深圳大学：《塑料成型工艺与模具》课程教学资源（教材讲义）《塑料成型工艺与模具》实验指导书

深圳大学《塑料成型工艺及模具》课程实验指导书 实验二SLS快速原型实验(一)—树脂粉末烧结 实验目的 该实验使学生能够了解激光选区烧结快速成型(SLS)技术的基本原理、基本方法 和应用,了解自制设备深圳大学快速成形机J0-SLS-2C60-B2525的基本结构,掌握此 型号快速成型系统的简单操作,对快速原型制造方法有一定的了解 实验内容 了解SLS快速原型制造的基本工艺及后续处理工艺,并学会用SLS快速成形技术 制作三维实体实物 三、实验原理 快速原型制造是一种离散/堆积的加工技术,其基本过程是首先将零件的三维实体沿 某一坐标轴进行分层处理,得到每层截面的一系列二维截面数据,按特定的成形方法 (LOM、SLS、FDM、SLA等)每次只加工一个截面,然后自动叠加一层成形材料,这 过程反复进行直到所有的截面加工完毕生成三维实体原型。图1为快速原型系统工作 流程图。 SLS方法采用二氧化碳激光器对粉末材料(塑料粉、陶瓷与粘结剂的混合粉、金属 与粘结剂的混合粉等)进行选择性烧结,是一种由离散点一层层对集成三维实体的工艺 方法。与其它快速成形方法相比,SLS最突出的优点在于它所使用的成形材料十分广泛 从理论上说,任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成形材料 目前,可成功进行SLS成形加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合 粉末材料。由于SLS成形材料品种多、用料节省、成形件性能分布广泛、适合多种用途 以及SLS无需设计和制造复杂的支撑系统,因此SLS的应用越来越广泛。 SLS是采用激光有选择地分层烧结固体粉末,并使烧结成形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。 SLS成形工作原理如图2所示,主要由激光器、激光光路过程、振镜运动系统、工 作台、供粉缸、工作缸、推粉墙构成。成形时,先在工作缸中铺一定厚度的粉末材料成 为第一层的烧结原材料和起到支撑到作用,激光束经过调焦等校正后在计算机的控制 下,按照截面轮廓信息,对制件的实心部分进行扫描烧结,使得粉末的温度升至熔化点 粉末颗粒交界处熔化,粉末相互黏结,逐步得到各层轮廓,非烧结的粉末仍呈松散状, 作为工件和下一成形面的支撑,并起到一定的散热作用,一层成形完成后,工作缸推粉 板在伺服电动机的作用下,粉末面下降一个截面层的高度,供粉缸推粉板同样在伺服电 动机的作用下上升一个截面层的高度,为了使工作缸的粉末有较好效果的铺粉,也可以 使得供粉缸推粉板上升略大于一个截面的高度,并在推粉墙的推动下,进行下一层面的 铺粉和铺平,然后激光束再次进行扫描烧结,如此循环,最终形成我们所设计的三维工 件,三维工件完成后,未熔化的粉末可以被刷除,作为下次烧结的原料

深圳大学《塑料成型工艺及模具》课程实验指导书 6 实验二 SLS 快速原型实验（一）——树脂粉末烧结 一、实验目的 该实验使学生能够了解激光选区烧结快速成型（SLS）技术的基本原理、基本方法 和应用，了解自制设备深圳大学快速成形机 J10-SLS-2C60-B2525 的基本结构，掌握此 型号快速成型系统的简单操作，对快速原型制造方法有一定的了解。 二、实验内容 了解 SLS 快速原型制造的基本工艺及后续处理工艺，并学会用 SLS 快速成形技术 制作三维实体实物。 三、实验原理 快速原型制造是一种离散/堆积的加工技术，其基本过程是首先将零件的三维实体沿 某一坐标轴进行分层处理，得到每层截面的一系列二维截面数据，按特定的成形方法 （LOM、SLS、FDM、SLA 等）每次只加工一个截面，然后自动叠加一层成形材料，这 一过程反复进行直到所有的截面加工完毕生成三维实体原型。图 1 为快速原型系统工作 流程图。 SLS 方法采用二氧化碳激光器对粉末材料（塑料粉、陶瓷与粘结剂的混合粉、金属 与粘结剂的混合粉等）进行选择性烧结，是一种由离散点一层层对集成三维实体的工艺 方法。与其它快速成形方法相比，SLS 最突出的优点在于它所使用的成形材料十分广泛。 从理论上说，任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为 SLS 的成形材料。 目前，可成功进行 SLS 成形加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合 粉末材料。由于 SLS 成形材料品种多、用料节省、成形件性能分布广泛、适合多种用途 以及 SLS 无需设计和制造复杂的支撑系统，因此 SLS 的应用越来越广泛。 SLS 是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成形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。 SLS 成形工作原理如图 2 所示，主要由激光器、激光光路过程、振镜运动系统、工 作台、供粉缸、工作缸、推粉墙构成。成形时，先在工作缸中铺一定厚度的粉末材料成 为第一层的烧结原材料和起到支撑到作用，激光束经过调焦等校正后在计算机的控制 下，按照截面轮廓信息，对制件的实心部分进行扫描烧结，使得粉末的温度升至熔化点， 粉末颗粒交界处熔化，粉末相互黏结，逐步得到各层轮廓，非烧结的粉末仍呈松散状， 作为工件和下一成形面的支撑，并起到一定的散热作用，一层成形完成后，工作缸推粉 板在伺服电动机的作用下，粉末面下降一个截面层的高度，供粉缸推粉板同样在伺服电 动机的作用下上升一个截面层的高度，为了使工作缸的粉末有较好效果的铺粉，也可以 使得供粉缸推粉板上升略大于一个截面的高度，并在推粉墙的推动下，进行下一层面的 铺粉和铺平，然后激光束再次进行扫描烧结，如此循环，最终形成我们所设计的三维工 件，三维工件完成后，未熔化的粉末可以被刷除，作为下次烧结的原料

深圳大学《塑料成型工艺及模具》课程实验指导书 概念设计 维模型☆修改模型 快速模具 快速原型 逆向工程 产品原型 三维激光 数字化仪 图1快速原型系统工作流程 振镜系统 光路系统激光器 成形零件 推粉墙 工作缸 工作台供粉缸 推粉板 图2SLS工作原理图 四、实验设备 深圳大学快速成形机J10SLS-2C60B2525系统简介 『基本组成 该设备由机械部分、激光部分、控制系统和软件系统组成,该设备开放性良好,能 够通过编程改变各个实验参数。激光采用CO2激光器,最大输出功率为60W,采用的 是循环水冷却。该设备的外部尺寸是1650×940×1350(长宽高,单位为mm),机械平 台加工材料使用的是铝合金和铝材。该系统如图3所示。 1.机械部分 该主机由以下几个单元组成:可升降工作缸、可升降供粉桶、铺粉装置、聚焦扫描 单元、振镜单元、机架。它主要完成系统的加工传动功能 2.激光部分 该部分使用的是60W的CO2激光器,系统由激光管、聚焦镜、光具座、反射部分 和工业循环冷却水装置组成。激光冷却装置用于冷却激光管,提髙激光能量稳定性,保 护激光器。 3.控制系统 控制系统则可采用固髙GE-400-sG-PCⅠ系列运动控制器作为基础编写控制程序来 实现工作缸,供粉缸和铺粉装置三者之间的协调工作。 4.软件系统 本套系统所采用的软件是伍晓宇老师根据实际需要所编写的控制软件,深圳大学 J10-SLS-2525快速成形软件系统,其运行界面如图4所示 『系统性能参数

深圳大学《塑料成型工艺及模具》课程实验指导书 7 图 1 快速原型系统工作流程 图 2 SLS 工作原理图 四、 实验设备 深圳大学快速成形机 J10-SLS-2C60-B2525 系统简介 『基本组成』 该设备由机械部分、激光部分、控制系统和软件系统组成，该设备开放性良好，能 够通过编程改变各个实验参数。激光采用 CO2 激光器，最大输出功率为 60W，采用的 是循环水冷却。该设备的外部尺寸是 1650×940×1350（长宽高，单位为 mm），机械平 台加工材料使用的是铝合金和铝材。该系统如图 3 所示。 1. 机械部分 该主机由以下几个单元组成：可升降工作缸、可升降供粉桶、铺粉装置、聚焦扫描 单元、振镜单元、机架。它主要完成系统的加工传动功能。 2. 激光部分 该部分使用的是 60W 的 CO2 激光器，系统由激光管、聚焦镜、光具座、反射部分 和工业循环冷却水装置组成。激光冷却装置用于冷却激光管，提高激光能量稳定性，保 护激光器。 3. 控制系统 控制系统则可采用固高 GE-400-SG-PCI 系列运动控制器作为基础编写控制程序来 实现工作缸，供粉缸和铺粉装置三者之间的协调工作。 4. 软件系统 本套系统所采用的软件是伍晓宇老师根据实际需要所编写的控制软件，深圳大学 J10-SLS-2525 快速成形软件系统，其运行界面如图 4 所示。 『系统性能参数』

深圳大学《塑料成型工艺及模具》课程实验指导书 (1)电源:20V,5OHz,15A (2)最大成形空间:250×250×400 (3)成形材料:覆膜砂,环氧聚酯粉末 (4)CO2激光器:输出功率60W,光斑直径03-0.35mm (5)运动速度:300~500mm/s 激光与振镜系统 机械平台 循环冷却水系统 运动控制系统 图3深圳大学快速成形机J10-SLS-2C60-B2525 系功能 状态监 供粉缸:0 2+1=Z42 陆:0工作 牌楼口口口口口□ 标识|运动树试形功键 盘光控制 计时0小时 她1 图4深圳大学J10SLS-2525快速成形软件系统运行界面 硬件」 1.扫描系统采用国际著名公司的振镜式动态聚焦系统,具有高速(最大扫描速度为 4m/s)和高精(激光定位精度小于50um)的特点; 2.激光器采用成都产的CO2激光器,具有稳定性好、可靠性高、模式好、寿命长 功率稳定、性能价格比高等特点,并配以全封闭空调冷却系统; 3独有密封系统能有效防止漏粉 『软件」

深圳大学《塑料成型工艺及模具》课程实验指导书 8 (1) 电源：220V，50Hz，15A (2) 最大成形空间：250×250×400 (3) 成形材料：覆膜砂，环氧聚酯粉末 (4) CO2 激光器：输出功率 60W，光斑直径 0.3－0.35mm (5) 运动速度：300~500mm/s 图 3 深圳大学快速成形机 J10-SLS -2C60-B2525 图 4 深圳大学 J10-SLS-2525 快速成形软件系统运行界面 『硬 件』 1. 扫描系统采用国际著名公司的振镜式动态聚焦系统，具有高速（最大扫描速度为 4m/s）和高精（激光定位精度小于 50um）的特点； 2. 激光器采用成都产的 CO2 激光器，具有稳定性好、可靠性高、模式好、寿命长、 功率稳定、性能价格比高等特点，并配以全封闭空调冷却系统； 3.独有密封系统能有效防止漏粉； 『软 件』 机械平台 激光与振镜系统 运动控制系统 循环冷却水系统

深圳大学《塑料成型工艺及模具》课程实验指导书 功能强大的软件,具有易于操作的友好图形用户界面,开放式的模块化结构,国际 标准输入输出接口。具有以下功能: 1.切片模块:将prt、stp等格式的文件转化成STL格式文件; 2.数据处理:具有STL文件识别及重新编码,容错及数据过滤切片,STL文件可 视化,原型制作实时动态仿真等功能 3.安全监控:设备和烧结过程故障自诊断,故障自动停机保护。 五、实验材料 本实验所用的材料是深圳市鸿升五金装饰材料有限公司所生产的200目环氧聚酯粉 末和顺德区伦教凤腾树脂覆膜砂厂所生产的200目覆膜砂 六、实验方法及步骤 1.准备工作 1)用工具清除工作台面上粉尘; 2)检査反射镜是否被污染,若不干净,先用吸耳球吹一吹保护镜,再用镊子夹带 丙酮的脱脂棉轻轻擦洗镜片; 3)冷却装置中的水是否充足,若不够则补充水进去。 2.铺粉 1)开电脑,在桌面上双击“深圳大学J10-SLS-2525快速成形软件”程序,找到“激 光振镜SLS/ NEWSLS”文件,单击“打开”; 2)接通激光器、冷却器、控制板三个电源,确保三者都处于工作状态 3)先单击“初始化”,再单击“运动控制”,出现如图2所示的操作界面,熟悉它 4)调整好工作缸和供粉缸内的粉末量 a.单击“铺粉”,选择速度按钮,单击并按住鼠标左键拖动其左右移动(左右可以改 变其大小),设置你所需的速度来,单击上方的“初始化”(确保每次运动前都要初始化), 后再单击“+”键(“+”表示铺粉其向工作缸方向移动,“-”则相反),铺粉墙移动至左 端会在限位开关的作用下自动停止,后单击上方的关闭卡 b.单击“工作缸”,同样可以选择其速度大小,选定会单击上方“初始化”(勿忘), 建议采用默认速度大小,便于你及时关闭(“+”表示缸向上运动,“-”刚向下运动)目 测其上升一定高度(建议在5mm左右,太多的粉末会导致在推的过程中溢出挡粉墙) 点击“关闭卡”; c.单击“供粉缸”,同样在选择好速度后点击“初始化”,而后再点“·”键,下降 定高度后,点击“关闭卡”; d单击“铺粉”,选择速度后,点击“初始化”,再单击“-”,让铺粉墙向供粉缸方 向移动进行推粉,将工作缸中的粉末移至供粉缸 e.如此循环,操作次数视工作缸的位置而定,直到工作缸最后在限位开关的作用下 不能再向上移动为止; f此时,铺粉墙处于右端的极限位置,再次单击“供粉缸”,选择较慢的速度,记 得再次“初始化”,上升高度后,铺粉墙再次以较慢的速度进行铺粉,因为供粉缸丝杆 与螺母之间有一定的间隙,为了保证第一层有足够的粉末进行铺粉,这一步的很重要; 5)调整好工作缸、供粉缸、铺粉墙位置后,点击“关闭卡”后再单击“成形功能”, 不要去点击“激光开”、“激光关”、“计算时间”三个按钮,单击“开始”,此时会出现 个操作窗口,在其中找到成形零件的数据文档,点击“打开”,即可以进行成形加工

深圳大学《塑料成型工艺及模具》课程实验指导书 9 功能强大的软件，具有易于操作的友好图形用户界面，开放式的模块化结构，国际 标准输入输出接口。具有以下功能： 1. 切片模块：将.prrt、.stp 等格式的文件转化成 STL 格式文件； 2. 数据处理：具有 STL 文件识别及重新编码，容错及数据过滤切片，STL 文件可 视化，原型制作实时动态仿真等功能； 3. 安全监控：设备和烧结过程故障自诊断，故障自动停机保护。 五、 实验材料 本实验所用的材料是深圳市鸿升五金装饰材料有限公司所生产的200目环氧聚酯粉 末和顺德区伦教凤腾树脂覆膜砂厂所生产的 200 目覆膜砂。 六、 实验方法及步骤 1．准备工作 1) 用工具清除工作台面上粉尘； 2) 检查反射镜是否被污染，若不干净，先用吸耳球吹一吹保护镜，再用镊子夹带 丙酮的脱脂棉轻轻擦洗镜片； 3) 冷却装置中的水是否充足，若不够则补充水进去。 2．铺粉 1）开电脑，在桌面上双击“深圳大学 J10-SLS-2525 快速成形软件”程序，找到“激 光振镜 SLS∕NEWSLS”文件，单击“打开”； 2）接通激光器、冷却器、控制板三个电源，确保三者都处于工作状态； 3）先单击“初始化”，再单击“运动控制”，出现如图 2 所示的操作界面，熟悉它； 4）调整好工作缸和供粉缸内的粉末量： a.单击“铺粉”，选择速度按钮，单击并按住鼠标左键拖动其左右移动（左右可以改 变其大小），设置你所需的速度来，单击上方的“初始化”（确保每次运动前都要初始化）， 后再单击“+”键（“+”表示铺粉其向工作缸方向移动，“-”则相反），铺粉墙移动至左 端会在限位开关的作用下自动停止，后单击上方的关闭卡； b.单击“工作缸”，同样可以选择其速度大小，选定会单击上方“初始化”（勿忘）， 建议采用默认速度大小，便于你及时关闭（“+”表示缸向上运动，“-”刚向下运动）目 测其上升一定高度（建议在 5mm 左右，太多的粉末会导致在推的过程中溢出挡粉墙）， 点击“关闭卡”； c.单击“供粉缸”，同样在选择好速度后点击“初始化”，而后再点“-”键，下降 一定高度后，点击“关闭卡”； d.单击“铺粉”，选择速度后，点击“初始化”，再单击“-”，让铺粉墙向供粉缸方 向移动进行推粉，将工作缸中的粉末移至供粉缸； e.如此循环，操作次数视工作缸的位置而定，直到工作缸最后在限位开关的作用下 不能再向上移动为止； f.此时，铺粉墙处于右端的极限位置，再次单击“供粉缸”，选择较慢的速度，记 得再次“初始化”，上升高度后，铺粉墙再次以较慢的速度进行铺粉，因为供粉缸丝杆 与螺母之间有一定的间隙，为了保证第一层有足够的粉末进行铺粉，这一步的很重要； 5）调整好工作缸、供粉缸、铺粉墙位置后，点击“关闭卡”后再单击“成形功能”， 不要去点击“激光开”、“激光关”、“计算时间”三个按钮，单击“开始”，此时会出现 一个操作窗口，在其中找到成形零件的数据文档，点击“打开”，即可以进行成形加工；

深圳大学《塑料成型工艺及模具》课程实验指导书 3.三维实体的制作 1)用软件绘制三维实体的CAD模型 2)快速成型机开机,将供粉桶内的粉末装满,按照2.铺粉的五个步骤将工作缸和 供粉缸的粉末铺平; 3)输出三维实体的STL文件到快速成型机; 4)运行“深圳大学J0-SLS-2525快速成形软件”,并调入成形数据文件,打开激光 器与冷却装置; 5)设置激光功率60%,扫描速度200mm/s,单层厚度0.lmm,扫描间距0.lmm 6)成形结束后,先切断电源,再关闭程序,确定完成了以上两步再用勺轻轻的从 工作缸中取出工件,再用刷子清除多余未烧结的粉末,保持实体模型在成型舱内缓慢冷 却到室温 7)三维实体件完全冷却后取出,用刷子和除尘系统将残余粉末清除干净; 8)将砂型实物放在干燥箱内干燥30分钟,干燥箱温度设为40度: 9)从干燥箱内取出砂型实物,在空气中缓慢冷却,制作结束; 10)激光烧结过程中,不要随意碰触到工作台,以免影响加工精度;更不要把手伸 到目镜下方,以免烧伤; 11)注意观察成形过程,如果听到冷却器报警或是发生任何你不懂解决的问题,请 马上切断电源! 12)用干燥的抹布清理工作台处漏出的粉末,收拾好操作工具,清扫地面上洒落的 粉末; 13)关闭电脑,完成整个实验。 七、实验报告 每组自行设计一个较简单的三维实体,分析砂型实体的精度,如何改进实物的成型 精度

深圳大学《塑料成型工艺及模具》课程实验指导书 10 3．三维实体的制作 1) 用软件绘制三维实体的 CAD 模型； 2) 快速成型机开机，将供粉桶内的粉末装满，按照 2．铺粉的五个步骤将工作缸和 供粉缸的粉末铺平； 3) 输出三维实体的 STL 文件到快速成型机； 4) 运行“深圳大学 J10-SLS-2525 快速成形软件”，并调入成形数据文件，打开激光 器与冷却装置； 5) 设置激光功率 60%，扫描速度 200mm/s，单层厚度 0.1mm，扫描间距 0.1mm； 6) 成形结束后，先切断电源，再关闭程序，确定完成了以上两步再用勺轻轻的从 工作缸中取出工件，再用刷子清除多余未烧结的粉末，保持实体模型在成型舱内缓慢冷 却到室温； 7) 三维实体件完全冷却后取出，用刷子和除尘系统将残余粉末清除干净； 8) 将砂型实物放在干燥箱内干燥 30 分钟，干燥箱温度设为 40 度； 9) 从干燥箱内取出砂型实物，在空气中缓慢冷却，制作结束； 10）激光烧结过程中，不要随意碰触到工作台，以免影响加工精度；更不要把手伸 到目镜下方，以免烧伤； 11）注意观察成形过程，如果听到冷却器报警或是发生任何你不懂解决的问题，请 马上切断电源！ 12）用干燥的抹布清理工作台处漏出的粉末，收拾好操作工具，清扫地面上洒落的 粉末； 13）关闭电脑，完成整个实验。 七、 实验报告 每组自行设计一个较简单的三维实体，分析砂型实体的精度，如何改进实物的成型 精度？