SLS成型材料現(xiàn)狀

來源：互聯(lián)網(wǎng) | 責(zé)任編輯：傳說的落葉 | 發(fā)布時間： 2013-04-09 15:21 | 瀏覽量：

在眾多3D打印的成型技術(shù)中，選擇性激光燒結(jié)原料(Selective Laser Sintering-SLS)因為具有成型速度快、精度高、材料選擇面廣和適用于多種用途的特點(diǎn)，而得以迅速發(fā)展。選擇性激光燒結(jié)(SLS)突出的優(yōu)點(diǎn)：以粉末作為成型材料，所使用的成型材料十分廣泛，從理論上講，任何被激光加熱后能夠在粉粒間形成原子間連接的粉末材料都可以作為SLS的成型材料。

3D打印sls成型材料

目前，在SLS系統(tǒng)上已經(jīng)成功的用石蠟、高分子、金屬、陶瓷粉末和它們的復(fù)合粉末材料進(jìn)行了燒結(jié)。由于SLS成型材料品種多、用料節(jié)省、成型件性能廣泛，適合多種用途，所以SLS的應(yīng)用越來越廣泛。

1、蠟粉
傳統(tǒng)的熔模精鑄用蠟(烷烴蠟、脂肪酸蠟等)，蠟?zāi)?qiáng)度較低，難以滿足精細(xì)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件的要求，且成型精度差，所以DTM研制了低熔點(diǎn)高分子蠟的復(fù)合材料；

2、聚苯乙烯(PS)
    聚苯乙烯受熱后可熔化、粘結(jié)，冷卻后可以固化成瓔，而且該材料吸濕率小，收縮率也較小，其成型件浸樹脂后可進(jìn)一步提高強(qiáng)度，主要性能指標(biāo)可達(dá)拉伸強(qiáng)度 ≥15MPa、彎曲強(qiáng)度≥33MPa、沖擊強(qiáng)度>3MPa，可作為原型件或功能件使用，也可用做消失模鑄造用母模生產(chǎn)金屬鑄件，但其缺點(diǎn)是必須采用高溫燃燒法(>300℃)進(jìn)行脫模處理，造成環(huán)境污染，因此，對于PS粉原料，針對鑄造消失模的使用要求一般加入助分解助劑。
    如DTM公司的商業(yè)化產(chǎn)品TrueForm Polymer。其成型件可進(jìn)行消失模制造，但其價格昂貴，達(dá)89．5＄／kg。

3 、工程塑料(ABS)
    ABS與聚苯乙烯同屬熱塑性材料，其燒結(jié)成型性能與聚苯乙烯相近，只是燒結(jié)溫度高20℃左右，但ABS成型件強(qiáng)度較高，所以在國內(nèi)外被廣泛用于快速制造原型及功能件。

4、聚碳酸酯(PC)
對聚碳酸酯燒結(jié)成型的研究比較成熟，其成型件強(qiáng)度高、表面質(zhì)量好，且脫模容易，主要用于制造熔模鑄造航空、醫(yī)療、汽車工業(yè)的金屬零件用的消失模以及制作各行業(yè)通用的塑料模。如DTM公司的DTM Polycarbanate。但聚碳酸酯價格比聚苯乙烯昂貴。國內(nèi)北航對聚碳酸酯(PC)進(jìn)行了研究，探討其燒結(jié)工藝過程以提高成型件精度。

5、尼龍(PA)
    尼龍材料用SLS方法可被制成功能零件，目前商業(yè)化廣泛使用的有4種成分的材料。
    1)標(biāo)準(zhǔn)的DTM尼龍(Standard Nylon)，能被用來制作具有良好耐熱性能和耐蝕性的模型；
    2)DTM精細(xì)尼龍(DuraForm GF)，不僅具有與DTM尼龍相同的性能，還提高了制件的尺寸精度、降低表面粗糙度，能制造微小特征，適合概念型和測試型制造，但價格高達(dá)188＄／kg(人民幣約1500元／kg)；
    3)DTM醫(yī)用級的精細(xì)尼龍(Fine Nylon Medi—cal Grade)，能通過高溫蒸壓被蒸汽消毒5個循環(huán)；
    4)原型復(fù)合材料(ProtoFormTM Composite)是DuraForm GF經(jīng)玻璃強(qiáng)化的一種改性材料，與未被強(qiáng)化的DTM尼龍相比，它具有更好的加工性能，表面粗糙度Ra=4～51“m，尺寸公差O．25 mm，同時提高了耐熱性和耐腐蝕性。
    同時，EOS公司發(fā)展了一種新的尼龍粉末材料(PA3200GF，有點(diǎn)類似于DTM的DuraForm GF)，這種材料可以產(chǎn)生高精度和很好的表面光潔度。

6、金屬粉末
    采用金屬粉末進(jìn)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趨勢，它叮以大大加快新產(chǎn)品的開發(fā)速度，具有廣闊的應(yīng)用前景。金屬粉末的選區(qū)燒結(jié)方法中，常用的金屬粉末有3種：
    1)金屬粉末和有機(jī)粘結(jié)劑的混合體，按一定比例將2種粉末混合均勻，然后用激光束對混合粉末進(jìn)行選擇燒結(jié)，其混合方法包括2種：
    a．利用有機(jī)樹脂包覆金屬材料制得的覆膜金屬粉末，這種粉末的制備工藝復(fù)雜，但燒結(jié)性能好，且所含有的樹脂比例較小，更有利于后處理；
    b．金屬與有機(jī)樹脂的混合粉末，制備較簡單，但燒結(jié)性能較差。
    在包衣粉末或混合粉末中，粘結(jié)劑受激光作用迅速變?yōu)槿廴跔顟B(tài)，冷卻后將金屬基體粉末粘結(jié)在一起，燒結(jié)時通常需要保護(hù)氣，其成型件的密度和強(qiáng)度較低，如作為功能件使用，需進(jìn)行后續(xù)處理，包括燒失粘結(jié)劑、高溫焙燒、金屬熔滲(如滲銅)等工序，即可制得用于塑料零件生產(chǎn)的金屬模具或放電加工用電極。
    美國Harrisl、Marcus等人對60Cu40PMMA混合粉末進(jìn)行了燒結(jié)，經(jīng)后處理工藝，相對密度在84％～96％之間。
    美國DTM公司已經(jīng)商業(yè)化的金屬粉末產(chǎn)品有：a．ORapidSteel1．0，其材料成分為1080碳鋼金屬粉末+聚合物材料，平均粒度為55弘m，聚合物均勻覆在粉粒的表面，厚度為5肚m，激光功率30 W，成型坯件的密度是鋼密度的55％，強(qiáng)度可達(dá)2．8MPa，所滲金屬可以是純銅，也可以是青銅，這種材料主要用來制造注塑模．b．在 RapidSteel1．O基礎(chǔ)上發(fā)展RapidSteel 2．O，其燒結(jié)成型件完全密實，達(dá)到鋁合金的強(qiáng)度和硬度，能進(jìn)行機(jī)加工、焊接、表面處理及熱處理，可作為塑料件的注塑成型模具，注塑模的壽命已達(dá)10萬件／副，也可以用來制造用于Al、Mg、Zn等有色金屬零件壓鑄模，壓鑄模的壽命只有200～500件／副；c．copper Polyamide基體材料為銅粉，粘結(jié)劑為聚酰胺(polyamide)，其特點(diǎn)是成型后不需二次燒結(jié)，只需滲入低粘度耐高溫的高分子材料(如環(huán)氧樹脂等)，成型件可用于常用塑料的注塑成型，但模具的壽命只有100～400件／副。
    這些產(chǎn)品價格較昂貴，南京航空航天大學(xué)在RPMII設(shè)備上對粉末材料：鐵粉(79％或鎢粉)、聚酯粘結(jié)劑(21％)進(jìn)行燒結(jié)，經(jīng)滲銅處理得到EDM電極，并進(jìn)行了EDM放電試驗，試驗表明，當(dāng)采用的放電加工參數(shù)合理時，電極的體積損耗可降到4％或更低，接近于純銅。華北工學(xué)院開發(fā)的覆膜金屬粉 (CMPl)，成分為覆膜1Cr18Ni9粉末，燒結(jié)成型溫度140℃，燒結(jié)件變形很小，成型尺寸精度土0．15 mm。吉林工業(yè)大學(xué)用有機(jī)樹脂包覆的鐵基合金98Fe2Ni也進(jìn)行了燒結(jié)研究。
    2)兩種金屬粉末的混合體，其中一種熔點(diǎn)較低，起粘結(jié)劑的作用，GScherer研究了Cu-Ni，wC、Co-Ni等復(fù)合材料的SLS直接成型，結(jié)果發(fā) 現(xiàn)，高熔點(diǎn)材料的燒結(jié)成型類似于液相燒結(jié)，激光能量將復(fù)合組分中低熔點(diǎn)的成分熔化，形成的液相將固相浸潤，冷卻后低熔點(diǎn)液相凝固將高熔點(diǎn)組分粘結(jié)起來。
    所以，多元金屬粉末中的粘結(jié)相大多采用的是金屬Sn等低熔點(diǎn)材料，所選低熔點(diǎn)金屬的熔點(diǎn)較低，而低熔點(diǎn)金屬材料的強(qiáng)度一般也較低，使得制成的燒結(jié)件強(qiáng)度也低，性能很差。為了提高燒結(jié)件的性能，必須提高多元金屬粉末中低熔點(diǎn)金屬的熔點(diǎn)，最好用熔點(diǎn)接近或超過1000℃的金屬材料作為粘接劑，用更高熔點(diǎn)金屬作為合金的基體，高熔點(diǎn)金屬原子間結(jié)合力強(qiáng)，高溫下不易產(chǎn)生塑性變形，即抗蠕變能力強(qiáng)，才能得到力學(xué)性能、尺寸精度、表面質(zhì)量、金屬密度等可以滿足使用要求的金屬零件及模具，因此高熔點(diǎn)金屬粉末激光直接燒結(jié)成形的研究倍受人們的關(guān)注。
    美國Austin大學(xué)的Agarwda等人選用Cu-Sn，Ni-Sn或青銅錫粉復(fù)合粉末進(jìn)行SLS成型研究，并成功地制造出金屬零件。比利時的 Schueren等人選用Fe-Sn、Fe-Cu混合粉末，Bourell等人選用Cu(70Pb30Sn)粉末材料進(jìn)行了燒結(jié)試驗，均取得了滿意的結(jié) 果。Kruth等也進(jìn)行了Fe-Cu合金粉末的成功燒結(jié)。
    南航用Ni基合金16CR4B4SI(粒度150目)混銅粉(FTD4，粒度200目)進(jìn)行燒結(jié)成型的試驗，成功地制造出具有較大角度的倒錐形狀的金屬零件。中國科學(xué)院金屬所和西北工業(yè)大學(xué)等單位正致力于高熔點(diǎn)金屬的激光快速成型。
    3)單一的金屬粉末，對單元系燒結(jié)，特別是高熔點(diǎn)的金屬，在較短的時間內(nèi)需要達(dá)到熔融溫度，需要很大功率的激光器，直接金屬燒結(jié)成形存在的最大問題是因組織結(jié)構(gòu)多孔導(dǎo)致制件密度低、力學(xué)性能差。
    G．Zong等研究了帶氣體保護(hù)裝置的鐵粉直接燒結(jié)成形，成型后的密度可達(dá)到48％，要進(jìn)一步提高其性能，還需進(jìn)行致密化等其它處理。Hmse于1989 年對鐵粉進(jìn)行了研究，燒結(jié)的零件經(jīng)熱等靜壓處理后，相對密度達(dá)90％以上。近年來，Austin大學(xué)也對單一金屬粉末激光燒結(jié)成型進(jìn)行了研究，成功地制造了用于Fl戰(zhàn)斗機(jī)和AIM9導(dǎo)彈的INCONEL625超合金和Ti6A14合金的金屬零件。美國航空材料公司采用脈沖Nd：YAG激光器已研究成功并用于開發(fā)先進(jìn)鈦合金構(gòu)件的激光快速成型。

7、覆膜陶瓷粉末
選擇性激光燒結(jié)陶瓷粉末是在陶瓷粉末中加入粘結(jié)劑，其覆膜粉末制備工藝與覆膜金屬粉末類似，被包覆的陶瓷可以是Al2O3，ZrO2和SiC等，粘結(jié)劑的種類很多，有金屬粘結(jié)劑和塑料粘結(jié)劑(包括樹脂、聚乙烯蠟、有機(jī)玻璃等)，也可以使用無機(jī)粘結(jié)劑。如鄧琦林等用Al2O3(熔點(diǎn)為2 050℃)為結(jié)構(gòu)材料，分別以PMMA、NH4H2PO4(熔點(diǎn)為190℃)和Al作為粘結(jié)劑，按一定的比例混合均勻燒結(jié)，經(jīng)二次燒結(jié)處理工藝后獲得鑄造用陶瓷型殼，用該陶瓷型殼進(jìn)行澆注即獲得制作的金屬零件。

8、覆膜砂
覆膜砂采用熱固性樹脂如酚醛樹脂加入鋯砂、石英砂的方法制得，利用激光燒結(jié)方法，制得原型可直接用做鑄造用砂型(芯)來制造金屬零件，其中鋯砂具有更好的鑄造性能，尤其適用于具有復(fù)雜形狀的有色合金鑄造如鎂、鋁等合金的鑄造。美國DTM公司的覆膜鋯砂(SandForm Zr)其冷殼拉伸強(qiáng)度達(dá)3．3 MPa，用于汽車制造業(yè)及航空工業(yè)等砂型鑄造模型及型芯的制作。型砂與低熔點(diǎn)的高分子材料有兩種混料方法，一種是機(jī)械混合，另一種是將高分子材料加熱熔化，把型砂倒入，攪拌均勻，使型砂表面覆蓋一層高分子材料。覆膜砂的燒結(jié)性能好，故較常用。

9、納米材料
對于納米材料，由于其顆粒直徑極其微小，比表面積很大。在不是很大的激光能量沖擊作用下，納米粉末就會發(fā)生飛濺，因而利用SLS方法對于單項納米粉體材料的燒結(jié)成型比較困難。對于納米材料激光燒結(jié)溫度的控制，一般是對于聚合物納米材料采用固相燒結(jié)的方法；對于陶瓷納米材料的燒結(jié)采用液相燒結(jié)的方法；對于金屬納米材料由于其具有易燃、高爆炸，目前直接成型燒結(jié)研究的不是太多。Zhigang Fang在研究納米WC-Co在燒結(jié)過程中晶粒長大時發(fā)現(xiàn)在燒結(jié)的最初5min內(nèi)WC晶粒已經(jīng)發(fā)生了充分的長大，超越100 nm達(dá)到亞微米級尺度。因此，如何通過控制燒結(jié)工藝來控制納米晶粒在燒結(jié)過程中的晶粒長大，已經(jīng)成為能否獲得納米材料的一個關(guān)鍵問題。南航趙劍鋒等將 Al2O3納米粉體與其他大顆粒粉末按一定比例混合進(jìn)行燒結(jié)(一般為納米粉體材料總量的3％～5％，根據(jù)具體情況可達(dá)15％)，由于大顆粒粉末的存在，使混合粉末的松散密度增大，可以有效地抑制燒結(jié)過程中粉末材料的飛濺，有利于燒結(jié)。同時，他們正在開展激光與金屬超微粒子相互作用機(jī)理的研究工作。