1 三峡大学石墨增材制造技术与装备湖北省工程研究中心，湖北 宜昌 443002
2 三峡大学机械与动力学院，湖北 宜昌 443002
传统成型工艺制备的导电复合材料内部导电通路分布不可控，且难以实现复合材料的电学与力学性能的匹配。利用选择性激光烧结技术快速制备了类金刚石结构石墨骨架素坯，并经过二次固化、真空压力浸渍酚醛树脂溶液以及高温碳化等后处理工艺改善石墨骨架电学以及力学性能，并将环氧树脂与之“复合”，制备了石墨/环氧树脂复合导电材料。通过正交试验，研究了石墨骨架结构特征参数对导电复合材料的电导率和抗弯强度的影响。研究结果表明：键半径R为决定复合材料电导率的主要因素，但对于其抗弯强度为较次要因素；键长L对复合材料的电导率和抗弯强度皆为较主要因素；当键长为6 mm、键半径为1.4 mm、键角为120°时，可获得力学性能和导电性能相协同的新型导电复合材料。
选择性激光烧结 导电复合材料 正交试验 电导率 抗弯强度 selective laser sintering conductive composity orthogonal test electrical conductivity bending strength
南京邮电大学 电子与光学工程学院，柔性电子（未来技术）学院，江苏 南京 210023
荧光玻璃陶瓷结合了荧光粉优异的发光性能和玻璃基质良好的热导率及热稳定性的特点，已在高功率白光LED乃至激光照明领域引起了广泛的关注。本文采用一种选择性激光（CO2激光器）烧结技术，制备了YAG∶Ce荧光玻璃陶瓷，并研究了其荧光发光性能以及构筑的白光LED的器件性能。与传统的重熔融或固相烧结方法不同，选择性激光烧结技术仅对局部加热且升/降温速率大，因此该方法具有节能和快速的特点。研究表明，选用适当的激光功率（24 W）、扫描速度（135 mm/s）和扫描间隔（9 μm）等参数，可制备出形貌较好的YAG∶Ce荧光玻璃陶瓷；经过630 ℃热处理1 h消除应力后，其呈现出Ce3+离子典型的4f→5d能级跃迁对应的宽带激发光谱（峰值为340 nm和455 nm）以及5d→4f能级跃迁对应的宽带发射光谱（峰值为570 nm），量子效率达82%；与450 nm蓝光LED芯片（3.11 V，0.30 A）组合后，可实现92 lm的白光输出，流明效率为98 lm/W，显色指数为69，色温为5 001 K，色坐标为（0.34，0.35）。以上结果表明，该方法在制备荧光玻璃陶瓷中具有重要的应用潜力。
荧光玻璃陶瓷 Ce3+掺杂 选择性激光烧结 白光发光二极管 glass ceramic phosphor Ce3+ doped selective laser sintering white light-emitting diodes
将选区激光烧结（SLS）技术应用于聚醚醚酮（PEEK）等高性能聚合物的制备，为严苛使用条件下复杂构件的制造提供了一种新的选择。研究了SLS制备PEEK材料的微观结构、成形缺陷与力学性能之间的关系。采用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和微计算机断层扫描（Micro-CT）对SLS制备的PEEK样品进行微观结构和成形缺陷的分析表征，包括结晶程度、孔隙、未熔合缺陷等。使用万能材料试验机进行室温力学性能测试，并与传统注塑（IM）样品对比。研究结果表明，SLS制备的PEEK样品具有较高的结晶度，其弹性模量和耐热性皆优于IM PEEK，但SLS PEEK样品的强度和塑性较IM PEEK低，拉伸强度为（86.5±3.3）MPa，弯曲强度为（161.9±23.7）MPa，断裂伸长率仅为（2.1±0.2）%。结合断口形貌观察和Micro-CT缺陷分析，对SLS制备过程中缺陷的形成机理及其对力学性能的影响作用进行了讨论，SLS成形过程中产生的层间大尺寸缺陷是导致强度较低和延展性较差的主要原因。
激光技术 选区激光烧结 聚醚醚酮 缺陷 力学性能 微计算机断层扫描 中国激光
2023, 50(20): 2002305
Author Affiliations
Abstract
Shanghai Engineering Research Center of Ultra-Precision Optical Manufacturing, Department of Optical Science and Engineering, Fudan University, Shanghai 200433, People’s Republic of China
Polymers are widely used materials in aerospace, automotive, construction, medical devices and pharmaceuticals. Polymers are being promoted rapidly due to their ease of manufacturing and improved material properties. Research on polymer processing technology should be paid more attention to due to the increasing demand for polymer applications. Selective laser sintering (SLS) uses a laser to sinter powdered materials (typical polyamide), and it is one of the critical additive manufacturing (AM) techniques of polymer. It irradiates the laser beam on the defined areas by a computer-aided design three-dimensional (3D) model to bind the material together to create a designed 3D solid structure. SLS has many advantages, such as no support structures and excellent mechanical properties resembling injection moulded parts compared with other AM methods. However, the ability of SLS to process polymers is still affected by some defects, such as the porous structure and limited available types of SLS polymers. Therefore, this article reviews the current state-of-the-art SLS of polymers, including the fundamental principles in this technique, the SLS developments of typical polymers, and the essential process parameters in SLS. Furthermore, the applications of SLS are focused, and the conclusions and perspectives are discussed.
selective laser sintering additive manufacturing laser powder bed fusion 3D printing, polymer International Journal of Extreme Manufacturing
2022, 4(4): 042002
1 1.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 200050
2 2.中国科学院大学 材料科学与光电技术学院, 北京 100864
3 3.中国科学院 金属研究所, 沈阳 110016
4 4.中国科学院 宁波材料技术与工程研究所, 宁波 315201
Al/SiC是SiC基复合材料, 具有优异的力学性能和热学性能, 在大功率电子器件、5G基站关键冷却组件、电动汽车、高速刹车片、空间探测器操作装置等相关领域具有不可替代的作用。传统制备工艺的局限性使得近净成形的无压浸渗法成为制备Al/SiC复合材料的一种较好的方法。得到高质量的碳化硅(SiC)陶瓷素坯是熔渗技术的先决条件, 选区激光烧结技术是获得高质量陶瓷素坯的一种新方法。该方法具有快速、高效的优点, 无需模具即可成型制备大规模、复杂形状部件。本研究以热塑性酚醛树脂为黏结剂, 利用机械混合与喷雾造粒的方法制备了复合粉体, 采用选区激光烧结技术制备SiC素坯, 制备了黏结剂体积分数低至15%的样品, 并对其力学性能和微观结构进行表征。当树脂含量增大到体积分数25%时, SiC坯体的强度增量为702.1%。对于喷雾造粒粉体制备的样品而言, 喷雾干粉的多孔结构使得SiC生坯的孔隙率较高(71.18%), 导致生坯强度下降。
Al/SiC 选区激光烧结 素坯 微结构 Al/SiC selective laser sintering green body microstructure
1 西安理工大学陕西省机械制造装备重点实验室，陕西 西安 710048
2 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，陕西 西安 710049
有限元仿真是激光选区烧结（SLS）增材制造温度场预测分析的常见方法，但温度场仿真运算往往要耗费大量的时间。为了提高运算效率，提出了基于遗传算法（GA）优化反向传播（BP）神经网络的SLS烧结点温度预测方法。在大量覆膜砂材料多道多层零件烧结点温度仿真模拟试验的基础上，建立并训练了基于GA-BP神经网络的烧结点温度预测模型。开发了SLS烧结点温度预测软件，能够根据零件的尺寸及工艺参数，快速计算出烧结点温度，并进行可视化显示。通过零件烧结点预测温度与热像仪检测温度的对比试验，验证了温度预测的准确性。
材料 激光选区烧结 神经网络 烧结点 温度 预测 激光与光电子学进展
2022, 59(19): 1916005
1 华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074
2 增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心，湖北 武汉 430074
空心涡轮叶片是燃气轮机热端的关键零部件，其结构十分复杂，制造难度极大。陶瓷型芯型壳是用于涡轮叶片铸造的重要部件，随着燃气轮机的热端工作温度逐渐升高，所需要的叶片结构也更加精细，传统的精密铸造工艺已经无法满足叶片快速升级换代的需求。激光增材制造技术无需模具，可以加速新产品的研发，缩短制造周期，满足个性化需求。目前可用于型芯型壳制造的激光增材制造技术主要有激光选区烧结和立体光刻两大类。主要介绍了这两大类激光增材制造技术在陶瓷型芯型壳制备方面的应用，从材料配方、素坯成形、后处理烧结等多个方面综述了当前国内外的最新研究进展，探讨了两类技术各自的优势、目前存在的问题以及未来发展的趋势。
激光技术 增材制造 空心涡轮叶片 陶瓷型芯型壳 激光选区烧结 立体光刻 中国激光
2022, 49(12): 1202002
1 1.深圳大学 增材制造研究所, 深圳 518060
2 2.广东省电磁控制与智能机器人重点实验室, 深圳 518060
3 3.华中科技大学 材料科学与工程学院, 材料成形与模具技术国家重点实验室, 武汉 430074
4 4.华中科技大学 增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心, 武汉 430074
陶瓷以其优异的热物理化学性能在航空航天、能源、环保以及生物医疗等领域具有极大的应用潜力。随着这些领域相关技术的快速发展, 其核心零件部件外形结构设计日益复杂、内部组织逐步走向定制化、梯度化。陶瓷具有硬度高、脆性大等特点, 较难通过传统的加工成形方法实现异形结构零件的制造, 最终限制了陶瓷材料的工程应用范围。激光增材制造技术作为一种快速发展的增材制造技术, 在复杂精密陶瓷零部件的制造中具有显著优势: 无模、精度高、响应快以及周期短, 同时能够实现陶瓷零件组织结构灵活调配, 有望解决上述异形结构陶瓷零件成形问题。本文综述了多种基于粉末成形的激光增材制造陶瓷技术: 基于粉末床熔融的激光选区烧结和激光选区熔化; 基于定向能量沉积的激光近净成形技术。主要讨论了各类激光增材陶瓷技术的成形原理与特点, 综述了激光选区烧结技术中陶瓷坯体后处理致密化工艺以及激光选区熔化和激光近净成形技术这两种技术中所打印陶瓷坯体基体裂纹开裂行为分析及其控制方法的研究进展, 对比分析了激光选区烧结、激光选区熔化以及激光近净成形技术在成形陶瓷零件的技术特征, 最后展望了激光增材制造陶瓷技术的未来发展趋势。
激光增材制造 激光选区烧结 激光选区熔化 激光近净成形技术 陶瓷 综述 laser additive manufacturing selective laser sintering selective laser melting laser engineered net shaping ceramic review
三峡大学机械与动力学院, 石墨增材制造宜昌市重点实验室, 湖北 宜昌 443002
利用选择性激光烧结技术制备的3D石墨/陶瓷复合材料疏松多孔, 力学性能和导热系数均较不佳, 研究了不同的混合粉末组成和不同的后处理工艺方案对石墨/陶瓷复合材料导热性能和抗压强度的影响。研究结果表明, 通过添加高纯硅粉高温原位烧结反应生成碳化硅增强相使得复合材料抗压强度和导热性能有所增加；加入可膨胀石墨粉末因增加了闭气孔率, 导致其抗压强度和导热性能有所降低, 但后者下降幅度更为明显；通过真空压力浸渍酚醛树脂溶液和硅溶胶溶液, 3D石墨/陶瓷复合件的抗压强度和导热系数均有较大幅度的提升；最终制备了抗压强度为13.04 MPa, 导热系数为1.94 W/(m·K)的3D石墨/陶瓷复合铸型, 成功地用于铸钢件多次重复浇铸, 通过对铸件缺陷和使用成本进行分析, 所制备出的石墨/陶瓷复合件有望替代传统的水玻璃砂型。
石墨/陶瓷复合材料 选择性激光烧结成型 后处理工艺 混合粉末 性能调控 graphite/ceramic composites selective laser sintering molding post-treatment process mixed powder property control
1 State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation and School of Optical Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
2 School of Materials Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
3 Huazhong University of Science and Technology, Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Wuhan 430074, China
Frontiers of Optoelectronics
2021, 14(3): 263–277
