SLS 尼龍粉料XY 向成型精度的研究

李小城

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)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(shí)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(fù)合粉料等，成型件主要應(yīng)用在用于熔模鑄造的蠟?zāi)?、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(yīng)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(wèn)題之一，也是制約其進(jìn)一步發(fā)展的重要因素。從SLS 成型原理來(lái)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(shè)備和材料選定的情況下，工藝參數(shù)對(duì)尺寸精度影響最大，而工藝參數(shù)對(duì)精度的影響又較為復(fù)雜，工藝參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)、相互制約，對(duì)尺寸精度的影響程度也不同。近年來(lái)，也有一些關(guān)于工藝參數(shù)對(duì)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(duì)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(shí)收縮率的計(jì)算和設(shè)置提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料

AFS－320 型快速成型機(jī)，北京隆源自動(dòng)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(jiàn)表1，粒度分布見(jiàn)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(jiàn)圖2。

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

1.2 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

實(shí)驗(yàn)一:將掃描速度、預(yù)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(cè)量X、Y 向尺寸，并分別計(jì)算X、Y 向尺寸偏差。

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)一)下燒結(jié)三種方形尺寸樣件，測(cè)量三種樣件在相同工藝參數(shù)下X、Y向尺寸，并分別計(jì)算尺寸偏差。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 激光功率對(duì)平面尺寸的影響

(1)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)一結(jié)果見(jiàn)表2，從表2 的測(cè)量結(jié)果來(lái)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(guò)程中，成型件尺寸誤差由兩個(gè)方面的主要因素決定:1)成型時(shí)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(shí)成型缸中材料密度為鋪粉密度，其密度應(yīng)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(huì)太大。而且，成型時(shí)收縮太大會(huì)形成翹曲，翹曲嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生層間錯(cuò)移或使鋪粉過(guò)程無(wú)法進(jìn)行，從這個(gè)方面講，尺寸收縮也不允許很大。另外，SLS 成型能量來(lái)源于激光光源，激光的能量分布如圖3 所示，中心能量最強(qiáng)，向周邊逐漸減弱。由于材料成型時(shí)，材料之間存在著熱量傳遞，所以在邊界處會(huì)形成一個(gè)熱影響區(qū)，它的存在會(huì)使成型件的尺寸增大。由以上分析可見(jiàn)，SLS成型平面尺寸精度應(yīng)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(shuō)明邊界熱影響區(qū)對(duì)尺寸的影響遠(yuǎn)大與成型時(shí)材料狀態(tài)改變對(duì)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(shí)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(shí)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(shí)由于材料狀態(tài)的影響，激光功率的變化對(duì)成型件內(nèi)部尺寸收縮率影響不大，故激光功率的增大時(shí)，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(dāng)加熱溫度超過(guò)其汽化溫度時(shí)會(huì)形成高分子汽化，從而會(huì)降低燒結(jié)件成型的密度和強(qiáng)度，在成型件表面也會(huì)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(guò)高X、Y 邊界更加模糊。

2.2 不同尺寸值的尺寸精度

(1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

激光功率、預(yù)熱溫度、鋪粉厚度和掃描速度分別為47%、95℃、0.15mm、1800 mm·s－1時(shí)，三種樣件的X、Y 向尺寸偏差結(jié)果見(jiàn)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(cè)量、計(jì)算結(jié)果來(lái)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?yàn)?，成型工藝參?shù)一定時(shí)，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(shí)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(shè)在一定條件下成型時(shí)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(jì)算公式為:

根據(jù)公式(1)和表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以分別計(jì)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(duì)結(jié)果會(huì)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(jì)算結(jié)果可以看出，燒結(jié)成型時(shí)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(shè)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(shí)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(dá)到0.182mm。

(3)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定成型收縮率和邊界增量偏差，在3D 模型成型前處理時(shí)設(shè)置收縮，從而提高SLS 成型精度。

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

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