激光烧结快速成型技术误差综合分析.docx

激光烧结快速成型技术误差综合分析 3synthesis error analysis of ra pid prototyping technology by using la ser sintering南京航空航天大学南 通 工 学 院赵剑峰花国然吴晓鸣唐亚新余承业罗新华 摘要针对激光烧结快速成型技术 ,通过大量粉末材料的选择以及粉层参数等方面进行了理论和实际工艺的研究 ,并获得了一些有用的结论 。的试验 ,对从零件的 cad 模型到最终的烧结参数等各个与零件误差相关的部分进行了较为详细的分析 ,并 且提出了相应的改进措施 。关键词 : 激光烧结快速成型误差粉末abstract acco rding to t he rapid p rotot yping technology of laser sintering , t his paper analyzes t he part related wit h t he element erro rs in detail f ro m t he cad mo del of part to final sintering parameters t hro ugh a number of test s , and p ut s fo rward t he measures fo rimp rovement .试验在本 中 心 自 行 研 制 的 激 光 烧 结 快 速 成 型 系 统 ra p - 1 上进行烧结试验 。试验样件为方体带内球面 的零件以及小球零件 , 采用聚酯粉末作为烧结材料 。 系统设备及工艺过程见参考文献2 。通过对这些零件的形状 、位置以及尺寸等方面的 精确度检测 , 发现制件与原型之间存在较大的误差 。 通过对上述误差的初步分析 ,可以知道这些误差是整 个工艺过程中各种因素所产生误差综合的结果 ,各种 因素均对应着零件的某种误差 。这些误差包括 : 制件 与原型的尺寸偏差 、制件实体漂移以及制件的翘曲变 形 。1key words : la ser sinteringerrorpo wderra pid prototyping作为近年来出现的先进制造技术 的 重 要 组 成 部分 ,快速成型制造技术 ( r pm) 在近几年内迅速发展壮 大 ,并得到了广泛的应用 。在快速成型制造技术中 ,较成熟的工艺有立体光造型 ( sl a) 、叠层制造 (l om) 、熔化沉积造 型 ( fdm ) 和 激 光 烧 结 快 速 成 型 ( sl s) 。其 中 ,sl s 由于具备烧结原料选材广泛 ,适合多用途 ,成型过程无须支撑 ,烧结件强度高且经后处理可直接作 为模具 、电火花加工电极等功能性零件使用等突出优 点 ,正受到越来越广泛的重视 。快速成型技术的成型机理是基于离散 、堆积的几何思想 。其迅速发展 ,极大地丰富了机械制造方法 ,连 续/ 离散/ 连续的变化方法由此而引进到机械加工里 。从连续的三维实体到离散的二维切片 ,再制造出连续 的三维制件的加工过程 ,体现了一种类似于模数 、数模变换的加工思想1 。目前 ,制约快速成型技术发展的一个关键因素是 制造过程中零件的精度问题 。如何控制零件的误差 ,达到零件的设计精度是快速成型领域内的主要研究方 向之一 。为了探讨并解决快速成型技术中的误差问题 ,本文对激光烧结成型机理 、激光烧结参数 、铺粉方式 、分析与讨论整个工艺过程中 ,影响零件精度的主要因素有 :零 件造型 、粉末材料的物理特性 、烧结过程 、设备及烧结 参数等 。下面对这些因素分别进行讨论 。211 零件造型一般情况下 ,在采用快速成型技术制造三维制件 的过程中 ,首先在计算机上建造一个三维实体模型 ,并 将该模型表面三角化 ,形成 s tl 格式 ; 然后从高度方 向 ( z 轴方向) 上按照一定的厚度逐层切片 ,形成一系列离散的二维切片 ;得到二维切片后 ,由快速成型系统近似复现原来的三维模型 ,形成制件 。这实际上就是 一个从离散数据到连续实体的变换过程 ,亦即从采样 到复现的过程 。从某种意义上讲 ,在这种采样与复现的过程中 ,三维模型表面三角化过程中所形成的模型 误差及切片过程中所形成的采样误差是快速成型误差 的主要来源 。(1) 模型误差 。一个三维曲面体表面三角化过程 中 ,其 s tl 模型采用内弦线或外切线两种方式来表示 圆弧 。当采用内弦线时 ,实体小于原设计模型 ,形成负1999 年第 2 期23 国家自然科学基金资助项目 。26科技成果学术论文偏差 ;当采用外切线时 ,实体大于原设计模型 ,形成正偏差 。这种偏差在形成 s tl 文件时已经产生 ,间接影 响制件的最终精度 。对于同一个实体表面 ,形成 s tl模型时 ,细分的三角形越多 ,模型误差也就越小 。(2) 采样误差 。沿模型高度方向切片时 ,切片厚度 过大则会忽略局部细微特征 ; 反之 ,将延长加工时间 , 使生产效率降低 。选择切片厚度的问题 ,也就是合理选取采样频率的问题 , 是减小切片误差的有效途径 。 在目前的实际应用中 ,切片厚度通常在 0 . 050 . 3 mm范围内取值 。若要尽可能地减小采样误差 ,参考采样 定理 ,把制件要求精度的 1/ 2 作为切片厚度极限值 ,则 可保留模型在满足精度要求下的局部特征 。212 粉末材料的物理特性粉末的物理特性如粒度 、密度及流动性等均对零 件的误差有影响 。其中粉末粒度和密度在烧结过程中对零件的位置精度有显著影响 。如在球体类零件的烧结过程中发现 ,从外观上看 ,球体变成了椭球体 ,而且 零件的中心也偏离了初始位置 ,向下移动了一段距离 。从误差角度来讲 ,上述即为零件的垂直位置误差 。从 理论上分析可知 ,这是在烧结过程中由负载和压缩造 成的3 。零件的垂直位置误差分布见图 1 , 可以看出粉体中部的位移最大 , 顶部和底部的位置误差较小 。 底层虽承受较大负载 ,但由于接近硬底面而误差较小 ;顶层虽有较多的粉末被压缩到下面 ,但由于上面的负 载很小而位置误差也较小 ; 而中部粉末则由于有较大的负载和大量粉末被压缩而表现出较大的位置误差 。 该误差与材料有很大关系 ,粒子的尺寸和形状对误差 值有显著影响 。粉末粒子越细 ,位置误差越大 。为了减小该误差 ,国外有资料介绍了一些方法来固定粉末 位置 ,如在每一层面喷洒薄层水雾以及临时的化学辅助物等可以减小粉末的可压缩性从而减小层的位移 。213 烧结过程(1) 激光光斑直径 。激光烧结成型是一种层制造 技术 ,是利用激光束的能量熔融粘结粉末粒子的过程 。 因此 ,层的厚度 、激光束光斑直径和粒子尺寸决定了零 件的制造精度 。层厚所产生的误差在上面切片误差中有所阐述 ,在此不再讨论 。对于每一个系统 ,激光束光 斑直径是固定的 。本系统中光斑直径为 0 . 3 mm ,而粉末粒子的直径范围在 50200m 之间2 ,光斑直径对 零件制造精度的影响在某种程度上掩盖了粒子尺寸的 影响 。在零件每一截面的边缘 ,与设计截面相比 ,存在着一个 1/ 2 光斑直径的增量 ,即在零件的外轮廓有尺 寸增大的现象 。(2) 热影响区 。另外一个影响比较明显的因素是 热影响区 。因为 ,在每一条扫描线的起点和终点 ,激光 开关打开和关闭的瞬间 ( 即在零件的边缘) ,激光射入到的是粉体上一点 ,在该点 ,由于热影响区的存在 ,扫 描点周围的粉末微粒部分熔融聚集而形成松散的粉粒聚集物 ,并没有烧结成实体 。当激光束沿着扫描线扫 描时 ,由于连续的点的扫描 ,在扫描方向的一侧松散的聚集物在激光束的作用下转化为扫描线实体的一部分 。上述表明 :在每一条扫描线的两端 ,都存在着这种 松散的聚集物 ;同样 ,在零件层面的第一条和最后一条扫描线上 ,平行存在两条松散聚集物 。从整个零件来讲 ,除了上表面外的其余面上 ,均存在着这样的产物 。 这层聚集物在形成过程中 ,其密度 、尺寸以及物理特性均不一致 ,由此影响着最终烧结零件的表面粗糙度 、尺 寸精度及形状精度 。热影响区所造成的这种误差是不可避免的 ,但可以通过调节某些参数来尽量减小该影响 ,影响热影响区的因素主要有光斑直径 、激光功率 、 扫描间隔及扫描速度等 。214 设备(1) 激 光 管 。本 系 统 采 用 国 产 co2 激 光 管 以 及 x y 导轨进给装置 。通过对激光管的性能测试可知 , 激光的开关有迟滞现象 ,因此 ,在扫描方向上导轨的步进与激光的开关不同步 ,从而导致零件的形状精度变 差 。通过测试 , 激光管打 开 的 瞬 间 有 一 个 t = 10 ms的开延迟 。那么 ,在烧结过程中 ,当激光束扫描每一条 线段时 ,在开始长度l = t v 处不能打开 ,从而造成 在该方向上有l 的尺寸偏差 。本系统的扫描方式是直线往返扫描 ,由于存在这个偏差 ,导致零件两端的致 密度有所下降 ,在后处理过程中零件两个侧面会产生 实体剥落现象 ,破坏了零件的外观形状 。由于激光束27图 1零件的垂直位置误差分布fig. 1erro r dist ributio n of vertical po sitio n of part航空工艺技术科技成果学术论文滞后有一定的规律 ,可以通过软件补偿的方法来加以解决 。(2) 滚筒运动 。图 2 显示了零件在滚筒运动方向 上的位置误差 ,虚线表示的是已烧结实体的初始位置 , 实线表示的是在一次铺粉循环后实体偏移的位置 ,两 个位置的差值为 x 。该现象可以归因于受力状态下 粉末的密度和流动性 。滚筒铺粉过程中局部受力分析 见图 3 。滚筒将供粉缸中的粉末送到烧结缸中 , 滚筒 对粉体的作用力如图所示 。作用力 p 使滚筒经过的粉末区密度增大 。由于粉末的流动性 ,一部分密度较 高的粉末压缩其底部密度较低的粉体 ,并渗入已烧结 实体的侧面和底部 ,在滚筒力 p 的作用下 , 对已绕结 实体产生一个向前的推力 。已烧结实体则向前移动一 个 x 的长度 。重复铺粉和烧结过程 ,实体在每一层 则均有一个单方向的偏移量 ,从而造成零件实体在滚 筒运动方向的整体偏差 。通过改进粉末性能 、铺粉方 式以及打底座等措施可以将粉末的层移降低到最小程 度 。参数主要是扫描间隔和层厚 。影响零件的尺寸和形状精度的是上述综合因素 。激光束扫描每一条直线时 ,该扫描线从液相到固 相的固化过程中 ,由于材料性状改变引起了体积变化而导致它在长度方向上的收缩 , 从而引起弯曲变形 。 扫描速度不同 ,扫描线变形量也不同 。而变形方向则由扫描间隔来确定 。当扫描间隔大于激光光斑直径 时 ,固化后的扫描线之间由激光热影响区粉末微粒的 聚集物连接 ,线与线之间的连接强度较小 ,不足以改变扫描线自身的变形趋势 ,因而在激光束移动方向扫描 线向侧面翘曲 ;反之 ,扫描线固化在前一条扫描线的已烧结区域 ,即两条扫描线部分重叠 ,扫描线由于受到前 一条已烧结线的约束而向上翘曲 。一层粉末扫描完成后 ,在零件边界可以明显看到翘曲现象 。在整个零件 烧结成型后 , 在零件边界可以明显看到翘曲 现 象4 。特别是在零件底部 ,底部已烧结层内部持续受上层粉 末烧结热量的加热 ,在收缩和内应力的作用下 ,使零件 边缘向中心收缩 。因此 ,零件轮廓表现出棱角模糊 ,并 且向上收缩的现象 。在试验过程中 ,可以看到变形的产生需经历一段 时间 。因此 ,在激光束扫描过之后 ,在粉末从熔融状态固化到固相状态的固化时间内 ,从另一个方向进行扫 描 ,则可以改变扫描线的固化取向 ,使变形方向发生改变 ,从而缓解边缘的变形 。(a)图 2( b)(c)结束语经上述讨论可知 ,整个工艺的各个环节对零件的 误差均有影响 ,如 :零件造型和粉末特性使制件与原型 有尺寸偏差 ,滚筒运动与粉末流动性引起制件实体的 漂移 , 而烧结参数的变化则导致制件的翘曲变形等 。 通过相应的改进措施可以在很大程度上减小各个因素 所造成的误差 ,提高零件的制造精度 。本文对零件误差的产生仅作了一些定性分析 。为 了能进一步提高零件的精度 ,最终形成一套比较完整 的工艺规程 ,必须对引起误差的各个因素进行定量研 究 ,给出相应的数学模型 。为了能制造出较高精度的 零件 ,可通过软件补偿 、设备改造等方式减小这些引起 误差的因素的影响 。3铺粉过程中已烧结实体的偏移fig. 2deviatio n of sintered solidduring laying pow der图 3滚筒受力分析图fig. 3analysis of actio n fo rce to t he roller参考文献1 陈绪兵等 . 快速成型误差分析 . 见 : 卢秉恒主编. r p 技术与快速模具制造会议论文集 . 西安 : 陕西科学出版社 , 1998 .1051082 赵剑峰等 . 激光烧结快速成型系统 ra p - 1 . 见 :卢秉恒1999 年第 2 期215烧结参数sl s 工艺中的烧结参数主要有激光功率 、扫描速 度 、扫描间隔及层厚等 。其中 ,影响零件表面粗糙度的28科技成果学术论文主编. r p 技术与快速模具制造会议论文集 . 西安 : 陕西科学出版社 ,1998 . 1141183 sang-joo n jo hn l ee. powder layer positio n accuracy in powder- based rapid p rotot yping. proceedings of t he solid freeform fabricatio n symposium , u . s. a. : the u niversity of texas at austin , 19904 yo ng- a k so ng. experimental st udy of t he basic p rocess mechanism for direct selective laser sintering of low- melting metal2lic powder . annals of t he cir p. 1997 ,46(1) :127130(上接第 25 页)表 2汽车采用半固态成形零件的减重预测(责编小目)(上接第 20 页)尺寸精度高等优点 ,则有可能大幅度地降低成本 。结束语半固态成形具有传统加工技术所 没 有 的 许 多 优 点 ,其节约能源 、减少资源浪费 、有利于环境保护的特 殊优点更符合面向新世纪的金属加工技术的特点 ,被 专家们称为 21 世纪新兴的金属制造关键技术之一 。 预计半固态成形技术在汽车 、通讯 、计算机及其辅助设 备等领域 ,航空 、航天以及国防等尖端领域都将有广阔 的应用前景 。目前 ,国外半固态成形技术的研究和应 用进行得十分活跃 ,已经有铝合金半固态成形产品在 市场上销售 。在国内该技术也已经引起了有关人士的 关注 ,并开始进行初步的研究 ,但和国外先进水平相比 还有一些差距 。因此 ,加强国内半固态成形技术的研 究特别是开展相关的应用研究已经刻不容缓 。4图 3叶型截面数据图fig. 3datagram of blade sectio ns415人机对话交互设计计算机已具备良好的人机对话条件 ,用菜单 、对话 框等形式进行人机对话 ,不仅可以减少系统开发的困难和工作量 ,也是提高系统使用灵活性 、方便操作的一种方法 。比如用对话方式进行编码 ,即简单方便 ,又可 以减少出错 。416开发途径(1) 在航空行业内组织 ,分工合作 ,这符合我国航 空设计单位和制造单位分离的体制 。(2) 制造单位求得设计单位的配合 ,组织厂内有关 部门分别完成本部门有关的任务 。(3) 厂校结合是开发此项技术的最好途径 。学校 可以选作教学课题 ,将教学与技术开发相结合 ,与工厂合作进行开发 。(责编 宇迪)航空工艺技术参考文献1 flemings m c , riek r g , young k p. rheocasting. materials science and engineering , 1976 ,25 : 1031172 midso n s p , brissing k. semi- solid casting of aluminum alloys.