覆膜砂多孔結(jié)構(gòu)激光3D打印成形精度實驗研究

作者簡介：鄭秋健（1996-11），男，碩士研究生，主要研究方向：數(shù)字化成形與3D打印技術(shù)研究。E-mail:zhengqiujian163@163.com通訊作者：姚山（1966-01），男，碩士，教授，博士生導師，主要研究方向：增材制造、數(shù)字化成形、建模仿真。E-mail:yaoshan@，通訊地址：遼寧省大連市甘井子區(qū)大連理工大學鑄造中心覆膜砂多孔結(jié)構(gòu)激光3D打印成形精度實驗研究鄭秋健，姚山（大連理工大學材料科學與工程學院，遼寧大連116023）摘要：以激光功率、掃描速度、掃描間距、層厚、層間冷卻時間等工藝參數(shù)為主要因素，進行了覆膜砂多孔結(jié)構(gòu)成形工藝正交試驗。研究了工藝參數(shù)對砂面溫度以及蜂窩、G曲面、W點陣等3種多孔結(jié)構(gòu)成形件精度的影響。結(jié)果表明：砂面溫度受熱積累作用而逐層升高，不同高度處成形尺寸會因此產(chǎn)生差異，其中層間冷卻時間對砂面溫度影響最大；多孔結(jié)構(gòu)孔隙越小，分布越密集，越容易產(chǎn)生次級燒結(jié)現(xiàn)象。層間冷卻時間對蜂窩結(jié)構(gòu)和W點陣結(jié)構(gòu)的尺寸精度影響最大，激光功率對G曲面結(jié)構(gòu)的尺寸精度影響最大。關鍵詞：選擇性激光燒結(jié)；覆膜砂；多孔結(jié)構(gòu)；精度中圖分類號：TG242文獻標識碼：AExperimentalResearchontheLaser3DPrintingFormingAccuracyofthePorousStructureofCoatedSandZHENGQiu-jian,YAOShan（SchoolofMaterialScienceandEngineering，DalianUniversityofTechnology，DalianLiaoning116023，China）Abstract:Takingthelaserpower,scanningspeed,scanningdistance,layerthicknessandinterlayercoolingtimeasthemainfactors,theorthogonaltestoftheformingprocessoftheporousstructureofthecoatedsandwascarriedout.Theeffectsofprocessparametersonthetemperatureofthesandsurface,andtheaccuracyofthreekindsofporousstructuressuchashoneycomb,Gsurface,andWlatticearestudied.Theresultsshowthatthetemperatureofthesandsurfaceisheateduplayerbylayerduetotheaccumulationofheat,andtheformingsizeatdifferentheightswillvaryaccordingly.Amongtheprocessparameters,theinterlayercoolingtimehasthegreatestinfluenceonthetemperatureofthesandsurface;Thesmallertheporesoftheporousstructure,thedenserthedistribution,theeasieritistocausesecondarysintering.Amongtheprocessparameters,theinterlayercoolingtimehasthegreatestinfluenceonthedimensionalaccuracyofthehoneycombstructureandtheWlatticestructure,andthelaserpowerhasthegreatestinfluenceonthedimensionalaccuracyoftheGcurvedsurfacestructure.Keywords:selectivelasersintering;coatedsand;porousstructure;accuracy1引言選擇性激光燒結(jié)(SLS)是一種基于“離散/堆積”原理，以激光束定向燒結(jié)粉體材料使粉末熔融凝結(jié)的快速成形技術(shù)REF_Ref99885373\r\h[1]。將其與鑄造相結(jié)合，可以不受鑄件的形狀限制，實現(xiàn)砂型/砂芯的無模一體化成形，極大提高生產(chǎn)效率和鑄造柔性REF_Ref99885393\r\h[2-3]。SLS常用材料有覆膜砂、精鑄蠟粉、陶瓷、聚合物等，其中覆膜砂以其獨特的固化特性和優(yōu)異的鑄造性能而被廣泛用作SLS成形鑄型的材料REF_Ref99885425\r\h[4-6]。高柔性的SLS同樣為砂型的結(jié)構(gòu)設計提供更高的靈活性，鏤空、多孔夾層、精鑄型殼等砂型相比傳統(tǒng)實心砂型，不僅可以提高打印效率，減少物料人工成本，還可以實現(xiàn)對鑄件冷卻過程的閉環(huán)控制，獲得期望的鑄件性能REF_Ref99885440\r\h[7-8]。此外還可以利用SLS打印多孔結(jié)構(gòu)原模，間接澆注成形多孔金屬件REF_Ref99885459\r\h[9]。當前針對SLS成形件精度研究主要集中在實心體模型上，精度誤差一般由機械誤差、模型誤差和工藝誤差所構(gòu)成REF_Ref99885493\r\h[10]，主要缺陷有翹曲變形、燒結(jié)收縮、次級燒結(jié)和Z軸盈余等現(xiàn)象REF_Ref99885504\r\h[11-15]。覆膜砂在激光燒結(jié)過程中常伴隨次級燒結(jié)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象對多孔結(jié)構(gòu)成形的破壞相比實心體更為嚴重。因此本文基于自主研發(fā)的SLS實驗平臺進行覆膜砂多孔結(jié)構(gòu)的成形工藝實驗，研究工藝參數(shù)對砂面溫度和不同多孔結(jié)構(gòu)成形精度的影響。2實驗研究2.1實驗設備及材料實驗設備采用自主搭建的SLS成形實驗平臺，有效打印尺寸為200mm×200mm×60mm，激光器為MFSC-500W連續(xù)光纖激光器，最大輸出功率為500W，振鏡最大掃描速率為4000mm·s-1，成形層厚度為0.1~0.5mm。實驗材料為大連三本鑄造有限公司所生產(chǎn)的覆膜寶珠砂，粒徑為70~140目。基體材料為寶珠砂又名電熔陶粒，顆粒呈球形，角形系數(shù)≤1.1，具有熱膨脹系數(shù)小、流動性好、熱導率大和耐火度高等諸多優(yōu)點REF_Ref99887753\r\h[16]。覆膜材料為高強度熱塑性酚醛樹脂，質(zhì)量為寶珠砂的2%。對覆膜寶珠砂差熱分析結(jié)果顯示，樹脂軟化溫度為90.5℃左右，固化溫度為151.5℃左右REF_Ref99887541\r\h[15]。2.2實驗方法SLS成形是主要由粉體鋪設，激光能量輸入，粉末聚結(jié)冷卻三個子過程構(gòu)成的循環(huán)體系，每一子過程下的粉體狀態(tài)都取決于諸多參數(shù)，并影響著最終成形件的質(zhì)量REF_Ref99885917\r\h[18]。在粉體鋪設階段，主要參數(shù)有粉末的粒度分布和顆粒形狀、鋪粉速度、鋪粉層厚等，會影響成形件的致密度、表面粗糙度和尺寸精度等；在激光能量輸入階段，主要參數(shù)有粉末特性參數(shù)（如熱轉(zhuǎn)變溫度、熱導率、熱容和激光吸收率等），激光作用參數(shù)（如激光類型和波長，激光功率、掃描速度、掃描間距、掃描軌跡和光斑大小等），會直接影響粉床的熱量分布和粉末的聚結(jié)過程，對成形件的性能和尺寸精度至關重要；在粉末聚結(jié)冷卻階段，主要參數(shù)有粉末的流變特性、潛熱和表面能、層間冷卻速度、冷卻時間、制件在粉床中的位置和其擺放方向等，該階段主要影響制件的收縮和性能的各向異性。在激光燒結(jié)時，覆膜砂粉床難以像結(jié)晶或半結(jié)晶類材料在潛熱作用下可以形成清晰的激光燒結(jié)輪廓，而是在較寬的溫度區(qū)間內(nèi)分別形成固化區(qū)和軟化區(qū)，這使得成形精細的覆膜砂多孔結(jié)構(gòu)更具有挑戰(zhàn)性。由于SLS成形可控參數(shù)很多，因此需要對實驗參數(shù)進行簡化，其中激光功率，掃描速度，掃描間距，層厚等參數(shù)常被用作SLS實驗研究的對象REF_Ref99887825\r\h[12-13]。此外在相同工藝參數(shù)下，更小的成形幅面往往單層成形時間和鋪粉時間也更短，為了防止砂面的熱量堆積過度，在單層打印完后需要停留一定時間。在覆膜砂多孔結(jié)構(gòu)成形過程中，過短的冷卻時間會使非成形區(qū)域在熱歷史影響下達到樹脂軟化溫度，形成軟化粘結(jié)，嚴重情況下則會使孔洞封閉，造成無法清砂和對設計形狀的根本破壞；冷卻時間過長，一方面會嚴重影響成形效率，另一方面會增加激光燒結(jié)區(qū)周圍的溫度梯度，增加翹曲變形風險，還會影響樹脂固化效果，降低成形件強度。因此通過調(diào)整工藝參數(shù)來控制粉床溫度對于覆膜砂多孔結(jié)構(gòu)的成形尤為重要。本文以不同的激光功率（因素A），掃描速度（因素B），掃描間距（因素C），層厚（因素D），層間冷卻時間（因素E）在室溫環(huán)境下進行精度測試件成形正交實驗，研究上述工藝參數(shù)對砂面溫度和多孔結(jié)構(gòu)尺寸精度的影響。正交實驗方案表如REF_Ref99887728\h表1所示。表SEQ表\*ARABIC1正交實驗方案表組號激光功率/W掃描速度/mm·s-1掃描間距/mm層厚/mm層間冷卻時間/s1300（A1）2600（B1）1.1（C1）0.35（D1）20（E1）2300（A1）2800（B2）1.2（C2）0.30（D2）15（E2）3300（A1）3000（B3）1.3（C3）0.25（D3）10（E3）4300（A1）3200（B4）1.4（C4）0.20（D4）5（E4）5340（A2）2600（B1）1.2（C2）0.25（D3）5（E4）6340（A2）2800（B2）1.1（C1）0.20（D4）10（E3）7340（A2）3000（B3）1.4（C4）0.35（D1）15（E2）8340（A2）3200（B4）1.3（C3）0.30（D2）20（E1）9380（A3）2600（B1）1.3（C3）0.20（D4）15（E2）10380（A3）2800（B2）1.4（C4）0.25（D3）20（E1）11380（A3）3000（B3）1.1（C1）0.30（D2）5（E4）12380（A3）3200（B4）1.2（C2）0.35（D1）10（E3）13420（A4）2600（B1）1.4（C4）0.30（D2）10（E3）14420（A4）2800（B2）1.3（C3）0.35（D1）5（E4）15420（A4）3000（B3）1.2（C2）0.20（D4）20（E1）16420（A4）3200（B4）1.1（C1）0.25（D3）15（E2）2.3測試方法砂面溫度測試：所測砂面溫度是指粉床表面的多孔結(jié)構(gòu)加工區(qū)域，在即將被激光掃描燒結(jié)時所對應的最高溫度。該溫度是砂床熱歷史的作用結(jié)果，反過來又會影響新一層的燒結(jié)效果。使用DT-980紅外熱像儀置于砂面上部，每隔一定層數(shù)進行測量和記錄。精度測試模型為依據(jù)當前多孔結(jié)構(gòu)常用設計方法所繪制的三種夾層板結(jié)構(gòu)REF_Ref99885917\r\h[18-19]，如圖1所示。根據(jù)孔隙的分布特點，REF_Ref99887867\h圖1（a）為基于CAD繪制的蜂窩結(jié)構(gòu)，孔洞只在單方向聯(lián)通，是截面圖形完全相同的拉伸體結(jié)構(gòu)，最小孔隙尺寸約為6.1mm；REF_Ref99887867\h圖1（b）是基于極小曲面設計方法的G曲面結(jié)構(gòu)，內(nèi)部孔洞完全聯(lián)通，孔隙形狀更加復雜；REF_Ref99887867\h圖1（c）是基于晶胞陣列的W點陣結(jié)構(gòu)，主要由周期性的支桿組合而成，最小孔隙尺寸約為4.4mm，孔隙排布相比前兩種更加密集。三種結(jié)構(gòu)模型尺寸均為50mm×50mm×50mm，兩側(cè)板厚分別為10mm和8mm，多孔區(qū)域設計壁厚值為5mm，整體孔隙率為30%。圖SEQ圖\*ARABIC1實驗模型。(a)蜂窩結(jié)構(gòu)；(b)G曲面結(jié)構(gòu)；(c)W點陣結(jié)構(gòu)即使在同種結(jié)構(gòu)中，不同位置的成形溫度場也會有所不同，會引起一定的尺寸差異，為了便于測量內(nèi)部成形尺寸精度，將模型Z軸方向的中間位置進行斷層處理，上下兩部分的間隔為1mm，如REF_Ref99887867\h圖1中所示。使用游標卡尺測量各模型中間和頂部水平方向的多孔區(qū)域壁厚成形尺寸，如REF_Ref99887867\h圖1中D1~D3標注所示。參考GB/T39329-2020增材制造精度檢驗方法，計算多孔區(qū)域壁厚成形尺寸標準誤差，用標準誤差來表示工藝的成形精度。計算方法如公式（1）所示。QUOTESE=i=1n?Xi-X02n QUOTESE=i=1n?Xi-X02式中SE為標準誤差，mm，其值越小則代表成形精度越高；Xi為多孔結(jié)構(gòu)的壁厚測量尺寸，mm；X0為模型特征設計尺寸，mm，計算時值為5mm；n為測量尺寸數(shù)量，文中為每種結(jié)構(gòu)的中間和頂部的位置測量尺寸數(shù)量總數(shù)，中間和頂部取值數(shù)量相同。3實驗結(jié)果與分析3.1工藝參數(shù)對砂面溫度的影響圖SEQ圖\*ARABIC2砂面溫度隨層數(shù)變化曲線各實驗組砂面溫度隨層數(shù)的變化趨勢基本一致，以實驗12的砂面溫度變化曲線為例，如REF_Ref99898712\h圖2所示，初始砂面溫度為室溫，隨著成形層數(shù)的增加，在熱積累作用下砂面熱迅速升高，同時砂面散熱速度也在逐漸加快；在26層左右，砂面吸熱和散熱過程趨于平衡，開始緩慢升溫；在71~74層，對模型進行了斷層處理，因此沒有新熱量輸入，砂面溫度快速下降；隨后激光恢復燒結(jié)過程，粉床內(nèi)部熱量也逐漸擴散到砂面，使得砂面溫度很快回到緩慢升溫的狀態(tài)。圖SEQ圖\*ARABIC3砂面溫度與五因素關系圖為了便于分析工藝參數(shù)對砂面溫度的影響，以最后5層的砂面溫度平均值作為分析對象。砂面溫度極差分析結(jié)果如REF_Ref99898701\h圖3所示，在單一變量情況下，隨著激光功率的增加，粉床所攝入的能量也會增加，從而使得砂面溫度升高；隨著掃描速度和掃描間距的增加，激光作用在粉床上的時間減少，粉床所攝入的能量隨之減小，砂面溫度降低；隨著層厚的增加，總層數(shù)減小，成形過程中所攝入的總能量減少，砂面溫度降低；隨著層間冷卻時間的增加，粉床熱量散失更多，砂面溫度降低。從各因素極差來看，冷卻時間對砂面溫度影響最大，其次分別為層厚、掃描速度、激光功率、掃描間距。因此合適的冷卻時間或是冷卻速度對實現(xiàn)砂面溫度的有效控制尤為重要。3.2工藝參數(shù)對多孔區(qū)域壁厚成形精度的影響圖SEQ圖\*ARABIC4多孔結(jié)構(gòu)成形實物圖。(a)(d)蜂窩結(jié)構(gòu)上下部分；(b)(e)G曲面結(jié)構(gòu)上下部分；(c)(f)W點陣結(jié)構(gòu)上下部分圖SEQ圖\*ARABIC5多孔區(qū)域壁厚成形尺寸與五因素關系圖多孔結(jié)構(gòu)成形實物圖如REF_Ref100846357\h圖4所示，各參數(shù)對不同結(jié)構(gòu)和不同位置壁厚成形尺寸平均值的影響情況如REF_Ref99899079\h圖5所示，除掃描間距外，其它四個參數(shù)對成形尺寸的影響與對砂面溫度影響趨勢基本一致。這是由于實驗中掃描方式為環(huán)形掃描REF_Ref100845631\r\h[20]，對于較小壁厚位置，掃描間距1.1mm相比1.4mm時，僅改變了線條間距，并沒有改變線條數(shù)量，對該位置熱量的攝入影響較小，而所測得砂面溫度主要位于較厚的10mm側(cè)板位置，較小的掃描間距會增多燒結(jié)線條，所以影響趨勢更為明顯。隨著激光功率的增加，掃描速度和掃描間距的減小，激光能量密度增加[15]，覆膜砂吸收熱量增多，有利于樹脂固化反應，熱影響區(qū)更寬，同時其向周圍非加工區(qū)的熱量擴散也在增加，達到一定程度便會出現(xiàn)次級燒結(jié)，增大成形尺寸。隨著層厚減小，層間重復燒結(jié)次數(shù)增多，會加重熱積累過程，便于樹脂固化反應，增大燒結(jié)熱影響區(qū)和次級燒結(jié)程度。隨著層間冷卻時間的增加，激光掃描區(qū)域的熱量得以充分散失，使得鋪粉后砂面溫度降低，在新一層激光掃描時，較低的砂溫增大燒結(jié)區(qū)和附近區(qū)域的溫度梯度，加快燒結(jié)區(qū)熱量向周圍的擴散，減小固化區(qū)和軟化區(qū)范圍，減小成型尺寸和次級燒結(jié)程度。在相同工藝參數(shù)下，每種結(jié)構(gòu)的中間位置成形尺寸要小于頂部位置的成形尺寸，這是由于在熱積累的影響下，中間層相比于最終層在燒結(jié)時的砂面溫度要更低，使得燒結(jié)熱影響區(qū)更小，成形尺寸也偏低。在相同工藝參數(shù)下，3種結(jié)構(gòu)的成形尺寸排序為：G曲面結(jié)構(gòu)<蜂窩結(jié)構(gòu)<W點陣結(jié)構(gòu)，這恰巧與單孔隙的大小排序情況相反，單個孔隙越小，排布越密集，則會增大成形時非加工區(qū)和加工區(qū)的接觸表面積，使得孔隙位置在熱量的包圍下更容易產(chǎn)生次級燒結(jié)現(xiàn)象；此外受結(jié)構(gòu)不同的影響，連續(xù)成形層之間燒結(jié)圖形重合度也會影響粉床的熱量分布，從而影響成形尺寸。例如G曲面內(nèi)部結(jié)構(gòu)由三周期的曲面構(gòu)成，層間燒結(jié)圖案有一定的異位，而蜂窩結(jié)構(gòu)自下而上的燒結(jié)區(qū)域一致，相比之下燒結(jié)會更充分，成形尺寸會更大。圖SEQ圖\*ARABIC6多孔區(qū)域壁厚成形尺寸精度與五因素關系圖各因素對不同結(jié)構(gòu)尺寸精度的影響情況如REF_Ref99900194\h圖6所示，可以看出工藝參數(shù)對不同結(jié)構(gòu)的尺寸精度的影響情況也不相同。根據(jù)極差分析方法得出，層間冷卻時間對蜂窩結(jié)構(gòu)和W點陣結(jié)構(gòu)的尺寸標準誤差影響最為顯著，由REF_Ref99899079\h圖5可知，這兩種結(jié)構(gòu)主要是受次級燒結(jié)影響使得成形尺寸普遍要高于設計值，而層間冷卻時間同樣對砂面溫度的影響最為顯著，通過增加冷卻時間可以有效抑制次級燒結(jié)帶來的精度影響。對于G曲面結(jié)構(gòu)，激光功率對其尺寸精度影響最為顯著，G曲面成形尺寸整體偏低于設計值，一方面是由于相同功率輸入條件下較大的連通孔隙利于散熱，使燒結(jié)溫度偏低，燒結(jié)熱影響區(qū)偏小；另一方面是曲面結(jié)構(gòu)引起相鄰層激光加工區(qū)域的錯位，熱量累積減少，尤其是邊緣部分的溫度變低，強度減小，使得成形尺寸變小?？梢酝ㄟ^增加激光功率改善成形精度。4結(jié)論（1）砂面溫度隨著成形層數(shù)增加而逐漸升高，使得位于中間高度的成形尺寸要小于頂部的成形尺寸，工藝參數(shù)對砂面溫度按影響程度從大到小依次為：層間冷卻時間、層厚、掃描速度、激光功率、掃描間距。（2）結(jié)構(gòu)不同對制件尺寸精度也會有所影響，3種多孔結(jié)構(gòu)成形尺寸排序為：G曲面結(jié)構(gòu)<蜂窩結(jié)構(gòu)<W點陣結(jié)構(gòu)。孔隙越小，分布越密集，更容易引起次級燒結(jié)現(xiàn)象，使成形尺寸偏大；G曲面結(jié)構(gòu)的外輪廓結(jié)合效果相對較弱，相同功率條件下導致成形尺寸偏小。根據(jù)極差分析方法得出層間冷卻時間對蜂窩結(jié)構(gòu)和W點陣結(jié)構(gòu)的尺寸精度影響最大，激光功率對G曲面結(jié)構(gòu)的尺寸精度影響最大。

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