關于激光選區燒結成型精度影響因素的研究*

摘 要：激光選區燒結（SLS）是一種重要的快速成型技術，利用激光照射粉末實現工件的加工固化。文章對激光選區燒結成型精度的影響因素進行了介紹，主要包括粉末顆粒形狀、成型缸結構和掃描方式等因素。通過對比分析，給出了各個因素的優缺點和適用情況。

關鍵詞：激光選區燒結；成型精度；粉末形狀；成型缸；掃描方式

快速原型（也稱快速成型）技術是近些年發展起來的一種新型快速制造技術，它借助計算機、激光、精密傳動和數控等現代化手段，將計算機輔助設計制造相互結合，達到迅速生產產品模型或樣件的目的。其中，粉末激光燒結快速成型SLS（Selected Laser Sintering）是快速原型制造技術一種重要的變現形式。通過激光照射，有選擇的將可溶化粘結的固體粉末燒結成型并層層疊加，最終形成工件實體。其主要工藝過程分為前處理，疊層制造以及后處理三個階段，由于前處理階段主要由CAD建模、模型切片等部分組成，不同工藝方法大同小異，故本部分將主要集中于疊層制造與后處理階段的對比分析，來研究影響成型精度的因素。

1 粉末顆粒對鋪粉效果的影響

粉末顆粒的粒徑大小和顆粒形狀是決定最小鋪粉厚度的主要因素，而鋪粉厚度對原型制件精度有很大影響，目前常見的顆粒形狀主要有球形細顆粒，球形粗顆粒和角形顆粒三種。經研究對比發現球形顆粒比角形顆粒流動性好，球形細顆粒比球形粗顆粒流動性好。角形顆粒鋪粉后的均勻性從宏觀上看明顯比球形顆粒的均勻性差，這是由于角形顆粒內摩擦角較大，顆粒與顆粒之間的相互作用力大，容易產生整體推動現象，鋪粉時在平面上發生滑動；而圓形顆粒之間相互作用力小，鋪粉相對較均勻[1]。

2 成型缸結構對比分析

2.1 雙缸鋪粉

雙缸鋪粉方式采用的是一個供料缸和一個成型缸，當激光器根據模型截面信息掃描燒結完一層之后，成型缸下降一個層厚，供料缸上升一個層厚，鋪粉輥將粉末材料從供料缸里推向成型缸，鋪粉完畢后返回到零位，完成一次鋪粉需一個來回。

優缺點分析：這種鋪粉方式的優點在于，鋪粉機構的機構較為簡單，運動的穩定性較好，但是，這種方式增大了設備整體水平方向的體積，而且鋪粉輥完成一次鋪粉需要運行一個來回，降低了成型效率。

2.2 三缸鋪粉

三缸鋪粉方式采用了兩個供粉缸，一個成型缸，供粉缸位于成型缸兩側，左右各一個，同樣是成型一層后，成型缸下降一個層厚，供粉缸上升一定距離，由鋪粉輥完成鋪粉。

優缺點分析：這種方式完成一次鋪粉只需一個來回，相對雙缸鋪粉方式節省了一些時間，但是，該方法需要判別鋪粉輥的停泊的位置，由鋪粉輥的位置來決定是哪個供粉缸上升；不僅如此，由于增加了供粉缸的數量，設備的體積會進一步增加。

2.3 單缸跟隨式漏斗鋪粉

對于成型大尺寸零件的雙光源激光快速成型機而言，雙缸鋪粉方式和三缸鋪粉方式都會造成設備體積過于龐大，鋪粉效率相對較低的問題，而單杠跟隨式漏斗鋪粉則可以有效解決這一難點。

單缸鋪粉方式摒棄了上述兩種鋪粉方式絲杠下置的傳統方法，將絲杠安裝于成型缸的兩側，通過絲杠螺母與成型缸內部的升降工作臺連接，無需再額外的給絲杠預留升降所需的高度空間，使設備的相對高度降低了21.1%，相對寬度減小了37.5%，其平面結構圖如圖1所示。

此外，本方式還具有可分離性，可將已成型制件連同成型缸一起推出，更換新的成型缸，成型機可繼續工作，既避免了在設備內部清粉的不便之處，又提高了設備的生產率。

缺點：密封要求較高[1]。

3 掃描方式對激光燒結的影響

3.1 分組變相掃描

采用分組變向方式時，激光束會優先按照同一方向上的輪廓掃描然后再掃另一方向，在下一切片層將優先方向順序顛倒，依此類推。這種方式避免了激光束頻繁跳躍，減少了振鏡的動作時間，具有最高的掃描效率。但是，相應的也帶來了表面質量問題，在其兩個掃描方向的對接邊界處會出現較明顯的痕跡[4]。

3.2 逐行掃描

逐行掃描則是選定一個方向從輪廓一邊依次掃描直到完成整個輪廓。這種方式下，如果輪廓中間有間斷特征，光束會頻繁跳躍，極其耗費時間，但是，另一方面由于其掃描順序進行而不存在對接邊界問題，因此表面工整、平滑[3]。

4 結束語

綜上所述，對于SLS系統中粉末顆粒的形狀，球形顆粒比角形顆粒流動性好，同時球形細顆粒又比球形粗顆粒流動性好，故實際打印過程中應優先選擇球形細顆粒。對于打印機的鋪粉系統，現存的主要分為三缸鋪粉，雙缸鋪粉和單杠漏斗式鋪粉三種形式，由于三缸鋪粉系統體積較大而雙缸鋪粉又存在效率較低的問題，因此在雙光源SLS系統中鋪粉系統應優先選擇單杠漏斗式鋪粉結構。對于激光燒結過程中的掃描方式，分組變向掃描和逐行掃描各有優劣，實際生產過程中推薦使用根據實際工件形狀將兩者相互結合的掃描方式，同時滿足提高關鍵部位表面質量和節約時間的要求[5]。

參考文獻

[1]包坤.雙光源激光燒結鋪粉系統的改進及成型工藝研究[D].西安科技大學，2013.

[2]朱卓宇.選擇性激光燒結快速成形的工藝改進[D].西安科技大學，2011.

[3]張磊.粉末激光燒結快速成型工藝及關鍵技術研究[D].山東大學，2007.

[4]王榮吉.選擇性激光燒結工藝的試驗與優化方法研究[D].湖南大學，2005.

[5]何成.雙光源選擇性激光燒結預熱與后固化工藝研究[D].西安科技大學，2013.

作者簡介：郭池（1980-），男，新疆自治區昌吉市人，工作單位：西安交通大學蘇州研究院，職務：教師，研究方向：快速成型工藝。