粉末材料選擇性激光快速成形技術及應用（簡體書）

《粉末材料選擇性激光快速成形技術及應用》涵蓋了太陽電池功能的原則、原材料、光伏發電系統、標準、校準、測試、經濟學等方面的內容。本書分為4個部分。第1部分介紹了太陽電池、結晶矽太陽電池、薄膜技術、空間和聚光電池、有機染料敏化太陽電池，第2部分介紹了光伏系統、系統組件的平衡、並網系統、空間和聚光系統，第3部分介紹了一些研究案例，最後介紹了光伏產業帶來的環境和健康問題。
本書適合能源、環境、材料等相關專業或領域的人員閱讀。

《粉末材料選擇性激光快速成形技術及應用》由史玉升、劉錦輝、閆春澤、李瑞迪、楊勁松著，本書總結了作者多年來的研究、開發和應用經驗，匯集了國內外最新技術，全面、系統地闡述了高分子、金屬、陶瓷等粉末材料的選擇性激光快速成形技術與應用，主要包括粉末材料的制備、成形機理、成形工藝與其應用實例等。全書共分八章：緒論、高分子粉末的選擇性激光燒結成形技術、金屬粉末的選擇性激光燒結間接成形技術、金屬粉末的選擇性激光燒結與等靜壓復合成形技術、金屬粉末的選擇性激光熔化成形技術、金屬粉末的選擇性激光熔化與等靜壓復合成形技術、陶瓷粉末的選擇性激光燒結間接成形技術、鑄造用覆膜砂的選擇性激光燒結成形技術。

前言
第1章　選擇性激光快速成形技術概述
1．1　選擇性激光燒結技術
1．2　選擇性激光熔化技術
參考文獻

第2章　高分子粉末材料的選擇性激光燒結快速成形技術
2．1　高分子粉末材料的選擇性激光燒結成形機理
2．1．1　激光的能量輸入特性
2．1．2　高分子粉末材料的激光燒結成形機理
2．2　高分子粉末材料特性對選擇性激光燒結成形過程的影響
2．2．1　表面張力對SLS成形過程的影響
2．2．2　粒徑對SLS成形過程的影響
2．2．3　粒徑分佈對SLS成形過程的影響
2．2．4　粉末顆粒形狀對SLS成形過程的影響
2．2．5　黏度對SLS成形過程的影響
2．2．6　高分子材料本體的力學性能對SLS成形件性能的影響
2．2．7　聚集態結構對SLS成形過程的影響
2．3　選擇性激光燒結高分子粉末材料的製備及組成
2．3．1　高分子粉末材料的製備
2．3．2　SLS高分子材料的組成
2．3．3　SLS高分子材料製備工藝
2．4　非晶態高分子粉末材料的選擇性激光燒結成形與後處理工藝
2．4．1　PS粉末材料的SLS成形與後處理工藝
2．4．2　PC粉末材料的SLS成形與浸滲樹脂後處理工藝
2．5　晶態高分子粉末材料的選擇性激光燒結成形工藝
2．5．1　尼龍12粉末材料的製備
2．5．2　尼龍12粉末材料的SLS成形工藝
2．5．3　尼龍12粉末材料SLS成形件的性能
2．6　機械混合尼龍12／無機填料複合粉末材料的選擇性激光燒結成形工藝
……

第3章　陶瓷粉末材料的選擇性激光燒結快速成形技術
第4章　覆膜砂選擇性激光燒結快速成形技術及應用
第5章　選擇性激光燒結間快速成形金屬零部件及應用
第6章　選擇性激光燒結與等靜壓複合快速成形技術
第7章　選擇性激光熔化快速成形技術及應用
第8章　選擇性激光熔化與熱等靜壓複合快速成形技術

第1章選擇性激光快速成形技術概述
選擇性激光快速成形技術是當今國際上較為重要的快速成形技術之一，它主要以激光為熱源，以粉末為原料，間接或直接快速成形零部件原形直至最終零部件。目前，選擇性激光快速成形技術主要分為選擇性激光燒結（selectivelasersin-tering，SLS）技術和選擇性激光熔化（selectivelasermelting，SLM）技術兩種。
1.1選擇性激光燒結技術
SLS技術屬于快速原型與制造（rapidprototyping&manufacturing，RP&M）技術中的一種，是由美國得克薩斯大學的研究生Decard于1986年發明的。美國得克薩斯大學于1988年成功研制第一臺SLS樣機，并獲得這一技術的發明專利，于1992年授權美國DTM公司（現已并入美國3DSystem公司）將SLS系統商業化［1］。SLS技術借助計算機輔助設計與制造，采用分層疊加制造原理，將粉末材料直接成形為三維實體零件，不受成形零件形狀復雜程度的限制，不需任何工裝模具［2～7］。目前，德國EOS公司和美國3DSystem公司是世界上SLS系統及其成形材料的主要提供商。在國內，北京隆源自動成型系統有限公司從1993年開始研究SLS技術，并于1994年初成功研制國產化AFS系列激光快速成形機；1998年年底華中科技大學的武漢濱湖產業有限公司也研制出HRPS系列SLS成形機，這兩家單位的SLS成形設備及材料均已實現產業化。SLS工藝過程如圖1.1所示。
首先將零件三維實體模型文件沿Z向分層切片，并將零件實體的截面信息儲存于STL文件中；然后在工作臺上用鋪粉輥鋪一層粉末材料，由CO2激光器發出的激光束在計算機的控制下，根據各層截面的CAD數據，有選擇地對粉末層進行掃描，在被激光掃描的區域，粉末材料被燒結在一起，未被激光照射的粉末仍呈松散狀，作為成形件和下一粉末層的支撐；一層燒結完成后，工作臺下降一個截面層（設定的切片厚度）的高度，再進行下一層鋪粉、燒結，新的一層和前一層燒結在一起；這樣，當全部截面燒結完成后除去未被燒結的多余粉末，便得到所設計的三維實體零件。由圖1.1所示，激光掃描過程、激光開關與功率控制、預熱溫度以及鋪粉輥、粉缸移動等都是在計算機系統的精確控制下完成的。
相對于其他快速成形技術，SLS技術的特點如下：
（1）成形材料非常廣泛。理論上，任何能夠吸收激光能量而黏度降低的粉末材料都可以用于SLS，這些材料可以是聚合物、金屬、陶瓷粉末材料。
（2）應用范圍廣。由于成形材料的多樣性，決定了SLS技術可以使用各種不同性質的粉末材料來成形滿足不同用途的復雜零件。SLS可以成形用于結構驗證和功能測試的塑料原型件及功能件，可以通過間接法來成形金屬或陶瓷功能零件。目前，SLS成形件已被廣泛用于汽車、航空航天、醫學生物等領域。
（3）材料利用率高。在SLS過程中，未被激光掃描到的粉末材料還處于松散狀態，可以被重復使用。因而，SLS技術具有較高的材料利用率。
（4）無需支撐。未燒結的粉末可以對成形件的空腔和懸臂部分起支撐作用，不必像光固化成形和熔融沉積成形（fuseddepositionmodeling，FDM）那樣需要另外設計支撐結構。
1.2選擇性激光熔化技術
SLM技術的基本原理與SLS技術類似，是SLS技術的延伸。德國Fraunhofer激光器研究所（FraunhoferInstituteforLaserTechnology，FILT）最早提出采用SLM技術直接制造金屬零件。目前，采用SLS技術制造金屬零件的方法主要有：
（1）熔模鑄造法。首先采用SLS技術成形高聚物［聚碳酸酯（PC）、聚苯乙烯（PS）等］原型零件，然后利用高聚物的熱降解性，采用鑄造技術成形金屬零件。
（2）砂型鑄造法。首先利用覆膜砂成形零件型腔和砂芯（直接制造砂型），然后澆鑄出金屬零件。
（3）選擇性激光間接燒結原型件法。高分子與金屬的混合粉末或高分子包覆金屬粉末經SLS成形，經脫脂、高溫燒結、浸漬等工藝成形金屬零件。
（4）選擇性激光直接燒結金屬原型件法。首先將低熔點金屬與高熔點金屬粉末混合，其中低熔點金屬粉末在成形過程中主要起黏結劑作用，然后利用SLS技術成形金屬零件，最后對零件后處理，包括浸漬低熔點金屬、高溫燒結、熱等靜壓（hotisostaticpressing，HIP）。
SLM技術能直接成形出接近全致密度的金屬零件［1］克服了SLS技術制造金屬零件的復雜工藝過程，而且所制造的金屬零件力學性能不，再像SLS技術一樣受低熔點金屬的影響，零件精度也有所提高。
SLM技術是利用金屬粉末在激光束的熱作用下完全熔化、經冷卻凝固而成形的一種技術。為了完全熔化金屬粉末，要求激光能量密度超過106W/cm2［1］。目前用于SLM技術的激光器主要有Nd-YAG激光器、CO2激光器、光纖激光器。這些激光器產生的激光波長分別為1064nm、10640nm、1090nm。金屬粉末對1064nm等較短波長激光的吸收率比較高，而對10640nm等較長波長激光的吸收率較低。因此，在成形金屬零件過程中具有較短波長激光器的能量利用率高，而采用較長波長的CO2激光器時激光能量利用率低。
在高激光能量密度作用下金屬粉末完全熔化，經散熱冷卻實現與固體金屬冶金焊合成形。SLM技術正是通過對激光選區內的金屬粉末完全熔化、經散熱冷卻固化、層層累積成形出三維實體的快速成形技術。SLM金屬粉末成形技術的原理如圖1.2所示。
圖1.2中，根據成形零件的三維CAD模型的分層切片信息，掃描系統（振鏡）控制激光束作用于待成形區域內的粉末。一層掃描完畢后，活塞缸內的活塞下降一個層厚距離；接著送粉系統輸送一定量的粉末，鋪粉系統的輥子鋪展一層厚的粉末沉積于已成形層之上。然后，重復上述兩個成形過程，直至所有三維CAD模型的切片層全部掃描完畢。這樣三維CAD模型經逐層累積方式直接成形金屬零件。最后，活塞上推，可從成形裝備中取出零件。至此，SLM金屬粉末直接成形金屬零件的全部過程結束。
圖1.2SLM成形技術原理圖本書主要論述了采用SLS和SLM及其與等靜壓方法相復合的幾類方法成形各種零部件的技術與工藝，包括高分子零件原型、覆膜砂、陶瓷及金屬零部件幾類成形技術，希望讀者能夠充分認識上述技術，獲得相關知識，并在此基礎上深入研究開發更新的制造工藝，服務更廣泛的領域。
參考文獻
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第2章高分子粉末材料的選擇性激光燒結快速成形技術
高分子材料與金屬、陶瓷材料相比，具有激光燒結成形溫度低、所需激光功率小、燒結件精度高等優點，成為應用最早，也是應用最多、最成功的SLS成形材料，在SLS成形材料中占有重要地位，其品種和性能的多樣性以及各種改性技術也為它在SLS成形領域的應用提供了廣闊的空間。SLS技術一般要求高分子材料能被制成平均粒徑在10～100μm的固體粉末材料，粉末顆粒在吸收激光能量后熔融（或軟化、反應）而黏結，且不會發生劇烈降解。目前，用于SLS技術的高分子材料主要是熱塑性高分子材料及其復合材料，熱塑性高分子材料又可分為晶態和非晶態兩種，由于晶態和非晶態高分子材料在熱性能上的決然不同，造成它們在激光燒結成形參數設置及燒結件性能上存在巨大差異。本章首先詳細討論高分子材料SLS成形機理及其特性對SLS成形過程的影響，然后分別討論非晶態、晶態高分子材料及其復合材料、合金的SLS成形工藝。
目前，高分子材料在SLS技術中主要應用于以下幾個方面：
（1）快速制造原型件。主要用于新產品結構的驗證，這也是SLS的最初應用領域。
（2）快速制造精密鑄造用高分子材料熔模。與傳統模具制造的蠟模相比，用SLS技術制造的熔模具有更高的復雜度、強度及較短的制造周期。
（3）直接或間接快速制造塑料功能零件。直接制造是指通過SLS成形的高分子零件具有較高的強度，可直接用作塑料功能件；間接制造是指通過SLS成形的高分子零件強度較低，通過適當的后處理工藝，力學性能得到提高后才可用作塑料功能件。
（4）生物制造。這是目前SLS領域的研究熱點之一［1］。
2.1高分子粉末材料的選擇性激光燒結成形機理
高分子粉末材料的激光燒結是將CO2激光器輸出的光束通過聚焦，在工作面上形成具有很高能量密度的光斑，此光斑對平鋪在工作臺上的粉末材料進行燒結。這一成形方法包含了激光對粉末材料的加熱以及粉末材料的燒結兩個基本過程。正確認識這兩個基本過程是成功應用SLS技術的基礎。本節從理論上對這兩個基本過程進行分析探討，以揭示與之有關的各種因素及其相互作用關系，為研制高性能激光燒結材料及優化燒結工藝提供理論依據［2］。
2.1.1激光的能量輸入特性
1.激光對粉末材料的加熱過程
SLS成形系統中的激光束為高斯光束，由于工作面在激光束的焦平面上，故激光束的光強分布可表示為［3］
2r2I（r）=I0exp-ω2（2.1）
式中，I0為光斑中心處的最大光強；ω為光斑特征半徑，此處的光強I為e-2I0；r為考察點距離光斑中心的距離。I0的大小與激光功率P有關，即
I0=π2ωP2（2.2）
式（2.1）表明在激光掃描線中心下面的粉末所接受的能量較大，而在邊緣的能量較低，但當相鄰的激光掃描線之間存在一定的重疊時，能量的疊加就可使得整個掃描區域上的激光能量達到一個較均勻的程度。CO2激光器能以脈沖或連續方式運行，其輸出可視為準連續的，可按連續方式處理，連續激光掃描線的截面能量
密度分布為
E（y）=2πPωvexp-2y2ω2（2.3）
式中，v為掃描激光束的移動速率。
式（2.3）所表示的是單個掃描線的截面能量分布，對于重疊的掃描線，截面能量密度分布與掃描間距等參數有關。