选择性激光烧结成形装备与工艺

快速制造是实现新产品快速开发的先进技术，已广泛应用于航空航天、汽车、家电等领域的新产品开发。

其中，选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）技术是最具发展前景的快速制造技术之一。它采用分层叠加制造原理，无需任何模具和工装夹具，将粉末材料直接烧结成形为三维实体零件，具有成形材料广泛、材料利用率高等优点。

1992年，美国DTM公司研制出世界上第一台SLS装备样机，并相继推出了一系列商品化装备。其后，国内也开始了这方面的研究与开发，但均存在如下问题：

1. 无法成形大尺寸零件：在SLS成形过程中，大范围温度场的均匀性难以准确控制，导致大尺寸零件容易产生严重翘曲变形，使成形过程无法继续进行；模拟式激光扫描系统存在零飘和温漂等缺陷，难以保证大尺寸零件的精度。

2. 成形效率低：由于传统的SLS装备采用单激光器扫描、下送粉系统和烧结成形实体模式，因而激光扫描和送粉空行程时间长，导致其成形效率较低。

3. 工艺窗口窄：传统SLS技术只支持少数几种材料及其成形工艺模式，难以满足不同应用领域对零件精度和性能的要求，限制了SLS装备的应用范围。

以上问题严重地制约了SLS技术的发展与应用。为此，从1999年开始，课题组在国家和省部级项目的资助下，针对上述问题进行了系统研究，取得了以下具有自主知识产权的创新成果：

1. 针对无法成形大尺寸零件的问题，研发出粉床预热温度模糊自适应控制方法、多层预热装置、热源支撑结构工艺和全数字化振镜激光扫描系统，解决了大范围温度场均匀性和大尺寸零件精度的问题。制造出了成形空间为1000mm×1000mm×600mm的商品化SLS装备。在零件精度相当的情况下，可成形的零件尺寸远大于国外装备。

2. 针对成形效率低的问题，发明了上送粉系统和多激光器扫描系统，研发出区域自适应切片和三维模型镂空制造方式等新型SLS成形工艺。在保证SLS零件精度和性能的前提下，降低了激光扫描和送粉空行程时间，使SLS装备的成形效率提高了1-3倍。

3. 针对工艺窗口窄的问题，发明了尼龙覆膜金属粉末材料、尼龙覆膜陶瓷粉末材料、金属/聚合物机械混合粉末材料的制备工艺。同时还发明了金属/陶瓷零件、塑料功能零件、金属/聚合物复合零件的SLS成形工艺，丰富了SLS材料制备和成形工艺种类，满足了不同应用领域对零件精度和性能的要求。

项目共获发明专利9项、软件著作权2项；先后在国内外发表学术论文176篇，其中被三大索引收录119篇，他引337次；相关成果获2009年中国发明创业奖特等奖、2005年湖北省科技进步奖一等奖、2009年湖北省优秀专利奖、2006年教育部自然科学奖二等奖。

截止2009年底，国内外用户达200多家，其中14家典型用户2007-2009年期间的经济效益为：产值5.8亿多元，利税1.3亿多元。打破了国外技术垄断，并出口到俄罗斯等国。在30多所高等院校和生产力促进中心中得到应用，培养和培训了一批快速制造方面的人才。

快速制造是实现新产品快速开发的先进技术，已广泛应用于航空航天、汽车、家电等领域的新产品开发。其中，选择性激光烧结(SelectiveLaserSinte-ring，SLS)技术是最具发展前景的快速制造技术之一，它采用分层叠加制造原理，无需任何模具和工装夹具，将粉末材料直接烧结成形为三维实体零件，具有成形材料广泛、材料利用率高等优点。1992年，美国DTM公司研制出世界上第一台SLS装备样机，并相继推出了一系列商品化装备，其后国内也开始了这方面的研究与开发，但均存在如下问题：1．无法成形大尺寸零件。在SLS成形过程中，大范围温度场的均匀性难以准确控制，导致大尺寸零件容易产生严重翘曲变形，使成形过程无法继续进行；模拟式激光扫描系统存在零飘和温漂等缺陷，难以保证大尺寸零件的精度。2．成形效率低。由于传统的SLS装备采用单激光器扫描、下送粉系统和烧结成形实体模式，因而激光扫描和送粉空行程时间长，导致其成形效率较低。3．工艺窗口窄。传统SLS技术只支持少数几种材料及其成形工艺模式，难以满足不同应用领域对零件精度和性能的要求，限制了SLS装备的应用范围。以上问题严重地制约了SLS技术的发展与应用。为此，从1999年开始，课题组在国家和省部级项目的资助下，针对上述问题进行了系统研究，取得了以下具有自主知识产权的创新成果：1．针对无法成形大尺寸零件的问题，研发出粉床预热温度模糊自适应控制方法、多层预热装置、热源支撑结构工艺和全数字化振镜激光扫描系统，解决了大范围温度场均匀性和大尺寸零件精度的问题，制造出了成形空间为1000mmx1000mm×600mm的商品化SLS装备，在零件精度相当的情况下，可成形的零件尺寸远大于国外装备。2．针对成形效率低的问题，发明了上送粉系统和多激光器扫描系统，研发出区域自适应切片和三维模型镂空制造方式等新型SLS成形工艺，在保证SLS零件精度和性能的前提下，降低了激光扫描和送粉空行程时间，使SLS装备的成形效率提高了1-3倍。3．针对工艺窗口窄的问题，发明了尼龙覆膜金属粉末材料、尼龙覆膜陶瓷粉末材料、金属/聚合物机械混合粉末材料的制备工艺，同时还发明了金属/陶瓷零件、塑料功能零件、金属/聚合物复合零件的SLS成形工艺，丰富了SLS材料制备和成形工艺种类，满足了不同应用领域对零件精度和性能的要求。项目共获发明专利9项、软件著作权2项；先后在国内外发表学术论文176篇，其中被三大索引收录119篇，他引337次；相关成果获2009年中国发明创业奖特等奖、2005年湖北省科技进步奖一等奖、2009年湖北省优秀专利奖、2006年教育部自然科学奖二等奖。截止2009年底，国内外用户达200多家，其中14家典型用户2007-2009年期间的经济效益为：产值5.8亿多元，利税1.3亿多元。打破了国外技术垄断，并出口到俄罗斯等国。在30多所高等院校和生产力促进中心中得到应用，培养和培训了一批快速制造方面的人才。