基于選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)成型工藝優(yōu)化研究

段亮亮 黨新安

摘要：利用UG二次開發(fā)工具Open/GRIP進(jìn)行了梯度多孔金屬材料的自動化建模，然后運用正交實驗法優(yōu)化出選區(qū)激光燒結(jié)梯度金屬多孔材料的最佳工藝參數(shù)，最后研究了選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)工藝參數(shù)對梯度多孔金屬材料性能和成型質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，優(yōu)化的最佳工藝參數(shù)成型出的制件質(zhì)量最好，表面光滑，孔徑大小與模型的要求相近，孔的分布較均勻，孔壁表面粗糙度小，孔隙率較高，相對透氣度也較大。

關(guān)鍵詞：選區(qū)激光燒結(jié)；梯度多孔金屬材料；工藝參數(shù)

中圖分類號：TG156.99???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A???????? 文章編號：1001-5922（2023）03-0110-04

Research? on? the? optimization? of molding? process based? on? selective? laser? sintering

DUAN Liangliang1，DANG Xinan2

（1.School of Continuing Education，Shaanxi Energy Institute，Xianyang 712000，Shaanxi China；

2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，Xianyang 712000，Shaanxi China）

Abstract： The UG secondary development tool Open/GRIP was used to carry out the automatic modeling of gradi- ent porous metal materials，and then the optimal process parameters of selective laser sintering gradient metal po- rous materials were optimized by orthogonal experimental method，and finally the influence of selective lasersinter- ing technology process parameters on the properties and forming quality of gradient porous metal materials was stud- ied. The result showed that the optimized process parameters formed the best part quality，smooth surface，similar? pore size to the requirements of the model，uniform distribution of holes，small surface roughness of the pore wall， high porosity and relatively large air permeability.

Key words： selective laser sintering；Gradient porous metal；process parameters

工業(yè)廢氣具有溫度高，含有很多的污染物和有毒氣體的特點，它不僅使得環(huán)境污染嚴(yán)重，也使人們的健康受到了威脅，因此要進(jìn)行除塵凈化處理[1-3]。在高溫氣體凈化技術(shù)中，燒結(jié)多孔金屬過濾器能對細(xì)小顆粒污染物進(jìn)行過濾，且具有耐高溫、耐腐蝕、高透氣性和高孔隙率的特點，而燒結(jié)梯度多孔金屬材料能滿足過濾要求的高精度、大流量特性[4-5]。我國對梯度多孔金屬材料的研究還處于一個初步階段，尤其是對梯度多孔金屬材料的制備技術(shù)的研究較少[6-8]。本文對選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)成型梯度金屬多孔材料的工藝進(jìn)行了研究，鑒于梯度多孔金屬材料的過濾性能對高溫氣體除塵的研究具有科學(xué)意義和實用價值[9-10]。

1? UG/open grip梯度多孔金屬材料模型的設(shè)計

梯度多孔金屬材料的過濾性能與材料的性能、梯度孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計是密切相關(guān)的[11]。因此，在進(jìn)行梯度孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計時要考慮到梯度孔結(jié)構(gòu)的強度、孔隙度、透氣性等因素。為了滿足梯度多孔金屬材料過濾要求的高精度、大流量特點，從孔的形狀、大小和分布方面進(jìn)行了梯度孔結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計［12-13]，具體如表1所示。

用UG二次開發(fā)工具open grip進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計實現(xiàn)梯度多孔金屬材料的自動化建模[14-16]，實體模型如圖1所示。

2? SLS成型梯度多孔金屬材料的實驗

2.1? 實驗材料及設(shè)備

本實驗材料選用-400目的水霧化316 L不銹鋼粉末作為燒結(jié)材料［17-18]，平均粒徑為13.6μm。

實驗設(shè)備采用的是華中科技大學(xué)-武漢濱湖機電產(chǎn)業(yè)有限公司HRPM-ⅡA快速成型系統(tǒng)，可成型空間為250 mm×250 mm×250 mm，為了解決金屬粉末在熔化過程中的氧化問題，采用了惰性氣體保護(hù)裝置，加工過程中可實現(xiàn)無人看管自動工作［19]。

2.2? 實驗方法

工藝參數(shù)對SLS成型梯度多孔金屬材料的質(zhì)量和性能的影響較大，為了有效的減少實驗次數(shù)，本文采用正交實驗的方法進(jìn)行實驗研究，主要研究激光功率、掃描速度、掃描方式、掃描間距和鋪粉層厚這幾個參數(shù)對梯度多孔金屬材料的孔隙率、最大孔徑和相對透過系數(shù)的影響規(guī)律，并且優(yōu)化出最佳工藝參數(shù)[20]。正交實驗水平因素表如表2所示，選用5因素4水平，共需要16組實驗。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 工藝參數(shù)對梯度多孔金屬材料的性能的影響

3.1.1 激光功率對性能指標(biāo)的影響

圖2為正交試驗極差分析工藝參數(shù)（激光功率、掃描速度、掃描方式、掃描間距、鋪粉層厚）對孔隙率的影響。

從圖2可以看出，孔隙率隨著激光功率的增加而減小，激光功率從80 W 增到95 W 時，孔隙率從15.70%下降到15.10%；隨著掃描速度的增加孔隙率從13.37%增到17.2%；掃描方式不同孔隙率也不同，在跳轉(zhuǎn)變向掃描和分區(qū)掃描方式獲得的孔隙率比較高，在分塊變向掃描和逐行掃描時孔隙率較低；隨著掃描間距的增加，孔隙率先增大后減小，掃描間距為0.05 mm時，孔隙率最大；孔隙率隨著鋪粉層厚的增大而下降，層厚為0.12 mm時，孔隙率最低。

圖3為正交試驗極差分析工藝參數(shù)對最大孔徑的影響。

從圖3可以看出，最大孔徑隨著激光功率的增加先增大后減小，當(dāng)激光功率為80 W時，制件孔徑最大為10.27“m；隨著掃描速度的增加最大孔徑呈現(xiàn)出一種先減小后增大的規(guī)律，當(dāng)掃描速度達(dá)到85 mm/s時，最大孔徑值最小；采用跳轉(zhuǎn)變向掃描和逐行掃描方式時制件的最大孔徑在10“m左右，而當(dāng)采用分區(qū)和分塊變向掃描方式時孔徑減小；最大孔徑隨著掃描間距的增加而減小；隨著鋪粉層厚的增加先增加后減小，最大可達(dá)10.63“m，當(dāng)層厚增加到0.12 mm時，由于粉層過厚不能充分熔化，會出現(xiàn)粘結(jié)的塊狀并向四周擴散，致使孔徑減小為9.79“m。

圖4為正交試驗極差分析工藝參數(shù)對最大透氣系數(shù)的影響。

從圖4可以看出，相對透氣系數(shù)隨著激光功率增加而減小；隨著掃描速度的增加而增加；跳轉(zhuǎn)變向掃描方式下的制件相對透氣系數(shù)最大達(dá)到25.34m3/（m2·h·kPa），逐行掃描方式最差相對透氣系數(shù)為20.92m3/（m2·h·kPa）；隨著掃描間距的增加而減小；隨著鋪粉層厚的增加先減小后增加，鋪粉層厚為0.07 mm時，相對透氣系數(shù)值最大為24.4 m3/（m2·h·kPa）。

3.1.2 工藝參數(shù)優(yōu)化因素

通過以上正交實驗極差值分析可知掃描速度和掃描間距是影響制件孔隙率和相對透氣系數(shù)的2個主要因素，激光功率對他們的影響最小，對孔徑的影響最大因素是掃描速度和鋪粉層厚。根據(jù)實驗結(jié)果和極差值分析綜合考慮，最終優(yōu)化的工藝參數(shù)為激光功率80 W，掃描速度80 mm/s，掃描方式為跳轉(zhuǎn)變向掃描，掃描間距0.05 mm，鋪粉層厚0.05 mm，得到試件的孔隙率為15.62%，最大孔徑為9.86“m，最大透氣系數(shù)為24.5 m3/（m2·h·kPa）。

3.2 工藝參數(shù)對梯度多孔金屬材料成型質(zhì)量的影響

3.2.1 工藝參數(shù)對表面微觀形貌的影響

圖5為在跳轉(zhuǎn)變向的掃描方式下，工藝參數(shù)發(fā)生變化時的梯度微孔上表面形貌圖。

圖5（a）的表面形貌相對較差，由于激光功率較低，粉末熔化不充分，熔池較小，液相的鋪展不易進(jìn)行，表面不光滑；圖5（c）與圖5（b）相比較，掃描速度較低時成型表面平整光滑，孔徑尺寸較小，甚至有些孔被堵塞，降低了孔隙率；圖5（d）孔徑較大，這是由于掃描間距較大，熔道搭接率小，金屬液不能完全填充整個燒結(jié)區(qū)域，會產(chǎn)生很多孔洞，導(dǎo)致致密度下降，孔隙率增加；圖5（e）的表面形貌質(zhì)量較差，這是由于鋪粉層越厚，粉末熔化不充分，不利于液相的鋪展，顆粒表面不光滑，凝固時燒結(jié)頸不能長大，導(dǎo)致孔隙率增大，梯度孔的孔徑和分布效果較差。

通過對圖5的分析可知，圖5（b）的梯度微孔表面形貌成型質(zhì)量最好，表面光滑，孔徑大小與模型的要求相近，孔分布均勻，孔隙率較高。

3.2.2 工藝參數(shù)對孔成型質(zhì)量的影響

圖6是在跳轉(zhuǎn)變向的掃描方式下，工藝參數(shù)發(fā)生變化的情況下成型的梯度微孔上表面孔的形貌圖。圖6（a）中孔的尺寸較大，形狀不規(guī)則，孔隙率較大，這是因為激光功率小，液相潤濕固相的能力差，不利于在燒結(jié)頸上的沉析，孔隙不易球化和縮小；而圖6（b）孔的成型質(zhì)量較好，孔的大小與要求接近，孔形規(guī)則接近球化，孔隙分布較均勻，貫通性較好；圖6（c）和（b）相比較可以看出，速度較低時成型的孔徑較小，甚至有些被堵塞，孔隙率低，透氣性就會下降，且孔壁上有很多球化顆粒，表面較粗糙；圖6（d）是掃描間距為0.07 mm時的孔隙形貌圖，發(fā)現(xiàn)孔的形狀不規(guī)則，孔徑較大，分布不均且孔隙率較高，孔內(nèi)壁表面不光滑；與圖6（b）相比較，可以看出圖6（e）的孔徑較大，形狀不規(guī)則，孔分布不均勻，孔隙較大，孔隙形貌質(zhì)量較差，這是由于鋪粉層厚粉末熔化不充分，不利于液相的鋪展，表面不光滑，孔隙率增大。

通過對圖6的孔隙形貌分析可知，圖6（b）的梯度微孔孔隙形貌成型質(zhì)量最好，孔徑大小與要求接近，孔的分布比較均勻，孔隙率較高，貫通性良好，孔的內(nèi)壁表面光滑。

4結(jié)語

本文基于UG二次開發(fā)工具Open GRIP實現(xiàn)梯度微孔參數(shù)化建模，在此基礎(chǔ)上以不銹鋼粉末為原料，對選區(qū)激光燒結(jié)梯度金屬多孔材料的工藝進(jìn)行研究，分析工藝參數(shù)對燒結(jié)的制件的孔隙率和過濾性能的影響規(guī)律。運用正交實驗法優(yōu)化出最佳工藝參數(shù)為激光功率80 W，掃描速度75 mm/s，掃描路徑為分區(qū)掃描，鋪粉層厚為0.07 mm，掃描間距為0.04 mm。

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