选区激光烧结工艺打印精度控制方法

Printing Precision Control Method of Selective Laser Sintering Process

摘要

选区激光烧结工艺成型不受制件形状限制，能够成型复杂结构的零件，广泛应用于快速原型制造和新产品设计开发，而探究其成型尺寸精度尤为重要。针对薄壁壳体零件打印尺寸精度低、形状精度不高的问题，提出了基于零件特征的预处理和预补偿提高打印精度的方法。以聚苯乙烯为原料，仿真与实验相结合，采用添加支撑和偏置余量的方法对容易翘曲变形的特征尺寸进行修正以补偿变形，同时调节激光参数改善打印过程中的聚热。对打印结果进行验证，结果表明：相同工艺条件下，零件几何特征的改变直接影响零件的尺寸精度，对零件特征进行添加支撑设置和预变形补偿后，打印件与三维数模比对检测效果良好，实际误差基本能控制在0.3 mm以内。

关键词

选区激光烧结 / 聚苯乙烯 / 仿真 / 打印精度

Key words

Selective laser sintering / Polystyrene / Simulation / Printing accuracy

选区激光烧结(SLS)工艺是一种以激光为热源有选择地对粉末材料逐层烧结的快速成型技术^[1]。相比于传统成型方法，SLS工艺具有零件烧结过程简单、成型材料种类广泛、成型不受制件形状限制、加工时无须支撑、材料利用率高等优势，广泛应用于快速原型制造、模具的试产与试制、新产品设计开发以及创意产品定制等领域^[2-4]。然而，SLS技术直接应用于工业领域的零部件，打印难度仍然比较大，比如成型件的强度较差、尺寸精度较低、零件表面光洁度低以及打印材料不能满足生产要求等问题。

近年来，国内外学者对提高SLS成型件的精度进行大量研究。顿亚鹏等^[5]采用单因素试验研究了分层厚度、扫描速度、激光功率和扫描间距对聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯(PS/PMMA)复合粉末SLS成型件尺寸精度的影响，设计正交试验对工艺参数进行优化，得出最优工艺参数组合，减少了尺寸误差。殷勤等^[6]通过尺寸修正系数和光斑半径修正系数对扫描轮廓进行补偿，大幅度提高了SLS工艺的尺寸精度。SING等^[7]利用响应面法分析并优化不同工艺参数对收缩率的影响，降低了SLS过程中的收缩。薄夫祥等^[8]研究了影响烧结件尺寸精度和强度的关键工艺参数，采用DOE试验获得了工艺参数优化组合方案及各工艺参数的影响程度。WANG等^[9]利用SLS技术制备了尼龙6/SO₂微球复合粉末烧结件，SO₂的引入提高了尼龙6的烧结精度。徐超等^[10]采用机械混合法制备了聚苯乙烯/聚乙烯(PS/PE)混合粉末材料，改善了PS的SLS成型质量。杨来侠等^[11]以PS为基体材料，通过添加碳纤维(CF)制备PS/CF复合材料以提高SLS成型件精度。目前，很多研究主要集中在激光功率、扫描速度、扫描间距和分层厚度等方面，通过优化工艺参数提高SLS打印精度，或者对材料进行改性，减少材料的收缩和翘曲，提高材料的成型性能，进而提高打印精度。

为了进一步提高SLS打印精度，本实验探究零件特征对SLS打印精度的影响，以零件结构特征为研究对象，提出了一种基于零件特征的预处理和预补偿优化打印精度的方法。通过软件仿真分析零件特征形状对零件尺寸精度的影响，采用添加支撑和偏置余量的方法对容易翘曲变形的特征尺寸进行补偿修正，最后进行逆向扫描对比验证该方法的可行性，为零件的生产加工提供一定的应用依据。

1 试验过程

试验材料为聚苯乙烯(PS)粉末，平均粒径120目。打印设备为快速成型机，AFS500，北京隆源自动成型系统有限公司；射频CO₂激光器，波长10.6 μm，激光器功率0~50 W连续可调，最大扫描速度为4 000 mm/s。激光扫描仪，SIMSCAN22，杭州思看公司；22线高速扫描，自动拼接，扫描精度0.02 mm，扫描速度1 250 000次/s，扫描幅面410 mm×400 mm。仿真软件为Simufact Additive1.0版，海克斯康公司。图1为试验用壳体样件。

先通过仿真软件对图1所示壳体零件进行打印仿真，找到容易翘曲变形的特征，再针对这些特征进行添加支撑，并对特征尺寸进行修正，即偏置一些余量，以补偿变形，然后切片打印，扫描打印件并与三维数模比对。

2 试验结果和分析

实际打印时，众多影响因素交织、耦合在一起，可能互有影响。为了说明零件特征对打印结果的影响，特以图1壳体为例，该零件几何特征数量丰富，方向角度各异，要保证零件的尺寸公差和形位公差，打印难度较大，主要误差位置：顶面法兰、底面法兰、竖向圆筒、横向法兰、横向两个圆筒。

2.1 整体打印模拟

用Simufact Additive仿真软件对该壳体进行加工仿真，虽然Simufact Additive仿真软件主要针对金属打印，但对高分子材料打印的仿真也有参考价值，图2为具体参数设置，图3为仿真结果。从图3可以看出，不加支撑时悬空几何特征打印结果偏差很大，甚至可以达到0.83 mm，而添加支撑时，则可以有效降低翘曲，减小偏差，使打印精度趋向合格。

尼龙和树脂打印时，翘曲变形很小，PS材料打印时，翘曲变形较大，图4为悬伸特征的翘曲变形。

除了常规支撑外，需要针对性处理，才能打印出合格的零件。

2.2 零件特征模拟

为了更加直观考察零件特征对尺寸精度的影响，以壳体的横向法兰为研究对象，修改法兰的直径和高度，分别对不同长径比的法兰进行仿真模拟。图5为横向法兰的示意图。图6为不同长径比的法兰偏差显示。

从图6可以看出，相同的工艺条件下，零件特征的改变直接影响零件的尺寸精度，这种影响在圆孔位置上尤其显著，导致圆孔直径竖直方向大于横向方向。这是因为在激光烧结成型中，PS粉末形态会发生变化，由粉末颗粒态转变到熔融态再转变为固态，同时PS粉末起始密度低，在致密化的过程中产生较大的体积收缩，一层粉末加工完成后，在该层粉末上新铺一层粉末，由于粉末发生了体积收缩，新铺的粉层要厚于上一层，烧结深度不断增加，导致零件沿高度方向尺寸逐渐变大。在铺粉过程和逐层烧结联合作用下，零件高度方向上的误差是由每一层的烧结误差逐步累加而成^[12-14]。横向方向误差是单边的体积收缩造成的，所以圆孔竖向尺寸大于横向尺寸。

2.3 基于零件特征预处理

具体以图1壳体来说，误差较大处可能出现0.5 mm以上的偏差，竖向圆筒和顶部法兰尺寸偏小，横向法兰不圆，竖直方向比横向偏大，两个横向圆管底部有翘曲，是负公差。为此，需要对零件进行预处理，即预补偿。图7为对顶部法兰进行预补偿。根据SLS工艺打印经验和仿真结果，对图1壳体的典型几何特征进行如下处理：对竖向圆筒和顶部法兰，利用Magics软件单边加厚0.15 mm，用于补偿热收缩，如图7所示。图8为横向圆筒内部块状支撑。对横向圆筒的内部采用块状支撑（相当于建筑物内的钢筋），保证内部流道形状，如图8所示。图9为横向圆筒外部块状支撑。外部采用块状支撑和体支撑来保证法兰的内外形状不变形，如图9所示。对横向法兰外部也采用块状支撑和体支撑，内部采用块状支撑。

需要指出的是，PS粉末打印过程中存在“聚热”现象。“聚热”现象是指打印过程中，由于零件结构复杂、壁厚较厚、温场不均及环境温度偏高，激光扫描过后，热量来不及释放，导致粉末材料板结，零件收缩变形严重，打印完成后清件特别困难^[15-17]。“聚热”现象不仅使清粉困难，由于热应力存在，导致尺寸误差加大，形位公差也加大。改善方法主要有：(1)改变扫描策略，各区域均匀扫描^[18-19]。(2)改变层厚。(3)改变激光功率。(4)改变激光速度。(5)增加层间延时。(6)动态调节风场风量^[20]。本文主要用改变激光功率和激光速度的手段防止“聚热”现象。

在完成支撑设置、预变形补偿处理后，实际打印效果良好，图10为打印件和三维数模对比的检测结果。从图10可以看出，实际误差基本都在0.3 mm以内。

3 结论

添加支撑可以有效减小偏差，使打印精度趋向合格。打印PS材料时，翘曲变形较大，需要针对性添加支撑设置，才能使误差减小。相同的工艺条件下，零件特征的改变直接影响零件尺寸精度，这种影响在圆孔特征上尤其显著，导致圆孔直径尺寸竖直方向大于横向方向。

针对典型壳体类零件，采用软件仿真和实际打印相结合的方法，对容易变形和“聚热”的零件特征进行分析，提出了基于零件特征提高打印精度的方法。实践证明，对零件特征进行图形预处理和预补偿能够有效提高打印精度，而且切实可行。

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基金资助

石家庄市科学技术研究与发展计划项目(211080041A)