤：
1）对待加工的非匀质材料零件构造三维模型；
2）根据待加工的非匀质材料零件的沿着高度方向的烧结密度分布情况，以及根据SLS成型机中预热温度、激光能量与烧结密度的对应曲面，确定待加工的非匀质材料零件的加工高度方向与预热温度、激光能量的变化曲面；
3）将所述三维模型输入SLS成型机中，根据加工高度方向与预热温度、激光能量的变化曲面进行加工控制，依照加工高度依次分层加工得到非匀质材料零件。
所述步骤2）中，所述烧结密度分布情况呈梯度变化，所述变化曲线呈梯度变化。
本实施例中，加工出来的零件是单一材质的，零件上各处性能（主要指拉伸强度）的不同是由于密度不同，而密度不同则是通过调节SLS成型机的粉床预热温度和激光能量来控制的。
本实施例中，采用的主要的实验设备——美国3D Systems公司生产的Sinterstation HiQ+HS型选择性激光烧结成型机，参照图1，1为成型缸，2为供粉缸、3为溢粉缸、4为待加工的非匀质材料零件，5为扫描镜、6为预热装置、7为光学系统，8为CO2激光器.，9为滚筒。
参照图2，零件与预热温度-激光能量在粉床中设定位置匹配示意图，随着激光功率和预热温度的递减，零件密度自下而上递减。
参照图3，烧结密度随预热温度和激光功率变化曲面，从图中可以看出：零件烧结密度随着预热温度和激光功率的变化按照一定规律变化，即依照变化曲面进行变化。 

Claims (2)

1.一种基于SLS成型的可控非匀质材料零件制备方法，其特征在于：所述非匀质材料零件制备方法包括以下步骤：
1）对待加工的非匀质材料零件构造三维模型；
2）根据待加工的非匀质材料零件的沿着高度方向的烧结密度分布情况，以及根据SLS成型机中预热温度、激光能量与烧结密度的对应曲面，确定待加工的非匀质材料零件的加工高度方向与预热温度、激光能量的变化曲面；
3）将所述三维模型输入SLS成型机中，根据加工高度方向与预热温度、激光能量的变化曲面进行加工控制，依照加工高度依次分层加工得到非匀质材料零件。
2. 如权利要求1所述的基于SLS成型的预热温度可控非匀质材料零件制备方法，其特征在于：所述步骤2）中，所述烧结密度分布情况呈梯度变化，所述变化曲线呈梯度变化。
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