王 維 王興良 佟 明 楊 光 欽蘭云

（①沈陽航空工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；②中科院沈陽自動(dòng)化研究所，遼寧 沈陽 110016）

選擇性激光燒結(jié)快速成型制件翹曲變形的研究

王 維①王興良①佟 明①楊 光②欽蘭云①

（①沈陽航空工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；②中科院沈陽自動(dòng)化研究所，遼寧 沈陽 110016）

針對翹曲變形對選擇性激光燒結(jié)（SLS）成形精度的影響很大的問題，通過在HRPS-ⅢA型成型機(jī)上進(jìn)行快速成型試驗(yàn)，找出產(chǎn)生翹曲變形的根本原因，得到了激光掃描速度和激光功率、粉末預(yù)熱溫度等工藝參數(shù)對翹曲變形的影響規(guī)律，并研究了減小翹曲變形的有效措施。

選擇性激光燒結(jié) 翹曲變形 預(yù)熱溫度

選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）工藝是快速成型技術(shù)采用紅外激光作為熱源來燒結(jié)粉末材料，使包覆于粉末材料外的固體粘結(jié)劑或粉末材料本身熔融實(shí)現(xiàn)材料的粘結(jié)。成型精度是快速成型技術(shù)在應(yīng)用中的關(guān)鍵問題之一。翹曲變形對成型精度的影響最大，造成很大的尺寸、形位誤差，甚至導(dǎo)致加工無法進(jìn)行，所以制件翹曲變形是快速成型技術(shù)研究的重點(diǎn)。對于激光參數(shù)如激光功率、掃描間距、掃描速度和鋪粉參數(shù)如層厚對燒結(jié)件強(qiáng)度及翹曲變形的影響，已有較多研究[2，3]，但對于預(yù)熱溫度對翹曲變形影響的研究較少，本文還就預(yù)熱溫度對翹曲變形的影響做了分析研究。

1 翹曲變形產(chǎn)生的根本原因

1.1 燒結(jié)層收縮的原因

影響翹曲變形的根本原因有高分子材料的狀態(tài)變化引起的收縮，高分子材料受溫度變化的影響體積變化很明顯[4]。高分子材料在從粘流態(tài)冷卻到玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度這一過程中，體積有非常明顯的縮小，并且由此在其內(nèi)部造成收縮應(yīng)力的出現(xiàn)。收縮的程度越大，收縮應(yīng)力的值也越大。SLS加工是一個(gè)溫度瞬間變化很大的激光燒結(jié)過程，燒結(jié)層要經(jīng)歷一個(gè)從高溫膨脹到低溫收縮的過程，同時(shí)在這一過程中燒結(jié)層內(nèi)蘊(yùn)含了較大的收縮應(yīng)力。

另外，由于SLS粉末材料的粉體形狀很不規(guī)則，這就造成粉末顆粒之間存有一定的間隙。例如，若粉末全為均勻的球體，在壓實(shí)狀態(tài)下粉末的間隙空間會(huì)占總體積的50%左右，只有當(dāng)粉末全為方體時(shí)才可能達(dá)到全密度。但是在實(shí)際中這是不可能的，而由燒結(jié)層疊加起來的成型件的密度卻高達(dá)全密度的95%以上。所以，在SLS燒結(jié)過程中，由于密度的增加，制件必然會(huì)產(chǎn)生收縮。這種由粉末密度的變化導(dǎo)致的制件收縮可稱為密度收縮。

1.2 不均勻收縮造成燒結(jié)層的翹曲變形

燒結(jié)層的不均勻收縮造成翹曲變形。收縮是粉末材料SLS成型加工中的固有屬性，在燒結(jié)過程中各層均產(chǎn)生收縮。理論上講，如果這種收縮在各個(gè)方向是均勻進(jìn)行的那么各燒結(jié)層不會(huì)產(chǎn)生較大的翹曲變形，但實(shí)際上，各燒結(jié)層在各個(gè)區(qū)域所產(chǎn)生的收縮差別很大[5]。這主要是由以下原因造成的：第一，燒結(jié)層上、下部分受熱不均勻。在SLS加工中激光的能量呈高斯分布，如圖1所示，沿著垂直粉末方向（Z軸方向）射入的激光束其能量是沿著Z軸對稱分布的，并且激光束光斑中心（Z軸與粉末的交點(diǎn)）的激光能量最強(qiáng)，由此點(diǎn)向外擴(kuò)散，粉末所接受的能量呈螺旋線的方式遞減。因此，在光斑范圍內(nèi)，不同位置接受的激光能量不同，并且粉層的下部分獲得的能量比上部分獲得的能量要少得多。這種上、下部分獲得能量的不均勻造成粉層上、下部分升溫的不均勻從而造成燒結(jié)層產(chǎn)生很大的升溫，這就直接導(dǎo)致了燒結(jié)層上、下部分不均勻收縮的產(chǎn)生；第二，燒結(jié)層四周的翹曲變形。燒結(jié)層的四周直接與溫度最低的松散粉末接觸，因此這部分在燒結(jié)過程中溫度變化最劇烈，從而加劇了收縮；第三，一旦燒結(jié)層出現(xiàn)了翹曲變形，后續(xù)的鋪粉過程就會(huì)在一定程度上加劇這種變形。因?yàn)橐坏Y(jié)層的邊角上翹，再鋪粉時(shí)就會(huì)有粉末鉆入到燒結(jié)層的底部，這樣也會(huì)加劇燒結(jié)層的翹曲變形。

2 影響制件翹曲變形的因素

2.1 激光掃描速度和激光功率的影響

激光掃描速度是決定能量密度的重要因素之一，它決定了激光能量對粉末的加熱時(shí)間[6]。在激光功率相同的情況下，掃描速度越高，激光對粉末的加熱時(shí)間越短，傳輸?shù)臒崃吭缴?，粉層上、下部分的溫差越小，制件的翹曲變形也越小。但是，當(dāng)激光功率一定時(shí)，掃描速度太快粉末的燒結(jié)時(shí)間短，不能保證粉末層燒透，也會(huì)形成分層缺陷，影響成型質(zhì)量。可見，在加工具體的制件時(shí)，存在一個(gè)獲得最佳成型質(zhì)量還是獲得最小的翹曲變形的選擇問題，這在實(shí)際加工中必須予以重視。實(shí)驗(yàn)表明，1.8 m/s的激光掃描速度獲得的制件的綜合性能較好。

同樣，激光功率降低，能量密度減少，激光對粉末傳輸?shù)臒崃繙p少，粉層上、下部分的溫差減小，制件的翹曲變形變小。當(dāng)然，激光功率太小輸入的能量太小，和激光掃描速度一樣，會(huì)導(dǎo)致層與層之間燒結(jié)不透，產(chǎn)生分層，使得制件強(qiáng)度降低或根本不能成型。實(shí)驗(yàn)表明，20 W（40%）的激光功率是比較合適的加工參數(shù)。

2.2 粉末預(yù)熱溫度對翹曲變形的影響

粉床表面各點(diǎn)溫度主要由兩個(gè)方面決定，一是各點(diǎn)所接受的預(yù)熱熱能，二是各點(diǎn)的散熱條件[7]。SLS成型機(jī)的預(yù)熱方式一般采用輻射預(yù)熱。輻射預(yù)熱可以與激光加工同時(shí)進(jìn)行，而且易于控制。

預(yù)熱溫度應(yīng)該盡量接近所允許的最大限度，即粉末的結(jié)塊溫度。預(yù)熱溫度的高低對制件的成型精度有很大的影響。燒結(jié)溫度過低，不僅燒結(jié)無法完成，而且給后處理的清粉過程造成很大的不便。適當(dāng)升高預(yù)熱溫度，可以提高制件的強(qiáng)度，使燒結(jié)過程得以順利進(jìn)行。但是溫度過高，會(huì)造成燒結(jié)粉末和周圍粉末的溫度梯度，而引起制件的翹曲變形。

2.3 分層加工厚度對翹曲變形的影響

隨著切片厚度變小，激光燒結(jié)的深度越來越高。激光能量密度過大，粉層上、下部分的溫差變大，層與層之間很容易產(chǎn)生翹曲變形。切片厚度太薄時(shí)影響比較顯著，一般情況下影響沒有上面幾個(gè)參數(shù)顯著。但是，切片厚度越小，制件精度越高、表面粗糙度值越小，當(dāng)然，制件燒結(jié)所需時(shí)間也越長。實(shí)際燒結(jié)中，常取切片厚度為0.15 mm。

3 改善制件翹曲變形的措施

3.1 選取適當(dāng)?shù)念A(yù)熱溫度

在SLS成型過程中，預(yù)熱是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，沒有預(yù)熱或者預(yù)熱溫度不均勻，會(huì)使成型時(shí)間增加，成型件的性能降低和精度變差，甚至燒結(jié)過程完全不能進(jìn)行。合理地選擇預(yù)熱溫度會(huì)使成型時(shí)間減少、制件的性能提高，同時(shí)減少翹曲變形，提高成型精度。一般來說，預(yù)熱溫度在材料溶融溫度以下2～3℃，精度在±1℃。采取長時(shí)間較高的預(yù)熱溫度，就可以升高分層整體的溫度，有效地減小了燒結(jié)開始粉層上、下部分的溫差，在很大程度上減小了翹曲變形的產(chǎn)生。對粉末進(jìn)行預(yù)熱同時(shí)有助于消除熱應(yīng)力，從而提高成型質(zhì)量。下面是預(yù)熱溫度與翹曲變形量關(guān)系的試驗(yàn)。

按中心位置進(jìn)行定位，放置試件，如圖2是試件在成型缸內(nèi)的擺放位置。選取不同的預(yù)熱溫度（其他的工藝參數(shù)按照實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)選取），進(jìn)行燒結(jié)試驗(yàn)，試件翹曲變形量取上表面一邊對應(yīng)的高度值與三維立體模型高度值的差值。試驗(yàn)共做3組，結(jié)果取平均值。為了更加直觀明顯地表示，定義翹曲變形率C為平均翹曲變形量σ與三維立體模型高度的比。為了方便起見，該值用百分?jǐn)?shù)表示

試件尺寸為30 mm×30 mm×30 mm的長方體方塊，布置在成型缸中心位置，如圖2所示。

加工參數(shù)的選?。哼x用常用的一組參數(shù)（除預(yù)熱溫度外），激光功率17.5 W，掃描間距0.15 mm，燒結(jié)層厚0.2 mm，掃描速度1 700 mm/s。

根據(jù)實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)，在探索性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行定位，確定預(yù)熱溫度的取值范圍在115～135℃之間，選取7個(gè)值進(jìn)行分組試驗(yàn)。各組試驗(yàn)的預(yù)熱時(shí)間都為1 h左右，從室溫加熱到預(yù)設(shè)值。加工完成后對試件進(jìn)行清理，然后進(jìn)行測量，測量試件上表面一邊對應(yīng)的高度值，進(jìn)行3次測量，取平均值為最終的試驗(yàn)值。試驗(yàn)結(jié)果列于表1中。

表1 不同預(yù)熱溫度下產(chǎn)生的翹曲變形量

下面分析測量結(jié)果：根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，以預(yù)熱溫度為自變量，我們發(fā)現(xiàn)隨著預(yù)熱溫度的升高，翹曲變形量逐漸減小。在預(yù)熱時(shí)間為1 h左右時(shí)，130℃左右的預(yù)熱溫度相對較好。圖3是不同預(yù)熱溫度下的試驗(yàn)樣件。

3.2 工藝支撐的合理添加

制件翹曲變形一般出現(xiàn)在初始加工的面（也就是制件前幾層）和面積突然增大的截面。另外，在燒結(jié)新制件時(shí)，制件的第1層燒結(jié)是在松散的粉末上進(jìn)行的，粉末之間結(jié)合力很小，因此不能提供阻止翹曲變形的力，所以工件的底層很容易產(chǎn)生翹曲變形。為此在工件的底層和面積突然增大的截面構(gòu)建支撐，即在制件燒結(jié)前先燒結(jié)出支撐，然后制件的第1層在支撐上燒結(jié)成型，這樣就可以有效地降低翹曲的程度。對工藝支撐的合理添加將會(huì)很好地控制制件的翹曲變形。

3.3 選取適當(dāng)?shù)谋卮胧?/h3>

由粘彈性理論可知，聚合物作為一種粘彈性體，具有應(yīng)力松弛和蠕變兩種顯著的特征。這兩種特征對制件內(nèi)的應(yīng)力大小有決定性的影響[8]。應(yīng)力松弛和蠕變都與聚合物的溫度和作用時(shí)間有關(guān)。通常在一定的溫度范圍內(nèi)，溫度升高會(huì)加速應(yīng)力松弛和蠕變的進(jìn)行。此時(shí)制件的收縮率較小，內(nèi)部應(yīng)力集中可得到很大程度的緩解，制件的翹曲變形也會(huì)相應(yīng)減小。如果需要在短時(shí)間內(nèi)獲得顯著的松弛效應(yīng)，就必須使聚合物的溫度控制在一定的溫度以上，通常這個(gè)溫度就是該聚合物的玻璃化溫度Tg。所以，燒結(jié)層在Tg溫度上保持的時(shí)間對于制件的翹曲變形量有至關(guān)重要的影響。

在制件燒結(jié)完成后，不要把它直接取出，應(yīng)該在成型缸內(nèi)保溫一段時(shí)間，一般選取1 h左右的時(shí)間。還需要控制室內(nèi)溫度、成型機(jī)的散熱和制件的降溫速度。通常在加工結(jié)束后，再鋪粉30層左右，避免制件暴露在空氣中降溫。圖4是不同的保溫時(shí)間對應(yīng)的不同的翹曲變形，制件仍然是30 mm×30 mm×30 mm的長方體方塊，布置在成型缸中心位置，如圖2所示。發(fā)現(xiàn)保溫時(shí)間越長，制件的翹曲變形量越小。

3.4 底層厚度的適當(dāng)選取

設(shè)置底層可以有效地減小制件的翹曲變形，尤其是對于首燒結(jié)面積較大的制件效果明顯。設(shè)置底層的具體的方法是首先將粉末材料預(yù)置在成型缸內(nèi)。大量的試驗(yàn)證明底層設(shè)置在20～30 mm是比較合適的。

3.5 在裝新粉時(shí)采取適當(dāng)?shù)拇胧?/h3>

（1）新粉與舊粉的充分混合。我們發(fā)現(xiàn)在換取新粉時(shí)往往制件的顏色、尺寸等會(huì)受到影響，制件的整體會(huì)呈現(xiàn)不同的顏色。這是因?yàn)榕f粉用過多次，在成型腔內(nèi)粉末在受到激光的加熱過程中分子粘結(jié)力會(huì)變化。舊粉和新粉之間的結(jié)合力不同，如果不充分混合，會(huì)影響到制件的整體尺寸，導(dǎo)致成型精度的降低。

（2）用金屬棒插實(shí)供粉腔中的粉末材料。由于SLS粉末材料的粉體形狀都很不規(guī)則，這就造成了粉末顆粒間存在有一定的間隙空間。若粉末全為均勻的球體，在壓實(shí)狀態(tài)下粉末的間隙空間會(huì)占總體積的50%左右，只有當(dāng)粉末全為方體時(shí)才可能達(dá)到全密度（無間隙空間）。但是在實(shí)際中這是不可能的，而由燒結(jié)層疊加起來的成型件密度卻高達(dá)全密度的95%以上，所以，在SLS燒結(jié)過程中，由于密度的增加，制件必然會(huì)產(chǎn)生收縮。

為了減小由于密度的增加而使制件產(chǎn)生的收縮，有一種方法就是用金屬棒插實(shí)供粉腔內(nèi)的粉末材料。選取金屬棒的原因，是當(dāng)用金屬棒插實(shí)粉末時(shí)，會(huì)產(chǎn)生靜電，這些摩擦產(chǎn)生的“靜電”遇到導(dǎo)電的物質(zhì)（如金屬等）便迅速地消失了，而在絕緣的物體（塑料、化纖、毛織物等）上卻不能消失。

4 結(jié)語

（1）在其他參數(shù)一定時(shí)，預(yù)熱溫度對翹曲變形影響顯著。在一定預(yù)熱溫度范圍內(nèi)，翹曲變形量隨著預(yù)熱溫度的增加而減小。

（2）保溫對制件的影響也是很大的，選取適當(dāng)?shù)谋卮胧p小制件的翹曲變形是必不可少的。

（3）在裝新粉時(shí)采取適當(dāng)?shù)拇胧χ萍尚途鹊奶岣咭灿幸欢ㄗ饔?。如新粉和舊粉的充分混合，用金屬棒插實(shí)供粉腔內(nèi)的粉末材料。

[1]劉偉軍.快速成型技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]汪艷，史玉升，黃樹槐.熱塑性塑料的選域激光燒結(jié)成型[J].塑料科技，2003（11）.

[3]李小城，王鵬程，肖軍杰，等.SLS高分子粉末材料的成型工藝參數(shù)及質(zhì)量的比較研究[J].塑料，2007，36（1）.

[4]何平笙.高聚物的力學(xué)性能[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)出版社，1997.

[5]王雅先.激光選區(qū)燒結(jié)快速成型制件翹曲變形的研究[J].機(jī)械與電子，2007（9）.

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Study about The Warping Distortion of Selective Laser Sintering Rapid Prototyping Workpiece

WANG Wei①，WANG Xingliang①，TONG Ming①，YANG Guang②，QIN Lanyun①
（①School of Mechanical and Electrical Engineering，Shenyang Institute of Aeronautical Engineering，Shenyang 110136，CHN；②Shenyang Institute of Aeronautical Engineering，Shenyang 110016，CHN）

Warping distortion of selective laser sintering have a great influence on forming accuracy.Through HRPS-ⅢA form machine on rapid prototyping experiment，the root reason of warping distortion is foumd out.Getting technological parameters of the laser scanning rate，laser power and the powder preheated temperature on the impact law of warping distortion.The paper had made an effective measure of reducing warping distortion.

Selective Laser Sintering；Warping Distortion；Preheated Temperature

王維，男，1957年生，教授、工學(xué)博士、博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向：激光快速成型，激光再制造技術(shù)，復(fù)雜曲面數(shù)控加工等。

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2009-09-09）

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