SLS 尼龙粉料XY 向成型精度的研究

李小城

(安徽机电职业技术学院 机械系，安徽 芜湖 241002)

选择性激光技术是用激光光源烧结粉末材料，根据三维模型切片处理后得到的片层二维信息烧结成型，然后层层叠加生成三维实体。［1，2］SLS 所用的材料主要有高分子粉料、金属粉料、金属或型砂与高分子的复合粉料等，成型件主要应用在用于熔模铸造的蜡模、铸模砂芯或功能件。因其材料范围广泛、利用率高、用途广成为目前应用较为广泛的快速原型技术。［3，4］

成型精度不高、成型精度不稳定是SLS 技术的关键问题之一，也是制约其进一步发展的重要因素。从SLS 成型原理来看，成型精度决定于平面(XY 向)尺寸精度和高度(Z 向)尺寸精度。影响尺寸精度的因素主要有系统误差、CAD 模型误差、工艺误差和材料收缩率、粒度分布状态等材料性能引起的误差。［5，6］在设备和材料选定的情况下，工艺参数对尺寸精度影响最大，而工艺参数对精度的影响又较为复杂，工艺参数之间相互关联、相互制约，对尺寸精度的影响程度也不同。近年来，也有一些关于工艺参数对成型尺寸精度影响的研究，但大多都是一些定性的研究。文章以对成型精度影响最大的激光功率为主要因素，研究了不同功率下平面尺寸精度的变化，并得出了在优化参数组合下尼龙粉料的平面尺寸精度，从而为模型前处理时收缩率的计算和设置提供参考。

1 实验

1.1 实验设备和材料

AFS－320 型快速成型机，北京隆源自动成型系统有限公司;精度为0.02mm 的卡尺。尼龙粉料，其性能见表1，粒度分布见图1。

表1 尼龙粉的基本性能Table.1 The basic properties of the powder of PA

图1 尼龙粒度分布图Fig.1 The sieve size distributions of PA

平面尺寸样件:25mm ×25mm ×5mm;50mm×50mm ×5mm;100mm ×100mm ×5mm 方形块，见图2。

图2 平面尺寸误差试样Fig.2 The samples of plan dimension error

1.2 实验方法和步骤

实验一:将扫描速度、预热温度和铺粉厚度分别固定在1800mm·s－1、95℃和0.15mm，按表2变换激光功率，烧结25mm ×25mm ×5mm 方形样件。用卡尺分别测量X、Y 向尺寸，并分别计算X、Y 向尺寸偏差。

实验二:在同一组工艺参数(激光功率采用47%，其他工艺参数同实验一)下烧结三种方形尺寸样件，测量三种样件在相同工艺参数下X、Y向尺寸，并分别计算尺寸偏差。

2 实验结果及分析

2.1 激光功率对平面尺寸的影响

(1)实验结果

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)

实验一结果见表2，从表2 的测量结果来看，所有尺寸偏差为正，且随着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)结果分析

在烧结过程中，成型件尺寸误差由两个方面的主要因素决定:1)成型时因材料状态的改变而形成的尺寸收缩;2)边界因激光光斑大小和处热影响区的存在而形成的尺寸增大。［6］SLS 成型精度与其成型方法和材料的状态有很大关系，其材料为高分子粉末材料，颗粒形状接近于球形，呈松散的自由堆积状态，烧结时成型缸中材料密度为铺粉密度，其密度应小于该粉末材料的堆积密度;并且，成型后粉末颗粒处于表面熔融、粘接状态，所以烧结成型尺寸收缩率不会太大。而且，成型时收缩太大会形成翘曲，翘曲严重时会发生层间错移或使铺粉过程无法进行，从这个方面讲，尺寸收缩也不允许很大。另外，SLS 成型能量来源于激光光源，激光的能量分布如图3 所示，中心能量最强，向周边逐渐减弱。由于材料成型时，材料之间存在着热量传递，所以在边界处会形成一个热影响区，它的存在会使成型件的尺寸增大。由以上分析可见，SLS成型平面尺寸精度应该是以上两种因素共同作用的结果，由于SLS 成型件的尺寸总体增大，说明边界热影响区对尺寸的影响远大与成型时材料状态改变对尺寸的影响，使综合偏差为正。

图3 SLS 激光能量分布Fig.3 The laser energy distribution of SLS

图4 不同功率时成型件的表面质量Fig.4 The contrast of roughness at different lasers

激光功率增大时激光能量升高，这样高分子粉料吸收的热能增加，边界处热影响区增大，所以边界处的尺寸增量增大;但是烧结成型时由于材料状态的影响，激光功率的变化对成型件内部尺寸收缩率影响不大，故激光功率的增大时，烧结成型尺寸整体表现为偏差增大。然而，激光功率也不能一味增大，随着高分子粉料吸收热能的增加，当加热温度超过其汽化温度时会形成高分子汽化，从而会降低烧结件成型的密度和强度，在成型件表面也会形成很多汽化坑，如图4 所示，增大了烧结表面的粗糙度，并且，由于成型温度过高X、Y 边界更加模糊。

2.2 不同尺寸值的尺寸精度

(1)实验结果

激光功率、预热温度、铺粉厚度和扫描速度分别为47%、95℃、0.15mm、1800 mm·s－1时，三种样件的X、Y 向尺寸偏差结果见表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)结果分析

从表3 尺寸偏差的测量、计算结果来看，X、Y 向尺寸偏差均为正，且随着尺寸的增大尺寸偏差变小。

这是因为，成型工艺参数一定时，边界处由于光斑半径和热影响区形成的边界尺寸增量一定;在同一成型条件下，烧结成型时成型收缩率一定，所以尺寸越大收缩量越大，也就形成了随着成型件尺寸增大，X、Y 向尺寸偏差减小的现象。假设在一定条件下成型时X、Y 向成型尺寸收缩率为δ，边界处尺寸增量为△δ，所以成型件尺寸计算公式为:

根据公式(1)和表3 实验结果，可以分别计算出X 向的成型收缩率δX和边界尺寸增量△δX。

由公式(2)(3) (4)两两组合解得:δX1=0.0022，δX2=0.0024，δX3=0.0025 (由于烧结件后处理程度不同，对结果会形成一定影响)。取平均值得X 向成型收缩率δX= 0.00237，即δX=0.237%，X 向边界尺寸增量△δX= 0.998m;同理，得出Y 向成型收缩率δy和Y 向边界尺寸偏差△δy，分别为0.233%、0.816mm。

由计算结果可以看出，烧结成型时由于材料状态的变化材料引起的的X、Y 向的尺寸收缩率相差很小，收缩率只差了0.004%，可视为相同;但边界尺寸增量相差了0.182mm，这是由于设备系统误差的存在和扫描路径的不同造成的差异。

3 结论

(1)X、Y 向尺寸偏差均为正值，并且随着激光功率的增大尺寸偏差增大;由于系统误差的存在Y 向尺寸偏差大于X 向尺寸偏差。

(2)工艺参数和材料一定的情况下，烧结成型时由于材料状态改变而形成的收缩量与尺寸大小有关，X、Y 向烧结成型收缩率相差很小，只有0.004%，所以烧结成型收缩率可视为相同。由于系统误差存在，X、Y 向边界增量偏差不同，并且差值达到0.182mm。

(3)可以通过实验确定成型收缩率和边界增量偏差，在3D 模型成型前处理时设置收缩，从而提高SLS 成型精度。

［1］赵志国. 激光选区熔化成形技术的发展现状及研究进展［J］. 航空制造技术，2014，(19):46－49.

［2］ KUMAR S.Selective laser sintering:A qualitative and objective approach［J］.JOM，2003，55(3):43－47.

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［4］ CAULFIELD B，MCHUGH PE，LOHFELD S.Dependence of mechanical properties of polyamide components on build parameters in the SLS process［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007，(182):477 ～488.

［5］石琴. 选择性激光烧结用复合蜡粉的制备与成型工艺研究［D］. 太原:中北大学，2014:30－42.

［6］李小城.SLS 高分子粉料成型工艺参数及成型质量的比较研究［D］. 呼和浩特:内蒙古工业大学，2007:20－22，55－62.