SLS制件精度的影响因素研究.PDF
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SLS 制件精度的影响因素研究
选择性激光烧结(Selective Laser Sintering )技术是上个世纪8 年代末出
现的一种快速成型(Rapid Prototyping )技术。它结合了CAD、CAM、数控、
光学及材料科学等技术,以各种粉末材料(例如石蜡,塑料,陶瓷,聚酯,高分
子化合物)作为加工原料。
SLS是一种叠层累加的加工方式。如图1所示。激光束在计算机的控制下,
按照截面轮廓的信息,对制件的实心部分所在的粉末进行扫描,使粉末的温度升
至熔化点,粉末颗粒交界处熔化,粉末相互粘结,逐步得到各层轮廓。
实践和研究证明,SLS零件精度较低。为此,这里详细地分析和研究了影响
SLS零件精度的各种因素,并依此给出了一些相应的措施。
一、SLS的影响因素及改进措施
影响SLS制件精度的因素主要有激光振镜参数、加工过程中温度场的控制、
扫描路径以及烧结层厚等等。
1、激光振镜参数的影响
影响制件精度的激光特性参数主要有激光功率、扫描速度、扫描间距、激光
振镜的开关延时等参数。这些参数之间都存在着相互的制约关系。
当扫描速度较快、输出功率较低时,粉末材料的受热温度就会很低,由于被
照射的粉末受热不够,粘结不牢固,制件很容易分裂,尺寸也会放大;反之,当
扫描速度较低,输出功率较高时,粉末材料的温度也就越高,受照射粉末在扫描
方向的收缩,同时由于烧结粉体与未烧结粉体的热膨胀系数不一致,从而引起扫
描烧结直线的弯曲变形。
至于变形的方向则由扫描间距来决定,当扫描间距大于激光光斑直径时,扫
描烧结直线的变形方向为激光束移动方向上向侧面翘曲。反之,其变形方向为向
上翘曲。在一层粉末扫描完成后,可以看见边界翘曲现象,样件成型后,轮廓有
明显的翘曲。
实验表明,扫描速度越慢,激光输出功率越大,其翘曲现象越明显。为获取
良好的样件质量,扫描速度和激光输出功率应进行匹配,在实验基础上进行优化
选择。表1列出了诸因素与制件精度之间的关系。
激光开关延时是指产生激光的电脉冲对指令的时间延时,延时的多少与扫描
速度相关联。激光的开延时太短时,扫描矢量的开始端不会烧结;关延时太短时,
扫描矢量的末端将不会烧结;关延时太长时,扫描矢量的末端将会“过烧”。
同样,振镜的开关延时也会产生类似的影响,因而只有合适的延时参数才会
产生均匀的扫描线,制件的精度才会高。研究表明减小扫描间距可以减小制件表
面的精度,但减小扫描间距导致制件翘曲的趋向增大。
2、加工过程中温度场的影响
在SLS系统中,预热温度是重要的工艺参数之一。粉末的预热温度直接决定
了烧结深度和密度。如果预热温度太低,由于分层冷却太快,熔化颗粒之间来不
及充分湿润和互相扩散、流动,烧结体内留下大量孔隙,导致烧结深度和密度大
幅度下降,使成形件质量受到很大的影响。随着加热温度的提高,粉末材料导热
性能变好,同时低熔点有机成分液相数增加,有利于其流动扩散和湿润,可以得
到更好的层内烧结和层间烧结,使烧结深度和密度增加,从而提高成形质量。但
是,若预热温度太高,又会导致部分低熔点有机物的碳化和烧损,反而降低烧结
深度和密度。
为了提高制件的精度,在HRPS系列设备上做了大量实验,总结出了几种有
效的温度控制方式:
①模糊控制方式。将操作经验总结成控制规则,据此制造一个“模糊控制器”
来代替对复杂的加工过程进行控制。在“模糊控制器”中写入温度差值及其变化
率综合进行权衡和判断。从而保证系统控制的稳定性,减少超调量及振荡现象,
实验表明这种方法可以明显提高制件的精度。图2是采用模糊控制后的制件。
②基于零件切片的自使用控制,即用温度检测模块与温度控制两个功能模块
组成一个闭环控制系统。温度检测利用热电偶或者红外测温仪采集微弱信号,并
经温度数字仪放大,再传入A/D转换板,然后进行数据处理及温度提示。温度控
制模板则是把采集的数据分析和
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