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选择性激光烧结(简称SLS)基本设计准则

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发表于 2013-10-31 11:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
前言:SLS产品作为一种新的加工工艺方式,有别于传统模型加工常用到的CNCSLA,等。SLS激光烧结可以烧结金属,塑胶,或者二者的混和物。现在就国内常用SLS烧结的材料PA12为标准,制定出以下设计规则,供工程师在设计时参考。2 J2 A  K" j6 F: J7 v% {" d
   
. x; m% O! i9 m  G& Q   
. u0 i2 n. `# f; s2 x5 v1. 加工精度; e% b4 B6 `& l- \; k
1.1 SLS毛胚烧结理想精度±0.1实际烧结精度可能到±0.15
3 m* u( v' f+ c' i4 Z$ z1.2 SLS 毛胚经过后处理抛光喷油理想精度为±0.2* E- }8 ]0 d& F
1.3 对于细长的薄的产品,要考虑相应的变形,即形位公差,简单的概念如下:如果该产品设计时适合注塑模具塑料产品设计工艺,则SLS烧结的产品的形位公差可以等同。, D: X) z3 }- O) T6 }, l1 Z" N
8 s, E- c8 Z- U2 d7 O
2. 设计配合尺寸2 e+ R$ n5 D0 Q2 A5 l' n

: J% U! s' c0 b2.1 对SLS孔与SLS轴配合而言 以一个Φ5的孔为例,SLS毛胚孔的实际大小约为Φ4.94左右.Φ5SLS毛胚轴实际大小约为Φ5.06左右,如果3D模型设计上用Φ5零对零的理想配合设计的话,实际SLS毛胚的总过盈量大约为0.12,单边过盈量为0.06.2 Q8 M' |0 J& l0 n" d
所以从3D模型设计经验上需要做如下考虑:! q! s- ~& K/ K1 x6 c
1.如果要让Φ5孔轴配合是小间隙配合的话,设计上孔要取数Φ5.1,轴要取数Φ4.9
: {  A( f/ n4 s, G5 @- P. k2如果要让Φ5孔轴配合是零对零配合的话,设计上孔要取数Φ5.05,轴要取数Φ4.95" a, ?/ L' c8 S* a9 r0 A
结论:简单而言,小间隙配合,单边间隙取0.1,零对零配合 单边间隙取0.056 H/ B9 C6 q5 }' n( t/ C! y
如果实际生产出的毛胚还是满足不了这个经验值的话,一般用砂纸或者锉刀,或者钻头,绞刀修整。7 s) P+ \" A" Q! ^: Z5 A2 e
8 U: W0 n# M. \9 n8 Z/ `) Z2 |4 {
2.2SLS孔与金属轴(比如说45钢光轴)配合而言7 }4 w7 Q8 a0 ?; H- a$ ?
间隙配合,单边间隙取0.1,零对零配合,单边间隙取0.05
6 f3 r" w0 W# u; r' S& W7 x8 z" \) `' c) ?
3. 设计中心距离配合2 q; ~0 Z$ N& T' d: P2 \
毛胚中心距离的配合尺寸一般实际值在±0.05左右。因机器工作一段时间后会误差有漂移,所以一般机器一个月会做一次误差补偿。这个对设计上考虑中心距误差±0.05影响不大。7 e' P% `  C, O/ S

4 {8 a5 u; ^; t( _4. 外形尺寸
  R* E2 w$ j% M  D9 ^毛胚外形尺寸(主要指长度,宽度,高度方向)理论上即等于SLS的烧结精度±0.1,实际上大约偏正公差+0.06左右。设计上需要做相应的考虑。
6 u4 h7 V* K2 o7 F$ Z9 j间隙配合,单边间隙取0.1 ,零对零配合单边间隙取0.059 S. Q6 {- z  D  ^: _
如果实际生产出的毛胚还是满足不了这个经验值的话,一般用砂纸或者锉刀修整。7 v; T. `& c7 r& K& h( F' _& L  S* n
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6 m5 p  t( D; K3 u# C5 M
5. 最小壁厚0.5mm+ d, m, u0 f  M# h" i- ~4 @
主要指XY方向的烧结厚度,一般设计上Z轴上最小壁厚0.2 ,实际生产出来会到0.2-0.35之间,XY方向壁厚取0.5,实际生产出来会到0.5-0.65之间,XY方向壁厚为激光光点厚度决定的。激光一个光点的直径不是理想的0数值,而是0.47左右,所以只要光点扫过的地方,都会形成最小0.5厚的小块。而Z轴方向是一层层叠加上的,一般为0.1的步进距离,所以不受XY光点大小的限制。: ?- I4 ]( H/ l1 O
简而言之,如果有壁厚小于0.5mm的结构,需要向SLS生产部门指定烧结摆放方向。否则无法烧结出来。(SolidworkSug 有检查壁厚的功能)。
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: ?/ g' b3 t1 U% R! F; ~6. 烧结方向与强度。
0 m# M3 Y' w0 b% `4 [2 P设计卡扣类东西时,如果剪切力是平行于XY的烧结方向时,SLS的强度最弱,如果是垂直于XY的烧结方向时强度最好。所以尤其是含卡扣类产品,如果对强度有要求,需要指定烧结方向。当然这样会影响价格
* f- R; T( n; \; H( h0 B; I* p8 ?* l2 k$ y
7. 产品的高低温性能( ~  z/ _, Y/ e5 U0 B8 j
SLS产品一般在高温80度,低温-30度范围内的机械物理性能等同于20度常温下的性能。$ k) j4 S) Q4 o
) ~) x( f4 r* f! \
8.一般产品壁厚,及加强胫厚。
$ F$ N. x5 M+ w- k6 @$ {2 ^设计时优先考虑产品2.0壁厚,建议大于等于1.5以上。加强胫优先考虑1.0,建议大于等于0.8以上。否则产品容易碎裂,后处理,或者装配时都容易出现问题。+ D+ F: ~: j8 W# p

- ]( _0 a# R( e3 n+ ~* O3 W9. 产品喷油后处理5 u- U2 j) z3 k5 y$ U0 P1 D. c
毛胚产品一般表面比较粗糟,一般都要清粉,去掉毛刺,预先打磨。然后涂树脂,增强强度,改善喷油效果。如果尺寸有偏差,或者有装配要求,需要用钳工的手法修配。
+ M, V( f+ W, C一般产品可以简单的分为内表面,外表面,凹凸结构面(即用手不容易直接打磨到的面)等三类面/ ?! O" i3 m! m" m

  Y! H! X) r* h# V6 _. h; S
1.png 2.png 6 w5 w% r3 }7 o3 m/ w
(这2个图就是一种凹凸结构面的示意)- Q6 g/ T& k% o  [7 I1 c
  - {) j5 `- O. p4 o
   
# k4 W  W. T& c  抛光等级分1级,2级,3级,4级。
7 R# q: Y5 u; t% g% f9 A8 e
  1级抛光等级要求最高,需要多次抛光,多次补土,多次喷油返工,最后达到理想效果,平面与过渡光顺的弧面不允许有看到明显纹路,凹凸结构面有不太明显的纹路(普通人在0.5米距离看不出这个纹路为标准)一般适合于平面,过渡光顺的弧面,或者结构不复杂的外表面,客户有特别要求时采用,成本高。(注意此要求不可用于产品内表面,或者凹凸结构面。)
   
3.jpg ( b$ k. m# k1 L7 m: p$ b( m' b
, k( v' F- E. z% h3 z

, W$ ~" a; V  |2 P2级抛光等级要求略低,也需要抛光,补土与喷油,平面与过渡光顺的弧面允许看到占整体面积大约10%纹路,凹凸结构面纹路明显。成本偏高。(注意此要求不可用于产品内表面,或者凹凸结构面。)& C4 h2 y! }) j. ^: f7 ^0 a/ x' M

; ?- ?; L. w  r  X0 x) }, ?3级抛光等级最为经济,平面与过渡光顺的弧面允许看到占整体面积大约60%纹路凹凸结构面纹路明显,性价比最好,但一般适合于外表面。内表面要做的话,成本会偏高。
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4.png    5.png
& s, A* F- |7 b( C/ r7 G1 f  ^' P9 g. q) D
4级抛光等级主要为验证尺寸的客户考虑。表面效果相当于铣刀粗铣表面6.3的粗糙度效果,所有内表面,外表面,结构面效果虽有纹路,但一致性好。也适合于内表面,及非外观面的要求。" ~& W9 I* I  K% M
6.png
9. 抛光后的形体变化$ O2 D' \$ R+ d8 ]' M% x. E
如图
. T' {. A/ U- q9 l10.1 尖角抛光抛出圆角是不可避免的,否则只能简单去毛刺打磨处理。% {" q$ R+ ~4 _! J1 G1 B! ]; ~
10.2 凹处尖角涂树脂也会有圆角,一般通过刻刀修边处理可以去掉这个圆角。但如果刀具接触不到,不好着力的地方,就无法修整了,一般对内表面小凹形结构处不涂树脂。或者轻涂树脂后,放入烤箱,隔30分钟后用布或者其它东西去掉多余沉积的树脂。
! C1 c/ H& x# n3 P2 Q
9.png
9. STL文件导出9 j8 f6 ^" q$ _3 E& f! J1 b6 @
SLS 激光烧结设备只识别STL文件,所以客户输出STL 文件时,精度不可设置太高,否则影响排工件的速度,也不可设置太低,否则影响产品输出精度,
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一般建议在SOLIDWORKS设置如下:
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10.png
PROE 设置如下:
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11.png
UG设置如下
( v7 Z9 G3 L4 T; T' Z/ p" n6 ]
12.png
另外,对于纯外观模型,可以从3Dmax ,rhino,等软件直接导出STL文件。精度设置大致参考上述标准,如果没把握可试烧一个小价格模型,来调整精度。
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客户如果只给STL文件,请相应给出最大外形尺寸,以方便SLS厂家核查。$ g" `8 Y/ y7 I  V! O4 W* O1 ~
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9. 产品的结构强度,和材料的力学性能9 O! Y) m+ c% m+ s' d5 f' `
一般可描述为:对比ABS的性能,为80%左右的ABS的机械物理性能。具体参数表如下:8 A. G( p3 S7 q6 A. Y
13.jpg
(注意: PA625 PA12是同一种性能的材料)
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9. PA12MFGF的区别(主要从概念上的通用描述,具体细节可从华曙网站下载www.farsoon.com) s7 w, O( ^  k2 U$ B
13.1  PA12的理论比重是1,实际烧结会在0.9左右,放到水里不会沉下去,注意水的比重为1,用在一般场合,耐温80度。# `) }4 L' P" h& O( |2 T7 n- g
13.2  MF就是在PA12里面参入矿纤维,材料性能可同GF通用,理论比重大致会在1.4,实际烧结比重为1.2-1.3,韧性比PA12略差。纤维是条状的。而玻璃微柱是颗粒状的。但烧结后是看不到明显的条状和颗粒状的,主要用在耐温要求的场合,一般为130度保持其物理性能。价格比PA126 f2 C. [& R% M2 l% V1 x
13.3  GF是在PA12里面参入玻璃微珠,材料性能可同MF通用,理论比重大致会在1.4,实际烧结比重为1.2-1.3,韧性比PA12略差。但烧结后是看不到明显的条状和颗粒状的,主要用在耐温要求的场合,一般为130度保持其物理性能。价格比PA12/ q  H0 a1 I% h0 @8 y2 f
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14 SLS的烧结时间
$ e+ i2 r8 E1 r$ i华曙现有高速机和低速机各一台,高速机的烧结时间比低速机要短,但如果是满缸烧结,而且形状复杂,高速机也就不高速了。高速机满缸2-3天,低速机满缸3天,SLS烧结时间,就PA12 ,MF,GF三种材料而言,没有区别。华曙公开承诺交货期为5天内发货,遇到特殊情况另外处理。
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$ W( G# a' U) O- @( o15 华曙SLS设备的满缸尺寸3 [: m  P* ?4 i2 D) Y
一个满缸的尺寸大致为330X280X420mm,如果利用率很高,比方说零件大部分很充实,实体零件很多,壳体零件很少,其Z轴方向高度会小于420,甚至到3808 a# \3 @3 G/ u# n% E
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16. 产品变形
1 J8 R% r5 k' E16.1 如果产品是细长件(最大外形最长的部分除以最大外形最小的部分大于等于10),壁厚薄(1.5毫米以下的要重点检查)。一般100MM变形可能到±1
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16.2 产品如果XY方向最大外形大于330X280MM, 最外边也可能变形,如果有精度要求一般建议切割,当然切割也要考虑手工粘贴精度,一般在±0.3左右,如果有薄壁特征,相应的变形精度更大。当然如果是纯外观件,则没有这个限制。
' @  w* E$ @9 G0 b, L8 p0 v注意:XY的最大外形尺寸在某些时候可以旋转零件来解决,经过旋转零件调整后的体积会增加,最大外形会以旋转后的体积核算,成本会增加。
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( d7 D( S4 i: G1 ?1 ?17. 产品清粉
: ?$ G4 W( p" E- G- T8 ?产品如果是封闭腔体需要考虑产品的清粉问题.8 f6 N! ?+ W$ x1 N, k3 V- s
  ]2 D. t# t5 t* g) u# d$ c
18. 表面粗糙度,一般未处理过的SLSR12.5
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9 y# F  @  o) g2 V19. 产品切割注意事项( E0 ]3 u3 g+ r8 Y
19.1 如果产品过大,超过华曙满缸最大外形尺寸,需要考虑产品的切割,如果要求不高一般为±0.2-0.5MM,则可以用简单的方法切割,如果有特别要求,需要在设计上考虑加定位槽或者定位柱。
% t% ]# H' t$ i* t3 I19.2 切割的粘结强度,粘接面强度等同于材料原始强度,而粘接面附近因为胶水的渗入,所以会有内应力,概念上理解,其最弱地方的强度一般为原始材料80%的强度。假设用暴力破坏,断裂面不会在粘接面,一般会在粘接面附近。
) ^+ ]' V  b, y) M( x& r19.3 粘接用常用的胶水为502快干胶,或者久而久的慢干胶。
) N  z/ D/ ^/ k  `% S% T

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