摘 要：激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）是一種重要的快速成型技術(shù)，利用激光照射粉末實(shí)現(xiàn)工件的加工固化。文章對激光選區(qū)燒結(jié)成型精度的影響因素進(jìn)行了介紹，主要包括粉末顆粒形狀、成型缸結(jié)構(gòu)和掃描方式等因素。通過對比分析，給出了各個(gè)因素的優(yōu)缺點(diǎn)和適用情況。

關(guān)鍵詞：激光選區(qū)燒結(jié)；成型精度；粉末形狀；成型缸；掃描方式

快速原型（也稱快速成型）技術(shù)是近些年發(fā)展起來的一種新型快速制造技術(shù)，它借助計(jì)算機(jī)、激光、精密傳動(dòng)和數(shù)控等現(xiàn)代化手段，將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造相互結(jié)合，達(dá)到迅速生產(chǎn)產(chǎn)品模型或樣件的目的。其中，粉末激光燒結(jié)快速成型SLS（Selected Laser Sintering）是快速原型制造技術(shù)一種重要的變現(xiàn)形式。通過激光照射，有選擇的將可溶化粘結(jié)的固體粉末燒結(jié)成型并層層疊加，最終形成工件實(shí)體。其主要工藝過程分為前處理，疊層制造以及后處理三個(gè)階段，由于前處理階段主要由CAD建模、模型切片等部分組成，不同工藝方法大同小異，故本部分將主要集中于疊層制造與后處理階段的對比分析，來研究影響成型精度的因素。

1 粉末顆粒對鋪粉效果的影響

粉末顆粒的粒徑大小和顆粒形狀是決定最小鋪粉厚度的主要因素，而鋪粉厚度對原型制件精度有很大影響，目前常見的顆粒形狀主要有球形細(xì)顆粒，球形粗顆粒和角形顆粒三種。經(jīng)研究對比發(fā)現(xiàn)球形顆粒比角形顆粒流動(dòng)性好，球形細(xì)顆粒比球形粗顆粒流動(dòng)性好。角形顆粒鋪粉后的均勻性從宏觀上看明顯比球形顆粒的均勻性差，這是由于角形顆粒內(nèi)摩擦角較大，顆粒與顆粒之間的相互作用力大，容易產(chǎn)生整體推動(dòng)現(xiàn)象，鋪粉時(shí)在平面上發(fā)生滑動(dòng)；而圓形顆粒之間相互作用力小，鋪粉相對較均勻[1]。

2 成型缸結(jié)構(gòu)對比分析

2.1 雙缸鋪粉

雙缸鋪粉方式采用的是一個(gè)供料缸和一個(gè)成型缸，當(dāng)激光器根據(jù)模型截面信息掃描燒結(jié)完一層之后，成型缸下降一個(gè)層厚，供料缸上升一個(gè)層厚，鋪粉輥將粉末材料從供料缸里推向成型缸，鋪粉完畢后返回到零位，完成一次鋪粉需一個(gè)來回。

優(yōu)缺點(diǎn)分析：這種鋪粉方式的優(yōu)點(diǎn)在于，鋪粉機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)較為簡單，運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性較好，但是，這種方式增大了設(shè)備整體水平方向的體積，而且鋪粉輥完成一次鋪粉需要運(yùn)行一個(gè)來回，降低了成型效率。

2.2 三缸鋪粉

三缸鋪粉方式采用了兩個(gè)供粉缸，一個(gè)成型缸，供粉缸位于成型缸兩側(cè)，左右各一個(gè)，同樣是成型一層后，成型缸下降一個(gè)層厚，供粉缸上升一定距離，由鋪粉輥完成鋪粉。

優(yōu)缺點(diǎn)分析：這種方式完成一次鋪粉只需一個(gè)來回，相對雙缸鋪粉方式節(jié)省了一些時(shí)間，但是，該方法需要判別鋪粉輥的停泊的位置，由鋪粉輥的位置來決定是哪個(gè)供粉缸上升；不僅如此，由于增加了供粉缸的數(shù)量，設(shè)備的體積會進(jìn)一步增加。

2.3 單缸跟隨式漏斗鋪粉

對于成型大尺寸零件的雙光源激光快速成型機(jī)而言，雙缸鋪粉方式和三缸鋪粉方式都會造成設(shè)備體積過于龐大，鋪粉效率相對較低的問題，而單杠跟隨式漏斗鋪粉則可以有效解決這一難點(diǎn)。

單缸鋪粉方式摒棄了上述兩種鋪粉方式絲杠下置的傳統(tǒng)方法，將絲杠安裝于成型缸的兩側(cè)，通過絲杠螺母與成型缸內(nèi)部的升降工作臺連接，無需再額外的給絲杠預(yù)留升降所需的高度空間，使設(shè)備的相對高度降低了21.1%，相對寬度減小了37.5%，其平面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

此外，本方式還具有可分離性，可將已成型制件連同成型缸一起推出，更換新的成型缸，成型機(jī)可繼續(xù)工作，既避免了在設(shè)備內(nèi)部清粉的不便之處，又提高了設(shè)備的生產(chǎn)率。

缺點(diǎn)：密封要求較高[1]。

3 掃描方式對激光燒結(jié)的影響

3.1 分組變相掃描

采用分組變向方式時(shí)，激光束會優(yōu)先按照同一方向上的輪廓掃描然后再掃另一方向，在下一切片層將優(yōu)先方向順序顛倒，依此類推。這種方式避免了激光束頻繁跳躍，減少了振鏡的動(dòng)作時(shí)間，具有最高的掃描效率。但是，相應(yīng)的也帶來了表面質(zhì)量問題，在其兩個(gè)掃描方向的對接邊界處會出現(xiàn)較明顯的痕跡[4]。

3.2 逐行掃描

逐行掃描則是選定一個(gè)方向從輪廓一邊依次掃描直到完成整個(gè)輪廓。這種方式下，如果輪廓中間有間斷特征，光束會頻繁跳躍，極其耗費(fèi)時(shí)間，但是，另一方面由于其掃描順序進(jìn)行而不存在對接邊界問題，因此表面工整、平滑[3]。

4 結(jié)束語

綜上所述，對于SLS系統(tǒng)中粉末顆粒的形狀，球形顆粒比角形顆粒流動(dòng)性好，同時(shí)球形細(xì)顆粒又比球形粗顆粒流動(dòng)性好，故實(shí)際打印過程中應(yīng)優(yōu)先選擇球形細(xì)顆粒。對于打印機(jī)的鋪粉系統(tǒng)，現(xiàn)存的主要分為三缸鋪粉，雙缸鋪粉和單杠漏斗式鋪粉三種形式，由于三缸鋪粉系統(tǒng)體積較大而雙缸鋪粉又存在效率較低的問題，因此在雙光源SLS系統(tǒng)中鋪粉系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選擇單杠漏斗式鋪粉結(jié)構(gòu)。對于激光燒結(jié)過程中的掃描方式，分組變向掃描和逐行掃描各有優(yōu)劣，實(shí)際生產(chǎn)過程中推薦使用根據(jù)實(shí)際工件形狀將兩者相互結(jié)合的掃描方式，同時(shí)滿足提高關(guān)鍵部位表面質(zhì)量和節(jié)約時(shí)間的要求[5]。

參考文獻(xiàn)

[1]包坤.雙光源激光燒結(jié)鋪粉系統(tǒng)的改進(jìn)及成型工藝研究[D].西安科技大學(xué)，2013.

[2]朱卓宇.選擇性激光燒結(jié)快速成形的工藝改進(jìn)[D].西安科技大學(xué)，2011.

[3]張磊.粉末激光燒結(jié)快速成型工藝及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].山東大學(xué)，2007.

[4]王榮吉.選擇性激光燒結(jié)工藝的試驗(yàn)與優(yōu)化方法研究[D].湖南大學(xué)，2005.

[5]何成.雙光源選擇性激光燒結(jié)預(yù)熱與后固化工藝研究[D].西安科技大學(xué)，2013.

作者簡介：郭池（1980-），男，新疆自治區(qū)昌吉市人，工作單位：西安交通大學(xué)蘇州研究院，職務(wù)：教師，研究方向：快速成型工藝。