2.1　聚合物及其復(fù)合粉末材料的SLS成形原理

SLS是一種基于粉末床的增材制造技術(shù)，它采用高能激光束作為能量源，根據(jù)零件的三維數(shù)據(jù)模型選擇性地?zé)Y(jié)指定區(qū)域內(nèi)的粉末材料，并逐層加工最終得到三維實(shí)體零件。SLS技術(shù)是由美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究生Carl Deckard所發(fā)明，并于1986年申請了專利。1989年，他們創(chuàng)立了DTM公司將該技術(shù)進(jìn)行商業(yè)化，該公司在1992年正式推出了第一款真正意義的商業(yè)機(jī)型SinteStation 2000。DTM公司于2001年被美國3D Systems公司收購，后者借此成為全球最大的增材制造設(shè)備與服務(wù)廠商之一。德國的EOS公司是另一家SLS設(shè)備與材料生產(chǎn)商，在全球增材制造市場上占有重要份額。國內(nèi)對于SLS技術(shù)的研究幾乎與國外同步，開始主要集中在華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、中北大學(xué)等科研院所。北京隆源自動成型系統(tǒng)有限公司、武漢華科三維科技有限公司和湖南華曙高科技有限責(zé)任公司等在設(shè)備生產(chǎn)、材料研發(fā)和推廣應(yīng)用方面走在國內(nèi)同行的前列。

SLS技術(shù)的工藝原理如圖2-1所示，首先采用計(jì)算機(jī)造型軟件構(gòu)建目標(biāo)零件的三維CAD模型，然后通過切片軟件將三維實(shí)體模型進(jìn)行逐層切片，并存儲為包含切片截面信息的STL文件；隨后通過鋪粉裝置在工作缸上均勻鋪設(shè)一層粉末材料，CO₂激光器在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)各層截面的信息掃描相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的粉末，被掃描的粉末被燒結(jié)在一起，未被激光掃描的粉末仍呈松散狀態(tài)并作為下一燒結(jié)層的支撐；當(dāng)一層加工完成后，工作臺面下降一定的高度（約0.1～0.3mm），送粉缸上升并進(jìn)行下一層的鋪粉，隨后激光掃描該層粉末并將之與上一燒結(jié)層連接在一起；如此重復(fù)直至所有的截面燒結(jié)完成，去除未燒結(jié)的粉末即可得到最終的零件。

在整個SLS制造過程中，主要分為預(yù)熱、成形和冷卻三個階段。

（1）預(yù)熱階段

在SLS成形開始之前，成形腔內(nèi)的聚合物粉末通常需要被預(yù)熱到一定的溫度T_b，并在后續(xù)的成形過程中一直維持恒定直至結(jié)束。預(yù)熱的目的主要有：①降低燒結(jié)過程中所需要的能量，防止激光能量過大而造成材料分解；②減小已燒結(jié)區(qū)域和未燒結(jié)粉末之間的溫度梯度，防止零件翹曲變形。通常，半結(jié)晶態(tài)聚合物的預(yù)熱溫度高于其結(jié)晶起始溫度T_ic而低于其熔融起始溫度T_im，該溫度區(qū)間被稱為燒結(jié)窗口（sintering window）。非晶態(tài)聚合物的預(yù)熱溫度則接近其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度T_g。

（2）成形階段

成形階段實(shí)質(zhì)為預(yù)熱溫度下的粉末鋪設(shè)和激光掃描的周期性循環(huán)過程。在成形第一層之前，需要在工作缸上鋪設(shè)一定厚度的粉末，以起到基底和均勻溫度場的作用。經(jīng)過一段緩慢而均勻的升溫之后，第一層粉末達(dá)到預(yù)熱溫度T_b時，激光則開始掃描相應(yīng)的區(qū)域，使該區(qū)域內(nèi)粉末的溫度迅速升高至T_max超過其熔融溫度，相鄰粉末顆粒之間發(fā)生燒結(jié)。激光掃描結(jié)束后，經(jīng)過短暫的鋪粉延時t₁，使已燒結(jié)區(qū)的溫度逐漸降至T_b，然后工作缸下降并進(jìn)行下一層的鋪粉。新鋪設(shè)的粉末通常在粉缸內(nèi)經(jīng)過初步預(yù)熱至T_f（T_f<T_b），目的是為了降低新粉末對已燒結(jié)區(qū)域的過冷作用，同時減少從T_f預(yù)熱至T_b的時間t₂。當(dāng)?shù)诙臃勰囟冗_(dá)到T_b時，激光再次掃描指定區(qū)域，使層內(nèi)的粉末發(fā)生熔合，同時使層間也發(fā)生連接。重復(fù)以上過程，直至整個零件加工結(jié)束。

（3）冷卻階段

在成形階段完成之后，必須使粉床完全冷卻才能取出零件。一般地，整個粉床在加工過程中均保持在結(jié)晶起始溫度T_ic之上，直至成形結(jié)束粉床才整體降溫，目的是為了減小因局部結(jié)晶產(chǎn)生非均勻收縮而引起的零件翹曲變形。在實(shí)際的成形過程中，即使成形腔和粉床均有預(yù)熱，成形的零件也會因各種原因不同程度地降溫，尤其是粉床底部區(qū)域。局部降溫對SLS成形性能的影響因材料而異，燒結(jié)窗口較寬的材料成形性能較好；而燒結(jié)窗口較窄的材料則更容易受到影響，這另一方面也對SLS設(shè)備的溫控能力提出了嚴(yán)格的要求。冷卻速率也會對零件的性能造成影響。以半結(jié)晶態(tài)聚合物材料尼龍12為例，緩慢冷卻（1℃/min）有利于其形核結(jié)晶，導(dǎo)致強(qiáng)度提高，韌性降低；當(dāng)冷卻速率較快時（23.5℃/min），其結(jié)晶程度低，代表柔性的非晶區(qū)域增多，從而強(qiáng)度下降，韌性提高。

對于典型的半結(jié)晶態(tài)聚合物而言，粉末材料在SLS成形不同階段內(nèi)的受熱過程可以通過差示掃描量熱（DSC）曲線來描述（如圖2-2所示）。不同的序號代表不同位置的材料所處的狀態(tài)。1為未燒結(jié)粉末的預(yù)熱狀態(tài)；2為激光掃描狀態(tài)，此時粉末的溫度達(dá)到峰值T_max；3為已燒結(jié)區(qū)域，溫度逐漸回復(fù)至預(yù)熱溫度T_b。這三個狀態(tài)在成形階段循環(huán)出現(xiàn)，在兩個循環(huán)之間，聚合物熔體還會因?yàn)樾路鄣匿佋O(shè)而出現(xiàn)瞬時的過冷（圖中未表示）。4～6則代表不同燒結(jié)層的溫度狀態(tài)。隨著加工的進(jìn)行，上一燒結(jié)層具有更低的溫度，為了防止因結(jié)晶而產(chǎn)生的收縮變形，粉床應(yīng)盡量維持在燒結(jié)窗口溫度區(qū)間內(nèi)。