選區激光燒結技術的成形空間穩定性研究

黃潔，鄭凱特，王磊，孫麗娟，劉洋洋

(上海飛機制造有限公司，上海 201324)

0 引言

選區激光燒結(selective laser sintering，SLS)是一種基于粉末床的激光增材制造技術，具有制造流程短、材料利用率高、可成形任何復雜結構零件等特點。選區激光燒結成形過程中不同位置溫度差異會導致打印件彎曲和扭轉變形，溫差越大，零件尺寸偏差越大[1-5]。HOFLAND E C等[6]研究了工藝參數對SLS成形件性能的影響，SENTHILKUMARAN K等[7]分析了SLS成形方式對成形件精度的影響。由于溫度不均勻導致不同位置收縮的順序和收縮量不同而造成成形件的畸變或翹曲[8-9]。通過研究因溫度不均勻導致不同空間位置力學性能的影響規律，開展空間穩定性試驗，研究試樣在二維空間位置、三維空間位置性能差異及相應不同空間區域中試樣擺放方向(xy、xz和yz)對力學性能差異的影響規律，并得出最優的成型空間位置。

1 試驗參數

本試驗所用尼龍PA2200(平均粒徑<60μm)尼龍粉末原材料，材料類型為尼龍12。粉末批次號：9012-0014，試驗工藝參數窗口為：激光功率17～25W、溫度171 ℃～173 ℃、掃描間距0.25～0.50mm、掃描速度2 000～3 000mm/s。

1.1 試驗裝置

試驗設備使用EOS P110選區激光燒結設備，最大成形尺寸(寬×深×高)200mm×250mm×300mm，30W二氧化碳激光器，如圖1所示。

圖1 選區激光燒結設備及成型原理

1.2 試驗方法

選擇拉伸試樣模型如圖2所示。

圖2 拉伸試樣模型

根據ASTM D638規范，選擇Type V型試樣。即W=(3.18±0.5)mm，L=(9.53±0.5)mm，W0=(9.533.18)mm，L0=63.5mm，G=(7.62±0.25)mm，D=(25.4±5)mm，T=(3.2±0.4)mm。

為研究成形空間中區域位置對拉伸性能的影響，將成形艙空間分為三層，自下而上分別為第一層、第二層及第三層。每層分為5區域，每個區域內設置xz、xy及yz3種不同擺放方向試樣各3片。每組試樣使用進行試驗，每次試驗135根試樣，共做3次試驗，如圖3所示。

圖3 拉伸試樣空間位置

2 實驗分析

為研究成形空間中不同位置對力學性能的影響，對整體試樣的拉伸強度平均值、標準偏差及CV值及整體拉伸強度平均值、標準偏差及CV值性能計算[9-12]，得出總體試樣的數值。試驗總試驗試樣為i=135，對135件拉伸試件進行拉伸測試得出相應的結果，如表1所示。

表1 試驗數據

從表1中可以看出，總體試件拉伸強度平均值為43.66MPa，標準偏差值為1.62，變異系數CV值為3.71%。

對試樣進行空間拉伸性能分布，如圖4所示。從圖中可以看出，成形艙中心位置的拉伸件的拉伸強度在43～47MPa區域范圍內，成形艙四周位置的拉伸件的拉伸強度在40～44MPa區域范圍內。可以得出成形中心位置成形件強度優于四周成形件強度。

圖4 選區激光燒結設備空間拉伸性能分布

3 驗證試驗

為進一步研究二維空間位置、三維空間位置及試樣擺放方向對零件力學性能的影響，設計驗證試驗，并對數據進行分析。

3.1 二維空間位置對拉伸性能的影響

為進一步研究二維空間位置對零件力學性能的影響，分別對成形空間三層中每一層進行分析，自下而上分別為第一層、第二層及第三層，如圖5及表2所示。

圖5 二維空間位置對拉伸性能的影響

表2 區域試驗數據

從圖5及表2可以看出，1-5區域內，xy、xz及yz方向試樣在成形中心位置區域的3區域的拉伸強度為44.04MPa，最優；3區域及5區域的數據離散程度較其他區域低。綜上表明，在二維空間位置中，中心位置試樣力學性能最佳，為44.04MPa，并向四周逐步減小。中心3區域位置為二維空間中最優成形區域，變異系數為2.04%。

3.2 三維空間位置對拉伸性能的影響

三維空間位置對成形件拉伸性能的影響如圖6、表3所示。

圖6 三維空間位置對拉伸性能的影響

表3 三層試驗數據

從圖8可以看出，隨著層數增加，試樣拉伸強度遞減；從表3可以看出，在三維空間位置中，第一層位置試樣力學性能最佳，為43.87MPa，并沿z軸方向自下而上減少，第一層為三維空間中最優成形區域，變異系數為2.45%。

3.3 試樣擺放方向對拉伸性能的影響

為了進一步研究成形空間中不同位置、試件不同擺放方向對力學性能的影響，分別計算xy、xz及yz不同擺放方向的平均值、標準偏差和CV值及整體拉伸強度平均值、標準偏差及CV值，計算結果如表4所示。

表4 層試驗數據

從表4計算數據可以看出，xy、xz方向擺放試樣的變異系數數值小于yz方向擺放試樣的試樣變異系數。xz方向試樣力學性能為最佳，為43.69MPa，變異系數為2.98%。

4 結語

為研究因溫度不均勻導致不同空間位置力學性能的影響規律，開展空間穩定性試驗，研究試樣在二維空間位置、三維空間位置性能差異及相應不同空間區域中試樣擺放方向(xy、xz和yz)對力學性能差異的影響規律，得出如下結論：

1)成形空間拉伸試件拉伸強度平均值為43.66MPa，變異系數為3.71%；

2)在二維空間位置中，中心位置試樣力學性能最佳，為44.04MPa，并逐步向四周減小。中心3區域位置為二維空間中最優成形區域，變異系數為2.04%；

在三維空間位置中，第一層位置試樣力學性能最佳，為43.87MPa，并沿z軸方向自下而上減少，第一層為三維空間中最優成形區域，變異系數為2.45%；

4)xy方向及xz方向擺放試樣的成形穩定性優于yz擺放位置的試樣，xz方向試樣力學性能為最佳，為43.69MPa，變異系數為2.98%。