航空工艺技术
AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY
1999年 第2期 No.2 1999



激光烧结快速成型技术误差综合分析*

赵剑峰　吴晓鸣　唐亚新　余承业　花国然　罗新华
　　[摘要]　针对激光烧结快速成型技术，通过大量的试验，对从零件的CAD模型到最终的烧结参数等各个与零件误差相关的部分进行了较为详细的分析，并且提出了相应的改进措施。
　　关键词：激光烧结　快速成型　误差　粉末
Synthesis Error Analysis of Rapid Prototyping Technology by Using Laser Sintering
　　[ABSTRACT]　According to the rapid prototyping technology of laser sintering, this paper analyzes the part related with the element errors in detail from the CAD model of part to final sintering parameters through a number of tests, and puts forward the measures for improvement.
　　Keywords: Laser sintering　Rapid prototyping　Error　Powder
　　作为近年来出现的先进制造技术的重要组成部分，快速成型制造技术(RPM)在近几年内迅速发展壮大，并得到了广泛的应用。在快速成型制造技术中，较成熟的工艺有立体光造型(SLA)、叠层制造(LOM)、熔化沉积造型(FDM)和激光烧结快速成型(SLS)。其中，SLS由于具备烧结原料选材广泛，适合多用途，成型过程无须支撑，烧结件强度高且经后处理可直接作为模具、电火花加工电极等功能性零件使用等突出优点，正受到越来越广泛的重视。
　　快速成型技术的成型机理是基于离散、堆积的几何思想。其迅速发展，极大地丰富了机械制造方法，连续/离散/连续的变化方法由此而引进到机械加工里。从连续的三维实体到离散的二维切片，再制造出连续的三维制件的加工过程，体现了一种类似于模数、数模变换的加工思想［1］。
　　目前，制约快速成型技术发展的一个关键因素是制造过程中零件的精度问题。如何控制零件的误差，达到零件的设计精度是快速成型领域内的主要研究方向之一。为了探讨并解决快速成型技术中的误差问题，本文对激光烧结成型机理、激光烧结参数、铺粉方式、粉末材料的选择以及粉层参数等方面进行了理论和实际工艺的研究，并获得了一些有用的结论。
1　试验
　　在本中心自行研制的激光烧结快速成型系统RAP-1上进行烧结试验。试验样件为方体带内球面的零件以及小球零件，采用聚酯粉末作为烧结材料。系统设备及工艺过程见参考文献［2］。
　　通过对这些零件的形状、位置以及尺寸等方面的精确度检测，发现制件与原型之间存在较大的误差。通过对上述误差的初步分析，可以知道这些误差是整个工艺过程中各种因素所产生误差综合的结果，各种因素均对应着零件的某种误差。这些误差包括：制件与原型的尺寸偏差、制件实体漂移以及制件的翘曲变形。
2　分析与讨论
　　整个工艺过程中，影响零件精度的主要因素有：零件造型、粉末材料的物理特性、烧结过程、设备及烧结参数等。下面对这些因素分别进行讨论。
2.1　零件造型
　　一般情况下，在采用快速成型技术制造三维制件的过程中，首先在计算机上建造一个三维实体模型，并将该模型表面三角化，形成STL格式；然后从高度方向(Z轴方向)上按照一定的厚度逐层切片，形成一系列离散的二维切片；得到二维切片后，由快速成型系统近似复现原来的三维模型，形成制件。这实际上就是一个从离散数据到连续实体的变换过程，亦即从采样到复现的过程。从某种意义上讲，在这种采样与复现的过程中，三维模型表面三角化过程中所形成的模型误差及切片过程中所形成的采样误差是快速成型误差的主要来源。
　　(1)模型误差。一个三维曲面体表面三角化过程中，其STL模型采用内弦线或外切线两种方式来表示圆弧。当采用内弦线时，实体小于原设计模型，形成负偏差；当采用外切线时，实体大于原设计模型，形成正偏差。这种偏差在形成STL文件时已经产生，间接影响制件的最终精度。对于同一个实体表面，形成STL模型时，细分的三角形越多，模型误差也就越小。
　　(2)采样误差。沿模型高度方向切片时，切片厚度过大则会忽略局部细微特征；反之，将延长加工时间，使生产效率降低。选择切片厚度的问题，也就是合理选取采样频率的问题，是减小切片误差的有效途径。在目前的实际应用中，切片厚度通常在0.05～0.3?mm范围内取值。若要尽可能地减小采样误差，参考采样定理，把制件要求精度的1/2作为切片厚度极限值，则可保留模型在满足精度要求下的局部特征。
2.2　粉末材料的物理特性
　　粉末的物理特性如粒度、密度及流动性等均对零件的误差有影响。其中粉末粒度和密度在烧结过程中对零件的位置精度有显著影响。如在球体类零件的烧结过程中发现，从外观上看，球体变成了椭球体，而且零件的中心也偏离了初始位置，向下移动了一段距离。从误差角度来讲，上述即为零件的垂直位置误差。从理论上分析可知，这是在烧结过程中由负载和压缩造成的［3］。零件的垂直位置误差分布见图1，可以看出粉体中部的位移最大，顶部和底部的位置误差较小。底层虽承受较大负载，但由于接近硬底面而误差较小；顶层虽有较多的粉末被压缩到下面，但由于上面的负载很小而位置误差也较小；而中部粉末则由于有较大的负载和大量粉末被压缩而表现出较大的位置误差。该误差与材料有很大关系，粒子的尺寸和形状对误差值有显著影响。粉末粒子越细，位置误差越大。为了减小该误差，国外有资料介绍了一些方法来固定粉末位置，如在每一层面喷洒薄层水雾以及临时的化学辅助物等可以减小粉末的可压缩性从而减小层的位移。

图1　零件的垂直位置误差分布
Fig.1　Error distribution of vertical position of part
2.3　烧结过程
　　(1)激光光斑直径。激光烧结成型是一种层制造技术，是利用激光束的能量熔融粘结粉末粒子的过程。因此，层的厚度、激光束光斑直径和粒子尺寸决定了零件的制造精度。层厚所产生的误差在上面切片误差中有所阐述，在此不再讨论。对于每一个系统，激光束光斑直径是固定的。本系统中光斑直径为0.3 mm，而粉末粒子的直径范围在50～200 μm之间［2］，光斑直径对零件制造精度的影响在某种程度上掩盖了粒子尺寸的影响。在零件每一截面的边缘，与设计截面相比，存在着一个1/2光斑直径的增量，即在零件的外轮廓有尺寸增大的现象。
　　(2)热影响区。另外一个影响比较明显的因素是热影响区。因为，在每一条扫描线的起点和终点，激光开关打开和关闭的瞬间(即在零件的边缘)，激光射入到的是粉体上一点，在该点，由于热影响区的存在，扫描点周围的粉末微粒部分熔融聚集而形成松散的粉粒聚集物，并没有烧结成实体。当激光束沿着扫描线扫描时，由于连续的点的扫描，在扫描方向的一侧松散的聚集物在激光束的作用下转化为扫描线实体的一部分。上述表明：在每一条扫描线的两端，都存在着这种松散的聚集物；同样，在零件层面的第一条和最后一条扫描线上，平行存在两条松散聚集物。从整个零件来讲，除了上表面外的其余面上，均存在着这样的产物。这层聚集物在形成过程中，其密度、尺寸以及物理特性均不一致，由此影响着最终烧结零件的表面粗糙度、尺寸精度及形状精度。热影响区所造成的这种误差是不可避免的，但可以通过调节某些参数来尽量减小该影响，影响热影响区的因素主要有光斑直径、激光功率、扫描间隔及扫描速度等。
2.4　设备
　　(1)激光管。本系统采用国产CO2激光管以及XY导轨进给装置。通过对激光管的性能测试可知，激光的开关有迟滞现象，因此，在扫描方向上导轨的步进与激光的开关不同步，从而导致零件的形状精度变差。
　　通过测试，激光管打开的瞬间有一个T=10 ms的开延迟。那么，在烧结过程中，当激光束扫描每一条线段时，在开始长度ΔL=T*v处不能打开，从而造成在该方向上有ΔL的尺寸偏差。本系统的扫描方式是直线往返扫描，由于存在这个偏差，导致零件两端的致密度有所下降，在后处理过程中零件两个侧面会产生实体剥落现象，破坏了零件的外观形状。由于激光束滞后有一定的规律，可以通过软件补偿的方法来加以解决。
　　(2)滚筒运动。图2显示了零件在滚筒运动方向上的位置误差，虚线表示的是已烧结实体的初始位置，实线表示的是在一次铺粉循环后实体偏移的位置，两个位置的差值为Δx。该现象可以归因于受力状态下粉末的密度和流动性。滚筒铺粉过程中局部受力分析见图3。滚筒将供粉缸中的粉末送到烧结缸中，滚筒对粉体的作用力如图所示。作用力P使滚筒经过的粉末区密度增大。由于粉末的流动性，一部分密度较高的粉末压缩其底部密度较低的粉体，并渗入已烧结实体的侧面和底部，在滚筒力P的作用下，对已绕结实体产生一个向前的推力。已烧结实体则向前移动一个Δx的长度。重复铺粉和烧结过程，实体在每一层则均有一个单方向的偏移量，从而造成零件实体在滚筒运动方向的整体偏差。通过改进粉末性能、铺粉方式以及打底座等措施可以将粉末的层移降低到最小程度。

图2　铺粉过程中已烧结实体的偏移
Fig.2　Deviation of sintered solid
during laying powder

图3　滚筒受力分析图
Fig.3　Analysis of action force to the roller
2.5　烧结参数
　　SLS工艺中的烧结参数主要有激光功率、扫描速度、扫描间隔及层厚等。其中，影响零件表面粗糙度的参数主要是扫描间隔和层厚。影响零件的尺寸和形状精度的是上述综合因素。
　　激光束扫描每一条直线时，该扫描线从液相到固相的固化过程中，由于材料性状改变引起了体积变化而导致它在长度方向上的收缩，从而引起弯曲变形。扫描速度不同，扫描线变形量也不同。而变形方向则由扫描间隔来确定。当扫描间隔大于激光光斑直径时，固化后的扫描线之间由激光热影响区粉末微粒的聚集物连接，线与线之间的连接强度较小，不足以改变扫描线自身的变形趋势，因而在激光束移动方向扫描线向侧面翘曲；反之，扫描线固化在前一条扫描线的已烧结区域，即两条扫描线部分重叠，扫描线由于受到前一条已烧结线的约束而向上翘曲。一层粉末扫描完成后，在零件边界可以明显看到翘曲现象。在整个零件烧结成型后，在零件边界可以明显看到翘曲现象［4］。特别是在零件底部，底部已烧结层内部持续受上层粉末烧结热量的加热，在收缩和内应力的作用下，使零件边缘向中心收缩。因此，零件轮廓表现出棱角模糊，并且向上收缩的现象。
　　在试验过程中，可以看到变形的产生需经历一段时间。因此，在激光束扫描过之后，在粉末从熔融状态固化到固相状态的固化时间内，从另一个方向进行扫描，则可以改变扫描线的固化取向，使变形方向发生改变，从而缓解边缘的变形。
3　结束语
　　经上述讨论可知，整个工艺的各个环节对零件的误差均有影响，如：零件造型和粉末特性使制件与原型有尺寸偏差，滚筒运动与粉末流动性引起制件实体的漂移，而烧结参数的变化则导致制件的翘曲变形等。通过相应的改进措施可以在很大程度上减小各个因素所造成的误差，提高零件的制造精度。
　　本文对零件误差的产生仅作了一些定性分析。为了能进一步提高零件的精度，最终形成一套比较完整的工艺规程，必须对引起误差的各个因素进行定量研究，给出相应的数学模型。为了能制造出较高精度的零件，可通过软件补偿、设备改造等方式减小这些引起误差的因素的影响。

*国家自然科学基金资助项目。
作者单位：赵剑峰　吴晓鸣　唐亚新　余承业（南京航空航天大学）
　　　　　花国然　罗新华（南通工学院）

参考文献
　[1] 陈绪兵等.快速成型误差分析.见：卢秉恒主编.RP技术与快速模具制造会议论文集.西安：陕西科学出版社，1998.105～108
　[2] 赵剑峰等.激光烧结快速成型系统RAP-1.见：卢秉恒主编.RP技术与快速模具制造会议论文集.西安：陕西科学出版社，1998.114～118
　[3] Sang_Joon John Lee. Powder layer position accuracy in powder_based rapid prototyping. Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium, U.S.A.:The University of Texas at Austin, 1990
　[4] Yong_AK Song. Experimental study of the basic process mechanism for direct selective laser sintering of low_melting metallic powder. Annals of the CIRP. 1997,46(1):127～130
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