专利名称：基于sls成型的激光能量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，尤其是一种非勻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(IdealFunctional 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勻质材料非常普遍，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勻质材料，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 勻质变密度的材料的。
发明内容
为了克服已有的零件加工技术无法加工非勻质变密度材料零件的不足，本发明提 供一种能够加工非勻质变密度材料零件、实用性良好的基于SLS成型的激光能量可控非勻 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成型的激光能量可控非勻质材料零件制备方法，所述非勻质材料零件制 备方法包括以下步骤
1)对待加工的非勻质材料零件构造三维模型；
2)根据待加工的非勻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成型机中在设定预热温度条件下激光能量与烧结密度的对应曲线，确定待加工的非勻质材料零件的加工高度方向与激光能量的变化曲线；
3)将所述三维模型输入SLS成型机中，根据加工高度方向与激光能量的变化曲线进行 加工控制，依照加工高度依次分层加工得到非勻质材料零件。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 均勻铺层的材料粉末。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。当一层扫描完毕，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勻性。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，其非均勻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，烧结密度随着激光功率的增加 而增加，这就为加工非勻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勻质变密度材料零件、实用性良好。
图1是SLS成型设备的加工示意图。图2是激光功率与零件位置的设置示意图。图3是烧结密度随激光功率变化曲线示意图，自上而下分别是使用177°、172°、 167°、162° 157°、152°的预热温度烧结时，烧结密度随激光功率变化的曲线。
具体实施例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成型的激光能量可控非勻质材料零件制备方法，所 述非勻质材料零件制备方法包括以下步骤
1)对待加工的非勻质材料零件构造三维模型；
2)根据待加工的非勻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 成型机中在设定预热温度条件下激光能量与烧结密度的对应曲线，确定待加工的非勻质材 料零件的加工高度方向与激光能量的变化曲线；
3)将所述三维模型输入SLS成型机中，根据加工高度方向与激光能量的变化曲线进行 加工控制，依照加工高度依次分层加工得到非勻质材料零件。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成型机激光器的功率来控制的。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为待加工的非勻质材料零件，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2，零件摆放在设定不同激光功率粉床的位置，随着激光功率的递减，零件 密度自下而上递减。
参照图3，烧结密度随激光能量变化曲线，从图3中可以看出在同一预热温度下， 零件烧结密度随着激光能量的提高按照一定规律增加，即依照变化曲线进行变化。
权利要求
一种基于SLS成型的激光能量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成型机中在设定预热温度条件下激光能量与烧结密度的对应曲线，确定待加工的非匀质材料零件的加工高度方向与激光能量的变化曲线；3)将所述三维模型输入SLS成型机中，根据加工高度方向与激光能量的变化曲线进行加工控制，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勻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。
全文摘要
一种基于SLS成型的激光能量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成型机中在设定预热温度条件下激光能量与烧结密度的对应曲线，确定待加工的非匀质材料零件的加工高度方向与激光能量的变化曲线；3)将所述三维模型输入SLS成型机中，根据加工高度方向与激光能量的变化曲线进行加工控制，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。
文档编号B22F3/105GK101985175SQ201010551209
公开日2011年3月16日 申请日期2010年11月19日 优先权日2010年11月19日
发明者孙磊, 李文俊, 王春博, 董星涛 申请人:浙江工业大学