殷勤，曹騰飛，鄢然，夏磊，張凱飛

(重慶理工大學機械工程學院,重慶 430074)

選擇性激光燒結(SLS)技術是一種計算機控制下的離散-堆積成型技術[1],是近年來發(fā)展最快且最成功的增材制造技術之一,在小批量、熔模鑄造和醫(yī)用定制等方面廣泛應用[2-3]。按照所加工模型的每層的有效截面信息,由計算機控制激光束按照特定的掃描路徑,對掃描區(qū)域內(nèi)的粉末進行燒結成型[4]。近年來,隨著SLS 工藝應用得越來越廣泛,SLS工藝與熔模鑄造相結合的快速制模技術成為一個新研究方向[5-7]。在SLS成型的過程中,溫度升高使粉末熔化粘接,打印結束后,腔體溫度下降,粉末收縮并固化,燒結件的大小會發(fā)生變化,因此,必須對模型的尺寸進行補償,才能實現(xiàn)對成型精度的控制。

SLS技術成型材料范圍非常廣泛,包括高分子、金屬、陶瓷粉末材料等[8],其中高分子材料相較于金屬、陶瓷材料,具有激光燒結成型溫度低、所需激光功率小等優(yōu)點,成為應用最早,也是應用最多、最成功的SLS 成型材料,在SLS 成型材料中占有重要地位,其品種和性能的多樣性以及各種改性技術也為它在SLS 成型領域的應用提供了廣闊的空間。目前,用于SLS技術的高分子材料主要是熱塑性高分子材料及其復合材料,其中聚酰胺(PA)樹脂粉末材料應用最廣泛。但其中的PA12成型件收縮率大、精度差[9]。近年來,不少學者對提高SLS 成型件的精度進行了大量研究,楊來俠等[10]通過在聚苯乙烯(PS)材料中添加聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)粉末材料來提高PS/PMMA 復合材料成型件精度。桂玉蓮[11]針對SLS制備的PS成型件尺寸收縮變形問題,通過有限元數(shù)值模擬與實驗相結合的研究方法,建立尺寸收縮率預測模型,然后引入收縮補償因子對模型進行逆向尺寸補償,有效提高了PS的SLS成型件的尺寸精度,也為有效降低SLS成型件的尺寸誤差提供了新思路與新方法。Brajlih 等[12]提出一種SLS制造收縮和激光熱影響區(qū)補償參數(shù)與被加工零件幾何特征相適應以提高其精度的新方法。Dotchev等[13]研究了階梯狀PS試樣的尺寸精度的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)材料的燒結收縮是致使PS制件產(chǎn)生較大尺寸偏差的主要原因之一,此外,掃描方式也會對PS 制件在X,Y方向上的尺寸產(chǎn)生一定的影響。楊來俠等[14]對PS/玻璃纖維復合粉末進行燒結實驗研究,得到修正系數(shù)來提高尺寸精度。胡華清等[15]建立了基于支持向量回歸機的SLS 制件收縮率回歸-預測模型,以預測不同參數(shù)組合下的制件收縮率,確定了一定參數(shù)范圍下的工藝參數(shù)優(yōu)化組合方案。

鑒于此,筆者以PA12 粉末作為研究對象,提出一種新的尺寸補償模型,并實現(xiàn)了基于該模型的精度優(yōu)化方法。首先通過SLS 實驗得到測試樣件尺寸數(shù)據(jù),然后根據(jù)模型修正公式計算得到在當前工藝參數(shù)下的尺寸修正系數(shù)和光斑補償系數(shù),最后進行對比實驗,結果證明該方法能夠有效提高SLS工藝的尺寸精度,實現(xiàn)了SLS工藝精度優(yōu)化。

1 實驗部分

1.1 尺寸補償模型

前期試驗表明,SLS 工藝制件精度誤差主要來源于制件收縮和激光光斑半徑影響,并且兩者產(chǎn)生的影響會相互作用,因此,在設計精度公式時必須同時對收縮率系數(shù)和光斑半徑系數(shù)進行計算。

收縮率系數(shù)、光斑半徑補償系數(shù)和首層補償系數(shù)計算如以下公式所示：

式中：C——制件收縮率；

y——測量得到的實際尺寸；

x——樣件設計尺寸；

k——收縮率系數(shù)；

r——光斑半徑系數(shù)；

b——首層影響系數(shù)；

K——收縮率修正系數(shù)；

R——光斑半徑修正系數(shù)；

B——首層影響修正系數(shù)。

1.2 原材料

PA12粉末：平均粒徑50 μm,贏創(chuàng)工業(yè)集團。

1.3 儀器及設備

激光快速成型設備：HW-S400 型,激光功率0～40 W,激光光斑半徑為0.5 mm,武漢三迪創(chuàng)為科技有限公司；

電子游標卡尺：0～150 mm,武漢芯泰科技有限公司。

1.4 實驗方法

(1)實驗目的。

燒結件的尺寸精度是衡量燒結件質(zhì)量的一個重要因素,不同粉末材料打印的制件所造成的尺寸收縮也不同,且在各個方向上有差異。在SLS加工過程中,根據(jù)尺寸補償模型計算出收縮率修正系數(shù)和光斑半徑修正系數(shù),在掃描加工時對掃描輪廓進行補償修正,可降低SLS 工藝引起的尺寸誤差影響,提高成型件的尺寸精度。

(2)試樣設計及擺放。

水平方向試樣尺寸為不同尺寸的5種長方體孔型件,圖1 為試樣三維模型。尺寸分別為150 mm×30 mm×4 mm,120 mm×30 mm×4 mm,100 mm×30 mm ×4 mm,80 mm ×30 mm ×4 mm,40 mm×20 mm×4 mm,輪廓寬度5 mm,如圖1a和1b所示；豎直方向樣件尺寸為階梯型件,每層階梯10 mm,高度分別從10 mm到60 mm,如圖1c所示。前期研究發(fā)現(xiàn)由于粉床表面的溫度場分布不均勻,會造成不同位置的收縮率發(fā)生變化,因此,為了得到更加精準的反應尺寸數(shù)據(jù)變化情況,需要在成型缸內(nèi)整個幅面對稱地放置樣件。

對于每種水平樣件,對稱地放置了8個,一共放置了40 個,由于樣件太多放置在一層會相互干涉,因此分成了兩層放置,第一層如圖1a 所示,第二層如圖1b所示。

圖1 試樣三維模型

對于豎直方向階梯型樣件在成型缸內(nèi)前后左右各放置一個,一共4個。

(3)實驗設計。

在SLS 成型過程中,使用合適的工藝參數(shù),先后對水平方向尺寸樣件及豎直方向尺寸樣件進行打印,并使用電子游標卡尺對樣件進行多次測量,取平均值作為水平方向和豎直方向的實際尺寸數(shù)據(jù)。為了確保燒結件的成型質(zhì)量,在打印結束后,在粉床表面鋪5 mm 的粉末,來減小制件冷卻過程中的熱應力變形,盡可能打印出水平平整的制件,方便測量尺寸,也能更精準地測量尺寸數(shù)據(jù)。在前期一些實驗中發(fā)現(xiàn),如果僅對測試樣件的外輪廓尺寸進行修正系數(shù)優(yōu)化,打印帶有內(nèi)部輪廓形狀的樣件時,其內(nèi)輪廓尺寸數(shù)據(jù)依然有較大誤差,所以根據(jù)SLS工藝成型原理,除粉末材料自身在打印過程中受熱熔融后收縮外,激光光斑大小對樣件內(nèi)外輪廓尺寸也會造成影響(激光按順序掃描時在樣件內(nèi)外輪廓邊緣掃描,均會產(chǎn)生一個激光光斑半徑左右大小的熱影響區(qū)),這對于激光光斑較大的激光器來說,在SLS打印過程中對樣件尺寸就會產(chǎn)生較大的影響,所以對于水平的X,Y方向尺寸不僅進行收縮系數(shù)優(yōu)化,還要根據(jù)激光光斑大小對樣件尺寸的影響進行補償,并且由于激光光斑對測試樣件內(nèi)外輪廓尺寸影響是相反的,所以需要將測試樣件尺寸分為外尺寸(外輪廓尺寸)和內(nèi)尺寸(內(nèi)輪廓尺寸)進行計算。

2 結果分析

通過前期對PA12 粉末SLS 燒結實驗研究,在170℃預熱溫度、激光功率16 W、分層厚度0.1 mm、掃描速度2 500 mm/s、單層厚度0.1 mm的工藝參數(shù)下可得到較好的打印效果,因此,在此基礎參數(shù)下進行打印試驗,研究尺寸補償模型的精度優(yōu)化效果。

2.1 水平方向

首先是對未進行精度補償?shù)拇蛴y試樣件(圖2)進行測量,其尺寸數(shù)據(jù)列于表1。一共5種不同尺寸樣件,每種樣件對稱打印8個,所以一共打印了40個樣件。

表1 水平方向優(yōu)化補償前打印測量數(shù)據(jù)mm

圖2 水平樣件

對測試樣件外尺寸數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：X方向外尺寸收縮率范圍為1.15%～3.67%,尺寸的絕對誤差為0.23～5.51 mm,且尺寸收縮率和尺寸的絕對誤差整體趨勢與測試件尺寸的長度呈正相關；Y方向外尺寸收縮率為1.1%～3.94%,尺寸的絕對誤差為0.22～5.91 mm,較X方向誤差稍大一點,尺寸收縮率和尺寸的絕對誤差整體趨勢與X方向一樣,也是與測試件尺寸的長度呈正相關；不論成型件的尺寸大小,制件尺寸(X,Y向)均表現(xiàn)為縮小,絕對誤差范圍為0.22～5.91 mm,整體隨著成型件尺寸的增大而增大。這主要是由于當加工工藝參數(shù)一定時,激光光斑對成型件邊界尺寸的影響是一定的,而成型件內(nèi)部,尼龍粉末表面受熱熔融粘結在一起,形成尺寸收縮。當材料收縮是主要影響因素時,收縮量隨成型件尺寸的增大而增大。

對測試樣件內(nèi)尺寸數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),測試樣件內(nèi)尺寸的尺寸誤差相較于外尺寸明顯更大,X方向內(nèi)尺寸收縮率范圍為4.51%～12.1%,尤其體現(xiàn)在尺寸較小的成型件上,誤差更是達到了12%左右,尺寸的絕對誤差為1.1～6.51 mm；Y方向的內(nèi)尺寸收縮率為4.64%～9.9%,尺寸絕對誤差為0.97～6.55 mm,整體收縮率較X方向內(nèi)尺寸稍小一些,但在尺寸較小的制件上,收縮率仍達到了9%以上；這是因為激光在掃描內(nèi)尺寸邊緣時,會將其周圍光斑半徑大小左右的粉末一起熔融燒結,形成尺寸誤差,且對尺寸越小的制件,其影響就越大,所以對尺寸較小的制件,其尺寸收縮率較大。

采用1.1 節(jié)所述的水平方向尺寸補償模型公式(1)至公式(5),對試驗數(shù)據(jù)進行擬合計算,得到X方向修正系數(shù)為1.042 4,Y方向修正系數(shù)為1.044 5,光斑半徑補償修正系數(shù)為0.323 1；在同樣的加工工藝參數(shù)下,對同樣的測試樣件模型采用尺寸補償后進行打印實驗,得到的測量結果列于表2。

表2 補償后打印測量數(shù)據(jù)mm

從測量結果看,采用尺寸補償模型進行精度優(yōu)化后,X方向的外輪廓尺寸收縮率為-0.05%～0.5%之間,尺寸的絕對誤差為0.03～0.17 mm,絕大多數(shù)在0.1 mm 以內(nèi)；Y方向的外輪廓尺寸收縮率為-0.3%～0.33%,尺寸的絕對誤差也縮小到了0.1 mm以內(nèi)；X方向的內(nèi)輪廓尺寸收縮率為-0.55%～0.17%,絕對誤差為0.01～0.18 mm；Y方向的內(nèi)輪廓尺寸收縮率為-0.95%～0.4%,絕對誤差在0.2 mm 以內(nèi)。X方向和Y方向的外、內(nèi)輪廓尺寸精度均得到了很好地改善,說明該補償方法能大幅提高水平方向的尺寸精度。

2.2 豎直方向

首先是對未進行精度補償?shù)拇蛴y試樣件(圖3)進行測量,其尺寸數(shù)據(jù)列于表3。打印位置是該樣件在打印時所處的成型缸位置,每個樣件有4 個階梯邊,所以每個樣件的每個設計尺寸對應了4 個測量尺寸。

圖3 豎直精度補償樣件

表3 豎直方向補償打印前后測量數(shù)據(jù)mm

由燒結件的測量尺寸數(shù)據(jù)可以得知,在未經(jīng)修正系數(shù)優(yōu)化前,Z向尺寸收縮率為-0.68%～2.03%,絕對誤差為0.02～1.06 mm。當收縮率為負數(shù)時,表示打印件實際厚度尺寸超過了設計尺寸,這主要是因為在燒結第一層時,粉末顆粒受熱熔化,粘結時會帶有周圍部分粉末顆粒。而SLS 是分層疊加燒結成型,成型過程中激光燒結深度要大于切片厚度,才能實現(xiàn)當前燒結層與上一層的熔融粘結。故Z向尺寸精度由首層燒結時形成的尺寸增大以及中間層燒結時形成的尺寸收縮共同決定。而燒結中間層時,當前層形成的收縮量在下一層鋪粉時填平(鋪粉厚度大于切片厚度,以保證每層鋪粉充分和均勻),收縮量得到一定的補償,但還是會有一定的尺寸收縮,因此較大誤差主要集中在厚度較大的尺寸件,隨著制件尺寸厚度增加,其粉末受熱粘結在一起,形成的尺寸收縮也會變大,尺寸誤差也就隨著變大。

采用1.1 節(jié)所述的豎直方向尺寸補償模型公式(5)～公式(6),對試驗數(shù)據(jù)進行擬合計算,得到收縮修正系數(shù)為1.026 3,首層補償系數(shù)為0.298 9；然后進行修正后打印驗證,結果列于表3,可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后制件的尺寸精度得到了非常明顯的提高,尺寸收縮率為-0.49%～0.17%,絕對誤差也縮小到了0.1 mm以內(nèi),說明此模型公式能很好地對PA12粉末SLS成型件的豎直方向尺寸精度進行優(yōu)化。

3 結論

(1)通過對比試驗結果分析可知,水平方向上,PA12 粉末制件精度主要受收縮修正系數(shù)和光斑補償系數(shù)影響,采用水平方向尺寸補償模型可有效地提高樣件精度,外輪廓和高度絕對誤差可以控制在0.1 mm以內(nèi),內(nèi)輪廓可以控制在0.2 mm以內(nèi),能夠完全滿足SLS工藝對精度的要求。

(2)由于工藝參數(shù)的影響,水平方向上,X方向和Y方向的尺寸修正系數(shù)不同,需要分別進行擬合計算,才能提高最終試樣精度。

(3)豎直方向上,PA12 粉末制件精度主要受收縮修正系數(shù)和首層補償系數(shù)影響,采用豎直方向尺寸補償模型可有效調(diào)高樣件豎直方向精度,絕對誤差可以控制在0.1 mm以內(nèi),能夠完全滿足選擇性激光燒結工藝對精度的要求。