湖南SLS激光快速成型材料应用分析(下)

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湖南SLS激光快速成型华曙高科就成型材料及应用现状,在湖南SLS激光快速成型材料应用分析(上)中,针对蜡粉、聚苯乙烯(PS)、工程塑料(ABS)、聚碳酸酯(PC)、尼龙(PA)已做简单介绍,下面将对金属粉末、覆膜陶瓷粉末、覆膜砂和纳米材料这些取得新的研究成果的成型材料另作一个说明。
1、金属粉末
采用金属粉末进行快速成型是激光快速成型由原型制造到快速直接制造的趋势,它可以大大加快新产品的开发速度,具有广阔的应用前景。金属粉末的选区烧结方法中,湖南SLS激光快速成型华曙高科将常用的金属粉末分为以下3种:
1)金属粉末和有机粘结剂的混合体,按一定比例将2种粉末混合均匀,然后用激光束对混合粉末进行选择烧结,其混合方法包括2种:
a.利用有机树脂包覆金属材料制得的覆膜金属粉末,这种粉末的制备工艺复杂,但烧结性能好,且所含有的树脂比例较小,更有利于后处理;
b.金属与有机树脂的混合粉末,制备较简单,但烧结性能较差。
在包衣粉末或混合粉末中,粘结剂受激光作用迅速变为熔融状态,冷却后将金属基体粉末粘结在一起,烧结时通常需要保护气,其成型件的密度和强度较低,如作为功能件使用,需进行后续处理,包括烧失粘结剂、高温焙烧、金属熔渗(如渗铜)等工序,即可制得用于塑料零件生产的金属模具或放电加工用电极。
2)两种金属粉末的混合体,其中一种熔点较低,起粘结剂的作用,GScherer研究了Cu-Ni,wC、Co-Ni等复合材料的SLS直接成型,结果发现,高熔点材料的烧结成型类似于液相烧结,激光能量将复合组分中低熔点的成分熔化,形成的液相将固相浸润,冷却后低熔点液相凝固将高熔点组分粘结起来。
3)单一的金属粉末,对单元系烧结,特别是高熔点的金属,在较短的时间内需要达到熔融温度,需要很大功率的激光器,直接金属烧结成形存在的最大问题是因组织结构多孔导致制件密度低、力学性能差。
2、覆膜陶瓷粉末
选择性激光烧结陶瓷粉末是在陶瓷粉末中加入粘结剂,其覆膜粉末制备工艺与覆膜金属粉末类似,被包覆的陶瓷可以是Al2O3,ZrO2和SiC等,粘结剂的种类很多,有金属粘结剂和塑料粘结剂(包括树脂、聚乙烯蜡、有机玻璃等),也可以使用无机粘结剂。
3、覆膜砂
覆膜砂采用热固性树脂如酚醛树脂加入锆砂、石英砂的方法制得,利用激光烧结方法,制得原型可直接用做铸造用砂型(芯)来制造金属零件,其中锆砂具有更好的铸造性能,尤其适用于具有复杂形状的有色合金铸造如镁、铝等合金的铸造。美国DTM公司的覆膜锆砂(SandForm Zr)其冷壳拉伸强度达3.3 MPa,用于汽车制造业及航空工业等砂型铸造模型及型芯的制作。型砂与低熔点的高分子材料有两种混料方法,一种是机械混合,另一种是将高分子材料加热熔化,把型砂倒入,搅拌均匀,使型砂表面覆盖一层高分子材料。湖南SLS激光快速成型华曙高科因覆膜砂的烧结性能好,较常采用。
4、纳米材料
对于纳米材料,由于其颗粒直径极其微小,比表面积很大。在不是很大的激光能量冲击作用下,纳米粉末就会发生飞溅,因而利用SLS方法对于单项纳米粉体材料的烧结成型比较困难。对于纳米材料激光烧结温度的控制,一般是对于聚合物纳米材料采用固相烧结的方法;对于陶瓷纳米材料的烧结采用液相烧结的方法;对于金属纳米材料由于其具有易燃、高爆炸,目前直接成型烧结研究的不是太多。
如何通过控制烧结工艺来控制纳米晶粒在烧结过程中的晶粒长大,已经成为能否获得纳米材料的一个关键问题。将Al2O3纳米粉体与其他大颗粒粉末按一定比例混合进行烧结(一般为纳米粉体材料总量的3%~5%,根据具体情况可达15%),由于大颗粒粉末的存在,使混合粉末的松散密度增大,可以有效地抑制烧结过程中粉末材料的飞溅,有利于烧结。
湖南SLS激光快速成型工艺起步不算最早,单其前景广阔,还有很多关键问题需要深入研究。SLS成型设备的开发与改进,SLS烧结机理、烧结工艺参数(烧结层厚、扫描方式、光斑半径、激光功率、扫描速度和预热温度等工艺参数)的确定及优化,后处理和热处理工艺的优化等是今后的研究重点。湖南SLS激光快速成型华曙高科已提前做好准备,通过与德国EOS公司的合作,相信在不久的将来在SLS领域华曙高科将会取得更大的突破。

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