選擇性激光燒結翹曲變形抑制工藝

吳曉明，周亞雄，楊歡慶，王 玉，王 琳

(西安航天發動機有限公司，陜西 西安 710100)

0 引言

熔模精密鑄造具有成形尺寸精度高、表面質量好和結構不受限制的特點，在航天領域得到廣泛應用[1]，以CZ-5，CZ-6和CZ-7三型運載火箭液氧/煤油發動機為代表的新型發動機核心部件越來越多地采用熔模精密鑄造生產[2-3]。其中蠟模質量直接影響產品的表面質量、尺寸精度及生產周期，是整個熔模精密鑄造工藝技術控制的核心部分和關鍵環節。

選擇性激光燒結(selective laser sintering，SLS)是目前應用最為廣泛的蠟模成形技術，具有制作工藝簡單、生產周期短等特點[4-5]，但是燒制過程存在翹曲變形問題，嚴重影響燒結件的尺寸和形位精度，甚至導致燒結無法完成，成為制約SLS工藝進一步應用的瓶頸。

國內華中科技大學、南京航空航天大學及清華大學等研究團隊[6-10]在翹曲變形方面開展了研究，揭示了翹曲變形產生機理，建立了翹曲變形收縮模型，指明了溫度場控制、工藝參數控制、材料特性改進等方向。本文從工藝參數優化以及添加支撐設計方面進行該技術工藝的改進研究。

1 SLS技術原理及翹曲變形機理

1.1 SLS技術原理

SLS是一種以激光為熱源的層層疊加粉狀材料的“凈成型”技術[11]，完成了三維模型-切片層-燒結層-實體的轉化。使用專用軟件將產品三維模型轉化為設備可讀取的片層信息，完成數據切片處理。在成型前，鋪粉輥將粉末壓平，形成基體。設備控制系統依據模型每層的切片信息(即零件的輪廓信息)精準控制激光束以一定運動軌跡、能量以及運行速率進行掃描燒結，將燒結層信息轉化為實體信息，完成切片層的燒結。一層燒結完成后，粉缸以模型切片厚度下移，鋪粉輥重新鋪粉，控制系統再次控制激光燒結，如此循環燒結，層層疊加，最終獲得零件實體[12]，成形原理如圖1所示。

圖1 成形原理Fig.1 Forming principle of SLS

1.2 翹曲變形機理

研究結果表明[13-14]，燒結過程中不均勻溫度場產生的應力變形是翹曲變形產生的根本原因。而燒結過程中的不均勻溫度場源于激光熱源不均勻加熱。

激光是一種高斯光束，能量沿垂直于粉床z軸方向對稱分布，光斑中心能量最強，邊緣部分依次遞減，燒結區域以上的粉末能量以螺旋線方式分布，造成粉末上下層之間的溫差。燒結層上部區域接受能量多，溫度上升快，但可通過空氣對流以及表面輻射進行散熱，散熱速度快，體積收縮大。而燒結層下部接受能量少，溫度上升慢，而粉末顆粒之間的空氣導熱性差，上下層能量傳遞困難，散熱速度慢，體積收縮小，各區域的收縮出現明顯差異，從而產生熱應力，通常熱應力分為切應力τ與正應力σ，如圖2所示。當燒結層間的粉末結合力與重力小于粉末收縮變形應力時，即燒結層自身強度不足以抵抗收縮應力變形時，燒結件則會出現中凹外凸現象，即產生如圖2所示的曲線狀翹曲變形。

圖2 翹曲變形力學模型Fig.2 Mechanical model of warp distortion

綜上所述，溫度場分布不均勻產生的應力是翹曲變形產生的誘因，而自身強度不足則是內因，如何解決溫度場分布不均勻以及提高抗變形能力則成為翹曲變形抑制工藝需解決的核心問題。

2 試驗研究

依據翹曲產生的機理開展了溫度場控制的預熱溫度控制試驗以及提高燒結層抗變形能力的工藝支撐添加試驗，結合懸臂試樣及產品對成形件翹曲變形抑制工藝進行了研究。

2.1 試驗設備及材料

試驗設備為北京隆源Laser Core 5300快速成形機，該設備由激光器、光路系統、預熱裝置、密封成型室(包括粉料缸、成型缸及鋪粉裝置)、控制系統及冷卻系統組成。

試驗材料為SLS工藝中應用最為廣泛的聚苯乙烯(PS)基高分子粉末(簡稱PSB粉末)，性能如表1所示。

表1 PSB粉末特性Tab.1 Properties of PSB powder

2.2 試驗樣件

試驗樣件選用翹曲變形研究中常用的懸臂試樣，如圖3所示。以翹曲變形率Cf來衡量懸臂試樣翹曲變形程度

(1)

式中：Cf為懸臂翹曲變形量δ與懸臂長度Lx的比值；δ=hl-hs。

試樣及產品的成形流程分為：

1)建立三維實體模型

采用三維建模UG軟件建立懸臂試樣、產品的三維模型，并將三維實體模型通過UG轉化為Magics軟件可讀取的STL格式文件。

2)模型剖分切片

采用Magics軟件對STL模型文件進行剖分切片，切片方向與成形方向垂直，切片厚度與燒結工藝參數相同。

3)燒制零件

按照規定工藝參數進行粉料燒結，燒結完成自然冷卻2 h后，取出燒結件。

2.3 預熱溫度控制試驗

預熱可以升高粉層整體溫度，減小因溫度場分布不均而引起的熱應力，從而抑制翹曲變形，是當前解決翹曲變形的主要措施[14]。Laser Core 5300成形機設備配備了預熱溫度控制裝置，可通過計算機成形軟件實現預熱溫度的精準控制。

一般將預熱分為兩個階段：初始預熱、穩定預熱，分別稱為起始預熱溫度和穩定預熱溫度。開始預熱時，不同區域溫差最大，預熱溫度一般定在玻璃化溫度(Tg)與結塊溫度(Tc)之間。當燒結進入穩定預熱階段，粉末預熱充分，為防止粉料板結，預熱溫度稍低于材料的軟化點(玻璃化溫度Tg)。由表1粉末特性可知，Tg溫度為100℃，Tc溫度為110℃。

為了探究不同階段預熱溫度對于翹曲變形的影響，采用正交試驗方法進行研究，以起始預熱溫度以及穩定預熱溫度作為試驗因子，以上述不同階段溫度設定區間作為水平設定參考，設計了二因素三水平正交試驗。表2為正交試驗因素水平表，表3為試驗方案。

表2 因素水平表Tab.2 Factor-level ℃

在不同預熱溫度下(試驗方案1～9)燒制懸臂試樣，燒制后的試樣形貌如圖4所示。試樣均出現不同程度的翹曲變形，通過式(1)計算得到各試樣翹曲變形率見表4。

圖4 實際燒制懸臂試件Fig.4 Actual fired cantilever specimen

表4 預熱溫度對于翹曲變形率的影響Tab.4 Effect of preheating temperature on warp distortion rate

為了反映預熱溫度對于翹曲變形的影響規律，基于Minitab質量分析軟件采用逐步回歸方法建立了懸臂結構的翹曲變形二次多元回歸模型

y=420.902-7.709x1-0.494x2+0.033x12-0.003x22+0.010x1x2

(2)

式中：y為翹曲變形率；x1為穩定預熱溫度；x2為起始預熱溫度。

從式(1)可以看出，穩定預熱溫度對于翹曲變形影響高于起始預熱溫度的影響，這是因為起始預熱溫度主要影響零件前幾層的燒結，而穩定預熱溫度影響燒結層的溫度場，直接影響燒結件的翹曲變形。

穩定預熱溫度相同，起始燒結溫度越高，翹曲變形率越低，如圖5(a)所示。起始預熱溫度相同，穩定預熱溫度越高，翹曲變形率越低，如圖5(b)所示。

圖5 預熱溫度對于翹曲變形的影響 Fig.5 Effect of preheating temperature on warp distortion

這是因為預熱溫度越高，粉料的流動性則越好，更有利于粉料的燒結，可以得到更好的層內和層間燒結，燒結深度和燒結密度增加，同時有助于消除熱應力，從而提高成形質量。但粉末預熱溫度過高時，會使得未燒結的粉末結塊，造成模型部分結構與粉床結為一體，增加后續清粉、篩粉和修型的難度及工作量，本試驗起始預熱溫度108℃、穩定預熱溫度100℃(試驗方案9)出現此問題。

經試驗確定適宜的預熱溫度：起始預熱溫度為104℃；穩定預熱溫度為100℃。懸臂試樣的翹曲變形率降至1.26%，較改進前降低80%，但是翹曲變形率依然相對較高，溫度場控制已達到瓶頸，需配合工藝支撐提高燒結層抗變形能力以減小翹曲變形。

取立位或仰臥位，左手放在頭后方，用右手檢查左乳房，手指要并攏，從乳房上方順時針逐漸移動檢查，按外上、外下、內下、內上、腋下順序，系統檢查有無腫塊。注意不要遺漏任何部位，不要用指尖壓或是擠捏。檢查完乳房后，用食指和中指輕輕擠壓乳頭，觀察是否有帶血的分泌物。通過檢查，如果發現腫塊或其他異常要及時到醫院做進一步檢查。

2.4 添加工藝支撐試驗

工藝支撐是SLS成形復雜結構零件必不可少的輔助部分，其體現在[15]：①承載和固定燒結件懸垂部分，防止制件下陷和滑移；②作為溫度場控制的輔助措施，傳遞懸臂結構中的熱量，抵抗熱應力變形，抑制翹曲變形。

以懸臂試樣為研究對象，依據懸臂試樣翹曲變形位置，確定支撐添加位置。其次，使用Magics軟件進行支撐設計，以預熱溫度控制試驗確定的最優參數進行懸臂試樣燒制，驗證改進效果。

支撐類型需根據零件結構特征、懸垂面的大小和角度及應用需求進行選擇，其中塊狀支撐的密度可以改變，能承受較強的拉應力，用于面積較大，懸垂部分較長結構，點支撐用于面積較小的特征結構，線支撐用于面積較窄的下表面，網狀支撐用于回轉體結構支撐，輪廓支撐則主要用于外輪廓結構。支撐與零件連接采用齒狀連接，該方式會顯著降低連接處強度，有利于支撐去除，減小對于制件破壞，提高制件表面質量。圖6(a)為工藝支撐添加界面，圖6(b)～圖6(f)為不同形式的支撐。

試樣翹曲變形位置出現在懸臂處，同時問題區域面積較大，故選擇塊狀支撐，連接處采用齒狀連接，支撐結構如圖6(g)和6(i)所示。

以起始預熱溫度104℃、穩定預熱溫度100℃燒制制件，懸臂試樣的翹曲變形率僅為0.5%，與方案9高預熱溫度抑制水平相當，但粉層未板結，后續清理、篩粉難度小，可見預熱溫度、支撐添加改進效果明顯，如圖6(i)所示。

圖6 支撐類型及改進效果對比Fig.6 Comparision of support type and optimization effect

3 產品驗證

將預熱溫度控制、添加工藝支撐試驗成果應用于一級泵葉輪產品，以驗證工藝改進效果。

采用激光三維掃描儀進行蠟模型面檢測(見圖7)，圖中深藍色部位為翹曲變形部位，主要出現在中柱、浮動環凸肩及下蓋板。

圖7 改進前模型三維掃描Fig.7 Three-dimensional laser scanning result before improvement

以蠟模型面檢測結果為參考，采用Magics軟件開展針對性的支撐設計，具體實施方案見圖8(a)，中柱、浮動環凸肩因翹曲變形面積較大，懸垂部分較長，選擇支撐性最好的塊狀支撐。而下蓋板翹曲變形區域小，僅出現在蓋板外側，為了便于支撐去除，選擇輪廓支撐，支撐與產品接觸部位均采用齒狀連接。

以預熱溫度控制試驗確定的最優工藝參數(起始預熱溫度104℃、穩定預熱溫度100℃)燒制蠟模，改進前后蠟模如圖8(b)和圖8(c)所示，其中黃色為修補蠟，表明此處翹曲變形量較大。對比圖8(b)和圖8(c)后可知，改進后，蠟模無須修型即可滿足設計要求。計算改進前后不同位置的翹曲變形率，如表5所示，中柱、浮動環凸肩及下蓋板翹曲變形率明顯降低，改進后翹曲變形率均值僅1.80%，較改進前降低82.5%，表明工藝支撐及預熱溫度措施起到良好的改進效果。

圖8 改進效果對比 Fig.8 Contrast of improvement effect

表5 工藝改進前后產品型面翹曲變形率對比Tab.5 Comparison of product warp distortion rate before and after process improvement

4 結論

1)分析了選擇性激光燒結過程翹曲變形的產生機理，確定了翹曲變形問題焦點，改進了預熱溫度控制及工藝支撐添加兩種翹曲變形抑制措施。

2)建立了懸臂結構的預熱溫度與翹曲變形率的二次多元回歸模型。

3)經產品驗證，翹曲變形率僅1.8%，較改進前降低82.5%，翹曲變形抑制效果明顯。