李小城

(安徽機電職業(yè)技術(shù)學院 機械系，安徽 蕪湖 241002)

選擇性激光技術(shù)是用激光光源燒結(jié)粉末材料，根據(jù)三維模型切片處理后得到的片層二維信息燒結(jié)成型，然后層層疊加生成三維實體。［1，2］SLS 所用的材料主要有高分子粉料、金屬粉料、金屬或型砂與高分子的復合粉料等，成型件主要應用在用于熔模鑄造的蠟模、鑄模砂芯或功能件。因其材料范圍廣泛、利用率高、用途廣成為目前應用較為廣泛的快速原型技術(shù)。［3，4］

成型精度不高、成型精度不穩(wěn)定是SLS 技術(shù)的關(guān)鍵問題之一，也是制約其進一步發(fā)展的重要因素。從SLS 成型原理來看，成型精度決定于平面(XY 向)尺寸精度和高度(Z 向)尺寸精度。影響尺寸精度的因素主要有系統(tǒng)誤差、CAD 模型誤差、工藝誤差和材料收縮率、粒度分布狀態(tài)等材料性能引起的誤差。［5，6］在設備和材料選定的情況下，工藝參數(shù)對尺寸精度影響最大，而工藝參數(shù)對精度的影響又較為復雜，工藝參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)、相互制約，對尺寸精度的影響程度也不同。近年來，也有一些關(guān)于工藝參數(shù)對成型尺寸精度影響的研究，但大多都是一些定性的研究。文章以對成型精度影響最大的激光功率為主要因素，研究了不同功率下平面尺寸精度的變化，并得出了在優(yōu)化參數(shù)組合下尼龍粉料的平面尺寸精度，從而為模型前處理時收縮率的計算和設置提供參考。

1 實驗

1.1 實驗設備和材料

AFS－320 型快速成型機，北京隆源自動成型系統(tǒng)有限公司;精度為0.02mm 的卡尺。尼龍粉料，其性能見表1，粒度分布見圖1。

表1 尼龍粉的基本性能Table.1 The basic properties of the powder of PA

圖1 尼龍粒度分布圖Fig.1 The sieve size distributions of PA

平面尺寸樣件:25mm ×25mm ×5mm;50mm×50mm ×5mm;100mm ×100mm ×5mm 方形塊，見圖2。

圖2 平面尺寸誤差試樣Fig.2 The samples of plan dimension error

1.2 實驗方法和步驟

實驗一:將掃描速度、預熱溫度和鋪粉厚度分別固定在1800mm·s－1、95℃和0.15mm，按表2變換激光功率，燒結(jié)25mm ×25mm ×5mm 方形樣件。用卡尺分別測量X、Y 向尺寸，并分別計算X、Y 向尺寸偏差。

實驗二:在同一組工藝參數(shù)(激光功率采用47%，其他工藝參數(shù)同實驗一)下燒結(jié)三種方形尺寸樣件，測量三種樣件在相同工藝參數(shù)下X、Y向尺寸，并分別計算尺寸偏差。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 激光功率對平面尺寸的影響

(1)實驗結(jié)果

表2 不同激光功率下的尺寸平均偏差(mm)Table.2 The average dimensional discrepancies at different laser powers of PA polymer powders (mm)

實驗一結(jié)果見表2，從表2 的測量結(jié)果來看，所有尺寸偏差為正，且隨著激光功率的增大而增大，Y 向尺寸偏差大于X 向尺寸偏差。

(2)結(jié)果分析

在燒結(jié)過程中，成型件尺寸誤差由兩個方面的主要因素決定:1)成型時因材料狀態(tài)的改變而形成的尺寸收縮;2)邊界因激光光斑大小和處熱影響區(qū)的存在而形成的尺寸增大。［6］SLS 成型精度與其成型方法和材料的狀態(tài)有很大關(guān)系，其材料為高分子粉末材料，顆粒形狀接近于球形，呈松散的自由堆積狀態(tài)，燒結(jié)時成型缸中材料密度為鋪粉密度，其密度應小于該粉末材料的堆積密度;并且，成型后粉末顆粒處于表面熔融、粘接狀態(tài)，所以燒結(jié)成型尺寸收縮率不會太大。而且，成型時收縮太大會形成翹曲，翹曲嚴重時會發(fā)生層間錯移或使鋪粉過程無法進行，從這個方面講，尺寸收縮也不允許很大。另外，SLS 成型能量來源于激光光源，激光的能量分布如圖3 所示，中心能量最強，向周邊逐漸減弱。由于材料成型時，材料之間存在著熱量傳遞，所以在邊界處會形成一個熱影響區(qū)，它的存在會使成型件的尺寸增大。由以上分析可見，SLS成型平面尺寸精度應該是以上兩種因素共同作用的結(jié)果，由于SLS 成型件的尺寸總體增大，說明邊界熱影響區(qū)對尺寸的影響遠大與成型時材料狀態(tài)改變對尺寸的影響，使綜合偏差為正。

圖3 SLS 激光能量分布Fig.3 The laser energy distribution of SLS

圖4 不同功率時成型件的表面質(zhì)量Fig.4 The contrast of roughness at different lasers

激光功率增大時激光能量升高，這樣高分子粉料吸收的熱能增加，邊界處熱影響區(qū)增大，所以邊界處的尺寸增量增大;但是燒結(jié)成型時由于材料狀態(tài)的影響，激光功率的變化對成型件內(nèi)部尺寸收縮率影響不大，故激光功率的增大時，燒結(jié)成型尺寸整體表現(xiàn)為偏差增大。然而，激光功率也不能一味增大，隨著高分子粉料吸收熱能的增加，當加熱溫度超過其汽化溫度時會形成高分子汽化，從而會降低燒結(jié)件成型的密度和強度，在成型件表面也會形成很多汽化坑，如圖4 所示，增大了燒結(jié)表面的粗糙度，并且，由于成型溫度過高X、Y 邊界更加模糊。

2.2 不同尺寸值的尺寸精度

(1)實驗結(jié)果

激光功率、預熱溫度、鋪粉厚度和掃描速度分別為47%、95℃、0.15mm、1800 mm·s－1時，三種樣件的X、Y 向尺寸偏差結(jié)果見表3。

表3 不同尺寸值的平面尺寸偏差(mm)Table.3 The discrepancies of the different plan dimensions(mm)

(2)結(jié)果分析

從表3 尺寸偏差的測量、計算結(jié)果來看，X、Y 向尺寸偏差均為正，且隨著尺寸的增大尺寸偏差變小。

這是因為，成型工藝參數(shù)一定時，邊界處由于光斑半徑和熱影響區(qū)形成的邊界尺寸增量一定;在同一成型條件下，燒結(jié)成型時成型收縮率一定，所以尺寸越大收縮量越大，也就形成了隨著成型件尺寸增大，X、Y 向尺寸偏差減小的現(xiàn)象。假設在一定條件下成型時X、Y 向成型尺寸收縮率為δ，邊界處尺寸增量為△δ，所以成型件尺寸計算公式為:

根據(jù)公式(1)和表3 實驗結(jié)果，可以分別計算出X 向的成型收縮率δX和邊界尺寸增量△δX。

由公式(2)(3) (4)兩兩組合解得:δX1=0.0022，δX2=0.0024，δX3=0.0025 (由于燒結(jié)件后處理程度不同，對結(jié)果會形成一定影響)。取平均值得X 向成型收縮率δX= 0.00237，即δX=0.237%，X 向邊界尺寸增量△δX= 0.998m;同理，得出Y 向成型收縮率δy和Y 向邊界尺寸偏差△δy，分別為0.233%、0.816mm。

由計算結(jié)果可以看出，燒結(jié)成型時由于材料狀態(tài)的變化材料引起的的X、Y 向的尺寸收縮率相差很小，收縮率只差了0.004%，可視為相同;但邊界尺寸增量相差了0.182mm，這是由于設備系統(tǒng)誤差的存在和掃描路徑的不同造成的差異。

3 結(jié)論

(1)X、Y 向尺寸偏差均為正值，并且隨著激光功率的增大尺寸偏差增大;由于系統(tǒng)誤差的存在Y 向尺寸偏差大于X 向尺寸偏差。

(2)工藝參數(shù)和材料一定的情況下，燒結(jié)成型時由于材料狀態(tài)改變而形成的收縮量與尺寸大小有關(guān)，X、Y 向燒結(jié)成型收縮率相差很小，只有0.004%，所以燒結(jié)成型收縮率可視為相同。由于系統(tǒng)誤差存在，X、Y 向邊界增量偏差不同，并且差值達到0.182mm。

(3)可以通過實驗確定成型收縮率和邊界增量偏差，在3D 模型成型前處理時設置收縮，從而提高SLS 成型精度。

［1］趙志國. 激光選區(qū)熔化成形技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及研究進展［J］. 航空制造技術(shù)，2014，(19):46－49.

［2］ KUMAR S.Selective laser sintering:A qualitative and objective approach［J］.JOM，2003，55(3):43－47.

［3］ ZARRINGHALAM H，HOPKINSON N，KAMPERMANN F.Effects of processing on microstructure and properties of SLS Nylon 12［J］.Mat Sci Eng A－Struct，2006，436(5):172－180.

［4］ CAULFIELD B，MCHUGH PE，LOHFELD S.Dependence of mechanical properties of polyamide components on build parameters in the SLS process［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007，(182):477 ～488.

［5］石琴. 選擇性激光燒結(jié)用復合蠟粉的制備與成型工藝研究［D］. 太原:中北大學，2014:30－42.

［6］李小城.SLS 高分子粉料成型工藝參數(shù)及成型質(zhì)量的比較研究［D］. 呼和浩特:內(nèi)蒙古工業(yè)大學，2007:20－22，55－62.