3D打印激光燒結(jié)技術(shù)誤差原因分析

□□ 李 剛 (山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

引言

3D打印技術(shù)的原理是增材制造技術(shù)，是通過(guò)加熱、光照等手段把相關(guān)材料融化后按照一定的路徑進(jìn)行涂抹堆積，從而實(shí)現(xiàn)零件成型。相比傳統(tǒng)的切削加工，3D打印不使用刀具，也沒(méi)有原始的毛坯件。在3D打印技術(shù)分類中，SLS選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，但因受限于精度不高，一直未能在制造業(yè)有所突破。本文對(duì)目前3D打印的主流技術(shù)進(jìn)行敘述，針對(duì)金屬材料的選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)的加工誤差形成原因進(jìn)行分析。

1 3D打印技術(shù)原理

2009年，由美國(guó)的測(cè)試和材料協(xié)會(huì)[1](ASTM)把3D打印技術(shù)定義為：一種通過(guò)3D數(shù)據(jù)層層疊疊加入材料形成物體的制造方法。相比于傳統(tǒng)的切削加工，3D打印技術(shù)又被稱為是增材加工。物體的模型一般通過(guò)三維軟件建立，再通過(guò)計(jì)算機(jī)切片軟件導(dǎo)出模型的詳細(xì)數(shù)據(jù)，打印機(jī)讀取數(shù)據(jù)后就能堆疊出實(shí)物。3D打印原理如圖1所示?？梢杂梦⒎e分的概念來(lái)形象地說(shuō)明3D打印原理與工作過(guò)程。在將3D數(shù)字化模型輸出到3D打印機(jī)之前，需要對(duì)3D模型進(jìn)行分層切片(Slice)，切成數(shù)百上千個(gè)薄層，這類似于微分操作；然后將描述薄層的數(shù)字化文件輸出到打印機(jī)，3D打印機(jī)逐層打印出來(lái)，這又類似于積分操作，直到將整個(gè)形狀疊加成型。

圖1 3D打印技術(shù)原理

2 3D打印技術(shù)分類

在1984年之后的五年里，3D打印技術(shù)迎來(lái)了突飛猛進(jìn)的發(fā)展[2]。立體平版印刷技術(shù)、選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)、熔融沉積成型技術(shù)先后被攻破，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，如今3D打印技術(shù)已經(jīng)走進(jìn)了人們的生活。下面介紹當(dāng)前較為成熟的6類3D打印技術(shù)。

(1)3DP技術(shù)。主要是把膠狀液體鋪設(shè)在粉末上打印的方式。該技術(shù)加工的零件強(qiáng)度較高，可加工小型的塑料零件，但難以一次性成型，需要對(duì)工件進(jìn)行后處理。

(2)FDM熔融沉積成型技術(shù)。是對(duì)絲狀材料進(jìn)行加熱融化，將融化的材料涂抹到工作臺(tái)上，隨著工作臺(tái)的下降，材料完成堆積，最后完成造型。熔融沉積成型技術(shù)多應(yīng)用于教學(xué)工作中，造型快速，但成型后強(qiáng)度不夠，可用于加工小型模型。

(3)SLA立體平版印刷技術(shù)。主要利用光敏低熔點(diǎn)材料，通過(guò)控制激光束對(duì)光敏材料進(jìn)行加熱，使其在設(shè)定好的位置上融化凝固，下一步在原來(lái)的基礎(chǔ)上重新用激光束掃描最終打印出零件。該方法因材料的特性可較為快速的成型，對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件具有很好的適應(yīng)性，但不能實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度零件的加工。

(4)SLS選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)。主要用于加工強(qiáng)度較高的金屬材料，通過(guò)用大功率激光束加熱鋪設(shè)在工作臺(tái)上的金屬粉、陶瓷粉等，將材料預(yù)熱到接近于熔化點(diǎn)，激光束有選擇性地在該層截面上進(jìn)行掃描，使粉末溫度升至熔化點(diǎn)，然后燒結(jié)成型的方式。其原理如圖2所示。該技術(shù)對(duì)材料的要求較低，進(jìn)而降低了成本，適應(yīng)性好。SLS技術(shù)最主要的優(yōu)勢(shì)在于金屬材料的加工，其加工的產(chǎn)品可具有與金屬零件相近的機(jī)械性能，故可用于制造金屬模具以及小批量零件生產(chǎn)。但粉末燒結(jié)后的零件表面粗糙，精度僅為0.1～0.2 mm，需要后期處理；成型大尺寸零件時(shí)容易發(fā)生翹曲變形、制造和維護(hù)成本高、N2燒結(jié)容易產(chǎn)生有害氣體等缺點(diǎn)限制了該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。

圖2 SLS的技術(shù)原理

(5)DLP激光成型技術(shù)。利用光處理儀對(duì)受光能聚合的液態(tài)物質(zhì)進(jìn)行光照處理，每層釋放不同形狀的光，不斷堆積實(shí)現(xiàn)造型。該技術(shù)基于其特殊的造型方式，可以對(duì)模型的細(xì)節(jié)處理較好，可實(shí)現(xiàn)高精度的造型。

(6)UV紫外線成型技術(shù)。利用紫外線對(duì)受光能聚合的液態(tài)物質(zhì)進(jìn)行光照處理，每層釋放不同形狀的光，不斷堆積達(dá)實(shí)現(xiàn)造型。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的精度，目前常用于珠寶行業(yè)。

3 SLS激光燒結(jié)技術(shù)誤差產(chǎn)生原因分析

SLS選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)是3D打印技術(shù)分類中應(yīng)用最為廣泛，也是最有可能在制造業(yè)有所突破的快速成型技術(shù)，如何提高激光燒結(jié)技術(shù)的加工精度，一直以來(lái)都是廣大學(xué)者討論的熱點(diǎn)[3]，現(xiàn)對(duì)激光燒結(jié)技術(shù)在制造過(guò)程中產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行分析。根據(jù)SLS成型過(guò)程，將影響其成型精度的因素羅列如圖3所示。

圖3 SLS成型精度的相關(guān)因素

3.1 原理性誤差

3D打印模型一般是由三維軟件建模或者是通過(guò)三維掃描逆向工程來(lái)建立模型。這就存在多方面的誤差，最主要的是造型誤差，尤其是通過(guò)逆向工程把三維掃描數(shù)據(jù)建立成模型，容易出現(xiàn)STL數(shù)據(jù)精度不夠，所形成的計(jì)算機(jī)模型只能實(shí)現(xiàn)一階近似，和理想模型之間存在一定偏差。隨著計(jì)算機(jī)軟件處理水平的不斷提高，今后可不斷降低由STL數(shù)據(jù)帶來(lái)的誤差，但不能完全消除。

3.2 分層切片誤差

模型建立完成后需要對(duì)模型進(jìn)行切片，然后向打印機(jī)導(dǎo)出數(shù)據(jù)。切片打印的原理是利用厚度很薄的直壁片來(lái)替代機(jī)械切片，該切片原理會(huì)存在微細(xì)的曲面數(shù)據(jù)丟失，3D打印曲面的效果通過(guò)放大鏡來(lái)看就是一個(gè)個(gè)的直壁階梯面[4]，即所謂的“階梯效應(yīng)”。如圖4所示。

圖4 階梯效應(yīng)原理圖

4 加工工藝造成的成型誤差

激光燒結(jié)的成型過(guò)程是，對(duì)材料進(jìn)行預(yù)熱達(dá)到預(yù)定溫度后，利用激光對(duì)材料進(jìn)行燒結(jié)。提前設(shè)置好的燒結(jié)厚度、燒結(jié)路徑和掃描速率等都會(huì)對(duì)成型效果產(chǎn)生影響。下面對(duì)預(yù)熱溫度、燒結(jié)溫度、燒結(jié)厚度和掃描速率的影響進(jìn)行分析。

4.1 預(yù)熱溫度的影響

給定材料的預(yù)熱溫度主要目的是預(yù)防材料因受熱溫差過(guò)大發(fā)生翹曲，溫度太低會(huì)造成工件局部翹曲變形，溫度太高可能會(huì)使得金屬材料因高溫而導(dǎo)致碳化晶相發(fā)生破壞。

4.2 燒結(jié)溫度的影響

燒結(jié)溫度是3D打印過(guò)程的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)打印結(jié)構(gòu)具有直接影響，由受到激光束的強(qiáng)度和掃描速度共同決定。應(yīng)在給定激光束對(duì)材料的加熱時(shí)間范圍內(nèi)，根據(jù)材料的最佳燒結(jié)溫度來(lái)確定激光束的強(qiáng)度，使得材料能夠在規(guī)定的性能狀態(tài)下完成3D打印。

4.3 燒結(jié)厚度的影響

燒結(jié)厚度是3D打印過(guò)程中單層鋪粉的厚度，在打印過(guò)程中，打印機(jī)會(huì)通過(guò)輸入的數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算鋪粉厚度。鋪粉過(guò)薄會(huì)使得加工時(shí)間較長(zhǎng)，效率低下，如果調(diào)節(jié)不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致材料因高溫而結(jié)構(gòu)破壞，還容易發(fā)生翹曲變形，但有利于提高加工的表面光潔度；鋪粉過(guò)厚則會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)不完全，內(nèi)部未融化的顆粒則會(huì)形成類似砂眼的缺陷，同時(shí)表面光潔度也難以保證。

5 后處理誤差

激光燒結(jié)后的零件會(huì)粘在工作臺(tái)上，打印結(jié)束后無(wú)法將零件直接取下，必須利用線切割等工藝將支撐部分切割下來(lái)，外力切割會(huì)對(duì)零件造成誤差。同時(shí)，N2燃燒、大功率激光束照射也會(huì)產(chǎn)生高溫造成誤差，這類誤差為環(huán)境因素造成的誤差。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)在工藝過(guò)程中的誤差原因進(jìn)行分析可知，應(yīng)選擇合理的預(yù)熱溫度、燒結(jié)溫度、燒結(jié)厚度和掃描速率等參數(shù)。如對(duì)于熔點(diǎn)低且融為液態(tài)后流動(dòng)性不強(qiáng)的材料必須降低其預(yù)熱溫度；對(duì)于要求成型速度快、精度不高的工件，可應(yīng)用較高功率的激光束和較快的掃描速率；對(duì)于容易發(fā)生翹曲變形的材料[5]可以通過(guò)增加燒結(jié)厚度來(lái)防止其成型翹曲變形。零件的加工精度需要完整且規(guī)范的工藝路線來(lái)保證，在編制3D打印工藝路線時(shí)應(yīng)多方面考慮，通過(guò)各方面的取舍或者對(duì)軟件預(yù)先設(shè)置補(bǔ)償值、使用性能優(yōu)良的設(shè)備等方式以減少該技術(shù)產(chǎn)生的誤差。