基于選擇性燒結技術的薄壁零件加工工藝研究

摘 要：概述了選擇性燒結技術對于薄壁零件加工的意義，說明了選擇性燒結技術的原理，以一種薄壁零件的加工過程詳細分析了薄壁零件的加工工藝，在總結試驗的基礎上，綜合考慮具體零件類型和材料等不同，得到了薄壁零件加工的主要工藝參數的選取原則和參考思路，并且展望了以后的發展方向。

關鍵詞： 選擇性燒結；薄壁零件；工藝參數

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.010

1 課題研究的意義

選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering，簡稱SLS）是發展最為迅速的一種增材制造技術，也是3D打印技術的典型代表，其根據3維模型的數據，采用高精度、高能量的激光束選擇性的把粉末材料分層燒結疊加直接成型可以直接運用的復雜的三維實體零件，高效智能，大大縮短了產品的開發周期。薄壁零件因為耗材少而機械性能佳被廣泛運用于各大行業，但是薄壁零件的薄壁在加工制造過程由于受力，受熱等因素影響容易產生變形，導致零件的精度降低，使用性能大打折扣。因此本文把選擇性燒結技術運用到薄壁零件的制造與加工中，通過對加工工藝影響因素的分析來尋找提高加工效果，同時在快速成型設備華曙FS4001上進行了薄壁零件加工工藝的正交實驗研究與驗證，以尼龍粉末為材料，分別組合實驗了激光功率、掃描速度、燒結間距和單層層厚對成型薄壁零件效果的影響，最后在實驗中獲得了優化的工藝參數和工藝原則。因此本文的研究具有重要的意義。

2 選擇性激光燒結（SLS）原理

SLS成型裝置原理如下圖1所示，由供粉缸、工作缸、陣鏡系統、光路系統以及鋪粉裝置等組成。工作時供粉缸活塞上升，鋪粉輥將粉末按照設置的厚度均勻鋪上一層在工作缸活塞上，電腦根據三維數據模型的切片控制激光束的掃描軌跡，選擇性地燒結固體粉末材料以形成零件的一個層面。完成一個層面后，工作活塞再下降一個層厚，鋪粉系統再鋪上一層設定好厚度的新粉，再按照切片軌跡掃描燒結新層，如此循環往復，層層疊加，直到三維零件成型，最后待溫度冷卻后取出成型件，回收未燒結的粉末。整個過程均需要預熱，這樣可以減少成型中的熱應力集中變形，并利于層與層之間的結合，對于不同的粉末材料，燒結的余熱溫度有所不同。

3 薄壁零件“多用途物品架”選擇性燒結加工工藝實例分析

“多用途物品架”選擇性燒結加工工藝過程分為前處理、分層燒結成型以及后處理過程三個階段。采用華曙FS4001設備，以尼龍粉末為材料，進行實驗。

（1）前處理 。前處理階段為建立三維CAD模型，完成數據轉換后，輸入到SLS設備電腦中。如圖2所示，薄壁零件在前期三維造型時需要加厚壁厚，設計成大于0.3mm的壁厚，最好達到2mm，三維軟件造型后輸出成STL文件格式，公差設置為三角公差0.02，相鄰公差0.0125，輸出類型為二進制。

多用途物品架連接機構的支撐均是薄壁件，擺放時盡量斜置擺放，如下圖3、圖4所示。同時由于較大面積接觸易發生防止發生翹曲現象，還需避免較大面積接觸底面。

對于尺寸比較大的薄壁零件，如果超過了SLS設備的燒結打印極限的話，則需要將零件進行分塊分割燒結，然后再拼裝起來。這里需要設置的加工工藝為燕尾槽分割法，以保證產品的強度與使用要求，如下圖5所示。

（2）分層燒結成型燒結前的第一道工藝就是預熱，使系統環境溫度均勻，節省成型時間，保證加工精度，提高薄壁零件成型的性能和質量。本實驗所采用華曙FS4001設備，以尼龍粉末為燒結材料需要預熱到100攝氏度左右。根據三維造型結構的特點，在設備電腦中設定不同的建造工藝參數以進行試驗和對比，如單層層厚、激光掃描速度和掃描方式、激光功率、燒結間距，自動燒結完畢后待成型零件緩慢冷卻至40℃以下是取出。通過不同參數的匹配，具體試驗結果分析如下：

首先是激光功率的影響：當激光功率增加時，加工的尺寸誤差會向正方向增大，強度也隨著增大；反之亦然；并且激光功率過大會加劇因熔固收縮而導致的制件翹曲變形；其次是激光的掃描速度：當掃描速度增加時，尺寸誤差向負誤差的方向減小，燒結制件強度降低；第三是燒結間距的影響：燒結間距增加，尺寸誤差向負誤差方向減小，燒結制件強度減小，成型效率提高；最后是鋪粉的單層層厚：單層層厚增加，尺寸誤差向負誤差方向減小，燒結制件強度減小，成型效率提高。

當以上參數選取不當，會導致層與層之間的粘接、燒結體的收縮變形、翹曲變形甚至開裂等狀況，如下圖6所示的燒結成型過程圖中的開裂現象；如圖7所示因溫度調整不當造成薄壁較長件產品的翹曲變形現象。

（3）后處理工藝。零件燒結成型后處理工藝主要為靜置、強制固化、去粉、包覆等。通過這些后處理可以提高零件強度和使用壽命。

4 結論

本文通過運用選擇性激光燒結技術來加工制造薄壁零件，分析了薄壁零件的加工工藝，然后通過試驗驗證了此種技術對于加工薄壁零件的優勢，在總結試驗的基礎上，綜合考慮具體零件類型和材料等不同，得到了薄壁零件加工的主要工藝參數的選取原則和參考思路，為以后優質高效加工精度和強度都好的薄壁零件提供了良好的借鑒作用，同時以后的最優化工藝參數的匹配測試也是一個積極的努力方向。

參考文獻：

[1] 任乃飛，杭雅慧，趙巖.316L選擇性激光燒結參數對燒結件性能的影響[J].電子科技：綜合版，2016（01）.

[2]彭雪峰，史玉升，黃樹槐.SLS制件精度的影響因素研究[J].CMET.鍛壓裝備與制造技術，2005（01）.

[3]李守衛，沈以赴，顧冬冬等.選擇性激光燒結金屬件翹曲與開裂問題的研究進展[J].激光雜志，2005（05）

基金項目：湖南省教育廳科學研究一般項目（編號：15C0977）

作者簡介：李衛（1982-），男，湖南資興人，碩士研究生，主要研究方向為機械工程。