1.1目的及意义

课题来源：desktop metal公司的SLS 3D打印机的改造和仿真

课题背景： 快速原型制造技术，又叫快速成形技术，（简称RP技术），RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。但是，其基本原理都是一样的，那就是"分层制造，逐层叠加"， 类似于数学上的积分过程。形象地讲，快速成形系统就像是一台"立体打印机"。

其中，选择性激光烧结（以下简称SLS），SLS选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。

1.2国内外基本研究情况

成型工艺的研究进展：1986 年，美国学者 Carl Deckard 首次提出了选择性激 光烧结技术的概念，并在两年后成功研制出 SLS 打印设备， 此后 SLS 技术迅速在美国实现商业化 。经过近 30 年的发展， SLS成型工艺已经基本成熟，由于能够用于 SLS 成型 的材料种类较多，根据烧结所使用的材料不同，目前 SLS 成型工艺包括金属粉末烧结工艺、陶瓷粉末烧结工艺以及塑料粉末烧结工艺，其中金属粉末烧结工艺中又分为直接法、间接法和混合法等。除了塑料粉末烧结之外，金属粉末烧结和陶瓷粉末烧结后胚体大都需要进行大量的后处理，包括高温烧结、热等静压烧结、熔浸和浸渍等。近年来，各国对 SLS 成型以及后处理工艺进行了大量的研究，美国的 Texas 大学 Austin 学院自由成形实验室在大量实验的基础上，大大提高了金属粉末材料的烧结密度，并研究了 SLS 金属热渗透、 热等静压等后处理工艺 。比利时对 SLS 工艺进行了分类，并进一步研究了 SLS 的烧结机理 。日本学者主要从事金属 SLS 成型件的失效分析工作，分析了烧结过程中残余应力的产生和消除机制，进而预测了烧结过程中烧结件最可能发生断裂的地方。南京航空航天大学沈以赴教授对多组分铜基金属粉末的 SLS工艺进行了研究，分析了激光功率、光斑直径、 扫描速度、扫描问距和铺粉厚度对烧结致密度的影响。此外，德国、意大利、俄罗斯、韩国、伊朗等国也相继展开了对 SLS工艺的温度场的演化规律及其建模与仿真、“球化效应” 等方面的研究。

打印材料研究进展：成型材料是影响和制约 SLS 成型技术发展的重要要素之一，在 SLS 成型材料方面，SLS 最初只能使用蜡粉和塑料粉进行成型，20 世纪 90 年代，德国与芬兰合作，开发出用于 SLS成型的金属粉，从而将 SLS成型材料推向了更广阔的领域。 目前用于 SLS 成型的材料主要是各类粉末，包括金属、陶瓷、石蜡、聚合物粉末以及纳米复合材料等，美国、德国等在 SLS 成型材料的研制方面处于领先地位。美国推出了第一种 用于 SLS 成型的尼龙材料，随后在此基础上又推出了纤细尼龙以及铜 - 尼龙复合材料 ，这些材料成型件表面质量好成型精度高并具有良好的机械性能，此外，目前美国还开发了 聚碳酸酰粉末、聚苯乙烯粉末、覆膜硅砂、覆膜铜粉等 SLS 成型材料。德国开发了一种 PA2200 和 PA3200GF 粉末，这种 材料具有良好的抗拉强度和伸长率，主要用于制作功能原型， 此外，德国还开发了 Direct Steel 系列粉材。我国在 SLS 成 型材料开发领域取得了长足进步，目前，国内在 SLS 成型材 料的开发领域处于领先地位的研究单位包括华中科技大学、 北京航空航天大学、南京航空航天大学、华北工学院、中北大学以及北京隆庆公司等，这些科研院校及企业开发了一系列成熟的 SLS 成型材料，包括覆膜砂、覆膜陶瓷、覆膜金属、 塑料粉以及精铸蜡粉等 。

打印设备研究进展：目前国内外从事 SLS 打印设备研究的单位较多，也开发出了一大批各具特色的 SLS 成型系统。美国 DTM 公司研制的 Sinterstation 2500plus SLS 成型设备成型体积比之前增加了 10%，由于优化了加热系数，减少了各环节的加热时间， 其成型速度大大提高 ，3D Systems 公司Vanguard si2 SLS 成型设备扫描速度可达到 10m/s。德国 EOS 公司研制出了 Eosint M 系统，该系统可以直接对未经预热的金属粉末进行烧结，制作精度高，表面质量好，可制作形状复杂的注塑模具。华中科技大学的 HRPS 激光烧结成型设备采用振镜式动态聚焦系统，具有高速度和高精度的特点，另外，该系统采用美国 CO2 激光器，具有稳定性好，寿命长、性价比高的特点，可直接制作各种复杂精细结构的金属件以及注塑模、压铸模等。此外，北京隆源自动成型系统有限公司开发生产了以选区粉末烧结为原理的 AFS 系列激光快速成型机，华中科技上大学开发了世界最大的选择性激光烧结快速成型设备，成型 尺寸达 1.4 至 2.2 米。

2. 研究的基本内容与方案

2.1课题内容

（1）快速成型技术基本类型，选择性激光烧结技术的基本原理及工艺过程分析，快速成型扫描路径与分层算法基本概况；