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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。# [' J; u0 R7 r5 c: u" \+ Q+ M
   & T8 b$ ]" e% u% T7 ]
   
$ _6 K3 F2 ^, o9 ^1. 加工精度: A4 D' L2 n4 d- e  i! X! c# D
1.1 SLS毛胚烧结理想精度±0.1实际烧结精度可能到±0.15; y. T; \- o5 c5 p% k8 i+ n1 Q9 P9 F
1.2 SLS 毛胚经过后处理抛光喷油理想精度为±0.2
" J2 @" i- d4 s1.3 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。
- I+ c, ^$ L% S2 G0 {8 a1 c$ B  y1 F
1 i2 [/ [( Z% O( q2. 设计配合尺寸/ W, ?/ c0 A5 C1 W0 s+ T
% r+ c5 v2 Q% }7 k0 ], S) N: ]
2.1 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.
+ b8 l# t! n  u+ p; c" K! S4 [所以从3D模型设计经验上需要做如下考虑:# D* t. A( Y6 P; v5 T
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" ^) `' P0 H3 B, Q! h$ i$ M
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Φ4.957 W& m3 m; R) \" n2 h: }) w6 c
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0.054 v! K! Q4 t. _4 _
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。' R. C/ t, V' L* C0 `+ [5 ^( r, s
6 O: I7 R9 k4 i1 ^
2.2SLS孔与金属轴(比如说45钢光轴)配合而言
# `3 C' y$ f" F, G/ H间隙配合,单边间隙取0.1,零对零配合,单边间隙取0.054 |; O+ V0 T" i* L  v

: j" F6 X) Q( f; T) X7 t  Q' L3. 设计中心距离配合( P* ^0 r; U  w: e0 ^2 s. a
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。1 V( O8 Y( \8 P+ c5 Q% _8 |

8 x1 q& X+ x) H0 R5 v+ l9 O+ e( A4. 外形尺寸  t5 ~! m" S; T
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。
9 s0 s7 m2 \; U, p. _/ E0 K! t: |间隙配合,单边间隙取0.1 ,零对零配合单边间隙取0.057 r  i1 d; I* G; m& H/ g  j
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。
. m& N8 D1 C$ S. d; a! \; z: L
6 Y4 H% K) }* a) [* }' p7 e% I
! P8 a5 }$ R, @* P& P, \# z, w5. 最小壁厚0.5mm
( b$ J! e0 }( a8 R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。3 w$ Z# Z0 p2 ~; c
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)。3 b2 _! x4 {  T. U3 e5 p
- r5 e, s3 v( @1 O
6. 烧结方向与强度。- i4 ^" u' N% K$ L& t% G
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
+ _8 C7 C1 O7 J6 \$ z: J& L6 W- s' Q# A. ?* u- O
7. 产品的高低温性能1 y2 u  \. i" F2 {; D; 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。5 Q- [, w! W/ v* I* n# y/ f

" S1 `' u1 e. Y. j8 u8.一般产品壁厚,及加强胫厚。7 Z7 z& ^: o* w9 I' s* W
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。
3 {# n- S& B) M7 A) \1 ]2 y  O: ?* I$ K: g/ i3 M7 ?' Q6 s
9. 产品喷油后处理- C! j) v1 J; Z( ?- C, Q; \
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。
  ~% L) q7 d3 B' w/ K7 j/ X3 ]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
5 V& m' ^/ ~* U% _
' p# J: z1 F5 J! G3 B7 {
1.png 2.png : z' a# q; {9 o+ b
(这2个图就是一种凹凸结构面的示意)7 O4 N! h' s( b7 f9 {: H: `9 O
  3 C2 S0 K# E) c+ Y+ ]. w* u
   
) J) ~4 |6 I6 S; D. U" [4 ?- C  抛光等级分1级,2级,3级,4级。
3 P/ Z& z, ?: [/ j* z/ g
  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
6 u1 z- {; T, o3 c
- w: T1 D$ c4 b, X
0 X$ ~2 V7 O* K2 u7 E2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 a: d! |, c5 ?, n; Q( ^% u

, p# y: ^0 k) V3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。
4 R2 ~1 n2 O/ S" u6 o7 g4 {/ ^. h
4.png    5.png / q; n1 F  i' M7 I4 H

7 {$ d- h8 i) v& J- H
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。
1 a! {/ o2 u$ d2 L
6.png
9. 抛光后的形体变化7 U, I5 D1 H5 e! ]* z
如图( Q$ x( ~% g2 o- ?2 ?/ Q
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。$ N% c1 \. R3 o$ D6 \& N# C2 p
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。* `1 {$ O/ g3 H
9.png
9. STL文件导出1 f* Z0 Z+ y% P6 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,4 n* |5 c* K! L8 u, }$ o) q7 \# S6 H
一般建议在SOLIDWORKS设置如下:
5 z. q& f5 k# L; S( Y
10.png
PROE 设置如下:
: A+ Y* b, j* c$ k, p
11.png
UG设置如下) k% n4 r# P9 [! @6 Z- p
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 Z2 X4 {3 |1 o; l
% J1 U6 K8 K7 E$ L3 U+ d+ P& g' V5 T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 H$ T( S' F0 {% T( e7 X* w/ W
0 o) d. u" Y1 c7 ~5 |9 `/ }
9. 产品的结构强度,和材料的力学性能
$ h; f! f0 P5 J* o4 s- B
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:
( e3 v3 J% d5 ~* c# X- f
13.jpg
(注意: PA625 PA12是同一种性能的材料)
) I! D( i9 |' S  v! q! o( ?4 J# S- z( m' R1 \  l% K
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
7 w! `; X, T( v1 ?9 Z13.1  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。) g% f0 D* v: r" v6 \
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* \5 p( Z0 ~6 l+ P  H
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' o  Y3 l+ |* i/ @- ?

2 W! T8 y* T$ T# ^; d14 SLS的烧结时间
/ l+ F6 \) U/ @6 O& n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。
6 _  S7 G: R) `1 c9 F. R1 W3 E/ }+ a( s/ Q) M0 |
15 华曙SLS设备的满缸尺寸
, D- U, x9 S, D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
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7 `. S3 E/ u3 p2 I! _- W$ h16. 产品变形/ O7 `% Y& b/ W3 Y' g' F: s+ s# U
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
7 F2 Q- R1 }! S* n- Y1 v
' ]' [' f1 M* @: t16.2 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。& k6 U1 ?* ]; Z4 o" \! T+ s
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。+ h# m; a7 i# V: V" [  _
6 Y% n2 w1 C" V6 U- v8 ]# Z
17. 产品清粉
8 x$ q3 x2 G- u产品如果是封闭腔体需要考虑产品的清粉问题.( Q% |, w3 A. w& q( ~, M$ v

7 K( ^: _, q/ G18. 表面粗糙度,一般未处理过的SLSR12.50 o0 L9 G. J9 G, e
- {9 b' L$ X' c" g0 \
19. 产品切割注意事项3 |% B5 d5 d9 m6 R
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。
/ E# {- M8 F; f% E19.2 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。0 d  f" ^# H! P* g1 y9 j
19.3 粘接用常用的胶水为502快干胶,或者久而久的慢干胶。
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7 k& k# ~1 |" b8 ]/ S, f  i" w
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