选择性激光烧结初期卷曲控制实验

张文明，杨来侠，李素丽，宗学文

(西安科技大学机械工程学院，西安 710054)

烧结变形是选择性激光烧结(SLS)中的典型现象，是影响制件精度的主要因素。SLS 加工时，粉末被瞬时加热，激光束停留在烧结微元上的时间远小于聚合物凝固所需时间[1-2]。而且两层烧结间存在一个铺粉过程(实验中约18 s)，烧结机内部温度场在烧结过程中不断变化。在烧结初期，由于粉末颗粒局部温度与激光焦点处的瞬间温度相差较大(实验中高达150℃以上)，松散的粉末瞬时受热粘性流动[3-4]而凝聚收缩为固态，在制件边缘处与粉床形成较大的温度梯度，产生烧结变形[5]。烧结热影响区(HAZ)内的热传递不均匀性，是导致制件烧结变形、残余应力、微观形貌等的核心因素[6]。HAZ 与工艺参数、粉末材料的特征等密切相关[7]。在选定烧结粉末后，激光能量密度较大时，烧结初期容易发生卷曲、错层等变形行为，严重时将导致加工失败。因而均衡HAZ 温度场以控制烧结初期变形，对提高制件的精度具有重要意义。

已有文献研究多从直接控制HAZ 温度场的角度，研究烧结整体过程的变形问题[8]。在理论建模仿真研究上，虽有大量不同角度的建模方法，但还没有统一的模型框架[6，9]。烧结实验是当前研究SLS工艺的常用手段[10-13]，大量实验中观察到，烧结初期变形对制件的变形影响较大。针对实验所用聚苯乙烯(PS)粉末的导热系数较小的特性，提出一种间接控制HAZ 温度场的“围裙法”，来控制SLS 烧结初期的卷曲变形。

1 HAZ 温度场间接控制方案

1.1 SLS 初期卷曲机理

SLS 加工过程中，粉末烧结微元的周围环境是不断变化的。SLS 初期卷曲机理如图1 所示，烧结初期，当PS 粉被预热到玻璃化转变温度(Tg)附近(75℃)进行SLS加工时，粉末烧结表面瞬时温度高达225℃。如图1a 所示，在烧结的第一层轮廓截面中，激光未工作时，HAZ 内烧结微元A 的周围B，C，D，E，F 等微元温度相同；烧结开始后激光沿A，D微元方向扫描，A，D 等微元瞬间加热。此时微元A，B，C 的周围受力简图如图1a右上图所示，微元A与左侧B 的温差较右侧D 的大，A 因向D 粘性流动收缩产生的作用力Fad比AB间的作用力Fab大，在Fad与颗粒重力G的合力F作用下形成向右下翻转力矩M，同理，B 受Fad与重力G共同作用也形成向右下翻转力矩m。而微元C 受到的水平向作用力Fc，Fc′基本平衡。根据圣维南原理[14]，A，D 等微元有向右上翘曲的趋势(图1a 左下图)。与微元A 粘接的微元B，C 被抬离原位置而与其周围的微元E，F等形成间隙x，x′，y。下一层铺粉开始后，这些上翘的微元被压平。第二层再次烧结(图1a右下图)再次向右上翘曲，再次被压平；最终导致边缘的A，D，G，H 等微元颗粒松动、脱落，形成烧结初期特有的底部卷曲现象，制件整体看起来好似经过“倒圆”一般(图1b)，严重时将导致制件底部出现错层现象。

图1 SLS 加工初期卷曲机理示意图

烧结进入稳定期后(实验中约4～5 次铺粉后)，制件与粉床交界处粉末的热交换过程平稳，温度变化均匀，几乎不见卷曲现象；烧结末期，在烧结最后一层时，制件表面和大气接触，形成较大温度梯度，在制件边缘处产生向上、向内轻微的卷曲(图1b)。

这种不同阶段烧结变形不同的变形现象，在烧结能量密度较大时，特别明显。同时，大量烧结实验表明，SLS 工作软件中所提供的支撑模型，其热容量太小而不能控制熔融温度场均衡，因此很难通过改进支撑形式来改善底层卷曲现象，有必要研究其它的方法。

针对SLS 加工初期卷曲的特点，考虑间接控制局部温度场方法，围裙法作用原理如图2 所示。原始烧结件边缘温度场如图2a 中I 虚线所示，在烧结件的底部周围同时多烧结一圈“围裙”，充当粉床与制件之间的热缓冲区，间接使HAZ 温度场更加平滑均衡。烧结时，“围裙”外缘与粉床接触，温差较大(图2a 中II)，围裙边缘粉末和平常一样卷曲；而工件和“围裙”间的粉末使工件边缘的HAZ 温度场得到改善(图2a 中I)，围裙内部和烧结件边缘HAZ温度场保持一定的平衡，从而降低烧结初期的边缘卷曲，提高制件的几何精度。

为避免围裙在烧结初期铺粉过程中被推动，进一步在工件底部烧结一薄层裙底(实验中是2 层铺粉层厚)，并与工件底部也形成一薄层缓冲。最后形成的围裙如图2b 所示。在合适的工艺参数下，因有水平间隙e 和竖直间隙f 的存在，烧结后围裙和制件并未形成稳定的粘接，容易分离，减少了边缘卷曲，从而提高了制件的几何精度。

1.2 烧结实验

SLS 工艺参数与围裙参数数据均来源于前期实验[10-12]，见表1。SLS 建造材料为平均粒径d50为121.3 μm的PS 粉(常州荣晟有限公司)。实验中PS 粉堆积密度0.43 g/cm3，孔隙率约56.7%。SLS设备为陕西恒通智能机器有限公司SLS-300 型SLS快速成型机。采用深圳中沃世纪有限公司ZSJ3D型3D 扫描仪对试样进行3D 扫描，由Geomagic软件进行重构及偏差分析处理。SLS 试样尺寸为40 mm×30 mm×4 mm，烧结围裙参数如图2b 所示。

根据图2a，围裙水平间隙e选值需要认真考虑。取值太大时围裙就成了另一个烧结件；e太小(比如小于扫描间距d)将失去意义，这里取比1 倍扫描间距d稍大的值。根据初期卷曲发生在烧结早期4～5 层的特点，可取围裙高度a约4～5 倍层厚h，为了保证围裙内HAZ 的温度与烧结件间温差不至于太大，同时节约材料，降低烧结时间，围裙边距c也需要认真考虑。实验中各工艺参数如表1 所示。

表1 SLS 工艺参数

图3 为按照表1 参数、图2b所示烧结围裙参数的几个试样。图3a 左图、中图及图3b 上、中图为原始烧结件，图3a 右图及图3b 下图为围裙法烧结件。

图3 SLS 烧结试样

2 结果与讨论

2.1 3D 偏差分析

由于SLS 烧结后的试样表面粘附PS 粉，用游标卡尺接触测量的结果受测力影响较大。为减少测量误差，对烧结试样进行3D 扫描，并采用Geomagic软件重构及分析处理。图4 为SLS 烧结件3D 扫描图。其底部边缘的粉末颗粒脱落后，在3D 扫描图上表现为深色区域。从图4 可直观地看到围裙法烧结件的变形更小。为方便定量说明，使用Geomagic Qualify 软件对其进行偏差分析，结果见表2。从表2 数据可以看到，围裙法烧结件相对于CAD原始烧结件的3D 偏差降低约47.64%，关键截面的2D 偏差平均偏差降低67.93%。采用围裙法烧结效果非常明显。

图4 SLS 烧结件3D 扫描图

表2 Geomagic Qualify 2013 偏差分析结果

2.2 轮廓精度分析

(1)评价方法。

SLS 制件的轮廓较粗糙，不便于用机械加工中的方法进行评估。图4 中的深色区域反映了烧结初期卷曲的特点，即初期卷曲发生在温差大的轮廓边缘处。深色区域面积越大，说明粉末脱落越严重，初期卷曲变形越大。因此，通过观察这些深色区的大小可大致评估烧结的变形程度。这里采用算术平均值轮廓来评估侧面轮廓线的直线度误差(图5a)。

轮廓的评定长度采取理论长度的90%。图5a中的H为轮廓算术平均中线与理论轮廓线的距离，h是轮廓算术平均中线与90%理论长度处轮廓线的距离。显然，H越小制件尺寸越精密；h越小轮廓越平滑，二者可作为直线型轮廓边线几何误差的评定指标。

(2)轮廓几何精度误差分析。

采用上述几何误差评估方法，对原始烧结件与围裙法烧结件3D 扫描图深色轮廓的侧视图进行统计(图5b、图5c)。经过数据处理，各视图的H，h 结果见表3。由表3可知，原始烧结件的H，h 平均值分别为1.19 mm，1.04 mm，围裙法烧结件H，h 平均值分别为0.23 mm，0.34 mm，分别约是原始烧结件的1/5，1/3，减少率分别为80.67%，67.31%，轮廓直线度平均提高73.99%；另外，通过CAD 软件测量，底部粉末覆盖面积比从86.3%增长到97.4%，增加率为12.86%。通过围裙法烧结初期卷曲率明显得到改善，围裙法烧结件比原始烧结件的卷曲更少，表面更平滑。

图5 轮廓几何误差评估方法与烧结件各侧视图的算术平均轮廓

表3 样件轮廓分析

(3)围裙法的有效性讨论。

围裙法核心思想是利用“围裙”提供的热缓冲区，间接均衡烧结初期的制件局部温度场。因而围裙法的功效与烧结工艺参数密切相关。对于PS 材料，实验中经过4～5 层铺粉烧结后基本进入稳定期；制件尺寸增大时，相对变形误差减小；另外“围裙”需要附加烧结更多的材料，采用围裙法的效果也减小。图3中实验所用的能量密度较小(0.038 J/mm2)，实验表明围裙法效果非常明显；当激光能量密度进一步增大后，热扩散在Z向较之于X，Y向更大，次级烧结现象[15-16]更加突出，制件本身和“围裙”熔融为一体，无法清除，围裙法失效(如图6 所示)。

图6a 是能量密度为0.072 J/mm2时烧结的样块，制件内部致密，颜色均匀(图6c)，综合性能较好，“围裙”可剥离(图6b)；图6d是能量密度为0.167 J/mm2时烧结的样块，实验中可见黑色烟雾出现，PS 粉出现分解，制件内部充分熔融，“围裙”与样件无法剥离，围裙法失效。另外，由于制件较大时，烧结变形造成的相对误差变小，围裙法因为需要烧结更多的材料，综合有效性也有所降低。

图6 相同围裙参数、不同能量密度下的烧结件

3 结论

SLS 加工初期的变形极大地影响制件的几何精度，且无法在后处理过程中被消除。目前的研究均是围绕直接控制HAZ 温度场的均衡性进行。笔者根据间接均衡烧结局部温度场的思路，控制选择性激光烧结的初期卷曲现象，采用围裙法进行PS 粉SLS 烧结实验，得到如下结论：

(1) SLS 加工初期边缘卷曲变形与HAZ 温度场及材料特性密切相关，是影响制件质量的重要因素，难以根除。

(2) 采用围裙法，烧结件各项偏差指标均大幅度下降；在试样较薄时，效果尤其明显。与原始烧结件相比，围裙法烧结件的2D 偏差平均降低67.93%。烧结件的轮廓直线度平均提高73.99% ；底部粉末覆盖面积比增加12.86%。烧结初期卷曲得到明显改善，卷曲更少，表面更平滑。此时SLS 工艺参数为：激光功率27 W，扫描速度1800 mm/s，扫描间距0.39 mm，层厚0.25 mm，预热温度75℃，激光能量密度0.038 J/mm2 ；围裙参数为：高度2.0 mm，底厚0.5 mm，边距5.0 mm，水平间隙0.4 mm，竖直间隙0.5 mm。

(3) 当激光能量密度增加( 例如大于0.1 J/mm2)或试样较厚时，因热积累作用，围裙和制件合为一体，失去改善初期卷曲变形的功效。