材料性能和选择性激光烧结工艺的选择外文翻译资料

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材料性能和选择性激光烧结工艺的选择

Sunil Kumar Tiwari* and Sarang Pande,

机械工程系

Jaypee工程技术大学

Guna, M.P. -473226, 印度

传真: 917544-267011

电子邮箱:sarangpande@gmail.com

电子邮箱:suniltiwari2259@rediffmail.com

*通讯作者

摘要：如今，为了生产质量更好、成本更低、交货时间更短的产品，赢得更多的顾客的喜爱成为了在全球市场保持竞争力的关键需求。为了满足这些要求，增材制造（AM）提供了一种用于生产固体的任意产品的技术工具。选择性激光烧结（SLS）是利用广泛的材料，由不同的技术集团开发，采用多种开发技术，以生产满足客户需要的零件及产品的一种增材制造技术。为使这一技术可行，需要进行更多的调查，以提高成品部件的性能，新材料的开发以及制造准确性。目前，有限的材料是非常昂贵的，阻碍了越来越多的使用。通过对于SLS材料性能和制造参数关系的知识的应用，可以在不影响SLS制造部件的价值和质量和客户满意度的前提下，为各种应用场合选择合适的材料。

关键词：选择性激光烧结;SLS;烧结参数;材料特性;整合机制。

引用此文应使用如下格式：Tiwari, S.K. and Pande, S. (2013) lsquo;Material properties and selection for selective laser sintering processrsquo;, Int. J. Manufacturing Technology and Management, Vol. 27, Nos. 4/5/6, pp.198–217.

作者简历：Sunil Kumar Tiwari目前正在位于印度Guna的Jaypee工程技术大学攻读机械工程博士学位。他在Govt. Ujjain工程学院获得工业工程和管理硕士学位。他是印度Wakhnaghat的Jaypee信息技术大学机械工程系的讲师。他的研究兴趣包括对增材制造及其生物医学应用、价值工程和优化利用资源以提高生产力的材料最优化问题。他是在国家和国际期刊以及会议论文集上发表大量研究论文的作者。

Sarang Pande获得了他在印度IT-BHU的机械工程博士学位。他是位于印度Guna的Jaypee工程技术大学机械工程系的助理教授。他的研究兴趣包括：微型制造、计算机辅助工艺规划、机床技术、增材制造的材料优化和生物医学应用。他是在国家和国际期刊、会议记录和书籍章节发表大量研究报告的作者。

这篇论文是一份修订后的论文，题为《Review of material properties and selection for selective laser sintering processrsquo; presented at International Conference on Innovations in Design and Manufacturing》(InnDeM-2012)，印度贾巴尔普尔，2012年12月5-7日。

1. 介绍

截至目前找到的文献资料中,增材制造（AM）技术始于1980年代，已有25年发展历史，是一种与传统技术相比更加自动化，干净，健康，高效率，节能高达40%，主要使用可回收材料，通过一层一层地选择性融合、烧结或聚合材料从而达到生产物理对象目的的可持续制造技术(Cucuruz et al., 2010)。在2005年，增材制造系统的机器销售量大约有2800台，2010年则超过6000台(Kruth et al., 2007; Wong and Aldo, 2012)。增材制造过程涉及到更大程度的设计复杂性，同时也使其优于其他常规技术，在2010年实现了24%的注册增长，并在2010年实现了26%的复合增长率(Diegel et al., 2010; Wong and Aldo, 2012)。

目前，主要有几个增材制造技术存在，分为立体光刻(SLA)，选择性激光烧结(SLS),选择性激光熔化(SLM)，熔融沉积造型(FDM)，层压对象制造(LOM)，3D印刷(3DP)等，和2004年添加的四个新技术，电子束融化(EBM)，ProMetal，叠层设计透镜成形(LENS)和紫外光成型。这些过程可能主要区别于他们用来制造零件的材料、粉末、长丝、液态的原始状态、制造模型的过程以及两个连续层之间的粘合机制(Chua et al., 2010; Gibson et al., 2010; Wong and Aldo, 2012)。高密度激光功率和制造技术的进步，使得原型工具转向生产实际的最终使用部件。目前，越来越多的需求是开发和应用更广泛的材料，这些材料在应用领域中占据更大的比例，例如轻型机器、建筑模型、医疗、燃料电池的制造、艺术和技术爱好者以及其他许多领域(Diegel et al., 2010; Gibson et al., 2010; Goodridge et al., 2012; Wong and Aldo, 2012)。

1. 选择性激光烧结

由Carl Deckard于1987年在德克萨斯大学研制的选择性激光烧结SLS，是一种具有平均速度快，平均精度高和表面光洁度高的三维打印过程(Chua et al., 2010; Jain et al ., 2006)。SLS技术利用激光束选择性地烧结金属或非金属粉末，使其成为固体物理结构。这主要是由于其处理任何类型的粉末状材料的适宜性，并且当对粉末形式的材料施加热量时易于熔化或烧结(Kruth et al., 2003)。SLS机器由控制器单元、进料筒单元、部分床、部分床室、分层辊、激光束(CO2激光器、激光灯、或二极管泵浦Nd:YAG激光、光盘或光纤激光器)和光学扫描仪系统组成，如图1所示。分层辊部分床上分层滚轮会指定层厚度、加热室温度可达到材料的熔点，光学激光扫描仪扫描位置，其二氧化碳激光束主要是（50W-18KW）根据指定的设计在每一层的特定位置熔化粉末，并且每次都将活塞的厚度降低相同的厚度，以创建物理构造(Chua et al., 2010; Gibson et al., 2010; Kruth et al., 2005; Wong and Aldo, 2012)。据Agrawal et al. (1995), Chua et al. (2010), Gibson et al. (2010) and Wong and Aldo (2012)的报告SLS过程从CAD软件或特殊软件创建CAD模型开始，允许用户创建CAD或如Caulfield et al. (2007)提供的直接CT或MRI扫描STL数据。CAD模型文件直接转移到SLS机器或由CAD模型转换成增材制造流程标准STL文件格式，将3D模型的皮肤作为一组三角形，存储每个三角形的顶点和正常方向的坐标，将CAD或STL文件分割成薄层。用户通过指定部件在机器中的位置和方向来准备三维模型，部件的方向影响几个参数，包括构建时间、部件强度和外观。在构建过程中，沿X-Y平面形成薄层的模型依次在每个层上依次排列，沿Z方向向上移动，一次构建一层。对零件的支护和后处理是最后的步骤，进行小的清洗和表面修整，如打磨、涂层、涂装等，以提高零件的外观、耐久性，最后一部分可被固化，以获得充分的强度。

图1 SLS机器的主要部分

2.1 SLS材料研究小组

材料将在满足社会的需求和要求方面发挥非常重要的作用。可用的材料越多，应用就广泛。为了实现这一目标，全球许多研究人员将他们的研究活动投入到SLS过程的材料开发中。下面列出了研究小组的部分名单及其研究领域。虽然这份名单主要属于工业研究团体，但也包括一些大学研究小组。本节所提供的所有信息，已从其网页、文章和年度报告中收集。然而,列表并不全面，可能会有其他一些团体参与研究活动：位于德克萨斯州Temple的先进激光材料(ALM)参与开发新等级材料的空缺和填充增材制造技术的尼龙11和12材料的过程，以及其中一些高性能,高变形温度,和功能部件制造应用程序。位于意大利Modena的CRP技术集团参与了SLS过程各种等级的风口、风窗材料的开发。位于法国Chassieu的Exceltec公司参与开发了新型的Innov #39;PA系列聚酰胺粉体材料。德国EOS集团参与了PrimePartreg;，EOSPEEK，PA，PrimeCastreg;，动力系列，金属和复合粉末的开发。英国MTT技术公司参与了纯钛、钛合金、铝合金、工具钢和不锈钢的开发。美国3D Systems集团参与开发各种材料如DuraFormreg;,CastFormtrade;,等。法国的Arkema Inc公司参与开发的Luperoxreg;有机过氧化物的产品如PVC，PS，低密度聚乙烯，PS、PMMA、UPR等是至关重要的生产塑料。德国iSQUARED集团参与开发用于SLS和FDM的AMAX和B30材料的过程。位于美国奥斯汀Praxair表面技术公司，参与为SLS开发为提供气体材料的过程。位于美国Ferndale的SIBCO Inc.集团参与了Somosreg;系列的SLS粉体。德国Solid Composites GmbH是一家现代化的、可信的、可靠的产品供应商，该公司致力于开发新型的粉末材料解决方案，该产品是基于PP、POM和SLS工艺的功能性填充材料。德国EnvisionTEC GmbH是一家现代化的、可靠的产品供应商，该公司致力于开发新型的ABS、高温聚合物、聚丙烯等材料。英国Loughborough大学机械与制造工程学院的增材制造研究小组(AMRG)参与了复合材料和功能梯度材料的开发。英国诺丁汉大学的增材制造和3D打印研究小组，参与了下一代多材料和多功能激光烧结技术的开发。爱尔兰国立大学，Galway（生物医学工程科学小组的中心），涉足新聚合物和复合材料的合成和特性，这些材料有可能用于医疗应用的新设备。英国南安普顿大学工程材料研究小组积极参与纳米结构材料的加工。新加坡南洋理工大学机械与航天工程学院则参与生物医学材料的开发。

2.2 SLS工艺材料

SLS工艺中实用的范围极广的材料使它优于其他技术。包括蜡、金属陶瓷、陶瓷（如Al₂O₃，FeO，NiO，ZrO₂，SiO₂，和CuO），聚合物（如PVC，PE，PP，PMMA，PS，PET，nylons和PC），金属（如铝、铬、钛、铁、铜），金属系统（例如Fe-Cu，Fe-Sn，Cu-Sn）和合金（如钴基、镍基、镍铜，预镍铜合金，28号铬镍铁合金625，Ti-6Al-4V，不锈钢，气化不锈钢316L，AISI的1018碳钢，高速钢预镀铸造用粘结砂氧化铝和聚合物）组合的金属和聚合物和金属和陶瓷的组合，以及生物材料(Casalino et al., 2005; Chua 202 S.K. Tiwari and S. Pande et al., 2010; Cooper, 1999; Das et al., 1998; Goodridge et al., 2012; Jain et al., 2006; King and Tansey, 2002; Kruth et al., 2004, 2010; Kumar and Kruth, 2010; Liu et al., 2011; Louvis et al., 2011; Nakamoto et al., 2009; Salmoria et al., 2007; Vashishtha et al., 2011; Wohlers, 2011; Wong and Bronzino, 2007)。

表1 SLS材料开发阶段

来源：Jain et al. (2006), ALM (http://alm-llc.com),

Custom Part Net (http://www.custompartnet

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