选择性烧结（精选7篇）
选择性烧结 篇1
选择性激光烧结( Selective Laser Sintering,SLS) 是一种发展较快的快速成型技术。其利用计算机对激光器进行控制,使激光束有选择性地扫描粉末,使其单层成型,再逐层叠加,从而完成零件制造[1]。SLS分为直接烧结和间接烧结两种,本文实验所使用的是间接烧结法[2]。间接选择性激光烧结是将金属与有机材料混合粉末烧结成型的方法。混合物中有机材料作为粘结剂,在烧结时起粘结作用; 金属粉末作功能材料。
国内外学者对SLS技术做了大量研究,并取得了一些成果。美国学者Kamatchi和Neal等人制备铝粉和聚合物覆膜粉末,进行间接烧结研究[3]。英国学者Hon等人对碳化硅进行间接烧结,研究各工艺参数对烧结件性能的影响[4]。北京隆源自动成型系统有限公司是国内最先从事SLS成型设备的生产、制造、销售的单位,公司还致力于研发新材料和新工艺[5]。国内华中科技大学的史玉升教授团队对SLS技术做了许多研究[6,7,8]。由于SLS间接烧结的成型原理,不同材料的成型件其强度、精度不同。且不锈钢材料在市场使用材料中所占比重较高,因此,研究不锈钢粉末烧结规律有其重要意义。
本文实验在不同的烧结参数下烧结316L不锈钢与环氧树脂混合粉末,测量各个烧结成型的试样的抗压强度和尺寸精度,比较各烧结参数对烧结件质量的影响规律。
1 实验材料
实验材料为金属材料与有机树脂的混合材料。金属材料为316L不锈钢,由南宫市雷公焊接材料有限公司提供; 有机树脂选用环氧树脂E - 12,由广州市新稀冶金化工有限公司提供。其化学成分及性能如表1 和表2 所示。
实验中所采用的混合方法为机械混合,不锈钢与环氧树脂混合比例为质量比94∶ 6,所用设备为行星式球磨机( QM - 3SP4) 。本实验主要烧结设备为激光烧结快速成形系统,型号为HRPS - IIA,由武汉滨湖机电技术产业有限公司生产。该设备中的激光器为连续式CO2激光器,激光波长为10. 6 μm,最大输出功率为50 W。
2 实验方案
在选择性激光烧结成型实验中,影响烧结件性能的因素有众多,主要有: 激光功率,扫描速率,扫描间距,预热温度,铺粉厚度等。为研究各影响因素对烧结件性能的影响规律,本文使用单因素实验法,研究激光功率,扫描速度,扫描间距和铺粉层厚对烧结件的影响。各烧结参数如表3 所示。
每组实验参数烧结9 个试样( 试样为 Φ10 ×10 mm的圆柱体) ,按排列,行和列之间的距离均为3 mm。利用万能试验机测试试样的压缩强度,用游标卡尺测量试样的高度与直径,得出绝对误差。根据测量得出的压缩强度与精度优化烧结参数,研究各影响因素对烧结件质量的影响规律。
注: 表中1 - 2、2 - 1、3 - 3 参数相同,1 - 3、4 - 1 参数相同。
3 实验分析
3. 1 压缩强度分析
为减少实验误差,本文实验在测量试样的压缩强度时,对每组试样中任意3 个样品进行测试,测试结果取其平均值,其测量结果如表3 所示。
根据压缩强度实验得出的数据,得出各影响因素对试样强度的影响。激光功率对试样压缩强度影响曲线如图1 所示,试样压缩强度随激光功率增加而增加,且增加趋势逐渐变缓。激光功率逐渐增大,粉末材料吸收的能量逐渐增多,混合粉末中粘结剂环氧树脂因此熔化越多,更多的液相有利于烧结的进行,并大幅增加了材料原子间的移动,使得烧结件的密度提高。此时,试样的压缩强度会提高。激光功率继续增加时,环氧树脂温度继续升高,超过其熔点,甚至发生汽化,在烧结过程中可看到有白烟出现。由于粉末中的液相趋于饱和,试样压缩强度增大的趋势变缓。
激光扫描速度对试样压缩强度的影响如图2 所示,随着激光扫描速度的提高,试样压缩强度逐渐降低。这是由于激光扫描速度越快,粉末材料对激光能量的吸收越少,导致烧结中的液相变少,不利于烧结成型的完成,烧结件的密度变低,则压缩强度随之降低。
激光扫描间距对试样压缩强度的影响如图3 所示,试样压缩强度随扫描间距的增大而减小。扫描间距的大小影响相邻两行烧结时激光的搭接率[9],扫描间距D大时,则相邻两行激光搭接宽度小、搭接率小,此时,相邻两行之间的粘结度不高,影响成型件强度;反之,扫描间距小时、搭接率大、成型件强度高。
铺粉层厚对试样压缩强度的影响如图4 所示,试样压缩强度随铺粉层厚的增加而减小,这是由激光能量及激光对粉层的穿透能力决定的。铺粉层厚越大时,到达每层底部粉末的激光能量越小,则烧结中下层形成的液相越少,不利于粉层下部分的烧结和层与层之间的粘结。因此,铺粉层厚越大时,试样强度越低。
3. 2 尺寸精度分析
利用游标卡尺对试样进行尺寸测量,得出每个试样的直径与高度尺寸,再与试样的理论尺寸相比,得出其绝对误差。为减少误差,对9 个试样都进行测量,最终得出均值,结果如表3 所示。
烧结试样直径与高度上的绝对误差随激光功率变化曲线如图5 所示,试样直径与高度误差都随激光功率的增大而增大。这是由于激光功率的增加,使得粉末材料吸收更多的激光能量,周围未烧结部分粉末吸收能量,温度达到软化点甚至熔化点后粘结在烧结件四周或底部,影响烧结件精度。随着激光功率的增加,粘结在烧结件四周及底部的材料强度提高,清粉工作无法顺利完成,从而影响烧结试样的尺寸精度。
试样尺寸绝对误差随激光扫描速度的变化曲线如图6所示,其绝对误差随扫描速度的提高而减小。烧结过程中,扫描速度较低时,能量在粉末材料中传递的时间较长,烧结区域周围的粉末温度升高,易发生次级烧结。若次级烧结层的材料密度较低,可以在清粉过程中清除,不影响成型件精度; 若次级烧结层的材料密度较高、厚度较大时,会使烧结件轮廓不清晰,影响烧结件尺寸精度。
试样尺寸绝对误差随激光扫描间距的变化曲线如图7 所示,试样直径尺寸绝对误差随激光扫描间距变化较小,且无明显的变化规律。这是由于粉末材料烧结时,使用分组变向的扫描方式,即先扫描试样外轮廓,再扫描试样内部结构。因此,激光扫描间距的变化对烧结件周围的未烧结粉末的能量吸收影响较小。图中显示试样高度尺寸绝对误差随激光扫描间距的增大而减小。这是由于扫描间距的增大会减少每层扫描次数,则辐射到材料表面的能量减少,传递到烧结件底部的热量减少,减少了底部粉末烧结的可能。
试样尺寸绝对误差随铺粉层厚的变化曲线如图8所示,试样尺寸绝对误差随铺粉层厚的增加而减小。这是由于SLS烧结过程为材料叠加过程,每层的烧结由于机械精度、烧结环境等会产生一些较小的误差,而最终烧结件的误差则是每层烧结时的误差的叠加。烧结试样的尺寸一定,增加铺粉层厚可以减少铺粉次数,即烧结层数,则相应的烧结件的累积误差减小。这种误差的减小只是体现于试样总体高度和直径上,增加层厚会使烧结件表面的阶梯现象更严重。因此,从另一方面,增加层厚会降低烧结件表面精度。
观察所有试样尺寸绝对误差,发现所有绝对误差都为正,即所有烧结试样的尺寸都略大于所设计的零件三维模型尺寸。一般情况下,SLS完成后要对烧结试样进行抛光、打磨等后处理。SLS间接烧结的后处理一般需要进行二次烧结,降解烧结件中的聚合物粘结剂,再渗入特定的金属材料。烧结试样在进行后处理时,会发生收缩现象。因此,在烧结时的正向误差会为后处理提供收缩余量。
4 结束语
本文实验采用单因素实验的方法,以压缩强度和尺寸精度作为衡量指标,研究激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉层厚等因素对烧结件质量的影响规律。通过对研究结果的分析,可得到结论: ( 1) 烧结件强度随激光功率的增大而增大,随激光扫描速度的增大而减小,随扫描间距的增大而减小,随铺粉层厚的增大而减小。( 2) 烧结件尺寸精度随激光功率增大而减小,随扫描速度的增大而提高,随扫描间距的增大而提高。( 3) 烧结件的尺寸精度随铺粉层厚的增大而提高,但表面粗糙度随铺粉层厚的增大而增大。
参考文献
[1]刘伟军.快速成型技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2005.
[2]李鹏,熊惟皓.选择性激光烧结的原理及应用[J].材料导报,2002,16(6):55-58.
[3]Subramanian K,Vail N,Barlow J,et al.Selective laser sintering of alumina with polymer binders[J].Rapid Prototyping Journal,1995,1(2):24-35.
[4]Hon K K B,Gill T J.Selective laser sintering of Si C/Polyamide composites[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,2003,52(1):173-176.
[5]王科峰,刘国峰,段国庆.选区粉末激光烧结(SLS)技术[J].机械工程师,2005(6):46-47.
[6]史玉升,郭婷,刘锦辉,等.尼龙/Cu复合粉末选择性激光烧结成形研究[J].华中科技大学学报:自然科学版,2007,35(8):90-92.
[7]徐林,史玉升,闫春泽,等.选择性激光烧结铝/尼龙复合粉末材料[J].复合材料学报,2008,25(3):25-30.
[8]何文婷,魏青松,刘凯,等.树脂模拟在氧化铝陶瓷SLS/CIP过程中的应用[J].材料科学与工艺,2014,22(4):56-60.
[9]张栋栋.高硬度激光熔覆裂纹的产生机理及控制方法研究[D].长春:长春理工大学,2014.
选择性烧结 篇2
选择性激光烧结 (Selective Laser Sintering, 简称SLS) 是发展最为迅速的一种增材制造技术, 也是3D打印技术的典型代表, 其根据3维模型的数据, 采用高精度、高能量的激光束选择性的把粉末材料分层烧结叠加直接成型可以直接运用的复杂的三维实体零件, 高效智能, 大大缩短了产品的开发周期。薄壁零件因为耗材少而机械性能佳被广泛运用于各大行业, 但是薄壁零件的薄壁在加工制造过程由于受力, 受热等因素影响容易产生变形, 导致零件的精度降低, 使用性能大打折扣。因此本文把选择性烧结技术运用到薄壁零件的制造与加工中, 通过对加工工艺影响因素的分析来寻找提高加工效果, 同时在快速成型设备华曙FS4001上进行了薄壁零件加工工艺的正交实验研究与验证, 以尼龙粉末为材料, 分别组合实验了激光功率、扫描速度、烧结间距和单层层厚对成型薄壁零件效果的影响, 最后在实验中获得了优化的工艺参数和工艺原则。因此本文的研究具有重要的意义。
2 选择性激光烧结 (SLS) 原理
SLS成型装置原理如下图1所示, 由供粉缸、工作缸、阵镜系统、光路系统以及铺粉装置等组成。工作时供粉缸活塞上升, 铺粉辊将粉末按照设置的厚度均匀铺上一层在工作缸活塞上, 电脑根据三维数据模型的切片控制激光束的扫描轨迹, 选择性地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。完成一个层面后, 工作活塞再下降一个层厚, 铺粉系统再铺上一层设定好厚度的新粉, 再按照切片轨迹扫描烧结新层, 如此循环往复, 层层叠加, 直到三维零件成型, 最后待温度冷却后取出成型件, 回收未烧结的粉末。整个过程均需要预热, 这样可以减少成型中的热应力集中变形, 并利于层与层之间的结合, 对于不同的粉末材料, 烧结的余热温度有所不同。
3 薄壁零件“多用途物品架”选择性烧结加工工艺实例分析
“多用途物品架”选择性烧结加工工艺过程分为前处理、分层烧结成型以及后处理过程三个阶段。采用华曙FS4001设备, 以尼龙粉末为材料, 进行实验。
(1) 前处理。前处理阶段为建立三维CAD模型, 完成数据转换后, 输入到SLS设备电脑中。如图2所示, 薄壁零件在前期三维造型时需要加厚壁厚, 设计成大于0.3mm的壁厚, 最好达到2mm, 三维软件造型后输出成STL文件格式, 公差设置为三角公差0.02, 相邻公差0.0125, 输出类型为二进制。
多用途物品架连接机构的支撑均是薄壁件, 摆放时尽量斜置摆放, 如下图3、图4所示。同时由于较大面积接触易发生防止发生翘曲现象, 还需避免较大面积接触底面。
对于尺寸比较大的薄壁零件, 如果超过了SLS设备的烧结打印极限的话, 则需要将零件进行分块分割烧结, 然后再拼装起来。这里需要设置的加工工艺为燕尾槽分割法, 以保证产品的强度与使用要求, 如下图5所示。
(2) 分层烧结成型烧结前的第一道工艺就是预热, 使系统环境温度均匀, 节省成型时间, 保证加工精度, 提高薄壁零件成型的性能和质量。本实验所采用华曙FS4001设备, 以尼龙粉末为烧结材料需要预热到100摄氏度左右。根据三维造型结构的特点, 在设备电脑中设定不同的建造工艺参数以进行试验和对比, 如单层层厚、激光扫描速度和扫描方式、激光功率、烧结间距, 自动烧结完毕后待成型零件缓慢冷却至40℃以下是取出。通过不同参数的匹配, 具体试验结果分析如下:
首先是激光功率的影响:当激光功率增加时, 加工的尺寸误差会向正方向增大, 强度也随着增大;反之亦然;并且激光功率过大会加剧因熔固收缩而导致的制件翘曲变形;其次是激光的扫描速度:当扫描速度增加时, 尺寸误差向负误差的方向减小, 烧结制件强度降低;第三是烧结间距的影响:烧结间距增加, 尺寸误差向负误差方向减小, 烧结制件强度减小, 成型效率提高;最后是铺粉的单层层厚:单层层厚增加, 尺寸误差向负误差方向减小, 烧结制件强度减小, 成型效率提高。
当以上参数选取不当, 会导致层与层之间的粘接、烧结体的收缩变形、翘曲变形甚至开裂等状况, 如下图6所示的烧结成型过程图中的开裂现象;如图7所示因温度调整不当造成薄壁较长件产品的翘曲变形现象。
(3) 后处理工艺。零件烧结成型后处理工艺主要为静置、强制固化、去粉、包覆等。通过这些后处理可以提高零件强度和使用寿命。
4 结论
本文通过运用选择性激光烧结技术来加工制造薄壁零件, 分析了薄壁零件的加工工艺, 然后通过试验验证了此种技术对于加工薄壁零件的优势, 在总结试验的基础上, 综合考虑具体零件类型和材料等不同, 得到了薄壁零件加工的主要工艺参数的选取原则和参考思路, 为以后优质高效加工精度和强度都好的薄壁零件提供了良好的借鉴作用, 同时以后的最优化工艺参数的匹配测试也是一个积极的努力方向。
摘要：概述了选择性烧结技术对于薄壁零件加工的意义, 说明了选择性烧结技术的原理, 以一种薄壁零件的加工过程详细分析了薄壁零件的加工工艺, 在总结试验的基础上, 综合考虑具体零件类型和材料等不同, 得到了薄壁零件加工的主要工艺参数的选取原则和参考思路, 并且展望了以后的发展方向。
关键词：选择性烧结,薄壁零件,工艺参数
参考文献
[1]任乃飞, 杭雅慧, 赵岩.316L选择性激光烧结参数对烧结件性能的影响[J].电子科技:综合版, 2016 (01) .
[2]彭雪峰, 史玉升, 黄树槐.SLS制件精度的影响因素研究[J].CMET.锻压装备与制造技术, 2005 (01) .
选择性烧结 篇3
选区激光烧结 (SLS) 技术是采用红外激光作为热源来烧结粉末材料成型的一种快速成型技术[1]。激光扫描是SLS成型工艺中的关键环节。成型过程中, 当新铺粉层预热达到稳态后, 进行激光扫描;在这个过程中, 粉末吸收激光能量, 温度升高熔化粘结;成型缸内部中心区预热温差较小, 而在靠近缸壁的区域, 由内到外预热温度呈明显降低趋势。由于预热温度不均匀, 导致SLS成型件密度不均匀[2,3]。
基于此, 本研究通过增加激光能量密度来对温度预热不足进行补偿, 从而提高SLS成型件机械强度。
1 激光与材料的相互作用
1.1 粉末能量密度差模型
粉床表面的激光能量密度直接影响到制件的烧结密度。能量密度是由激光功率、扫描速度和扫描间距决定的。能量密度差计算公式如下:
undefined
式中 erf—误差函数;Ar—粉床表面的吸收率;B—烧结宽度;ω—激光束的特征半径;P—激光功率;V—扫描速度。
1.2 激光能量输入下的粉末预热温差模型
SLS粉床表面预热温度在150 ℃～173 ℃之间。预热温度差 (粉床某点的实际预热温度与设置的预热温度) 可表示为[4]:
undefined
式中 C—比热容;ρ—铺粉密度;h0—烧结深度。
由以上两式计算可得, 在增加能量密度ΔE=1.5×10-3 J/mm2 (即约增加1 W功率或约减少0.01 mm扫描间距) 时, 能够补偿的预热温差ΔT=4.3 K (4.3 ℃) 。
1.3 能量密度对烧结件性能的影响
零件的机械性能与烧结密度有很大的关系, 在粉床表面的不同区域, 预热温度相差较大, 在同样的加工参数下导致烧结密度差别较大, 因此烧结件的机械性能差别也较大[5]。
2 试验研究
试验材料为Duraform PA, 是3D System生产的新一代复合粉末, 用它生产的热塑性塑料制品具有很好的表面质量和热稳定性, 并且能经受住严格的性能测试, 缩短制品的试验、生产周期[6,7]。
试验设备与仪器选择3D System公司生产的Sinterstation HIQ+HS快速成型机;游标卡尺;精度为0.000 1 g的电子天平。
2.1 能量密度对温度的补偿试验
参数设置:预热温度在155 ℃～173 ℃之间取7个水平, 每3 ℃调整激光能量密度, 同一预热温度做两组试验, 选用不同的调整激光功率和扫描间距。
试件:8 mm×8 mm×8 mm的方块, 按中心位置进行定位, 摆放在 (0, 0) 点。
各参数设置如表1所示。
2.2 温度补偿前后烧结成型件机械性能试验
以上分析了粉床表面的预热温度场, 以及能量密度和预热温度的共同作用对烧结件密度的影响。在研究能量密度调整对预热温度较低区域的密度改善的基础上, 本研究进行了强度试验。
试件根据塑料拉伸试样标准GB/T1040-2006确定, 采用标准型1B型样件 (如图1所示) , 样件尺寸如表2所示。试件在成型缸中竖直放置, 坐标位置分别为高度相同的3个典型位置a (0, -40, 200) 、b (0, -145, 200) 、c (135, -145, 200) 上, 竖直放置时试件截面较小, 按中心定位, 如图2所示。因为中间区域烧结良好, a位置试件按默认参数 (激光功率为22 W, 扫描间距为0.15 mm) 加工。而b、c位置试件各做两组, 一组选用默认参数加工, 另一组按调整的参数加工 (如表1所示) , 每组制备5个试件, 测试结果取平均值 (如表4所示) 。
试验设备采用深圳市瑞格尔仪器有限公司生产的KG4100型微机控制电子万能试验机, 拉伸速度为5 mm/s。
3 试验结果与分析
能量密度对温度的补偿试验结果数据如表3所示。
由试验结果可见, 在预热温度为155 ℃～173 ℃的区域按表1的温差与能量密度差进行参数调整, 试件烧结密度相近。将表1的温差与能量密度差进行拟合, 两者近似服从线性关系, 如图3所示, k为0.505, 得到两者的经验关系式:
ΔT=kΔE (3)
式中 ΔT—粉床表面某点温度与设定温度之差;ΔE—调整的能量密度与默认加工设置的密度之差。
根据试验温度场回归模型式Tp (x, y) =b1+b2x+b3x2+b4x3+b5y+b6y2+b7y3计算可知b位置的预热温度为161 ℃, 根据能量密度对温度的补偿经验关系式, 需要增加的激光能量密度为6.13×10-3J/mm2, 取激光功率为26 W, 扫描间距为0.15 mm;计算得到c位置的预热温度为155 ℃, 根据式 (3) 计算得到需要增加的激光能量密度为9.19×10-3J/mm2, 取激光功率为28 W, 扫描间距为0.15 mm。
烧结成型件机械性能试验结果数据如表4所示。
由试验结果可见, 在同一加工参数下, 不同位置的烧结件拉伸强度相差很大。其中预热温度良好区域a处的试件强度达到了48.8 MPa, 拉伸断口凹凸不平 (如图4 (a) 所示) , 说明烧结良好, 接近实体尼龙产品;在靠近成型缸壁的b处试件强度相对要小很多, 只有32.6 MPa;而在角落位置的c处, 试件烧结很不充分, 仅为15.5 MPa, 其断口平整 (如图4 (b) 所示) , 说明层与层之间粘结不良, 在较小的作用力之下就相互脱离。
在b、c位置处, 调整激光能量密度后, 单位面积的激光能量输入增大, 补偿了预热温度的不足, 试件烧结充分, 产品强度得到提升, 满足了机械性能要求。试验结果说明, 将式 (3) 应用于实际烧结可取得较好的效果。
强度试件竖直放置时截面较小, 所以按中心定位, 设置参数进行加工。而当实际加工件较大时, 其性能由强度最薄弱处决定, 因此烧结时可按截面上最低预热温度处计算所需调整的激光能量密度, 从而设定参数进行加工。
4 结束语
本研究分析了激光与材料的相互作用, 基于粉床表面接受的激光能量密度的理论, 利用改善烧结密度的能量密度调整公式, 并结合试验分析了调整能量密度对烧结密度的影响, 得到了预热温差与能量密度差的经验公式。最后将经验公式应用于烧结强度试验件, 分析结果表明, 该方法能够提高产品机械强度。
摘要：选择性激光烧结 (SLS) 成型预热温度从成型缸中间到缸壁呈降低趋势, 由于预热温度不均匀, 导致SLS成型件密度不均匀。针对这一问题, 通过增加激光能量密度对预热温度不足进行了补偿。通过试验建立了激光能量密度差ΔE与预热温差ΔT的经验公式, 并比较了温度补偿前后烧结件的机械强度。实验结果表明, 通过增加激光能量密度对预热温度不足进行补偿, 提高了产品机械强度。
关键词：选择性激光烧结,能量密度,烧结密度,温度补偿
参考文献
[1]刘伟军.快速成型技术及应用[M].北京:机械工业出版社, 2005.
[2]李湘生.激光选区烧结的若干关键技术研究[D].武汉:华中科技大学材料科学与工程学院, 2001.
[3]赵宝军.选择性激光烧结快速成形工艺建模与优化研究[D].北京:北京航空航天大学材料科学与工程学院, 2002.
[4]王正伟.基于温度场的选区激光烧结成型工艺关键技术研究[D].杭州:浙江工业大学机电工程学院, 2008.
[5]陈鸿.基于选择性激光烧结快速成型系统及其关键技术研究[D].北京:北京理工大学机电工程学院, 2001.
[6]于千, 白培康, 王建宏.复合尼龙粉末激光烧结快速成型技术进展[J].工程塑料应用, 2005, 33 (5) :77-79.
选择性烧结 篇4
在SLS工艺中,每一薄层是依靠激光烧结粉末材料形成的,薄层边界精度与所用材料的热导性及粒度大小、激光光束半径、扫描路径的规划、CNC系统的分辨率和成型机本身的精度等都有直接的关系,对于任意边界轮廓,无论是线性路径还是分形路径,都存在求交和裁剪的问题,只是实施的难易程度不同。当激光沿着这些边界扫描时,边界几何精度将会受到多大程度的影响,还没有权威性的研究,虽然有学者对薄层的包容性问题作了一些论述,但并没有一个具体的法则来衡量这个问题[1,2,3,4]。为此,本文提出一种薄层边界几何精度评估方法,为不同扫描路径对薄层边界精度的影响提供分析依据。
1 包容性问题
以线性路径为例:假设L代表一个理论二维薄层的封闭环,L代表填充该封闭环的实际烧结区域,一般采用两种方式,如图1所示:对于图1(a)所示模式,薄层烧结区域大于切片轮廓,被称作正误差,需要通过后续抛光来达到较高表面质量;图1(b)模式表示L是内表面环时的扫描方式,烧结区域小于切片轮廓,被称作负误差。好的扫描模式是要设法避免正误差和负误差同时存在的。
2 边界几何精度评估方法
2.1 扫描路径的影响
理想的填充模式应使材料沉积在轮廓所包围的区域,没有正负误差的存在。对于环形扫描,如图2所示:扫描线是沿平行与边界的方向走,即走每个边的等距线,从理论上分析,这种方式不存在扫描线在边界的切断所引起的路径误差,其几何误差主要来源于数控插补的计算误差。而对于线性扫描、分形扫描[5,6],由于扫描线在边界被截断,不可避免的存在包容误差。
本文提出建立包容误差的数学模型,并建立包容量化误差与扫描路径的关系。
2.2 包容误差的数学模型
假设激光束直径为d,线间间隔为h,一般情况下,d≥h,为方便分析,假设d=h。
(1)线性路径
对于线性路径,包容误差可以用逼近边界的许多近似小三角形来评估,如图1中(a)所示:在h确定时,扫描线与边界的交点即可计算,假设线扫描为横向扫描,交点坐标为Xcrossl[i],Ycrossl[i],则Ycrossl[i]=h0+h·i,0i
,可以从两个方面来评估边界精度:一是计算最大的三角形面积smax l或该三角形中沿轮廓法向最大距离nmax l;二是计算所有小三角形面积的平均值Saveragel或所有小三角形中沿轮廓法向最大距离的平均值naveragel。即计算:
可以根据smax l或nmax l和Saveragel或naveragel的大小来选定线性扫描的方向。若横向扫描比纵向扫描使得smax l或nmax l及Saveragel或naveragel小,则选择横向扫描,否则选用纵向扫描。若横向扫描比纵向扫描使得smax l或nmax l大,Saveragel或naveragel小,也可能smax l或nmax l小,Saveragel或naveragel大,则根据需要和具体数值的大小程度来进行选择。
(2)分形扫描
如图3所示:由于分形路径扫描方向的不断改变,在边界既可能沿x方向被截断,也可能沿y方向被截断。其包容误差在保证全为正误差或负误差的情况下,同样可以用逼近边界的许多近似小三角形来评估,而那些小三角形不仅与交点的x坐标相关,也与交点的y坐标相关。设交点坐标为Xcrossf[i],Ycrossf[i],0≤i
同样可以从两个方面来评估边界精度:一是计算最大的三角形面积smax f或该三角形中沿轮廓法向最大距离nmax f;二是算出所有小三角形面积的平均值Saveragef或所有小三角形中沿轮廓法向最大距离的平均值naveragef来评定。即计算:
分形路径一经选定,在不考虑扫描机械运动误差及其他一些影响因素条件下,可用Smax f或nmax f以及Saveragef或naveragef来估计边界的几何包容误差。
3 结论
提出了不同扫描路径下薄层边界几何精度的评估标准,从而为分形扫描用于工程实践提供了理论依据,发挥了分形理论重大的实用价值。
参考文献
[1]赵剑峰,余承业.影响SLS零件精度的几个因素[J].电加工,1998(6):34-37.
[2]Yong-AK-Song.Experimental Study of the Basic Process Mechanism For Direct Selective Laser Sintering of Low-Melting Metallic Powder[J].Annals of the CIRP,1997,4(1):26-28.
[3]赵剑锋,吴晓鸣,唐亚新,等.激光烧结快速成型技术误差综合分析[J].航空工艺技术,1999(2):26-28.
[4]董星涛,周子裕,卢德林,等.SLS预热温度场温度补偿研究[J].机电工程,2010,27(5):31-34.
[5]宾鸿赞,张小波,刘征宇,等.生长型制造中薄层分形扫描路径的生成与控制系统[J].中国机械工程,1998,9(12):52-54.
选择性烧结 篇5
生物医用材料是和生物系统相互作用,用来对生物体进行诊断、治疗、修复和置换病变或损坏组织、器官或增进其功能的一类材料[1]。近年来,随着人们生活水平不断改善及平均寿命延长,对生物医用材料的需求快速增长。2005年,全世界生物医用材料的市场总额已经达到了2100亿美元,而我国生物医用材料的销售总额为800亿人民币。预计美国生物相容性材料的市场规模在2012年将达到309亿美元,其中生物医用的植入体占很大比例[2]。植入体需要针对每位患者实现个性化设计和快速制造,以抓住最佳治疗时机和减轻患者病痛。而传统加工方式周期长、成本高,尤其是形状复杂的生物植入体用传统工艺很难操作和控制。
快速成形技术(Rapid prototyping,简称RP技术)是20世纪80年代末发展起来的一种新型制造技术,基于离散/堆积原理,汇集了计算机科学、CAD技术、激光加工技术、数控技术和新材料技术等,可以自动、快速、精确地将设计的三维CAD模型直接转化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零件,尤其是在制作具有复杂形状且只需单件或小批量生产的零件时更有优势,现已被广泛应用于各个行业,在医学领域的应用占12%左右。目前,比较成熟和典型的快速成形工艺有:光固化立体成形(Stereo lithography apparatus,SLA)、分层实体制造技术(Laminated object manufacturing,LOM)、熔融沉积制造(Fused deposition modeling,FDM)、三维打印(3Dprinting,3DP)和选择性激光烧结(Selective laser sintering,SLS)等[3]。其中,SLS技术具有原材料选择广泛、工艺过程简单、成形效率高、无需支撑等优点,得到医学领域的高度重视。
本文主要介绍了SLS快速成形技术及其在生物医学方面的应用,并指出了SLS技术存在的问题及在生物医用材料制备领域的发展方向。
1 选择性激光烧结快速成形技术
1.1 SLS技术的工作原理
SLS技术最初由美国德克萨斯大学奥斯汀分校(The University of Texas at Austin)的Carl Deckard于1989年在硕士论文中提出,随后美国DTM公司于1992年将其商业化。在我国,SLS技术研究始于20世纪90年代。
SLS技术的整个工艺装置主要由粉末缸(Powder cylinder)、成形缸(Model cylinder)、激光器(Laser)和计算机控制系统(Computer control system)4部分组成,如图1所示[4]。工作时,粉末缸上升一个截面层厚,滚筒在成形缸工作面上均匀铺上一层粉末,激光束在计算机控制系统的精确引导下,按照零件原型的截面轮廓有选择性地进行烧结,凝固后形成零件的一个截面;烧结完一层截面后,成形缸下移一个截面层厚,滚筒铺放新的粉末,计算机控制激光束再次扫描进行下一层的烧结;如此循环,层层叠加,就得到三维实体零件;最后,将零件从成形缸粉末中清理出来,而未烧结粉末回收到粉末缸中重复利用。
1.2 SLS技术的工艺特点
与其他快速成形技术相比,SLS技术有如下特点:
(1)粉末材料的选择范围广。从理论上说,任何加热后能够产生粘结的粉末材料都可作为SLS原材料,包括塑料、陶瓷、金属及其复合粉末。
(2)成形过程与零件复杂程度无关,几乎可以成形任意几何形状的零件,是真正意义上的自由制造,尤其对具有复杂内部结构的零件,SLS具有传统制造方法无法比拟的优势。
(3)生产周期短,开发成本低。从CAD设计到零件加工,只需几小时到几十小时,整个生产过程数字化,可以随时修正、随时制造,这一特点使其特别适合于新产品的开发。
(4)产品的单价几乎与批量无关,特别适合于新产品的开发和单件少批量零件的生产。
(5)采用非接触加工方式,不需要任何刀具和模具,未烧结粉末可重复利用,成形过程无振动和噪声,是一种绿色环保的制造技术。
1.3 SLS技术制备材料的工艺过程
可采用SLS技术制备的材料主要有聚合物、陶瓷、金属及复合材料。
SLS技术常以CO2激光器为热源,有机高分子材料对其吸收率高,故高分子聚合物粉末可以直接SLS成形,并可通过调节SLS工艺参数,如激光功率、扫描间距、扫描速度、切片厚度及预热温度等,有效控制高分子材料的力学性能。
Salmoria等[5]直接采用SLS技术烧结了PA12、HDPE及PA12/HDPE的复合粉末,并对比分析了在不同的PA12与HDPE的配比(100/0、80/20、50/50、20/80和0/100)下试样的抗拉强度、蠕变及疲劳性能。张建梅等[6]采用正交试验法对ABS粉末的SLS工艺参数进行优化,得到一组最佳的工艺参数,即激光功率30W、扫描速度1200mm/s、铺粉厚度0.20mm及预热温度75℃,并利用SLS技术制造了高质量、高强度的产品。
在制备金属或陶瓷材料时,SLS技术是通过烧结添加在金属或陶瓷粉末中的有机高分子聚合物使粉末粘结在一起,成形结束后通过脱脂工艺使粘结剂彻底分解和挥发,这样就在材料内部留下大量的蜂窝状孔洞,材料致密度很低,力学性能极差。为了得到高密度高性能的SLS金属或陶瓷,需对脱脂件进行后处理,如高温烧结、熔渗较低熔点的金属和热等静压(Hot isostatic pressing,HIP)等。
Subramanian K等[7]首先采用喷射-干燥法制备了PM-MA及其共聚物覆膜的Al2O3粉末;然后将SLS成形得到的生坯浸入Al2O3溶胶中进行熔渗;接着把溶渗坯以50℃/h的速率从室温加热到600℃并保温12h,以完全脱除粘结剂;最后在1600℃高温烧结。氧化铝试样达到了50%的致密度,其内部孔隙相互连通,抗拉强度为2~8MPa。
白培康等[8,9]采用热熔胶包覆钼合金粉末,以SLS方法制备了钼合金粉末毛坯,通过脱脂、高温烧结和渗铜处理制造了致密的渗铜钼基合金,该材料的抗拉强度达到480MPa,延伸率为0.52%,可以作为SLS间接制造合金零件的原料,并可以成功制造功能件或结构件。
Agarwala M等[10]首次将HIP技术引入SLS工艺,对SLS成形的Bronze-Nickel形坯制作玻璃包套,并进行HIP后处理,得到了高致密度的零件。刘锦辉等[11]通过机械混合金属粉末和环氧树脂粉末配制SLS烧结用的复合材料,利用SLS方法制备了形坯,然后依次经过脱脂预烧、冷等静压(Cold isostatic pressing,CIP)、高温烧结和HIP复合工艺制造了高致密高性能且形状复杂的金属零件。
目前,北京科技大学新材料技术研究院正在研究采用SLS成形技术结合后处理的方法制备生物医用的多孔金属材料,已经取得了一定的成果。
2 SLS技术制备生物医用材料
SLS技术制备的生物医用材料主要为生物医用高分子材料、生物医用金属材料和生物医用复合材料,这些医用材料在医学领域主要用来制作医用模型、植入体及赝复体和组织工程支架。
2.1 医用模型
SLS技术最早在生物医学领域的应用是用来制作医用模型,为临床提供医疗诊断、外科手术的设计与规划、手术过程的模拟及医用教学。
颅颌面缺损是外科修复的常见疾病,其曲面复杂、中空结构多,现有的修复方法均不能达到理想的个体颅颌骨形态,只能大致恢复面部形貌,不能满足患者的美观要求。SLS技术制作个性化头颅骨模型是一种极为可行的解决办法,其具体操作过程为[12,13,14,15]:(1)建模素材。选取一个经防腐处理的头颅骨标本。(2)CT扫描。采用CT扫描机对头颅标本进行连续螺旋扫描,将得到的断层扫描图像传入重建工作站,以DICOM格式存储。(3)三维模型重建。采用Mimics软件自动读取DICOM格式的图像文件,通过对骨组织区域识别、提取和三维叠加,完成头颅骨缺损几何模型的三维重建,重建好的数据通过CTM模块输出为STL格式文件。(4)SLS快速成形。采用Magics RP实体分层软件,以一定的间距对STL格式文件分层,生成SLS所需的断层STL文件,然后将分层的STL文件输入SLS成形机,将模型加工成形。
研究表明,综合运用CT扫描、三维建模和SLS等技术,针对不同的患者设计不同的方案,制作的个性化缺损模型和修复体模型的形态、结构及大小与头颅骨标本基本一致,符合颌面外科的要求,可用于术前辅助诊断和手术规划,图2(a)为头颅骨标本,图2(b)为SLS制作的头颅骨蜡模。
2.2 植入体与赝复体
植入体与赝复体采用与人体相容的生物材料制作,植入或戴入人体后可以起到治疗和康复作用。从生物医学工程的角度,植入物必须满足以下3个条件:(1)足够的机械强度,以承受机体的自重和运动时的冲击;(2)个体匹配性,以与缺损部位和周围组织相匹配;(3)良好的生物组织相容性[16]。然而,现存的植入物缺乏个体匹配性。材料科学、计算机技术和SLS技术的迅速发展,使植入物的个体化设计、快速制造及普及成为可能。
李兰风等[17]采用层析法获得左侧耳廓数据,三维重建左侧耳廓数字模型,镜像反求出右侧耳廓的三维数字模型,用蜡粉采用SLS技术制作出右侧耳廓的蜡模,并进行皮肤纹理及毛孔的雕刻,最后通过水浴加热法去蜡复制出硅橡胶耳赝复体。这样得到的耳廓蜡模具有良好的外形和精度,达到了临床应用的要求,而且蜡模可以直接进行赝复体的后期处理工作,快速制作出耳赝复体。
图3(a)为SLS制作的右耳蜡模,图3(b)为蜡模翻制的右耳硅橡胶赝复体,其外观逼真,形态、位置、外展角度等与左耳高度对称,患者十分满意。
陈德敏等[18]通过螺旋CT扫描、CAD三维重建成像、SLS技术,首先制成与患者颅骨缺损部位几何形态相同的个性化实体模型,然后应用翻模工艺和EH复合型生物活性人工骨材料,制成用于患者骨修复治疗的颅骨。该人工颅骨几何外形与骨缺损部位非常吻合,与健康侧对称,临床效果非常理想。
采用以上两种方法制备赝复体的共同之处是:首先采用CT扫描和三维重建获得修复体的模型,然后通过SLS技术制造出实体,最后使用翻制工艺得到人工的赝复体。与传统制作方法相比,节约了时间和材料费用,减少了制作步骤和成本,为SLS技术在生物医学领域的推广应用提供了依据。
为了快速精确地制作具有复杂形状的生物活性植入体,Hao L等[19,20,21,22]采用SLS技术制备了羟基磷灰石/聚酰胺(HA/PA)和羟基磷灰石/高密度聚乙烯(HA/HDPE)的复合材料,并分析了其内部结构、形貌、孔隙度和动态力学性能。其中,聚合物基体中羟基磷灰石的最大含量可达30%~40%(体积分数),基体内部的孔结构相互连通且贯穿整个基体,孔隙度达35%~46%,最大孔隙尺寸可达200μm。通过调整激光工艺参数和粉末性能,可以方便地控制复合材料的孔隙度、孔形貌和尺寸,对细胞延展、增殖和骨再生极其重要。
多孔结构的金属植入体,不仅具有优良的力学性能,而且其高孔隙度有利于骨细胞在植入体表面生长。Dewidar M M等[23]采用SLS技术制备了多孔的316L不锈钢,通过调整工艺参数,孔隙度可达40%~50%,抗压强度为21~32MPa,相应的弹性模量为26~43GPa;而利于新骨组织生长的植入材料,其最佳的孔隙度为20%~59%。这表明,SLS不锈钢的孔隙度和力学性能与人骨匹配,是一种很有发展前途的生物植入材料。
为了改善金属植入体的生物活性,Hao L等[24]在不锈钢粉末中添加了羟基磷灰石,通过SLS技术制备了不锈钢与羟基磷灰石的复合材料(316LSS/HA),其最大的抗拉强度与人体自然骨相近,能够用于制造承载的骨植入体。
2.3 组织工程支架
组织工程是应用工程科学和生命科学的原理和方法,开发用于恢复、维持或改善受损组织或器官功能的生物替代物的新兴交叉学科。生物材料用于组织工程支架需要满足以下要求:(1)三维多孔的网络结构,以利于细胞增殖、营养物质和代谢废物传递;(2)良好的生物相容性,即无明显的细胞毒性、炎症反应和免疫排斥;(3)适当的生物降解性,降解速度与新组织细胞的生长和繁殖相匹配;(4)合适的表面理化性质,以利于细胞的粘附、增殖和分化;(5)一定的生物力学性能,能在体内生物环境中保持结构和外形的稳定性和完整性[25]。
用于组织工程支架的材料主要有天然生物材料、生物陶瓷和人工合成的聚合物材料。传统制备工艺如纤维粘结法、溶液浇注-沥滤法、相分离法、气体发泡法和颗粒烧结法等得到的组织工程支架,其力学强度差、孔隙相互贯通程度低、孔隙度与孔结构的可控性不灵活[26]。SLS快速成形技术通过选择性烧结聚合物或聚合物/生物陶瓷复合材料制造支架,支架的微观结构可通过调节SLS工艺参数来控制,而且得到的支架都是多孔结构。
美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Vail N K等[27]选用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)及其共聚物作为粘结剂,与多种磷酸钙盐粉末混合,SLS成形支架原型,再通过烧结等后处理工艺去除PMMA有机物质,形成羟基磷灰石(HA)多孔支架,其密度为1.4g/cm3,孔隙率为30%,抗压强度为18.6MPa。通过研究兔和狗的骨缺损修复,发现其具有良好的生物相容性和可吸收性,支架与原骨结合良好并在缺损区形成骨连接,4个月时支架内部孔隙中充满成熟骨组织,支架多孔结构内显示出明显的骨浸润现象。
新加坡南洋理工大学在应用SLS技术制造组织工程支架方面做了很多工作,并取得了大量成果。Tan K H等[28]采用SLS技术成形生物可降解的高分子材料,如聚乙烯醇(PVA)、聚己内酯(PCL)和聚L-乳酸(PLLA),制造了高孔隙度的组织工程支架,并对该支架进行显微组织分析,发现其具有生长能力。
聚醚醚酮(PEEK)的弹性模量与皮质骨的弹性模量接近,并且具有良好的生物相容性[29]。Tan K H等[30,31]采用SLS技术烧结PEEK/HA复合粉末,HA的含量在10%~40%(质量分数)变化,制作了多种成分的无溶剂多孔复合材料支架,并分析了支架的孔隙度、微观结构、化学成分、生物活性和体外细胞的生殖能力,指出SLS技术能够控制支架的微观结构,这对于获得具有相互连接网络孔结构的三维支架是非常重要的。
采用SLS技术制备的生物可降解高分子材料和生物活性陶瓷的复合材料,在生物组织工程中得到了广泛应用。Chua C K等[32,33]采用SLS技术制备PVA/HA复合材料,并将其浸入模拟人体环境中,发现其具有生物活性,适合制造组织工程支架。Wiria F E等[34]采用SLS技术烧结PCL和不同质量分数(10%、20%和30%)的HA的混合粉末,制成组织工程支架。在该支架上培养骨肿瘤细胞,扩散形态表明细胞生长良好,而且支架的烧结过程和消毒处理没有影响细胞的生长。
爱尔兰都柏林城市大学的Eosoly等[35]采用SLS快速制造聚己内酯/羟基磷灰石(PCL/HA)复合材料支架,研究发现SLS工艺参数和成形方向对支架的精度和力学性能有显著的影响。
华中科技大学将SLS技术与微球技术相结合,首先采用乳液法制备粒径为5~30μm的PLLA微球和PLLA/CHAp(碳化羟基磷灰石)纳米复合微球,其中CHAp质量分数仅为10%,微观结构分析表明,CHAp纳米球均匀分散在PLLA微球中,形成纳米复合结构;然后以优化的工艺参数对这两种微球粉末SLS烧结成形,成功制作出多孔生物支架[36],如图4所示。
从图4中可以清楚地看到,PLLA微球支架和PLLA/CHAp纳米复合支架均是由专门设计的宏观孔和不完全烧结得到的微观孔构成的多孔结构,与只含有微孔的支架相比,这种多孔结构更便于体液流入,促进营养物质和新陈代谢废物交换,因而更利于细胞生长。
3 结语
SLS技术制备生物医用材料,不仅能够实现个性化设计和加工,满足不同患者的个性化需求,而且能通过调节其工艺参数和后处理方法灵活控制生物医用材料的微观组织结构和力学性能。但是,SLS技术制备的生物医用材料普遍存在致密度低、表面粗糙及力学性能偏低等问题,尤其是聚合物和聚合物/陶瓷的复合材料,不能满足生物医用材料力学相容性要求。然而,利用SLS技术的这些特点,能方便地制备利于细胞粘附和长入的表面粗糙且多孔的金属材料,尤其是生物相容性和力学性能优良的钛及钛合金材料,这将是SLS技术在制备生物医用材料领域的一个重要发展方向。
摘要：阐述了选择性激光烧结(Selective laser sintering,SLS)技术的工作原理、工艺特点及在制备生物医用材料方面的研究进展和应用现状,并探讨了今后SLS技术制备医用材料的发展方向。指出采用SLS技术可快速制造医用模型、个体化设计和生产植入体及组织工程支架,并可通过调整SLS和后处理的工艺参数,实现对生物医用材料的微观组织结构及力学性能的控制,在生物医学领域具有重要的应用价值。
选择性烧结 篇6
烧结余热电厂的规模和直流负荷较小,为了给控制、信号、保护、自动装置、事故照明、直流油泵和交流不停电电源装置等供电,需要装设一套容量能满足全厂停电时直流负荷需要的蓄电池组。通常蓄电池容量的计算方法有电压控制计算法和阶梯负荷计算法[1],本文采用电压控制计算法。
1 蓄电池电压
1.1 蓄电池个数及终止电压确定原则
(1)铅酸蓄电池直流系统每组蓄电池的个数按正常浮充运行时能保证直流母线电压为直流系统额定电压的105%计算,并按不同运行工况进行校核。
(2)蓄电池的终止电压按各事故放电阶段能满足母线最低允许电压确定。
(3)蓄电池组原则上不装设端电池和硅压降设施。
1.2 浮充电压、均衡充电及浮充电流
1.2.1 浮充电压
密封免维护铅酸蓄电池是贫液电池,为保证容量,其电解液比重d比普通铅酸蓄电池高(取1.30),相应开路电压达2.16～2.18V,浮充电压Uf为2.25～2.28V(建议取2.25V,25℃)。但浮充电压需随环境温度变化而进行修正,当温度升高1℃时,其值应下降3mV,反之则应升高3mV。
1.2.2 均衡充电
蓄电池在正常浮充时可不进行均衡充电,出现落后电池(2.20V及以下)及放电后则需进行均衡(补充)充电。均衡充电采用定电流、恒电压两阶段充电方式,充电电流为(0.1～0.25)C10A,建议取0.1C10 A;充电电压为2.35～2.40V,动力专用蓄电池组可取2.40V,混合供电和控制专用蓄电池组建议取2.35V。
1.2.3 浮充电流
密封免维护铅酸蓄电池的自放电率较小,在20℃的环境温度贮存时,自放电造成的容量损失每月约为4%。根据测试浮充电流小于2mA/(A·h)的要求,建议取2mA/(A·h)。
1.3 直流母线和用电设备电压偏差范围
1.3.1 直流母线电压波动范围
直流母线电压允许的波动范围取决于用电设备的允许电压偏差。根据用电设备的标准要求,其上限值控制在110%Un (Un为标称电压),下限值控制在85%Un(动力负荷,包括混合供电)或80%Un(控制负荷)。考虑电缆压降等因素后,电压上限值可取112.5%Un,下限值取87.5%Un(动力负荷)或85%Un(控制负荷)。
1.3.2 直流电机电压偏差
直流电机机端电压偏差在85%Un～110%Un范围内可保持电机持续稳定运行,但应在订货时注明直流电压偏差范围,以便制造厂选配适当的电机容量。
1.3.3 UPS装置电压偏差
目前,静态逆变的UPS装置品种较多,不少产品均满足85%Un～110%Un的偏差值要求。
2 蓄电池容量选择
中天钢铁新区烧结余热发电工程配置3台双压余热锅炉,配套建设1台25MW补汽凝汽式汽轮发电机组。直流电源容量按终期规模考虑,设置1套直流电源装置,分别用于汽机直流油泵、控制保护合闸等,电压为220V。直流负荷计算见表1。
2.1 容量计算
满足事故全停电状态下的持续放电容量为:
式中,CC为蓄电池10h放电率计算容量,A·h;KK为可靠系数,取1.40;KCC为容量系数,在指定的放电终止电压下,对于事故放电时间xh,其值可查[1],这里取0.54。故CC=171A·h,选择电池容量为200A·h。
2.2 220V直流系统电池数量
由n=1.05Un/Uf=102.17知,选104只。
注:Icho为事故放电初期(1 min)冲击放电电流值;CS,x为事故全停电状态下相对应的持续放电时间xh的放电容量;Ichm为事故放电末期随机(5s)冲击放电电流值。
2.3 放电终止电压
控制负荷和动力负荷合并供电,其放电终止电压为:
2.4 电压水平计算
(1)事故放电初期承受冲击放电电流时,蓄电池保持电压的计算。
式中,Kcho为事故放电初期(1min)冲击系数;C10为蓄电池10h放电率标称容量,200A·h。查《电力工程电气设计手册》,对应的保持电压Ud=1.92V,则蓄电池出口电压UD=104×1.92V=199.7V。对蓄电池突然承受放电电流的电压水平进行验算,直流母线电压199.7V≥0.9Ue(198V)。
(2)事故放电末期承受冲击放电电流时,蓄电池保持电压的计算。
式中,Km,x为任意事故放电阶段的10h放电率电流倍数;Kchm,x为xh事故放电末期冲击系数。查《电力工程电气设计手册》,对应Km,x=0.33及Kchm,x=0.01的Ud=1.87V,则蓄电池出口电压UD=104×1.87V=194.5V。对蓄电池再承受冲击负荷时的电压水平进行验算,直流母线电压194.5V>0.875Ue(192.5V)。
2.5 充电模块数量
目前,充电装置有高频开关式和晶闸管式;但由于晶闸管整流装置体积大、技术性能指标差,故推荐使用高频开关充电装置。高频开关充电装置具有集成模块化、技术性能好、体积小、功耗小、自动化水平高等优点,广泛地用于发电厂和变电站中。
高频开关充电装置由若干个模块并联组成,一般都为N+1备份冗余方式,充电电流由N+1模块输出,采用自动均流措施(不平衡度不大于5%)。1组蓄电池配置1组充电装置或2组同容量的充电装置,整流模块选择计算方法如下:
式中,N为高频开关整流模块个数;Ijc为直流系统的经常负荷电流,A;Ime为单个整流模块的额定电流,A。
现蓄电池容量为200A·h,直流经常负荷电流为4.1A,充电模块额定电流为10A,则N=(0.1×200+4.1)/10+1,取整为4,故整流模块数量N=4。根据上述计算结果,选择1套充电设备、1组200A·h蓄电池,配置10A高频充电模块4个,为直流动力负荷和控制负荷供电。
3 降压硅链存在的意义
直流电源系统在对蓄电池组进行均衡充电时,充电模块的输出电压会高于控制回路的额定电压,而放电时输出电压会低于合闸母线的额定电压。降压硅链单元就是直流屏中串接在合闸母线与控制母线之间,由其自动控制电路或手动控制旋纽改变电压值,从而保证控制母线和合闸母线的电压均在正常范围的调压装置,如图1所示。
实际上,由于早期的电磁操动式断路器操作电流大以及镉镍电池的高倍率放电,在负载回路上产生了大的压降,因此为了提高电池的端电压,而又不使二次保护供电电压提高,才引入了降压硅链,出现了合闸母线和控制母线分离的情况。目前,电磁操动式断路器早已被淘汰,弹簧储能式断路器和阀控式铅酸免维护电池的广泛使用都为取消降压硅链奠定了技术基础。经过接线改进及蓄电池的各种运行状况分析,在均衡充电和事故放电时,电压通常能满足技术规程的要求;而降压硅链的存在,会使系统接线变得复杂、可靠性降低、投资增加,因此,建议在直流系统设计时尽量取消降压硅链。
根据《电力工程直流系统设计技术规程》,控制负荷和动力负荷直流母线电压允许的变化范围分别为85%Un～110%Un和87.5%Un～112.5%Un。事故放电电压则由放电末期蓄电池的最低电压决定。均衡充电的电压值按负荷运行电压不应超过规定值,如果达不到要求,可采取以下措施进行调整。
(1)将均衡充电电压降低为2.28V(均充电流取I10～1.25I10)。经试验,在不同放电深度,恒电流和恒电压两阶段的充电时间相差很小,均衡充电2.25V比2.35V的时间少3～4h,而均衡充电一般3～6月一次,增加几个小时不会有什么问题。
(2)对于6V、12V的电池组,国内外许多电池厂可以制造4V、8V、10V的产品,通过在6V电池盒内少装1个单体电池,12V电池盒内少装1～2个单体电池,而电池外壳和引线不变,即可调整电压。
目前,发电厂和变电所的断路器采用液压或弹簧机构,合闸电流很小(2～5A),同时采用微机监控、继电保护和安全自动装置,其控制距离较短,因此,蓄电池放电时的电压满足要求时不设降压装置,如终止电压略低一些则可通过加大蓄电池容量来解决。根据以上分析和计算来选择电池个数,可保证阀控电池在各种运行工况下的电压满足规程要求,其结果见表2。
4 结束语
直流电源是余热电厂的重要组成部分,它为断路器分合闸及二次回路中的仪表、继电保护和事故照明等提供直流电源,并为二次系统的正常运行提供动力。余热电厂相较于常规电厂,规模小、负荷低,动力和控制混合供电,因此需根据这些特点并结合常规算法来选出合适的蓄电池组。蓄电池组容量偏大,会造成电池的浪费和因长期得不到应用而影响寿命;容量偏低,则不能在事故时满足要求从而产生危险。本文根据具体工程中的应用实例,提出了容量计算与选择的方法,并在实际设计中结合相关规范,做到具体工程具体分析,从而设计出适合实际需要的蓄电池组。
注:浮充电压为2.23～2.27V,均充电压为2.30～2.40V;组合电池电压为6V(3个2V单体电池组成)、12V(6个2V单体电池组成)。
参考文献
选择性烧结 篇7
当前, 随着烧结砖行业经济技术指标门槛的提高、烧结砖产业调整升级政策的实施、节能减排要求目标化、新型墙体材料的广泛应用, 部分烧结砖企业仅仅依靠KP1空心砖及页岩普通砖产品, 已经不能满足建筑节能的要求和市场变化的需要。砖瓦企业将面临生产工艺、干燥窑炉及烧成窑炉技术改造的选择及决策。特别是在安徽、江苏、江西、湖南、湖北等地以粘土矿物为原料的烧结砖生产企业, 受原料塑性较高、硬度较小、自然含水率变化较频繁等因素困扰, 如要满足上述产业政策法规及产品技术要求, 其生产工艺技术改造的选择及决策显得很重要。同时, 技术改造的效果将对企业的效益及可持续发展产生较大的影响。
对此, 我们就烧结砖企业技术改造中需要重视的几个环节提出讨论, 希望能对烧结砖企业技术改造科学决策有所帮助。
1 原料破碎
烧结类新型墙体材料中, 空心砖的生产原料主要有工业废渣 (如煤矸石、粉煤灰等) 以及具有塑性的粘土质矿物材料 (如页岩、湖海相沉积土等) 。原料的主要特征表现为硬度、粒度、塑性、含水量、化学成分及其他物理性能等参数。在烧结砖工艺中, 原料破碎设备较为广泛地采用了对辊类破碎设备及锤式破碎设备两大类。
通常条件下, 采用对辊类破碎设备时, 需要配置多级对辊机, 形成粗中细三级破碎的工艺环节, 才能适应较高产量及细度要求。生产工艺中, 对辊类破碎设备对原料种类具有较好的适应性, 破碎产量高, 即便原料含水量达到20%左右, 对产量及细度的影响也较小。但采用粗中细三级破碎工艺, 造成环节多, 不利生产管理;其次, 辊面磨损后间隙变大, 粒度变粗, 需要及时修磨辊面, 这是对辊类破碎设备在生产实践中的不足之处。
对辊机的规格采用辊圈直径与辊圈宽度表示, 常用的三种对辊机直径分别为700 mm、800 mm及1 000 mm, 对于年产6 000万块 (折普通砖) 生产线, 可采用三台直径为800 mm对辊机, 构成粗中细三级破碎生产线, 装机容量约260 kW, 可满足生产要求。
对辊机组成的原料破碎工艺存在辊圈磨损问题, 因而需要采取措施对磨损后的辊圈进行修补。
采用锤式破碎设备时, 一般考虑单级锤破机和回转筛细成的原料处理工艺。生产中, 允许进入锤式破碎机的原料含水率应低于8%, 否则, 容易出现堵料。锤式破碎机的主轴转速、回转直径、锤头数量、锤头硬度、锤头与衬板间隙、篦板数量等参数, 对破碎产量、破碎后筛下料中粉料的比例有很大的影响。
单级锤破机和回转筛原料处理工艺中, 回转筛能很好地控制原料细度, 因而, 产品外观较好。锤破机规格通常采用回转直径表示, 常用的规格有900 mm、1 000 mm及1 100 mm。年产6 000万块 (折普通砖) 生产线中, 采用锤破机及回转筛时, 1 100 mm锤破机一开一备, 再配用直径1.5 m的回转筛两台, 运行设备的装机容量约为190 kW, 可满足生产要求。
烧结砖企业技术改造中, 对处理同一种原料而言, 破碎设备的选择可以由原料的含水量确定。对自然含水率较高的原料, 建议采用对辊类破碎设备;而对原料水分能控制在10%以内, 并且含水率波动较小的原料, 建议采用单级锤破机及回转筛的方式。
2 双级真空挤出机
双级真空挤出机是烧结空心砖生产企业最重要的设备, 其选取的好坏与产品规格、质量、产量及企业效益息息相关。
当前, 双级真空挤出机规格较多, 常用规格有50/50、60/60、70/70等规格, 随着挤出机规格的加大, 下级电动机功率相应增加。双级真空挤出机规格为50/50时, 电动机功率约为235 k W～250 kW;规格为60/60时, 电动机功率约为275 k W～295 kW;而70/70挤出机, 电动机功率约为310 kW～330 kW。下级电动机功率的增加, 为螺旋绞刀提供了较大的动力。当螺旋绞刀旋转时, 产生很大的轴向推力, 从而有能力克服因机口截面变化产生的阻力、空心砖芯架结构阻力以及泥料的摩擦阻力。
烧结空心砖生产中, 挤出机机口、芯架与切坯机一道, 决定了空心砖的规格及孔洞率。当空心砖规格与孔洞率需要改变时, 需要调整机口尺寸及芯架尺寸。但是, 当空心砖规格与孔洞率变化较大时, 如果挤出机下级电动机功率及转速的配置不能作出调整, 仅仅依靠调整机口尺寸及芯架尺寸, 已无法满足生产要求。因此, 挤出机规格大, 能适应较多规格空心砖的生产;相反, 挤出机规格小, 能生产的空心砖品种要少很多, 甚至无法正常生产。
空心砖生产中, 成型水分对泥料的摩擦阻力影响较大。成型水分高, 成型阻力小;成型水分低则成型阻力大。成型水分的波动, 对规格小的挤出机的正常运行影响较大, 对规格较大的挤出机则影响较小。
规格较大的双级真空挤出机可以生产多种产品, 生产能力较强, 但是装机容量较大, 运行电费较高。如, 采用规格较大的双级真空挤出机生产配砖、普通砖时, 运行电费则更高;相反, 规格较小的双级真空挤出机运行电费较少。
在实行峰谷电价的地区, 通过合理安排生产班制, 可以有效地降低双级真空挤出机运行电费。
随着经济的发展, 工业电价会逐渐提高, 劳动力费用也逐渐升高, 因此, 烧结空心砖生产中, 以双级真空挤出机为中心的生产线运行效率和劳动力的配置, 对生产成本产生较大影响。减少生产线的运行时间和提高劳动生产率与挤出机规格关系密切。对此, 烧结砖企业在技术改造中选取双级真空挤出机规格时可考虑如下建议。
a.墙体材料的市场需求中, 因建筑物结构、用途不同, 需采用不同规格的空心砖。当市场空心砖规格需求较多时, 技术改造中, 可选择较大规格的双级真空挤出机。
b.当墙改力度较大的地区淘汰落后小砖厂后, 墙体材料的市场需求有较大增加, 产品运输半径扩大, 技术改造中, 可选择较大规格的双级真空挤出机。
c.企业采用较大规格的双级真空挤出机后, 在谷电价区间, 可发挥挤出机产量高的优势, 在有限的生产时间内, 完成生产计划, 缩短以双级真空挤出机为中心的生产线运行时间, 提高设备运转率, 从而降低生产电耗及劳动力费用。
d.对于年产6 000万块 (折普通砖) 生产线, 建议采用60/60双级真空挤出机。
3 干燥隧道窑
烧结砖工艺中, 一次码烧工艺因操作环节减少、劳动力费用降低、产品外观质量提高等优势, 得到广泛应用。烧结砖厂技术改造中采用一次码烧工艺时, 对干燥隧道窑的重要性, 要有充分认识。
烧结砖厂的经济效益主要依靠高产量来实现, 产量低, 效益就差。而产量的高低基本上由干燥环节决定。
烧结砖生产工艺构成中, 干燥环节位于成型工段与烧成工段之间, 采用一次码烧干燥隧道窑后, 生产连续性增强。干燥环节中, 湿坯的干燥过程受到原料性能、湿坯含水量、湿坯结构、干燥介质、干燥设备等因素的影响。干燥周期与成型工段及烧成工段生产节奏有较大的差异, 会对成型工段设备运转率、烧成工段烧成周期及生产成本等方面产生较大的影响。
一次码烧干燥隧道窑对原料处理有一定的要求:必须对原料细度控制、废渣掺配比例稳定、混合料涨合均匀。否则, 干燥过程及烧成过程中, 废品率增加。
一次码烧干燥隧道窑的性能要满足干燥质量的要求, 要求湿坯不变形, 不开裂, 干燥均匀, 干燥周期短, 消耗热量少。
鉴于干燥环节中, 湿坯的干燥周期与成型工段及烧成工段有节奏差异, 现有较多的一次码烧干燥窑工艺引进了自然干燥中静停脱水的方式, 将成型后的湿坯码放在窑车上, 在静停线上停放一段时间。此时, 湿坯水分减少, 湿坯内水分均匀性增加, 湿坯强度提高。湿坯含水量的降低, 可适当提高干燥速率, 从而提高干燥窑生产能力。
静停脱水作为一次码烧干燥窑的辅助手段是可行的。需要注意的是, 当生产规模较大时, 成型后的静停时间越长, 所需窑车越多, 停车位也需要越多。湿坯静停车位增加, 成品车位及空车位的数量也需要同步增加, 否则, 挤出机生产系统就会受到牵制, 高产量的优势得不到发挥。
一次码烧干燥隧道窑由窑断面、窑长度及窑车面到窑顶高的距离确定, 湿坯码高一般低于14层。对于年产6 000万块 (折普通砖) 生产线, 可采用2条干燥隧道窑, 断面应大于3.6 m, 长度80 m左右。
此外, 需要关注干燥隧道窑风机的选择, 送热风机及排潮风机的风压、风量对干燥效果有较大影响。
4 烧成隧道窑
烧结砖厂技术改造中, 烧成隧道窑及窑车的费用占技改投资一半以上。此外, 至干燥窑出来干坯, 生产费用已达到生产成本的2/3, 通过隧道窑烧成, 获得合格产品后, 能收回生产成本并产生利润, 如产生废品, 不仅生产费用不能收回, 还得继续承担处理废品的费用。由此可见烧成隧道窑在生产工艺中的重要地位。评价隧道窑的技术指标有三项:生产能力、产品质量及烧成热耗。
烧结砖厂技术改造中, 当采用一次码烧工艺时, 烧成隧道窑与干燥隧道窑的窑车及窑断面面积相同, 但二者的热工系统、窑体结构及长度不同。
烧成隧道窑长度主要由年产量及原料的烧成周期确定。年产量越高, 在一定的烧成周期内, 在保证烧结砖热工性能条件下, 要求火行速度加快, 通过隧道窑烧成的产品越多, 因而隧道窑长度需要增加。
不同原料有不同的烧成周期, 因而隧道窑的长度也有不同。
新建隧道窑生产线时, 一般需要对主要原料及辅助原料进行化学成分、矿物组成的分析, 并进行相应的土工实验及热工实验, 初步确定原料的烧成温度曲线, 再通过相应的生产线进行试验, 最终确定窑炉的烧成周期和焙烧曲线。即便如此, 隧道窑的结构、砖坯入窑水分、风机、热工系统等因素会对烧成周期有影响, 依然需要在生产实践中进行调整。
根据烧结砖工艺的要求, 混合料中化学成分的含量要求如下。
SiO2:55%～70%, Al2O3:10%～25%, Fe2O3:2%～10%, CaO:<15%, MgO:<5%, SO3<5%, K2O+Na2O<3%, 烧失量:<10%。化学成分中SiO2及Al2O3对烧成温度及烧成周期产生影响;含量较高时, 应适当提高烧成温度, 含量较低时, 可适当降低烧成温度。其含量会影响烧成周期, 进而影响到隧道窑的长度。绝大多数砖瓦原料的烧成温度在900℃～1 050℃之间。很多原料中SiO2及Al2O3含量偏低的烧结砖生产企业, 烧成温度为900℃～950℃之间时, 就能够生产出高质量的产品, 此时, 隧道窑长度不宜过长。
当前, 烧结空心砖生产实践中, 烧成隧道窑规格一般是, 截面为2.5 m～3.0 m时, 窑长为80 m～110 m;截面为3.3 m～3.9 m时, 窑长为90 m～130 m;截面为4.6 m～9.2 m时, 窑长为144 m～155 m。
隧道窑的长度由年产量及原料性能决定。当窑断面、码窑密度、最高烧成温度、焙烧时间及燃料确定后, 长度适宜的隧道窑可确保焙烧过程比较稳定, 能较好地适应进窑干坯含水量的波动、原料成分的变化, 对提高产品产量及质量有好处。如果继续增加隧道窑长度, 不仅增加冷热烟气的流程, 增大隧道窑内阻力, 加大热工系统阻力, 增加排烟风机功率消耗, 同时增加了隧道窑、窑车及厂房的建设费用。长窑不是提高烧结空心砖产量的唯一条件。
对于年产6 000万块 (折普通砖) 烧结空心砖生产线, 可采用2条烧成隧道窑, 窑断面3.6 m～3.9 m, 长度130 m左右。当采用硅酸铝纤维模块吊平顶时, 能有效地降低隧道窑造价。
5 分步技改
烧结砖企业的技术改造可分步实施, 既能有效地缓解技改资金需要, 也能不间断的满足市场对空心砖的需求。
2010年, 六安市双龙新型建材厂及李玲新型建材厂进行分步技术改造。第一步, 根据产业政策的要求, 使工业废渣掺配量达到70%。针对尾矿砂、煤矸石、污泥等原料性能, 对原料制备及成型工段进行改造。采用了自动配料和大型对辊机破碎。1 m直径高速细碎对辊机控制了原料粒度, 保证了混合料的细度。采用60/60双级真空挤出机, 在成型含水率14%～16%的条件下, 双泥条挤出速度可达15条/min～18条/min, 产量为24 000块/h～32 000块/h (折普通砖) 。产品强度达到MU15, 孔洞率达到55%, 保证了空心砖产品产量及质量要求, 获得了新型墙材资质认证。第一步技改完成后, 实现了产品上档次、上规模的目标。技改第二步则是针对干燥及烧成隧道窑的改造, 原有36门轮窑改建为隧道窑。改造后的生产线整体布局合理, 物流有序, 操作维修方便, 厂房宽敞明亮。
当采用分步实施技术改造时, 需要对全厂地形、干燥及烧成隧道窑占地面积、厂区标高、变压器容量、原料与产品的进出道路等因素进行全面考虑, 以免第二步技改时投资增加。