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快速原型制造硅砂模式基于選擇性激光燒結 J.L. Songa,b,?, Y.T. Lia, Q.L. Dengb, D.J. Hub 中國，上海200030 , 上海交通大學, 中國B校機械與動力工程； 太原030024 ,太原科技大學, 學校材料科學與工程 摘要： 近年來,快速原型制造技術( RPM )中已逐漸走向成熟, 已被廣泛地用于制造功能性和實用金屬和陶瓷零件. 不過,研究選擇性激光燒結( SLS )的石英砂則非常有限. 實驗中的快速原型制造的石英砂進行了基于SLS . 微觀形貌的燒結模式,在不同的工作條件下觀察三維光學顯微鏡(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尺寸精度和燒結質量調查系統(tǒng). 它表示, "走出效應" ,變形的燒結樣品減少通過降低切片厚度和 優(yōu)化工藝參數(shù). 最后,有條件的選擇性激光燒結硅砂的方式獲得. ? 2006 Elsevier公司訴乙版權所有. 關鍵詞:快速原型制造; 補充; 硅砂模式; 燒結質量 1. 序言 選擇性激光燒結( SLS )的一個重要分支,快速原型制造( RPM ) ,是結合計算機工程, 數(shù)控技術,激光技術和材料加工技術. 它也是世界上最重要的突破,在最近20年. 在加工前, 復合添加劑制造方法,可以用來制作三維任意形狀部件的CAD模式,而不涉及的 專用工具和模具. 因此,生產的靈活性和處理速度可以大大提高,導致時間和總成本可以降低. 相比其他的RPM技術,廣泛的材料,如有機聚合物,蠟, 金屬和陶瓷,可用于前,后處理簡單,它是那么費時. 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, 炎熱的實地研究的領域選擇性激光燒結主要集中在金屬加工, 陶瓷材料,取得了顯著成就,已經取得的成果. 然而,作為一種豐富而廉價的原料, 研究補充硅砂還很有限[ 6-8 ] . 在這個文件中,快速原型制造硅砂模式基于選擇性激光燒結技術進行了研究. 噴涂工藝參數(shù)對成形質量的影響結合實驗研究和微觀分析方法, 合格硅砂模式取得. 2 . 實驗選擇性激光燒結 2.1 . 實驗系統(tǒng)和材料 實驗系統(tǒng)包括一個3kW分橫流CO2激光機,自行設計和建造粉末壓裝置 一套計算機模擬軟件和西門子數(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系統(tǒng)顯示圖. 1 . 在SLS過程中, 粉末進行了掃描沿預定軌道由激光束根據(jù)CAD模型的組件. 經過掃描一層,活塞被降下來了距離一層厚度. 然后粉末預填在上燒結層粉末壓輥, 最后整個硅砂模式可以燒結掃描逐層. 實驗材料所用的是自制的石英砂-酚醛樹脂(酚醛樹脂)的化合物. 主要成分的石英砂中SiO2:99%, Al2O3:0.22%,,而微TiO2含量,熔點為1750?C號 粘接劑酚醛樹脂粒度200網及軟化點105-115?C號 固化劑8-12成胺. 2.2 . 實驗方法 為了考察了工藝參數(shù)對加工質量及尺寸精度的燒結樣品, 長度,寬度及高度的多軌激光燒結樣品分別標示為L號 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對燒結質量和準確性分別研究的情況下, 其他參數(shù)不變,在實驗結果的平均值多種實驗. 在焊接以后樣品, 表面的微形態(tài)學在另外工作之下情況被觀察了在KEYENCE 三維顯微鏡下。 3 . 結果與討論 3.1 . 準分子激光功率對燒結質量 形成機制的選擇性激光燒結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,構成了固態(tài)連接骨架. 因為軟化點硅砂相當?shù)?大約只有110?C號 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,因為權力的激光切割機跳躍一系列的瓦特數(shù), 這導致一個很明顯的錯誤,同時分析了影響激光功率. 在另一方面,由于電流相對穩(wěn)定, 它可以用來作為參考值的激光功率. 據(jù)觀察,從實驗中,在一次電流為0.8 , 粘接劑酚醛樹脂尚未完全融化; 在電流為1.0 , 燒結效果最佳; 而電力增加值1.2 , 樣品表面被碳化,并敬獻了黑顏色. 因此,優(yōu)化電流在實驗條件下為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。圖2(a) 顯示形態(tài)學原始的硅土沙子。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)學在更低的力量, 它之下能被看見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 在堅實黏合劑和形式一個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, 因為能量是太大, 地方區(qū)域在表面當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 樹脂14:1 。以增加掃描加速, 樣品減退的長度、寬度和高度逐漸。這個結果原因是那以增加掃描速度, 激光束的停留時間在掃描斑點相應地變短了, 當激光束 力量是恒定的, 實際輸入能量在單位時間減少, 和熱受影響的區(qū)域并且被減少了, 導致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 在實驗, 激光束直徑D 被設置了到3mm 調整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, 并且變柔和的黏合劑的深度增加了。在情況下, 其它實驗性參量是固定的, 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: (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, 以增加?, 樣品的長度、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。由于粘合劑內容的減少, 連接橋梁在硅土沙子粉末之中減少了, 變柔和并且熔化區(qū)域和混雜的粉末的深度減少了相應地。所以, 耐壓強度被焊接樣品可能被提高以更高的黏合劑內容, 但許多粘合劑導致很多變形并且收縮, 導致波動維度。PF 樹脂的固體化收縮收效一個區(qū)別在實際維度和被設計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。隨后實驗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)行不是同類的, 力量樣品是降低, 并且熱量藏品過程必需。沙子樣式可能只被使用在熔鑄在硬化的過程以后, 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。 有條理改進被焊接的樣品的力量沒有碳化, 崗位處理溫度不應該超過 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程、切的厚度和過程參量有一個重大作用在質量適當?shù)貨]控制和"階段效應" 將出現(xiàn)。樣品的維度準確性和表面結束將很大地影響。同時, 在處理SLS, 由于不均勻的熱化和收縮, 變形是有義務發(fā)生。 圖4. 重疊, 斑點大小和粉末比率的聯(lián)系對維度被焊接的樣品。 避免這些瑕疵和改進表面完成, 切的厚度應該是足夠稀薄, 和合理處理參量應該被選擇。層數(shù)厚度并且有一個作用在被焊接的組分的物產。稀薄的切的層數(shù)導致一更高尺寸準確性和機械力量, 但制造業(yè)時間將被延長。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表面而且, 激光束 功率密度由激光束 力量和斑點大小決定, 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間完全地熔化, 和力量樣品是更低。但是, 粉末溫度過份地是更高, 蟲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, 結合的物產在層數(shù)和焊接之間質量將被減少。 根據(jù)上述分析, 它結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, 更短的前置時間, 低成本, 做法集中化并且形成沒有模子。它是特別適當?shù)臑閺碗s形狀的鑄件和生產的發(fā)展和小全部片斷。 處理參量有重要作用在物產并且被焊接的樣品的準確性。以適當?shù)妮斎?激光束 力量, 粉末比率和重疊, 表面準確性并且維度精確度可能被改進, 夾層接合力量和整體組分的機械力量罐頭并且被改進。 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, 而是藏品溫度無法超過300°C 。形成樣品的精確度可能被并且改進減少切的厚度和過程的優(yōu)化參量。 鳴謝 這工作由全國自然科學支持了中國的基礎在被授予的數(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. 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