影响SLS快速成型精度因素的试验研究

(1.包头职业技术学院，内蒙古 包头 014030；2.内蒙古工业大学，内蒙古  呼和浩特 010010)摘 要：针对影响快速成型制件表面粗糙度和尺寸精度的 工艺参数，设计并进行了三因素和三水平正交试验；以制件表面粗糙度和收缩为测量指标， 利用方差分析方法，获得了聚苯乙烯材料激光选区烧结的各工艺参数的影响规律以及最佳工 艺参数组合；为该快速成型系统生产出高质量的产品发挥了重要的作用。
关键词：激光选区烧结；表面粗糙度；尺寸精度
中图分类号：TF124  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2008)18—0077—03

随着激光选区烧结(Selective Laser Sintering，缩写SLS)快速成型技术应用的日益广泛， 成型精度越来越成为困扰快速成型技术的关键问题。SLS成型工艺是一个涉及CAD/CAM、机械 工程、材料特性、激光加工及后处理等多环节的集成制造过程［1］，任一个环节都 会存在误差，这些误差严重影响了SLS成型件的精度。
1 SLS成型过程中的误差来源

通过理论分析和试验认为对于固定特性的粉末材料，SLS成型过程中的误差来源于三个方面 ：模型数据处理误差、成型机系统的误差和成型工艺误差。
1.1 模型数据处理误差

模型数据处理误差是在CAD模型进行离散化的过程中，一些信息丢失造成的，包括模型 误差和切片误差。模型误差包括CAD造型误差和由STL文件近似拟合三维曲面造成的误差。分 层切片误差是由SLS的叠层制造原理造成的［2］。

模型数据处理误差的解决主要依赖于计算机软件的发展，如：①采用高质量的造型软件；② 开发、完善STL格式文件缺陷的自动诊断和修复软件；③为减少或消除数据转换产生的误差 ，开发出能够直接从CAD模型获取成型机所能接受的轮廓信息的软件等等。
1.2 成型机系统的误差

成型机系统的误差主要包括机械系统误差和扫描系统误差。机械系统误差是影响成型件精度 的原始误差，工作台的Z向运动精度直接影响单层厚度精度，铺粉滚筒的水平运动精度和逆 转转速都会对成型件的形状、位置精度和表面粗糙度产生影响。

SLS快速成型系统采用三维振镜扫描动态聚焦系统，振镜在扫描过程中可能会发生偏移，导 致在X-Y平面内的扫描误差。同时，由于激光束光斑直径的存在，在零件每一截面的边缘， 存在着一个1/2光斑直径的增量，即存在零件的外轮廓尺寸增大、内轮廓尺寸减小的现象［3］。
1.3 加工工艺误差

SLS成型的主要误差来源于加工工艺误差，造成加工工艺误差的因素较多，各因素对此误差 的贡献也不同，同时各因素之间也相互关联，分析起来比较困难。通常对误差的分析都是通 过误差的具体表现形式如尺寸、表面粗糙度等进行分析，寻求减小误差的方法。

在SLS快速成型系统的工作过程中，有许多参数会影响原型件的成型精度，一般用户可以调 整的设备参数有预热温度、分层厚度、激光功率、扫描方式、扫描速度、扫描线宽、工件相 对于工作台面的成型角度等。有时即使对工艺参数施以较小的调整量也会对原型件质量产生 很大的影响，工艺参数的组合设置也无现成规律可循。因此有必要对于给定的快速成型系统 ，优化它工艺过程的控制参数，合理调整加工参数组合，改善成型件的质量。

本文通过试验，综合分析了主要技术参数之间的相互作用原理，及其对原型件的尺寸和表面 粗糙度的影响规律，并且通过正交试验、方差分析和极差分析得出优化的参数组合。
2 激光选区烧结试验设计

本试验采用北京隆源自动成型系统有限公司AFS－450型激光快速自动成型机。试验材料为SL S专用的聚苯乙烯(PS)基粉末(PSB、PSC)。该PS基粉末是无色无臭的透明性刚硬固体颗粒， 在热塑性塑料中是最容易成型加工的品种之一。 
2.1 试验内容
2.1.1 试验一：设计试样长宽高为25×15×10mm，当激光功率为40%×50Ｗ时，选取不同的 工艺参数：分层厚度、制件摆放角度、激光扫描线宽，检测各工艺参数组合下烧结制件的表 面光洁度情况。本试验采用正交试验方案，三因素三水平，此试验共进行9组。 
2.1.2 试验二：设计5个激光烧结功率段：30%、35%、40%、45%、50%，3种试样：100×100 ×5mm、50×50×5mm、25×25×5mm，进行收缩性试验，检测在5个激光功率值时，制件尺寸 精度情况。
2.2 选区激光烧结试验一
2.2.1 试验方案设计。为了寻求最佳工艺参数组
合，以较少的试验次数、较短的试验周期 、较低的试验费用，迅速地得到正确的试验结果，试验中采用了正交试验设计方法，该方法 适合于多因素、多指标、周期长的试验设计问题［4］。
2.2.1.1 正交试验表设计。要提高激光烧结制件的精度，合理地选择加工工艺参数非常重 要。当激光烧结装置确定后，其设备本身的系统误差一定了，只能通过调节加工参数，选择 最佳的工艺参数来提高制件的精度。本试验就激光功率、烧结层厚度、扫描间距、制件摆放 角度与制件的表面精度的关系进行了研究。
为了简化试验，可将激光功率固定，这样并不影响试验结果。当激光功率为40%时，正交试 验设计为三个主要试验因素。三个因素分别为分层厚度、制件摆放角度、激光扫描间距。试 验中各因素水平的选取都是建立在大量前期试验的基础上的，不会出现烧结失败的现象。

确定所有可以调整的参数如下：成型缸预热温度95℃，内部激光功率40%，外部激光功率9% ，支撑激光功率38%，激光扫描速度1.8m/s ，需考察的因素皆采用低、中、高(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ) 三水平：A分层厚度为0.10、0.15、0.20mm，B摆放角度为90o、60o、30o，C扫描线宽为0.10 、0.15、0.20mm。正交试验表头设计如表1所示。

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2.2.1.2 试验结果及计算。用时代集团公司出品的TR240便携式表面粗糙度仪对制件表面进 行表面粗糙度检测，测试结果如表2所示。
表面粗糙度与三因素的关系如图1所示，方差分析见表3。 

    
2.2.2 试验结果分析。综合试验结果可以得出以下结论： 
2.2.2.1 从图和表综合起来看可知，激光烧结层厚A以A₁为最好。(因分层厚度所在列中 的k₁、k₂、k₃中，k1最小，表面粗糙度最小)激光分层厚度越小，表面粗糙度越低 ，试验中以层厚0.10mm为最佳。但分层厚度越小，加工速度越慢。
2.2.2.2 制件摆放角度B以B₁为最好(因制件摆放角度所在列中的k₁，k₂，k₃以k ₁的表面粗糙度最小)制件摆放角度以90°时表面粗糙度最小。
2.2.2.3 激光扫描线宽C以C₂为最好(因烧结间距所在列中的k₁，k₂，k₃以k₂的 表面粗糙度最小)激光烧结间距以0.15mm时表面粗糙度最小。
2.2.2.4 因素A和B显著，因素C有影响。各因素对表面粗糙度的影响大小顺序为A、B、C(主→次)。 2.2.2.5 从计算表中直观地看出，9次试验中，第一次A₁B₁C₁最好，表面粗糙度最小 ，为12.70μm。而从图中看最优试验组合为A₁B₁C₂，这一组合并不在9次试验中，是 从9次试验结果分析出来的，即在因素间变化中进行综合比较出来的。对此进行验证试验， 其结果表面粗糙度为10.88μm，说明A₁B₁C₂比A₁B₁C1好，所以确定A₁(0.10) B₁(90)C₂(0.15)为最优方案，即分层厚度0.10mm，摆放角度90°，扫描线宽0.15mm为最 优方案。
2.3 选区激光烧结试验二

该试验主要考察PS基粉末材料在SLS工艺下的制件收缩情况，以确定收缩率。在实际烧结成 型时，烧结材料的特性、激光烧结工艺参数的取值不同，烧结制件尺寸精度也不同，一般制 件都会产生收缩和翘曲，尤其是大平面件、薄壁件该现象更明显；同时由于机器本身也存在 误差。实际应用中，为了使烧结制件能满足生产要求，需要迅速找出收缩修正系数，用于修 正制件因材料或工艺参数引起的收缩误差。这个收缩修正系数可按X、Y、Z不同的方向给 出，具体数值应根据试验数据来决定。

采用如下换算公式：收缩修正系数＝1/(1－收缩率)，在Magics软件中此修正系数称为补 偿系数，当制件不需要修正时，其修正系数的值取1。需要修正时可按上式求出，添入机器 的补偿系数对话框中。

影响聚苯乙烯粉料烧结制件收缩的因素较多，但一般情况下将分层厚度、扫描速度、预热温 度等参数值按以往经验值选取(分层厚度0.15mm、扫描速度1.8m/s、预热温度95℃)，而调整 激光功率来寻求合适的修正系数。在这个试验中，我们设激光功率为30%、35%、40%、45%、 50%时，取分层厚度0.15mm，扫描线宽0.15mm，制件的大平面水平摆放，观察其制件的 收缩情况。根据激光功率与收缩率关系试验数据得到图2和图3的结果。



理论上Y方向的收缩率同X方向的相同，但从试验数据来看，X方向的收缩率要稍稍大一些， 这主要是由于设备的加工精度影响的。由试验结果可知：
2.3.1 Z方向的收缩率变化比较大，并且在某些激光功率段，制件的尺寸还有增加现象。这 种情况与收缩无关，其原因如下：由于聚苯乙烯的透光率高，当烧结的激光功率(40%～45%) 过大时，激光束会透过当前烧结层，而将下面的粉末烧结，从而使制件Z方向尺寸增加。成 型件附带了多余的部分，增加了后处理难度。
当激光功率较大时(本试验中的50%的激光功率)，烧结时导致材料过量的气化损失，并 产生高浓度的等离子体云，阻碍了激光光束的吸收，使材料对激光的吸收率减小，有部分材 料不能被烧结，从而导致制件Z轴方向烧结层厚减小。可见烧结制件在Z轴方向的尺寸误差并 不是完全由于收缩引起的。
2.3.2 在30%～50%激光功率范围内，对相同尺寸制件的收缩率，随着激光功率的增加而增 加，如图2所示。由此可见，X、Y两个方向收缩率的趋势基本相同。
2.3.3 在同一激光功率下，烧结制件的尺寸越大其收缩率也越大，如图3所示。由此可以计 算出X、Y方向的修正系数。
3 总结

通过在AFS-450型成型机上进行的SLS快速成型试验，找出了快速成型过程中影响成型精度的 根本原因；获得了主要工艺参数对烧结制件精度的影响规律。并据此得出结论：激光烧结层 厚度、制件摆放角度、激光扫描线宽等对表面精度的影响大；激光烧结功率、制件的形状尺 寸等对制件尺寸精度影响大。为激光选区烧结快速成型技术的进一步应用和发展奠定了良好 的基础。
［参考文献］
［1］ 刘伟军.快速成型技术及应用［M］.北京：机械工业出版社，2005.62～63.
［2］ Asheley S.From CAD Art to Rapid Metal Tools［J］.U.S.A，Mechanical E ngineering，1997，119(3).
［3］ J.PKruth.Material Increase Manufacturing by Rapid Prototyping Techni ques［J］.Annals of the CIRP，1991，40(2).
［4］ 杨惠连.误差理论与试验设计［M］.北京：机械工业出版社，1988.

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