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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。5 y  \7 a+ _3 Q; `! ~
   
* [' ^  h# s9 W0 x    + [: L- b8 S' s! v8 b; Q
1. 加工精度6 c* Y2 k' l  S  @! ?+ k9 k; ]- U
1.1 SLS毛胚烧结理想精度±0.1实际烧结精度可能到±0.15: U& e" I! t* i7 b9 K* i
1.2 SLS 毛胚经过后处理抛光喷油理想精度为±0.2: i6 q# X$ ~8 `  ~/ g! A" W8 `7 o
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。1 J9 b- o  s+ f6 Q, o! u. {
" P5 i6 j. i7 N: N" ~# w
2. 设计配合尺寸: i0 I* }. r* b

& B5 [; l2 F8 ~& W2.1 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.& o5 f) {: a9 g: s% M
所以从3D模型设计经验上需要做如下考虑:
5 ^* d5 n& u3 _3 D3 Q, c1.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
1 L0 B2 u" O$ A' j2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
5 r% {6 `& z# m" f0 Q$ m$ }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0.05
( `0 q% F! d! S$ C  K4 ?5 [% f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。9 w8 T6 M2 J, H" @- A% E

. z  w9 U. Q  k% Y0 `& W2.2SLS孔与金属轴(比如说45钢光轴)配合而言
8 h* y" u  _* `& v% O1 V6 L8 `  |间隙配合,单边间隙取0.1,零对零配合,单边间隙取0.05# t! [7 o+ m; b5 ]
4 P; D3 P" E+ i3 w8 u2 @7 i: `4 d
3. 设计中心距离配合
  o4 N( r) g+ |* m! E: F; G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。" g" h$ H" U1 U+ S4 L

+ y$ p2 C) I% K) f4. 外形尺寸! t$ H- G. R; ~% f
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。" D9 f2 h( \( w# s7 y/ \0 b
间隙配合,单边间隙取0.1 ,零对零配合单边间隙取0.05
) u8 q; D! `$ T0 |# Q5 e, D5 V% q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。3 ]4 c$ E! V% [
2 ?7 l  h: J( r7 j. v

0 E  T! i* o, [5. 最小壁厚0.5mm
( c8 E  ]# F. e. Q2 }2 a0 a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。
+ I: f  N) h$ B" k( ~( |9 Q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)。+ j3 H9 L- _( x4 i
3 _- Y4 l% t. Y- l, ]" l5 j9 T
6. 烧结方向与强度。
  O& T2 Q! H+ ^3 Q: N0 j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2 a: d# u% q4 x* _/ `
" l" t2 u1 \1 j9 o
7. 产品的高低温性能. M; ~+ f; ]6 i- L  ^, R
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。
2 `- R$ [. z) B' b" f! v4 k) l
+ Z: w0 h. z6 E0 o% z3 |8.一般产品壁厚,及加强胫厚。
" ^& z/ e- s+ T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。, E3 D0 `& A2 u& k3 Z+ b" ^; }
5 t/ n3 M3 S, }! t7 C4 o7 p/ E2 \
9. 产品喷油后处理! X: u5 b/ S9 I* u7 Z
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。
7 T0 c3 r1 ^6 p$ t8 k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8 E9 n# Y' Z$ x) }4 j1 T# f6 d

' i: U- T1 k. \% g& v
1.png 2.png * D7 v" @3 o+ P8 {; A' T
(这2个图就是一种凹凸结构面的示意)
3 q, S5 L3 I+ F  d  
( p# Z; @6 C4 n. i   # F2 C5 d! Z1 u# U8 O
  抛光等级分1级,2级,3级,4级。: I, d) z2 j9 b* x$ [' _. k
  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
! W- m# i  D# G% ?# z1 Y8 n- N( E/ G0 f
& ]) E( w- |. l5 i9 a6 J; g( y' n' F/ `( y: P
2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。)
2 u% X1 n$ X0 ^5 F1 m+ r  f2 `, `; `# Y5 b4 ?) j
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。
& X2 `# g+ _" s5 W1 m! P9 \
4.png    5.png
* c$ _. ~2 N% v' P
" B  A' S1 E" [6 ]  l( n% U& m
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。$ K% g( a- X- a7 E- s7 v, g
6.png
9. 抛光后的形体变化# n0 t1 P9 ~8 J! Z) Q% a4 R
如图
: _1 t4 S( `& I10.1 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。
; n: E2 n+ s# A( z) c6 X" C* x
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。
; b' m: B+ h0 s
9.png
9. STL文件导出
5 J7 B7 V- c- y( R5 v- R. c" LSLS 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,
' _, b! K& E+ p/ R  z, l" M+ I
一般建议在SOLIDWORKS设置如下:
  z4 b) @8 c* S; ?- r: H
10.png
PROE 设置如下:/ V: p* x1 r1 }$ o$ X
11.png
UG设置如下
7 M8 }& Q+ d8 X+ l
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。
0 n2 \0 x; h0 g& R7 l
) R! C+ I! I) n: C& s# m7 n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。. @0 M+ F! u4 K( m! p6 L

( j! ~; ]" X& r9 I, ^9. 产品的结构强度,和材料的力学性能  Y& ~& L0 h- n: r. k1 S" g: I
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:" u: Q( Q& h  D3 ~) H
13.jpg
(注意: PA625 PA12是同一种性能的材料)' P6 B: a% e0 A
% N  w4 Q% `+ R7 `& U
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
: g1 n  X4 b# j0 H7 C13.1  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。% l. k0 v6 f1 Q, k1 x
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PA12. Q, T+ G- Q9 L; h3 L: K' ?
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
1 h/ T' Q3 I: b: M0 [2 m: }# B, i- @* J( v) K3 K4 q
14 SLS的烧结时间
. a, n+ x4 ~; R1 f5 [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。) ~. u- X2 `$ \0 X( V3 {) L

0 Z1 }  [% V+ e: J15 华曙SLS设备的满缸尺寸
- N' W- T7 N! e0 k/ N# l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3803 Q. M% Y, n# Q6 T# R$ ]. y: j  D! U

- d1 P/ E# O/ Q& d( f4 J16. 产品变形# y. U' n+ D3 K9 U+ E
16.1 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
; E9 a- z4 t* r5 ?2 |8 X/ x5 Y9 c( f" ~9 x1 Q0 f% Z
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。8 {1 p# T* g* n& b: M
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。
+ A3 G7 x: |7 w8 n# W5 z( c) `# y
6 I8 C8 w5 C5 I" m% m- T17. 产品清粉
' p3 r2 J7 B1 @& U产品如果是封闭腔体需要考虑产品的清粉问题.
! p/ r3 Y; J9 O) Z6 h, s7 s  A, b/ L  |. h  _1 I
18. 表面粗糙度,一般未处理过的SLSR12.55 h% l) {% y4 _6 p5 m4 Q& T

' T2 C( e. _8 O" x19. 产品切割注意事项
( `( E7 o4 I+ O0 \; C, K4 C19.1 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。1 Y) G& c, u# {0 A  S1 h
19.2 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。1 ]' S2 v* s; }- \+ W4 k- s, o
19.3 粘接用常用的胶水为502快干胶,或者久而久的慢干胶。* _, c6 K: E  w8 L  G

* ~0 l! _/ g8 F$ w, [
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