鄭秋健，姚 山

（大連理工大學 材料科學與工程學院，遼寧大連 116023）

0 引言

選擇性激光燒結(SLS)是一種基于“離散/堆積”原理，以激光束定向燒結粉體材料使粉末熔融凝結的快速成形技術[1]。將其與鑄造相結合，可以不受鑄件的形狀限制，實現砂型/砂芯的無模一體化成形，極大地提高生產效率和鑄造柔性[2，3]。SLS 常用材料有覆膜砂、精鑄蠟粉、陶瓷、聚合物等，其中覆膜砂以其獨特的固化特性和優(yōu)異的鑄造性能而被廣泛用作SLS 成形鑄型的材料[4-6]。高柔性的SLS 同樣為砂型的結構設計提供更高的靈活性，鏤空、多孔夾層、精鑄型殼等砂型相比傳統(tǒng)實心砂型，不僅可以提高打印效率，減少物料人工成本，還可以實現對鑄件冷卻過程的閉環(huán)控制，獲得期望的鑄件性能[7，8]。此外還可以利用SLS 打印多孔結構原模，間接澆注成形多孔金屬件[9]。

當前針對SLS 成形件精度研究主要集中在實心體模型上，精度誤差一般由機械誤差、模型誤差和工藝誤差所構成[10]，主要缺陷有翹曲變形、燒結收縮、次級燒結和Z 軸盈余等現象[11-15]。覆膜砂在激光燒結過程中常伴隨次級燒結現象，這種現象對多孔結構成形的破壞相比實心體更為嚴重。因此本文基于自主研發(fā)的SLS 試驗平臺進行覆膜砂多孔結構的成形工藝試驗，研究工藝參數對砂面溫度和不同多孔結構成形精度的影響。

1 試驗研究

1.1 試驗設備及材料

試驗設備采用自主搭建的SLS 成形試驗平臺，有效打印尺寸為200mm×200mm×60mm，激光器為MFSC-500W 連續(xù)光纖激光器，最大輸出功率為500W，振鏡最大掃描速率為4000mm/s，成形層厚度為0.1mm～0.5mm。

試驗材料為大連三本鑄造有限公司所生產的覆膜寶珠砂，粒徑為70～140 目?；w材料為寶珠砂又名電熔陶粒，顆粒呈球形，角形系數≤1.1，具有熱膨脹系數小、流動性好、熱導率大和耐火度高等諸多優(yōu)點[16]。覆膜材料為高強度熱塑性酚醛樹脂，質量為寶珠砂的2%。對覆膜寶珠砂差熱分析結果顯示，樹脂軟化溫度為90.5℃左右，固化溫度為151.5℃左右[15]。

1.2 試驗方法

SLS 成形是主要由粉體鋪設，激光能量輸入，粉末聚結冷卻三個子過程構成的循環(huán)體系，每一子過程下的粉體狀態(tài)都取決于諸多參數，并影響著最終成形件的質量[18]。在粉體鋪設階段，主要參數有粉末的粒度分布和顆粒形狀、鋪粉速度、鋪粉層厚等，會影響成形件的致密度、表面粗糙度和尺寸精度等；在激光能量輸入階段，主要參數有粉末特性參數（如熱轉變溫度、熱導率、熱容和激光吸收率等），激光作用參數（如激光類型和波長，激光功率、掃描速度、掃描間距、掃描軌跡和光斑大小等），會直接影響粉床的熱量分布和粉末的聚結過程，對成形件的性能和尺寸精度至關重要；在粉末聚結冷卻階段，主要參數有粉末的流變特性、潛熱和表面能、層間冷卻速度、冷卻時間、制件在粉床中的位置和其擺放方向等，該階段主要影響制件的收縮和性能的各向異性。在激光燒結時，覆膜砂粉床難以像結晶或半結晶類材料在潛熱作用下可以形成清晰的激光燒結輪廓，而是在較寬的溫度區(qū)間內分別形成固化區(qū)和軟化區(qū)，這使得成形精細的覆膜砂多孔結構更具有挑戰(zhàn)性。

由于SLS 成形可控參數很多，因此需要對試驗參數進行簡化，其中激光功率，掃描速度，掃描間距，層厚等參數常被用作SLS 試驗研究的對象[12，13]。此外在相同工藝參數下，更小的成形幅面往往單層成形時間和鋪粉時間也更短，為了防止砂面的熱量堆積過度，在單層打印完后需要停留一定時間。在覆膜砂多孔結構成形過程中，過短的冷卻時間會使非成形區(qū)域在熱歷史影響下達到樹脂軟化溫度，形成軟化粘結，嚴重情況下則會使孔洞封閉，造成無法清砂和對設計形狀的根本破壞；冷卻時間過長，一方面會嚴重影響成形效率，另一方面會增加激光燒結區(qū)周圍的溫度梯度，增加翹曲變形風險，還會影響樹脂固化效果，降低成形件強度。因此通過調整工藝參數來控制粉床溫度對于覆膜砂多孔結構的成形尤為重要。本文以不同的激光功率（因素A），掃描速度（因素B），掃描間距（因素C），層厚（因素D），層間冷卻時間（因素E）在室溫環(huán)境下進行精度測試件成形正交試驗，研究上述工藝參數對砂面溫度和多孔結構尺寸精度的影響。正交試驗方案表如表1 所示。

表1 正交試驗方案表

1.3 測試方法

砂面溫度測試：所測砂面溫度是指粉床表面的多孔結構加工區(qū)域，在即將被激光掃描燒結時所對應的最高溫度。該溫度是砂床熱歷史的作用結果，反過來又會影響新一層的燒結效果。使用DT-980 紅外熱像儀置于砂面上部，每隔一定層數進行測量和記錄。

精度測試模型為依據當前多孔結構常用設計方法所繪制的三種夾層板結構[18，19]，如圖1 所示。根據孔隙的分布特點，圖1a 為基于CAD 繪制的蜂窩結構，孔洞只在單方向聯(lián)通，是截面圖形完全相同的拉伸體結構，最小孔隙尺寸約為6.1mm；圖1b 是基于極小曲面設計方法的G 曲面結構，內部孔洞完全聯(lián)通，孔隙形狀更加復雜；圖1c 是基于晶胞陣列的W 點陣結構，主要由周期性的支桿組合而成，最小孔隙尺寸約為4.4mm，孔隙排布相比前兩種更加密集。三種結構模型尺寸均為50mm×50mm×50mm，兩側板厚分別為10mm 和8mm，多孔區(qū)域設計壁厚值為5mm，整體孔隙率為30%。

即使在同種結構中，不同位置的成形溫度場也會有所不同，會引起一定的尺寸差異，為了便于測量內部成形尺寸精度，將模型Z 軸方向的中間位置進行斷層處理，上下兩部分的間隔為1mm，如圖1 所示。使用游標卡尺測量各模型中間和頂部水平方向的多孔區(qū)域壁厚成形尺寸，如圖1 D1～D3標注所示。參考GB/T 39329-2020 增材制造精度檢驗方法，計算多孔區(qū)域壁厚成形尺寸標準誤差，用標準誤差來表示工藝的成形精度。計算方法如公式（1）所示。

圖1 試驗模型

式中，SE 為標準誤差（mm），其值越小則代表成形精度越高；Xi為多孔結構的壁厚測量尺寸（mm）；X0為模型特征設計尺寸（mm），計算時值為5mm；n為測量尺寸數量，文中為每種結構的中間和頂部的位置測量尺寸數量總數，中間和頂部取值數量相同。

2 試驗結果與分析

2.1 工藝參數對砂面溫度的影響

各試驗組砂面溫度隨層數的變化趨勢基本一致，以試驗12 的砂面溫度變化曲線為例，如圖2所示，初始砂面溫度為室溫，隨著成形層數的增加，在熱積累作用下砂面熱迅速升高，同時砂面散熱速度也在逐漸加快；在26 層左右，砂面吸熱和散熱過程趨于平衡，開始緩慢升溫；在71～74 層，對模型進行了斷層處理，因此沒有新熱量輸入，砂面溫度快速下降；隨后激光恢復燒結過程，粉床內部熱量也逐漸擴散到砂面，使得砂面溫度很快回到緩慢升溫的狀態(tài)。

圖2 砂面溫度隨層數變化曲線

為了便于分析工藝參數對砂面溫度的影響，以最后5 層的砂面溫度平均值作為分析對象。砂面溫度極差分析結果如圖3 所示，在單一變量情況下，隨著激光功率的增加，粉床所攝入的能量也會增加，從而使得砂面溫度升高；隨著掃描速度和掃描間距的增加，激光作用在粉床上的時間減少，粉床所攝入的能量隨之減小，砂面溫度降低；隨著層厚的增加，總層數減小，成形過程中所攝入的總能量減少，砂面溫度降低；隨著層間冷卻時間的增加，粉床熱量散失更多，砂面溫度降低。從各因素極差來看，冷卻時間對砂面溫度影響最大，其次分別為層厚、掃描速度、激光功率、掃描間距。因此合適的冷卻時間或是冷卻速度對實現砂面溫度的有效控制尤為重要。

圖3 砂面溫度與五因素關系圖

2.2 工藝參數對多孔區(qū)域壁厚成形精度的影響

多孔結構成形實物圖如圖4 所示，各參數對不同結構和不同位置壁厚成形尺寸平均值的影響情況如圖5 所示，除掃描間距外，其他四個參數對成形尺寸的影響與對砂面溫度影響趨勢基本一致。這是由于試驗中掃描方式為環(huán)形掃描[20]，對于較小壁厚位置，掃描間距1.1mm 相比1.4mm 時，僅改變了線條間距，并沒有改變線條數量，對該位置熱量的攝入影響較小，而所測得砂面溫度主要位于較厚的10mm 側板位置，較小的掃描間距會增多燒結線條，所以影響趨勢更為明顯。隨著激光功率的增加，掃描速度和掃描間距的減小，激光能量密度增加[15]，覆膜砂吸收熱量增多，有利于樹脂固化反應，熱影響區(qū)更寬，同時其向周圍非加工區(qū)的熱量擴散也在增加，達到一定程度便會出現次級燒結，增大成形尺寸。隨著層厚減小，層間重復燒結次數增多，會加重熱積累過程，便于樹脂固化反應，增大燒結熱影響區(qū)和次級燒結程度。隨著層間冷卻時間的增加，激光掃描區(qū)域的熱量得以充分散失，使得鋪粉后砂面溫度降低，在新一層激光掃描時，較低的砂溫增大燒結區(qū)和附近區(qū)域的溫度梯度，加快燒結區(qū)熱量向周圍的擴散，減小固化區(qū)和軟化區(qū)范圍，減小成型尺寸和次級燒結程度。在相同工藝參數下，每種結構的中間位置成形尺寸要小于頂部位置的成形尺寸，這是由于在熱積累的影響下，中間層相比于最終層在燒結時的砂面溫度要更低，使得燒結熱影響區(qū)更小，成形尺寸也偏低。在相同工藝參數下，3 種結構的成形尺寸排序為：G 曲面結構＜蜂窩結構＜W 點陣結構，這恰巧與單孔隙的大小排序情況相反，單個孔隙越小，排布越密集，則會增大成形時非加工區(qū)和加工區(qū)的接觸表面積，使得孔隙位置在熱量的包圍下更容易產生次級燒結現象；此外受結構不同的影響，連續(xù)成形層之間燒結圖形重合度也會影響粉床的熱量分布，從而影響成形尺寸。例如G 曲面內部結構由三周期的曲面構成，層間燒結圖案有一定的異位，而蜂窩結構自下而上的燒結區(qū)域一致，相比之下燒結會更充分，成形尺寸會更大。

圖4 多孔結構成形實物圖

各因素對不同結構尺寸精度的影響情況如圖6 所示，可以看出工藝參數對不同結構的尺寸精度的影響情況也不相同。根據極差分析方法得出，層間冷卻時間對蜂窩結構和W 點陣結構的尺寸標準誤差影響最為顯著，由圖5 可知，這兩種結構主要是受次級燒結影響使得成形尺寸普遍要高于設計值，而層間冷卻時間同樣對砂面溫度的影響最為顯著，通過增加冷卻時間可以有效抑制次級燒結帶來的精度影響。對于G 曲面結構，激光功率對其尺寸精度影響最為顯著，G 曲面成形尺寸整體偏低于設計值，一方面是由于相同功率輸入條件下較大的連通孔隙利于散熱，使燒結溫度偏低，燒結熱影響區(qū)偏??；另一方面是曲面結構引起相鄰層激光加工區(qū)域的錯位，熱量累積減少，尤其是邊緣部分的溫度變低，強度減小，使得成形尺寸變小?？梢酝ㄟ^增加激光功率改善成形精度。

圖5 多孔區(qū)域壁厚成形尺寸與五因素關系圖

圖6 多孔區(qū)域壁厚成形尺寸精度與五因素關系圖

3 結論

（1）砂面溫度隨著成形層數增加而逐漸升高，使得位于中間高度的成形尺寸要小于頂部的成形尺寸，工藝參數對砂面溫度按影響程度從大到小依次為：層間冷卻時間、層厚、掃描速度、激光功率、掃描間距。

（2）結構不同對制件尺寸精度也會有所影響，3 種多孔結構成形尺寸排序為：G 曲面結構＜蜂窩結構＜W 點陣結構。孔隙越小，分布越密集，更容易引起次級燒結現象，使成形尺寸偏大；G 曲面結構的外輪廓結合效果相對較弱，相同功率條件下導致成形尺寸偏小。根據極差分析方法得出層間冷卻時間對蜂窩結構和W 點陣結構的尺寸精度影響最大，激光功率對G 曲面結構的尺寸精度影響最大。