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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。
- l+ k$ \! q+ V& @6 B   
8 z+ L, F% o: E; _    # W) g$ Y6 S, I" Q) o1 d
1. 加工精度6 v! H7 O& Z4 u, A& K  T( N+ x- {. I
1.1 SLS毛胚烧结理想精度±0.1实际烧结精度可能到±0.15
8 Q% E3 k9 U1 S6 Z+ t8 a) W" Q' N1.2 SLS 毛胚经过后处理抛光喷油理想精度为±0.2
" \$ H5 V6 P$ z1.3 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。
; b# q. d0 v! @; f6 D/ R& s6 X4 h
2. 设计配合尺寸
% a6 u9 F1 h; G
4 o8 j/ w. s6 r. c# q# m) T2.1 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.* l  h; I; q" R6 P% B& D
所以从3D模型设计经验上需要做如下考虑:
5 I7 F; o0 R. e; Z" m1.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& D7 a: J  H" T8 n( q+ r8 k
2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
, t! G8 P, k1 v4 S- 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
# Y! u. i3 H( M4 V4 C) L, f) k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。! H! n9 {7 Z0 V

+ K3 W. H. x- e* R7 G( c$ i2.2SLS孔与金属轴(比如说45钢光轴)配合而言
' ]: `- h9 p. K: o3 N间隙配合,单边间隙取0.1,零对零配合,单边间隙取0.05
3 z" E- B; n) L3 z  b+ w4 Z# S8 {  D# H/ ~; n" Z! k) e
3. 设计中心距离配合% J3 g& F6 @/ j' d
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。# N9 y6 b) X) k1 v3 Y; z
4 l: B! R+ E- i; \# L5 m+ C0 T
4. 外形尺寸
& q: s9 B9 }  e' L& ?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。# o1 I( r8 }) P6 H
间隙配合,单边间隙取0.1 ,零对零配合单边间隙取0.05" h2 c9 I0 @! Q  X" T' }* _/ V  G
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。2 P2 A! z" A9 A7 A5 i

: K4 D, L, X6 @, d3 j2 C* V  t  _) L" S
5. 最小壁厚0.5mm
  G0 K2 o- k6 \& P7 i) C$ ]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。; O2 F5 i7 z1 J; @9 q9 ~
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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0 p% M' k7 g+ ?; [/ c% p6. 烧结方向与强度。- H( K! C9 e8 y
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& o- `+ o1 H  F* [% ^

; I5 ^8 T! E8 Q, s6 e# b% ~7. 产品的高低温性能' d6 E; R5 E9 L
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。$ `$ |1 Y; ^# J0 a5 e8 I; ^

* n  @& Z2 S8 i4 [* ~8.一般产品壁厚,及加强胫厚。1 ?- i% D1 w3 Q$ b2 Y, I
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。8 k- g; [4 a8 m' E
: S/ D, d: Q4 s/ v
9. 产品喷油后处理
5 g: p. v1 a. i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。
$ t0 K$ P4 B# f0 }' r0 J+ n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1 D& h% o, X# K6 J: e7 P2 j

* k3 f/ H( i" l4 ^! u
1.png 2.png
3 x  w6 z6 M, p9 o5 j/ |8 r  C(这2个图就是一种凹凸结构面的示意)
1 K- a( x1 c1 }9 N  ! ~- j' a# R) w
   
9 x. O6 R6 X2 d$ N4 Z  抛光等级分1级,2级,3级,4级。
+ t1 h4 Q( `. t
  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
& f5 s; K# ^- H- A" G  k; _
# x0 L* w. ?3 ^" ]/ t8 J: D  `; D$ ?; t, S+ r3 @3 L
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。)
3 Y6 q+ o0 q6 @) o6 U
, T5 Q8 _+ V5 u" ^: k2 Z" r3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。$ K: D/ c& M& h) D% h' I
4.png    5.png
3 d- v5 ?8 W3 ]
  g1 X3 \1 i' g$ Z% ?6 y. R
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。
( \2 Q1 `$ ?% D6 z2 y3 X1 k7 N, p
6.png
9. 抛光后的形体变化5 Y2 \. u+ X4 ?7 r5 o3 o/ N6 m
如图$ y9 X8 L/ k4 m5 N% K
10.1 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。0 j9 f1 P2 s5 F. [
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。4 I) P- u7 O/ a/ Z7 [1 I# H
9.png
9. STL文件导出
& y5 {. C/ g/ R# G/ [2 xSLS 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,
& x0 u& L; A6 A! q* _/ V6 g
一般建议在SOLIDWORKS设置如下:7 m& h3 c  q. e% p) r: ]
10.png
PROE 设置如下:; g! P3 ]# M6 H" R& P) L& b7 b7 P
11.png
UG设置如下
9 `" R: Z$ X+ d7 }; D, {  [  o, D6 o" T
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。7 E3 O0 X: G; i/ B( d

' M3 Y( c$ k, n. h! n7 \4 C) m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。9 J! u$ E" _* ~0 a

3 Q' R5 i6 Q& P( p- t0 `9. 产品的结构强度,和材料的力学性能
- u2 c4 v5 O" h1 S$ }3 O8 S
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:
" c9 q+ p8 {5 P4 z& r) n" F6 d2 B
13.jpg
(注意: PA625 PA12是同一种性能的材料). C6 e+ F2 v% l3 H1 k: l. S

( x% @7 P( `+ ]% A" f6 l9. 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
5 V8 [# z$ k$ |5 h0 n9 k13.1  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。
1 e" F) G% }4 m0 b' k13.2  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$ ?0 t; B  X1 M  p3 z
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
2 N8 [$ C; d4 ?) [. l0 H& V
+ b2 _3 [" ]* B. |# |9 e14 SLS的烧结时间
% @& D2 O& `- s% V9 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。1 }1 d. J$ P, c' g6 `" S, d6 H, T

3 R( A7 t* O2 V& a15 华曙SLS设备的满缸尺寸, w) g) u- t) G+ L  ], S& D8 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380# ^  z& P6 z+ E5 ~. e6 u+ h# I

  F8 J, p- C1 Q. A9 g1 B16. 产品变形
  W0 j3 t) E  W16.1 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" |: T7 V8 D# z. A, E: Z
; R  Y  O; f7 {/ c* L! e3 p" l  }
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。$ Y3 F& v1 h9 a; N; }
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。
* \/ U, J& z: r+ e+ `8 J- ]% Y
9 k! p( n3 [& {' d. d& E4 p17. 产品清粉* L5 W: u) N* M" _/ s
产品如果是封闭腔体需要考虑产品的清粉问题.
! x# r# B2 J7 B
' C( ~0 a" C% j; N7 q6 P3 P. P18. 表面粗糙度,一般未处理过的SLSR12.56 }: m! @) _+ B) g0 E! M5 c! K

, Z- M( W% `# p$ C: R, {% Y/ L/ Y  o19. 产品切割注意事项
) m; r3 r8 ?" R* H19.1 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。/ n$ ]! ~2 i0 _+ X, w+ U
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。
& G3 s9 [8 {( {7 T$ V19.3 粘接用常用的胶水为502快干胶,或者久而久的慢干胶。2 M5 I, @" `2 F+ w9 h

, k$ ?% j6 O: `" |6 o
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