【正文】 Manufacturing. Beijing. 39。 2）比較全面的分析了影響制件精度的主要因素，針對(duì)精度問(wèn)題進(jìn)行了大量燒結(jié)工藝實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析得出了激光功率和尺寸大小對(duì)制件精度的影響規(guī)律，并就提高 SLS 制件精度提出了一些相應(yīng)的解決方法。通過(guò)大量后處理試驗(yàn)，找到了原型燒結(jié)件后處理最佳加熱溫度和保溫時(shí)間為： 230℃ 和 25min。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 論文 第 33 頁(yè) 共 37 頁(yè) 4 結(jié)論 本文以覆膜砂為材料，以激光燒結(jié)條件下覆膜砂燒結(jié)制件的后處理工藝為研究對(duì)象，通過(guò)大量的試驗(yàn)分析得到了合理的后處理加熱保溫溫度和時(shí)間，成功的制取了三維試樣。此參數(shù)能保證制件在燒結(jié)過(guò)程中各方向的尺寸都能在經(jīng)過(guò)人工后處理的條件下達(dá)到指定尺寸要求。如果有些零件無(wú)法調(diào)整成型方向，那么可以根 據(jù)移動(dòng)的規(guī)律對(duì)模型作一些補(bǔ)償。減少由于成型收縮引起的誤差可以通過(guò)減小收縮率的方法來(lái)減小這種誤差，也可以通過(guò)補(bǔ)償?shù)霓k法來(lái)減小，如果最后一層的收縮量為 h5， 那么可以增加的鋪粉量為 h5/λZ，一般來(lái)說(shuō)可以在最后一層燒結(jié)完后，下降層鋪粉一次到兩次，然后對(duì)最后一層重新燒結(jié)一次到兩次，可以將這個(gè)誤差減到最小。減少首層效應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析模型可以得到燒結(jié)層厚 ho=f（ P， Vs， S， Ts， Tb），那么這個(gè)值可以通過(guò)后面的補(bǔ)償一起考慮。減小模型誤差與上述減小平面誤差方法相同。在平面精度方面的機(jī)器誤差主要是指激光掃描精度問(wèn)題產(chǎn)生的誤差，可以通過(guò)校準(zhǔn)的方法來(lái)提高掃描精度。有的還可以采用收縮率小的成型材料。除了熔固收縮外，還有一個(gè)方面是由于溫度冷卻而引起的收縮，減少這個(gè)收縮應(yīng)掌握好激光燒結(jié)材料的預(yù)熱溫度，減少溫差，制件燒結(jié)后，降低制件的冷卻速度。當(dāng)激光束掃描 過(guò)后， 粉末從熔融狀態(tài)到固相狀態(tài)有一定的固化時(shí)間。成型收縮是材料的固有特性，根據(jù)不同材料物理化學(xué)性能，燒結(jié) 加工中合理地選擇激光燒結(jié)功率、激光掃描間距、掃描速度等工藝參數(shù)， 再通過(guò)修正系數(shù)減少尺寸的收縮。同時(shí)還應(yīng)盡量采用較小的切片厚度，使誤差與切片厚 度成正比，還可以采用斜面成型技術(shù)，這樣可以將切片的臺(tái)階誤差減到最小。 試件 3 激光功率 /w X 尺寸誤差 Y 尺寸誤差 W 尺寸誤差 P 尺寸誤差 Z 尺寸誤差 18 21 24 圖 X 方向的尺寸誤差 減少切片誤差的方法：當(dāng)成型 面 的 法向與成型方向成鈍角時(shí)，使用成型層底面切片；當(dāng)成型面的法向與成型方向成銳角時(shí)，使用成型層的上表面切片。 提高制件精度的改進(jìn)措施 平面精度 平面誤差源主要有：模型誤差、切片誤差、成型收縮和機(jī)器誤差 ［ 31］ 。這主要是因?yàn)楫?dāng)成型尺寸增大時(shí)，燒結(jié)能量的散失減小， 其輻射的熱量會(huì)增加，收縮增加，所以導(dǎo)致尺寸誤差向負(fù)誤差方向增大。當(dāng)激光功率增加時(shí)，光斑直徑不變，但向四周輻射的熱量會(huì)增加，又由于覆膜砂材料的熱膨脹性質(zhì)就導(dǎo)致 X 軸尺寸誤差隨著功率的增加向正中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 論文 第 29 頁(yè) 共 37 頁(yè) 誤差方向增大。 試驗(yàn)結(jié)果表明： 1）從圖 可見，在 18～ 24W 激光功率范圍內(nèi)，對(duì)相同尺寸的制件，隨激光功率的增加， X 軸尺寸誤差向正誤差方向增大。本試驗(yàn)比較全面的分析了影響制件精度的主要因素，然后針對(duì)精度問(wèn)題進(jìn)行了大量燒結(jié)工藝實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析得出了激光功率和尺寸大小對(duì)制件精度的影響規(guī)律，并就提高 SLS 制件精度提出了一些相應(yīng)的解決方法。換算公式如（ 31）所示（公式中制件尺寸是指我們要得到的制件的標(biāo)準(zhǔn)尺寸） ? ?制 件 尺 寸修 正 系 數(shù) 制 件 尺 寸 尺 寸 誤 差 （ 31） 圖 燒結(jié)制件 圖 正八邊形的四個(gè)方向 結(jié)果與討論 成型精度是衡量成型質(zhì)量最主要的指標(biāo)之一。將正八邊形平面劃為 X, W, Y, P 四個(gè)方向如圖 所示，測(cè)量制件各方向邊距，計(jì)算出尺寸誤差。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 在激光功率分別為 18W、 、 21W、 、 24W 時(shí)，取鋪粉厚度為 ，預(yù)熱溫度 70℃ 、掃描速度 900 mm/s，將 燒結(jié)制件尺寸分別設(shè)計(jì)為內(nèi)切圓直徑分別為 30mm， 60mm， 90mm 的正八面體，高度都為 10mm（見圖 ）。 燒結(jié)制件的精度試驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料 1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備： HLP— 350Ⅰ激光燒結(jié)機(jī)，游標(biāo)卡尺 。 成型后環(huán)境變化引起的誤差 快速成型系統(tǒng)制作的成型制件，在隨后的存放過(guò)程中，由于環(huán)境溫度、濕度等變化，以及成型過(guò)程中殘存在制件內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變狀況的變化，制件可能會(huì)繼續(xù)變形并產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致精度下降。在上述過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生體積收縮，使成型工件尺寸發(fā)生變化，因收縮還會(huì)在工件內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，再加上相鄰層間的不規(guī)則約束，以致工件產(chǎn)生翹曲變形，嚴(yán)重影響成型精度。 燒結(jié)制件材料及特性對(duì)成型精度的影響 激光燒結(jié)成型 系統(tǒng)所用材料主要是：覆膜金屬、覆膜陶瓷、覆膜砂、尼龍、聚苯乙烯等粉末材料。 4）燒結(jié)層厚的影響 燒結(jié)層厚對(duì)制件的精度和表面光度影響很大，一般認(rèn)為，層厚越小，精度越高、零件的表面光潔度越高，這在燒結(jié)斜面、曲面等形狀的零件時(shí)表現(xiàn)最為明顯。針對(duì)這些問(wèn)題，通過(guò)在相鄰掃描層面間采用變向掃描的方 法來(lái)解決。因此，現(xiàn)在都采用連貫性逐行掃描， 但是由于這種掃描方式本身的缺陷，必須對(duì)它的路徑進(jìn)行優(yōu)化。輪廓環(huán)掃描在連續(xù)不斷的掃描過(guò)程中掃描線經(jīng)常改變方向，使得收縮引起的內(nèi)應(yīng)力方向分散，減小了翹曲的可能，使制 件的表面均勻。 3）掃描路徑對(duì)制件精度的影響 目前掃 描路徑的生成主要有兩種方法：一種是逐行掃描（圖 ），每一段路徑均互相平行，在邊界線內(nèi)往復(fù)掃描，也稱為 Z 字路徑；另一種是輪廓環(huán)掃描（圖），掃描路徑由輪廓的一系列等距平行線構(gòu)成，激光光斑就沿著這些平行線逐層掃描。但是，若預(yù)熱溫度太高，又會(huì)導(dǎo)致部分低熔點(diǎn)有機(jī)物的碳化和燒損，反而降低燒結(jié)深度和密度。如果預(yù)熱溫度太低，粉層冷卻太快， 熔 化顆粒之間來(lái)不及充分中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 論文 第 26 頁(yè) 共 37 頁(yè) 潤(rùn)濕和互相擴(kuò)散、流動(dòng)，燒結(jié)體內(nèi)留下大量空隙，導(dǎo)致燒結(jié)深度和密度大幅度下降，使成型件質(zhì)量受到很大的影響。 2）預(yù)熱溫度的影響 在 SLS 系統(tǒng)中，預(yù)熱溫度是重要的工藝參數(shù)之一。 當(dāng)激光功率過(guò)高、掃描速度過(guò)慢時(shí)，產(chǎn)生的液相有足夠的時(shí)間在粉粒間隙中流動(dòng)及潤(rùn)濕粉末顆 粒，并將其粘結(jié)在一起，但粉末會(huì)產(chǎn)生過(guò)燒結(jié)，成型件表面粗糙；同時(shí) 會(huì)使成型件容易產(chǎn)生翹曲變形。激光功率高，粉末的燒結(jié)深度和寬度會(huì)增加； 掃描速度增加，激光作用于粉末的時(shí)間減少，粉末的燒結(jié)深度和寬度會(huì)減小。這樣可以將切片的誤差減到最小， 同時(shí)還 應(yīng)盡量采用較小的切片厚度，使誤差與切片厚度成正比，還可以采用斜面成型 技術(shù)，這樣可以將切片的臺(tái)階誤差減到最小， 還可以通過(guò)減小切片厚度來(lái)減小切片誤差 ［ 28］ 。切片會(huì)引起高度方向的誤差， 當(dāng)切片厚度為 h，若模型的總高度為 H，那么切片層數(shù)為△ hs1=Hint（ H/h） h，所以總的 厚度誤差△ H=△ hs+△ hm+△ hn+△ hc+△ hd+△ hs1，在式中，△ hs 為機(jī)器運(yùn)動(dòng)的誤差；△ hm 為模型的誤差；△ hn 為由于 z 向收縮引起的總誤差；△ hc 為由于第一層成型厚度超過(guò)鋪粉厚度造成的誤差；△ hd 為由于已成型部分的向下移動(dòng)造成的誤差；△ hs1是切片引起的高度誤差。如果在 Z=xh 高度處作為初始切片層，則可以減小這些誤差。當(dāng) 以 0 面為初始切片層時(shí)，那么圖 a 的零件成型平面尺寸誤差為 hcosα，而加工圖 的零件則不會(huì)出現(xiàn)片面加工誤差。 X－ Y 平面的尺寸誤差主要是由斜面和曲面引起的，如圖 所示。實(shí)際加工零件時(shí)，切片厚度通常在 ～ 范圍內(nèi)取值。切片過(guò)程是從高度方向（ Z 方向）上按照一定的厚度逐層切片、生成一系列離散的二維片層信息的過(guò)程。提高模型精度的主要方法是：一方面用更高次的曲面逼近實(shí)體的曲面；另一方面可以用更密的三角形面片去逼近實(shí)體模型。在一般的 CAD 軟件中，都是按誤差轉(zhuǎn)換模型的，所以可以根據(jù)需要控制 STL 模型誤差的大小。 零件造型對(duì)制件精度的影響 制件精度 設(shè)備誤差 零件的造型引起的誤差 成型工藝參數(shù)的影響 材料因素的影響 成型后環(huán)境變化引起的誤差 激光功率和掃描速度的影響 預(yù)熱溫度的影響 掃描路徑的影響 燒結(jié)層厚的影響 CAD 模型誤差 切片誤差 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 論文 第 24 頁(yè) 共 37 頁(yè) 1） CAD 模型誤差 模型誤差主要是指 CAD 模型對(duì)實(shí)際模型的逼近誤差， STL 格式是一種 CAD 模型，它是用平面三角形面片構(gòu)成一個(gè)物體的。機(jī)器誤差主要是活塞傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差，現(xiàn)在假設(shè)傳動(dòng)系統(tǒng)每次運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)誤差為e1＝ ，成型件高度 H=100mm，成型件層厚 h= 那么成型層數(shù) n=1000，這樣 z 向的累積誤差可以達(dá)到 1mm。對(duì)于平面精度而言，機(jī)器誤差主要是激光掃描的誤差，它取 決于系統(tǒng)的定位精度。影響制件精度的主要因素如圖 所示。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 論文 第 23 頁(yè) 共 37 頁(yè) 3 試件精度的研究 影響制件精度的主要因素 在快速成型中，成型精度是衡量成型質(zhì)量最主要的指標(biāo)。本章通過(guò)對(duì)制件的后處理試驗(yàn)，找到了原型燒結(jié)件后處理最佳加熱溫度和保溫時(shí)間為： 230℃ 和 25min。并在 230℃ ， 25min 的后處理固化工藝條件下制（型）芯，可以同時(shí)滿足高強(qiáng)度、低發(fā)氣量、高潰散性的鑄造用砂芯要求。潰散率的大小與樹脂在某個(gè)溫度下的殘留強(qiáng)度有關(guān)，殘留強(qiáng)度大則潰散率較小，反之則相反。 ［ 26］ 潰散率的計(jì)算公式如下： 100%?試 驗(yàn) 后 的 篩 下 砂 量潰 散 性 （ % ） = 試 驗(yàn) 前 的 砂 重 表 不同溫度下覆膜砂制件的潰散率 試驗(yàn)組數(shù) 不同溫度下的潰散性（ ％） 500℃ 600℃ 700℃ 1 2 3 Average 100 100 100 100 2）試驗(yàn)結(jié)果與分析 優(yōu)選工藝條件下測(cè)得的不同溫度下覆膜砂制件潰散率的值見表 。所以對(duì)選擇性激光燒結(jié)覆膜砂制件在優(yōu)選工藝條件下的潰散性能分析研究具有十分重要的意義。潰散率大，說(shuō)明砂芯燒結(jié)后的殘留強(qiáng)度小，后續(xù)清理工作比較容易；反之，情況則恰恰相反。 覆膜砂的潰散性能 潰散性能是指鑄件冷凝后砂芯是否容易破壞，是否容易從鑄件上清除的性能。綜合 和 2. 4 所選參數(shù)，選擇性激光燒結(jié)覆膜砂試件的后處理最佳工藝條件為： 230C， 25min。 表 不同后處理時(shí)間下覆膜砂件的發(fā)氣量（ ml/g） 試驗(yàn)組數(shù) 發(fā)氣量（ ml/g） 1 2 3 4 Average 10min 15min 20min 25min 30min 圖 后處理時(shí)間對(duì)覆膜砂發(fā)氣性能的影響 3）小結(jié) 把 中固化時(shí)間參數(shù)與本試驗(yàn)結(jié)合，按照 中的比較方法，我們得出覆膜砂試件在不同固化時(shí)間下抗拉強(qiáng)度要比發(fā)氣性對(duì)時(shí)間更敏感，因此后處理時(shí)間的中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 論文 第 21 頁(yè) 共 37 頁(yè) 確定也主要取決于抗拉強(qiáng)度要求。 從圖 中可以看出，隨著后處理時(shí)問(wèn)的延長(zhǎng)，覆膜砂試件的發(fā)氣量隨之降低，中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 論文 第 20 頁(yè) 共 37 頁(yè) 其中：最高發(fā)氣量為 ，最低發(fā)氣量為 ，減少量為 ， 覆膜砂試件發(fā)氣量變化規(guī)律的原因主要是：在溫度一定的情況下，隨著后處理時(shí)間的延長(zhǎng)，芯盒溫度向覆膜砂中傳遞的熱量也不斷增加，參與固化反應(yīng)的樹脂量亦不斷增多，固化劑反應(yīng)產(chǎn)生的 NH3 量也相應(yīng)增多，所以“ 8”試樣中殘留有機(jī)物的量相對(duì)減少，發(fā)氣量也隨之降低；發(fā)氣量降低幅度的不同，主要是因?yàn)樵谙嗤瑴囟认拢材ど?對(duì)加熱時(shí)間的敏感程度不同，對(duì)時(shí)間越敏感，則其降低幅 度越大，尤其在最佳強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的后處理時(shí)間附近，發(fā)氣量降低比較明顯。 1）試驗(yàn)方法 將 中加熱溫度 T=230℃ 試驗(yàn)后得 到的“ 8”字試樣斷塊按工藝條件進(jìn)行編號(hào)，然后沿?cái)嗝嫣帉⑵淠Σ脸杉?xì)小顆粒狀進(jìn)行取樣，稱取 1? 試樣放入小瓷舟中，并將小瓷舟迅速送入預(yù)先預(yù)熱到 850℃的 SFD 型發(fā)氣性測(cè)定儀，經(jīng)過(guò) 3min可以從記錄紙上直接讀出發(fā)氣量的大小 ［ 25］ ，重復(fù)以上操作，根據(jù)編號(hào)我們就可以分別得出固化時(shí)間 — l0min， 15min， 20min， 25min， 30min 條件下相應(yīng)“ 8”字試樣的發(fā)氣量。因此，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)強(qiáng)度的要求來(lái)確定后處理溫度。 反之，變化幅度較小。 表 不同后處理溫度下保溫 20