基于选区激光烧结技术成型工艺优化研究

段亮亮 党新安

摘要：利用UG二次开发工具Open/GRIP进行了梯度多孔金属材料的自动化建模，然后运用正交实验法优化出选区激光烧结梯度金属多孔材料的最佳工艺参数，最后研究了选区激光烧结技术工艺参数对梯度多孔金属材料性能和成型质量的影响。结果表明，优化的最佳工艺参数成型出的制件质量最好，表面光滑，孔径大小与模型的要求相近，孔的分布较均匀，孔壁表面粗糙度小，孔隙率较高，相对透气度也较大。

关键词：选区激光烧结；梯度多孔金属材料；工艺参数

中图分类号：TG156.99             文献标志码：A         文章编号：1001-5922（2023）03-0110-04

Research  on  the  optimization  of molding  process based  on  selective  laser  sintering

DUAN Liangliang1，DANG Xinan2

（1.School of Continuing Education，Shaanxi Energy Institute，Xianyang 712000，Shaanxi China；

2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，Xianyang 712000，Shaanxi China）

Abstract： The UG secondary development tool Open/GRIP was used to carry out the automatic modeling of gradi- ent porous metal materials，and then the optimal process parameters of selective laser sintering gradient metal po- rous materials were optimized by orthogonal experimental method，and finally the influence of selective lasersinter- ing technology process parameters on the properties and forming quality of gradient porous metal materials was stud- ied. The result showed that the optimized process parameters formed the best part quality，smooth surface，similar  pore size to the requirements of the model，uniform distribution of holes，small surface roughness of the pore wall， high porosity and relatively large air permeability.

Key words： selective laser sintering；Gradient porous metal；process parameters

工业废气具有温度高，含有很多的污染物和有毒气体的特点，它不仅使得环境污染严重，也使人们的健康受到了威胁，因此要进行除尘净化处理[1-3]。在高温气体净化技术中，烧结多孔金属过滤器能对细小颗粒污染物进行过滤，且具有耐高温、耐腐蚀、高透气性和高孔隙率的特点，而烧结梯度多孔金属材料能满足过滤要求的高精度、大流量特性[4-5]。我国对梯度多孔金属材料的研究还处于一个初步阶段，尤其是对梯度多孔金属材料的制备技术的研究较少[6-8]。本文对选区激光烧结技术成型梯度金属多孔材料的工艺进行了研究，鉴于梯度多孔金属材料的过滤性能对高温气体除尘的研究具有科学意义和实用价值[9-10]。

1  UG/open grip梯度多孔金属材料模型的设计

梯度多孔金属材料的过滤性能与材料的性能、梯度孔结构的设计是密切相关的[11]。因此，在进行梯度孔结构的设计时要考虑到梯度孔结构的强度、孔隙度、透气性等因素。为了满足梯度多孔金属材料过滤要求的高精度、大流量特点，从孔的形状、大小和分布方面进行了梯度孔结构的分析与设计［12-13]，具体如表1所示。

用UG二次開发工具open grip进行参数化设计实现梯度多孔金属材料的自动化建模[14-16]，实体模型如图1所示。

2  SLS成型梯度多孔金属材料的实验

2.1  实验材料及设备

本实验材料选用-400目的水雾化316 L不锈钢粉末作为烧结材料［17-18]，平均粒径为13.6μm。

实验设备采用的是华中科技大学-武汉滨湖机电产业有限公司HRPM-ⅡA快速成型系统，可成型空间为250 mm×250 mm×250 mm，为了解决金属粉末在熔化过程中的氧化问题，采用了惰性气体保护装置，加工过程中可实现无人看管自动工作［19]。

2.2  实验方法

工艺参数对SLS成型梯度多孔金属材料的质量和性能的影响较大，为了有效的减少实验次数，本文采用正交实验的方法进行实验研究，主要研究激光功率、扫描速度、扫描方式、扫描间距和铺粉层厚这几个参数对梯度多孔金属材料的孔隙率、最大孔径和相对透过系数的影响规律，并且优化出最佳工艺参数[20]。正交实验水平因素表如表2所示，选用5因素4水平，共需要16组实验。

3 实验结果与分析

3.1 工艺参数对梯度多孔金属材料的性能的影响

3.1.1 激光功率对性能指标的影响

图2为正交试验极差分析工艺参数（激光功率、扫描速度、扫描方式、扫描间距、铺粉层厚）对孔隙率的影响。

从图2可以看出，孔隙率随着激光功率的增加而减小，激光功率从80 W 增到95 W 时，孔隙率从15.70%下降到15.10%；随着扫描速度的增加孔隙率从13.37%增到17.2%；扫描方式不同孔隙率也不同，在跳转变向扫描和分区扫描方式获得的孔隙率比较高，在分块变向扫描和逐行扫描时孔隙率较低；随着扫描间距的增加，孔隙率先增大后减小，扫描间距为0.05 mm时，孔隙率最大；孔隙率随着铺粉层厚的增大而下降，层厚为0.12 mm时，孔隙率最低。

图3为正交试验极差分析工艺参数对最大孔径的影响。

从图3可以看出，最大孔径随着激光功率的增加先增大后减小，当激光功率为80 W时，制件孔径最大为10.27“m；随着扫描速度的增加最大孔径呈现出一种先减小后增大的规律，当扫描速度达到85 mm/s时，最大孔径值最小；采用跳转变向扫描和逐行扫描方式时制件的最大孔径在10“m左右，而当采用分区和分块变向扫描方式时孔径减小；最大孔径随着扫描间距的增加而减小；随着铺粉层厚的增加先增加后减小，最大可达10.63“m，当层厚增加到0.12 mm时，由于粉层过厚不能充分熔化，会出现粘结的块状并向四周扩散，致使孔径减小为9.79“m。

图4为正交试验极差分析工艺参数对最大透气系数的影响。

从图4可以看出，相对透气系数随着激光功率增加而减小；随着扫描速度的增加而增加；跳转变向扫描方式下的制件相对透气系数最大达到25.34m3/（m2·h·kPa），逐行扫描方式最差相对透气系数为20.92m3/（m2·h·kPa）；随着扫描间距的增加而减小；随着铺粉层厚的增加先减小后增加，铺粉层厚为0.07 mm时，相对透气系数值最大为24.4 m3/（m2·h·kPa）。

3.1.2 工艺参数优化因素

通过以上正交实验极差值分析可知扫描速度和扫描间距是影响制件孔隙率和相对透气系数的2个主要因素，激光功率对他们的影响最小，对孔径的影响最大因素是扫描速度和铺粉层厚。根据实验结果和极差值分析综合考虑，最终优化的工艺参数为激光功率80 W，扫描速度80 mm/s，扫描方式为跳转变向扫描，扫描间距0.05 mm，铺粉层厚0.05 mm，得到试件的孔隙率为15.62%，最大孔径为9.86“m，最大透气系数为24.5 m3/（m2·h·kPa）。

3.2 工艺参数对梯度多孔金属材料成型质量的影响

3.2.1 工艺参数对表面微观形貌的影响

图5为在跳转变向的扫描方式下，工艺参数发生变化时的梯度微孔上表面形貌图。

图5（a）的表面形貌相对较差，由于激光功率较低，粉末熔化不充分，熔池较小，液相的铺展不易进行，表面不光滑；图5（c）与图5（b）相比较，扫描速度较低时成型表面平整光滑，孔径尺寸较小，甚至有些孔被堵塞，降低了孔隙率；图5（d）孔径较大，这是由于扫描间距较大，熔道搭接率小，金属液不能完全填充整个烧结区域，会产生很多孔洞，导致致密度下降，孔隙率增加；图5（e）的表面形貌质量较差，这是由于铺粉层越厚，粉末熔化不充分，不利于液相的铺展，颗粒表面不光滑，凝固时烧结颈不能长大，导致孔隙率增大，梯度孔的孔径和分布效果较差。

通过对图5的分析可知，图5（b）的梯度微孔表面形貌成型质量最好，表面光滑，孔径大小与模型的要求相近，孔分布均匀，孔隙率较高。

3.2.2 工藝参数对孔成型质量的影响

图6是在跳转变向的扫描方式下，工艺参数发生变化的情况下成型的梯度微孔上表面孔的形貌图。图6（a）中孔的尺寸较大，形状不规则，孔隙率较大，这是因为激光功率小，液相润湿固相的能力差，不利于在烧结颈上的沉析，孔隙不易球化和缩小；而图6（b）孔的成型质量较好，孔的大小与要求接近，孔形规则接近球化，孔隙分布较均匀，贯通性较好；图6（c）和（b）相比较可以看出，速度较低时成型的孔径较小，甚至有些被堵塞，孔隙率低，透气性就会下降，且孔壁上有很多球化颗粒，表面较粗糙；图6（d）是扫描间距为0.07 mm时的孔隙形貌图，发现孔的形状不规则，孔径较大，分布不均且孔隙率较高，孔内壁表面不光滑；与图6（b）相比较，可以看出图6（e）的孔径较大，形状不规则，孔分布不均匀，孔隙较大，孔隙形貌质量较差，这是由于铺粉层厚粉末熔化不充分，不利于液相的铺展，表面不光滑，孔隙率增大。

通过对图6的孔隙形貌分析可知，图6（b）的梯度微孔孔隙形貌成型质量最好，孔径大小与要求接近，孔的分布比较均匀，孔隙率较高，贯通性良好，孔的内壁表面光滑。

4结语

本文基于UG二次开发工具Open GRIP实现梯度微孔参数化建模，在此基础上以不锈钢粉末为原料，对选区激光烧结梯度金属多孔材料的工艺进行研究，分析工艺参数对烧结的制件的孔隙率和过滤性能的影响规律。运用正交实验法优化出最佳工艺参数为激光功率80 W，扫描速度75 mm/s，扫描路径为分区扫描，铺粉层厚为0.07 mm，扫描间距为0.04 mm。

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