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快速成型制造中的工艺参数设置 |
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作者：俞经虎 曲萍 |
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引 言
选择性激光烧结快速自动成型（SLS—Rapid Prototyping）技术是先进制造技术的重要组成部分，它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代技术成果。与传统制造方法不同，快速成型制造从零件的CAD模型出发，通过软件分层和数控成型系统，用激光束或其它方法将材料堆积而形成实体零件。即将复杂的三维制造转化成一系列的二维制造的叠加，因而可以在不用模具和传统刀具的条件下生成几乎任意形状的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。虽然由于成型材料的不同，成型件的强度和精度较低，很难直接作为最终零件或模具使用，但可以作为样件或模具的母模使用。当然直接制造模具的快速成型设备也有了初步的发展，本文重点讲述的是快速成型制造模具母模的技术。快速成型制模技术可以大大降低制模的成本，缩短模具的制造周期，增强产品的市场竞争力。目前该技术已经广泛应用于航空航天、汽车摩托车、科学研究、医疗、家电等领域。
1 SLS原理
快速成型技术根据成型材料的不同可以分为立体印刷成型（热固性光敏材料）、选择性激光烧结（石蜡、金属、陶瓷粉末）、熔融沉积造型（石蜡、塑料、低熔点金属）和分层实体制造（纸、金属带、塑料膜）。本文介绍的是选择性激光烧结成型，用于成型加工的机器是从北京隆源购进的AFS320快速成型机。选择性激光烧结成型的原理是首先生成一个产品的三维CAD模型或曲面模型文件，将其转换成STL格式，再从STL文件“切”出设定厚度的一系列片层，或者直接从CAD文件切出一系列的片层，这些片层按次序累积起来便是所涉及零件的形状。如图1所示，整个成型过程是在成型活塞筒内完成。在成型活塞筒的一侧有一个供粉活塞筒。成型步骤如下：
图1 AFS320快速成型机原理
首先，供粉活塞上移一定量。铺粉滚轮将粉末（PSB）均匀地铺在加工平面上。激光器发出激光，计算机控制激光器的开关及扫描器的角度，使得激光束以一定的速度和能量密度在加工平面上扫描。激光器的开与关以及扫描器的角度是与待成型的零件的片层的第一层信息相关。激光束扫过之处，粉末烧结成一定厚度的片层，未扫过的地方仍然是松散的粉末，这样零件的第一层就制造出来了。这时，成型活塞下移一定距离，这个距离等于待成型零件的切片厚度，而供粉活塞上移一定量（上移的量与模型的切出的片层厚度有关，一般是略大于片层厚度）。铺粉滚轮再次将粉末铺平后，激光束依照零件的片层的第二层信息加工。激光扫过之后，所形成的第二个片层也烧结在第一层上，如此反复，一个三维实体就叠加制造出来了。
2 成型零件数据处理
成型零件要经过数据转换与处理。处理的软件分别有：三维CAD造型软件（如PRO/E、SolidWorks、SolidEdge或UG等）、数据转换与处理软件（MAGIC9.0）和监控软件（AFSWin）。造型软件都是市场上已有的，主要负责成型零件的几何造型，然后将创建的零件模型输出为STL格式。数据转换与处理软件MAGIC9.0打开STL文件，并进行一些数据处理与参数设置。
2.1 模型修补与缩放处理
因为各种三维造型软件都有自己的数据格式，三维造型软件创建的模型需要进行格式转换导出为STL格式，因此有可能会造成部分数据的丢失，MAG-IC9.0打开STL格式的模型文件时要进行检查，如发现模型中有错误或存在面的缺损，则需要进行错误修复与模型修补。因为零件是在高温下烧结成型的，成型以后回到常温下，零件都有一个收缩，因此，为了抵消这种收缩，一般是根据材料的不同进行模型放大补偿，一般沿Z向放大1.005。而根据成型以后的零件所作的用途还要给CAD模型作另外的缩放处理。例如用石腊作为成型材料做消失模。如果消失模是用来铸造铝件，那么要CAD模型整体放大1%，如果消失模是用来铸造钢件，那么要给CAD模型整体放大2%。根据模具铸造材料的不同选择不同的缩放比例。
2.2 模型放置与添加零件支撑
为了防止成型过程中零件的翘曲变形，需要给零件添加支撑。AFS（快速成型系统）提供了两种支撑方法，一种是网格支撑，一种是基于切片和零件形状的支撑。因为支撑只是在零件烧结成型的过程中防止零件翘曲变形，零件成型以后，支撑是需要去除的，因此支撑再烧结温度要小于零件的烧结温度。也就是激光束在扫描经过支撑的时候，激光器的功率要降低，扫描密度要降低，扫描线宽要增大。这样，支撑的烧结强度就低，成型以后很容易去除。如图2所示，成型零件是一个吸尘器的封盖，当封盖模型经过缩放处理后就可以添加支撑了，涂颜色的部分即是添加的支撑。添加支撑的原则是对那些悬掉点、下棱线、倾斜角度过大的表面三种结构需要加支撑。因此在放置模型时就应该考虑到支撑的放置问题。一般对表面质量要求较高的面最好放置为顶面，特别是对于细小凸起，如图2所示的箭头标志，更要放置在顶面；同时，如果凸起的尺寸太小，需要对凸起高度进行一定比例的放大。对于细长的悬臂类结构件最好横放，竖放难以保证悬臂的直线度。为了提高扫描的效率，一般应考虑将尺寸较大的边横放，减少扫描的层数，缩短加工时间。
图2 添加支撑
2.3 切片参数设置
模型经过修补、放大补偿并添加过支撑以后就可以进行切片处理了。要设置切片处理的参数，其中主要需要用户设置的是层厚和刀具补偿。层厚的设置主要根据精度要求。不过一般不能超过0.4mm。这里的刀具指的是激光束，根据激光束品质的不同，在烧结零件外轮廓时，激光束成型的并不是理论上的一条线，因此需要进行刀具补偿，蜡件刀具补偿为零，塑料件刀具补偿为0.15mm，支撑的刀具补偿为-2mm。零件和支撑要分别进行切片处理，因为它们的扫描参数是不一样的。对于零件来说，一般选择扫描线宽为0.15mm，即激光束扫描轨迹之间的间隔。支撑一般是0.8mm。扫描线宽太大，不容易烧结成型，扫描线宽太小，容易导致烧结区温度过高，导致支撑强度大，不容易取出。
2.4 输出切片文件
将经过Magic软件处理过的成型件的CAD模型导出（零件与支撑分别导出），导出格式为*.cil。然后用专门进行切片处理的系统Arps对零件与支撑进行切片处理，输出的是CAD模型每一层的信息。导出格式为*.cil。在作切片处理时要先设置处理参数，如图3所示，扫描参数有：
图3 切片参数设置
（1）扫描轮廓参数设置包括：1）先扫描轮廓：在输出的AFI文件中，先进性轮廓扫描，再进行填充扫描；2）后扫描轮廓：在输出的AFI文件中，先进行填充扫描，再进行轮廓扫描。
（2）扫描方向参数设置包括：1）X方向，即扫描线平行于X轴；2）X、Y方向交替，即扫描线方向在平行于X坐标轴和平行于Y坐标轴两个方向上交替使用。
（3）优化原则参数设置：从切片上的扫描区域的拓扑结构来看，整个扫描区域是由若干个平面连通域所组成。在光栅式扫描的过程中，可能会出现频繁地从一个连通域跳到另一个连通域，实际上这样的空跳只需一次就可以了，解决的办法是将整个扫描区域按照连通域的边界分解成若干个子扫描区域，这样，逐个扫描子扫描区域，在一个子扫描填充扫描结束后，才跳到下一个扫描区域。如图4所示，整个扫描区域分为里面的小正方形区域和外面的ABCD组成的连通区域。而在一个子扫描区域内的扫描路径优化可采取几种方法：轨迹点的就近原则；广度优先原则；深度优先原则；深度广度混合原则；如图4所示，外面的连通区域划分成更小的A、B、C、D四个子连通区域。在一个子连通区域扫描结束时，根据优化原则的不同，跳向的另一个子连通区域也有所不同。选择广度优先原则（X方向）时，扫描顺序是A-B-C-D；选择深度优先原则时，扫描顺序是A-B-D-C。根据子扫描区域的划分情况可以选择不同的优化原则。
图4 扫描路径优化
3 成型加工及参数设置
经过ARPS处理后的切片文件以AFI格式保存下来，快速成型机配有控制系统AFSwin。AFSwin读入AFI切片文件。根据成型零件的尺寸大小，成型缸内一次可以成型多个零件，也就是说AFSwin一次可以读入多个成型零件的AFI切片文件，并将它们在成型缸内进行合理的排列。下一步工作就是进行参数设置，需要设置的参数主要有：
（1）铺粉参数，即加工参数，它包括成型缸下降距离、料缸上升距离、铺粉电机和滚轮电机的速度4个参数。该4个参数决定了铺粉的平整及速度。而这些又对成型质量和效率有较大的影响。成型缸下降的距离等于切片的厚度，而料缸上升的距离要略大于成型缸下降的距离。
（2）加热温度参数。成型缸上部装有加热器，并由温控表控制粉末表面温度，加热的作用是减小成型过程中的变形、节省激光能量。加热温度的设定和调节是根据材料的不同而异。对于PSB粉末，其加工时的粉末表面温度为98-102摄氏度。为了防止零件变形，一般成型件底部的温度要高于此值20摄氏度左右，也就是120摄氏度左右。具体办法是当红外测温仪测得成型缸表面的粉末温度达到120摄氏度时就可以进行烧结。然后在前25层烧结成型过程中，要逐渐降低加热温度的值，也就是逐渐降低加热器的功率。目的是使成型缸粉的表面温度恒定在98-120摄氏度成型所需的温度范围内。因为刚开始激光器烧结粉末，在成型缸内热积累较少，因此加热器需要大功率加热。经过一定层数的激光烧结以后，成型缸内具备了一定的热积累，因此加热器功率减小，这样可以保证成型件上下成型时的温度恒定，有利于防止底部热变形，提高成型质量。成型过程中与加热温度相关的问题有：1）边角部位翘曲，零件变形：这是由于成型过程中粉末的加热温度过低，激光扫过后，材料的内应力使烧结区翘曲变形。2）粉末板结严重，增加后处理中清粉的难度：这是烧结过程中，粉末的加热温度过高，再加上激光器扫描时的热积累，使得未烧结区的粉末也因为温度高而粘结在一起，难于从零件中清除。3）在烧结过程中观察不到变形，但取出零件后底部变形：这是由于粉末的加热温度过高，当然也有可能是激光器的扫描能量过高，造成热积累。使底部烧结区出现增大现象。4）应垂直的边界出现倾斜：这是由于各层的收缩程度不一样，收缩程度也和加热温度直接相关。适当提高粉末的加热温度可以解决这个问题。
（3）扫描速度和激光功率参数。扫描速度和激光功率对烧结零件的强度和变形量精度有较大的影响。扫描速度大，则加工速度快，但成型零件的精度、强度会降低。激光功率的大小影响成型零件的强度和变形，激光功率高，成型零件强度高，但过高会引起烧结过程中的变形。一般设置为10-20W。激光功率包括扫描零件的激光功率和扫描支撑的激光功率。扫描支撑的激光功率一般比扫描零件的激光功率大10W左右。因为支撑的扫描线宽很大，激光功率过小不易烧结成型。成型过程中与加热温度相关的问题有：1）成型零件在后处理过程中薄壁处易损坏：这是由于激光器的扫描功率过低，使得层间的粘接程度降低。2）结构不同处侧壁变形：这是由于烧结区域的变化，造成收缩的不一致，这和过高的激光功率以及过低的粉末加热温度有关。3）底部变形等。
（4）扫描参数。是指激光器的扫描参数，用来设置扫描器的扫描速度及空跳速度。扫描速度是激光打开情况下扫描头的运动速度，空跳速度是激光关闭情况下扫描头的运动速度。同时还可以为零件内部扫描和轮廓扫描设置不同的扫描速度及空跳速度。
4 总 结
对于选择性激光烧结快速自动成型来说，其加工工艺、加工参数设置随着成型机器类型、成型材料、成型件结构尺寸的不同而不同。本文针对AFS320成型机在PSB粉末成型时，从加工工艺参数设置上提出了提高成型质量的方法。但PSB粉末直接成型的零件强度低、韧性差，容易遭破坏，因此还需要经过清粉、浸胶（浸入树脂）、烘干、抛光等后处理工序方能应用于产品装配、干涉检验、性能测试，从而验证设计零件的结构合理性、制造工艺的可行性及外观的美观性。成型件配合一台注塑机也可应用于制造模板、模样、型芯等模具制造，大大缩短产品的开发周期。(end)
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(3/22/2008) |
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