3D打印技术基础课件 4.12.激光粉末烧结技术-工艺规划

打印技术主讲人：激光粉末烧结3D打印机工艺规划激光粉末烧结零件CAD模型工艺加工取向1加工取向是指确定原型样件在成型机工作台上的方位。在考虑加工取向时，应注意以下几点：1.有利于提高成型效率。对绝大多数成型工艺来说，分层越少堆积效率越高，故应将原型样件三维尺寸中最小的方向平行于成型机工作台升降方向（一般为Z轴）；2.便于支承和合并；3.烧结后样件变形要小小尺寸件2对尺寸较小的零件在烧结时，因成型机铺粉辊的滚轮有可能将上一烧结层退散，或与上一层发生位移，使烧结不能进行或使烧结的零件的精度达不到要求。解决的方法是在小零件的底部加辅助性工艺底盘，底盘的厚度一般在1~2mm。烧结时，可先烧结工艺底盘部分，然后将小零件烧结在工艺底盘上，这样就不会发生烧结层的位移现象，待烧结完成后人工去除附加的底盘。另外，在成型室尺寸的范围内，可以把多个小尺寸零件一次成型，这一过程称为合并，其目的是节省成型机的机时、降低成型费用、提高效率。合并也可以提前到STL转换前，即先将工艺模型与支承结构合并成一个模型，然后在经STL转换、分层等处理。如图1所示。小尺寸件2图1工艺性底盘和小尺寸件的合并处理大尺寸件3当零件尺寸超过成型室尺寸而无法一次成型时，可以对零件的CAD模型进行分割处理（此步骤也可在切片软件上进行）。将分割后的各个部分分别进行烧结。待烧结完成后，取出样件并进行后处理，然后对各个部分进行拼装，按图样要求恢复其原状。在零件进行分割时，分割线合理位置的选择必须认真研究和分析。根据经验主要应考虑以下因素：1.不能破坏零件的美观2.尽量避免在薄壁处切割，因为这样会给零件拼装造成困难3.尽量使切割后各部分在烧结时的变形要小。小尺寸件2图2大尺寸零件的分割图a的分割不如图b的合理。零件模型的壁厚4考虑到烧结后零件的强度不高，CAD模型件的正常壁厚应在2~6mm。当壁厚太薄时，零件的强度较低，导致零件在烧结时或在后期处理过程中很容易损坏。尽管随零件壁厚增加，强度可以提高，但收缩变形也增大且浪费材料，烧结时间长，是成本增加。因此，在确定CAD模型零件壁厚时，应尽量满足烧结工艺壁厚，并尽量使壁厚均匀，在适当的位置可设置加强筋或烧结成中空零件。在对较大零件进行分割时，可适当增加其厚度，已保证烧结零件具有足够的强度。适当的圆角5由于成型零件的强度和硬度不高，在取件和清粉时经常会把尖角处碰伤。因此模型设计时应避免出现尖角。空心零件6在制作空心零件时，要在适当的位置留出清粉口，以使未烧结的粉末从这里清出。在不影响零件使用的前提下，清粉口越大越便于操作。清粉口一般应留在零件的底部或不影响零件使用和美观的部位。支撑的设计7由于烧结工艺方面的原因，一些零件需要搭支撑。支撑是在工作台与原型之间或是原型框架内部增加的结构和材料，其主要目的是防止原型样件在烧结过程中发生变形或卷曲。待原型样件烧结完成后，需人工修整去除支承。支撑的设计是CAD模型设计的重要部分。如果支撑设计过大，CAD模型的数据增加并且浪费支承材料。这一设计应在CAD模型图上详细说明。当然也可以在切片软件中加上支撑。零件的清粉问题8设计CAD模型时需要考虑零件烧结后的外表面和内型腔的清粉问题。在满足零件使用条件下应尽量使内、外表面光滑、无死角。内型腔的清理要考虑清理工具是否可以自由进入，必要时可以在模型的适当位置留出工艺孔，便于清理工具进入。STL文件格式的精度设置9STL文件是CAD软件和切片软件的接口数据文件。STL文件格式是对CAD三维几何模型进行表面三角形处理，用三角形面逼近模型曲面，一个曲面中三角形（元素）越多，则CAD几何模型精度越高。各种CAD软件对STL精度的量化不尽相同，使用者应根据该CAD软件的说明书，选择合适的精度值。影响成型精度误差的工艺分析铺粉工艺对成型件质量的影响1铺层厚度粉料的铺层厚度一般在50-250微米之间，不宜太厚，因为激光束扫描过程中烧结层上下面间的温度梯度较大，粉料铺得太厚会增加这一温度梯度，从而增大烧结层上下面间的收缩率差异，这将导致烧结层翘曲变形。铺粉是一个非常重要的过程。粉料的铺层厚度和铺层密度对于成型精度、成型件的机械性能有着较大的影响。铺粉密度适当增加铺粉密度，会使粉末颗粒间的接触变得紧密，烧结时颗粒间粘接桥的截面积会相应增大，能够减小烧结收缩率，还能显著提高坯体的粘结强度。粉体预热温度对成型件质量的影响2粉体预热温度铺粉之后，对其进行预热是非常必要的。这样可以减小粉末层内部的温度梯度，缓和层间热应力，避免出现翘曲变形等缺陷。对粉体进行预热有利于节省激光能量，从而可以增大激光束的扫描速度，提高成型效率。预热温度一般应控制在粉体熔点以下10-50摄氏度范围内。激光束扫描方式对成型件质量的影响3简单易行，但是效率较低，片层内部残余应力较大，成型精度不高。比较符合热传递规律，能够降低片层内部的残余应力，提高截面的光滑和平整度。激光束的扫描方式对成型精度有较大影响，此外，扫描方式还影响着成型内部的应力分布。平行线式扫描螺旋线式扫描分形扫描分形扫描的路径是一系列的小折线，激光束的扫描方式不断改变，使得刚刚烧结的部分沿扫描方向可以自由收缩，能够有效的降低片层内部的残余应力。激光功率对对成型件质量的影响4适当增大激光功率密度，有利于材料的烧结。可以降低烧结件的气孔率，提高制件的密度和强度。但功率密度过高会使得烧结层严重收缩，甚至翘曲变形；功率密度过低则会使粉末加热温度不够，难以烧结完全，导致成型件的强度下降甚至出现分层。所以，选择合适的激光功率对于激光烧结有着重要的意义。激光功率扫描速度对烧结层质量的影响5扫描速