選擇性激光燒結(jié)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(fā)動(dòng)機(jī)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(zhì)量好和結(jié)構(gòu)不受限制的特點(diǎn)，在航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]，以CZ-5，CZ-6和CZ-7三型運(yùn)載火箭液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的新型發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件越來越多地采用熔模精密鑄造生產(chǎn)[2-3]。其中蠟?zāi)Ｙ|(zhì)量直接影響產(chǎn)品的表面質(zhì)量、尺寸精度及生產(chǎn)周期，是整個(gè)熔模精密鑄造工藝技術(shù)控制的核心部分和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering，SLS)是目前應(yīng)用最為廣泛的蠟?zāi)３尚渭夹g(shù)，具有制作工藝簡單、生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)[4-5]，但是燒制過程存在翹曲變形問題，嚴(yán)重影響燒結(jié)件的尺寸和形位精度，甚至導(dǎo)致燒結(jié)無法完成，成為制約SLS工藝進(jìn)一步應(yīng)用的瓶頸。

國內(nèi)華中科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)及清華大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)[6-10]在翹曲變形方面開展了研究，揭示了翹曲變形產(chǎn)生機(jī)理，建立了翹曲變形收縮模型，指明了溫度場控制、工藝參數(shù)控制、材料特性改進(jìn)等方向。本文從工藝參數(shù)優(yōu)化以及添加支撐設(shè)計(jì)方面進(jìn)行該技術(shù)工藝的改進(jìn)研究。

1 SLS技術(shù)原理及翹曲變形機(jī)理

1.1 SLS技術(shù)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(shù)[11]，完成了三維模型-切片層-燒結(jié)層-實(shí)體的轉(zhuǎn)化。使用專用軟件將產(chǎn)品三維模型轉(zhuǎn)化為設(shè)備可讀取的片層信息，完成數(shù)據(jù)切片處理。在成型前，鋪粉輥將粉末壓平，形成基體。設(shè)備控制系統(tǒng)依據(jù)模型每層的切片信息(即零件的輪廓信息)精準(zhǔn)控制激光束以一定運(yùn)動(dòng)軌跡、能量以及運(yùn)行速率進(jìn)行掃描燒結(jié)，將燒結(jié)層信息轉(zhuǎn)化為實(shí)體信息，完成切片層的燒結(jié)。一層燒結(jié)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(tǒng)再次控制激光燒結(jié)，如此循環(huán)燒結(jié)，層層疊加，最終獲得零件實(shí)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(jī)理

研究結(jié)果表明[13-14]，燒結(jié)過程中不均勻溫度場產(chǎn)生的應(yīng)力變形是翹曲變形產(chǎn)生的根本原因。而燒結(jié)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?qū)ΨQ分布，光斑中心能量最強(qiáng)，邊緣部分依次遞減，燒結(jié)區(qū)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(jié)層上部區(qū)域接受能量多，溫度上升快，但可通過空氣對(duì)流以及表面輻射進(jìn)行散熱，散熱速度快，體積收縮大。而燒結(jié)層下部接受能量少，溫度上升慢，而粉末顆粒之間的空氣導(dǎo)熱性差，上下層能量傳遞困難，散熱速度慢，體積收縮小，各區(qū)域的收縮出現(xiàn)明顯差異，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，通常熱應(yīng)力分為切應(yīng)力τ與正應(yīng)力σ，如圖2所示。當(dāng)燒結(jié)層間的粉末結(jié)合力與重力小于粉末收縮變形應(yīng)力時(shí)，即燒結(jié)層自身強(qiáng)度不足以抵抗收縮應(yīng)力變形時(shí)，燒結(jié)件則會(huì)出現(xiàn)中凹外凸現(xiàn)象，即產(chǎn)生如圖2所示的曲線狀翹曲變形。

圖2 翹曲變形力學(xué)模型Fig.2 Mechanical model of warp distortion

綜上所述，溫度場分布不均勻產(chǎn)生的應(yīng)力是翹曲變形產(chǎn)生的誘因，而自身強(qiáng)度不足則是內(nèi)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(yàn)研究

依據(jù)翹曲產(chǎn)生的機(jī)理開展了溫度場控制的預(yù)熱溫度控制試驗(yàn)以及提高燒結(jié)層抗變形能力的工藝支撐添加試驗(yàn)，結(jié)合懸臂試樣及產(chǎn)品對(duì)成形件翹曲變形抑制工藝進(jìn)行了研究。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

試驗(yàn)設(shè)備為北京隆源Laser Core 5300快速成形機(jī)，該設(shè)備由激光器、光路系統(tǒng)、預(yù)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(tǒng)及冷卻系統(tǒng)組成。

試驗(yàn)材料為SLS工藝中應(yīng)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(yàn)樣件

試驗(yàn)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(chǎn)品的成形流程分為：

1)建立三維實(shí)體模型

采用三維建模UG軟件建立懸臂試樣、產(chǎn)品的三維模型，并將三維實(shí)體模型通過UG轉(zhuǎn)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(duì)STL模型文件進(jìn)行剖分切片，切片方向與成形方向垂直，切片厚度與燒結(jié)工藝參數(shù)相同。

3)燒制零件

按照規(guī)定工藝參數(shù)進(jìn)行粉料燒結(jié)，燒結(jié)完成自然冷卻2 h后，取出燒結(jié)件。

2.3 預(yù)熱溫度控制試驗(yàn)

預(yù)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(yīng)力，從而抑制翹曲變形，是當(dāng)前解決翹曲變形的主要措施[14]。Laser Core 5300成形機(jī)設(shè)備配備了預(yù)熱溫度控制裝置，可通過計(jì)算機(jī)成形軟件實(shí)現(xiàn)預(yù)熱溫度的精準(zhǔn)控制。

一般將預(yù)熱分為兩個(gè)階段：初始預(yù)熱、穩(wěn)定預(yù)熱，分別稱為起始預(yù)熱溫度和穩(wěn)定預(yù)熱溫度。開始預(yù)熱時(shí)，不同區(qū)域溫差最大，預(yù)熱溫度一般定在玻璃化溫度(Tg)與結(jié)塊溫度(Tc)之間。當(dāng)燒結(jié)進(jìn)入穩(wěn)定預(yù)熱階段，粉末預(yù)熱充分，為防止粉料板結(jié)，預(yù)熱溫度稍低于材料的軟化點(diǎn)(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(yù)熱溫度對(duì)于翹曲變形的影響，采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，以起始預(yù)熱溫度以及穩(wěn)定預(yù)熱溫度作為試驗(yàn)因子，以上述不同階段溫度設(shè)定區(qū)間作為水平設(shè)定參考，設(shè)計(jì)了二因素三水平正交試驗(yàn)。表2為正交試驗(yàn)因素水平表，表3為試驗(yàn)方案。

表2 因素水平表Tab.2 Factor-level ℃

在不同預(yù)熱溫度下(試驗(yàn)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(xiàn)不同程度的翹曲變形，通過式(1)計(jì)算得到各試樣翹曲變形率見表4。

圖4 實(shí)際燒制懸臂試件Fig.4 Actual fired cantilever specimen

表4 預(yù)熱溫度對(duì)于翹曲變形率的影響Tab.4 Effect of preheating temperature on warp distortion rate

為了反映預(yù)熱溫度對(duì)于翹曲變形的影響規(guī)律，基于Minitab質(zhì)量分析軟件采用逐步回歸方法建立了懸臂結(jié)構(gòu)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(wěn)定預(yù)熱溫度；x2為起始預(yù)熱溫度。

從式(1)可以看出，穩(wěn)定預(yù)熱溫度對(duì)于翹曲變形影響高于起始預(yù)熱溫度的影響，這是因?yàn)槠鹗碱A(yù)熱溫度主要影響零件前幾層的燒結(jié)，而穩(wěn)定預(yù)熱溫度影響燒結(jié)層的溫度場，直接影響燒結(jié)件的翹曲變形。

穩(wěn)定預(yù)熱溫度相同，起始燒結(jié)溫度越高，翹曲變形率越低，如圖5(a)所示。起始預(yù)熱溫度相同，穩(wěn)定預(yù)熱溫度越高，翹曲變形率越低，如圖5(b)所示。

圖5 預(yù)熱溫度對(duì)于翹曲變形的影響 Fig.5 Effect of preheating temperature on warp distortion

這是因?yàn)轭A(yù)熱溫度越高，粉料的流動(dòng)性則越好，更有利于粉料的燒結(jié)，可以得到更好的層內(nèi)和層間燒結(jié)，燒結(jié)深度和燒結(jié)密度增加，同時(shí)有助于消除熱應(yīng)力，從而提高成形質(zhì)量。但粉末預(yù)熱溫度過高時(shí)，會(huì)使得未燒結(jié)的粉末結(jié)塊，造成模型部分結(jié)構(gòu)與粉床結(jié)為一體，增加后續(xù)清粉、篩粉和修型的難度及工作量，本試驗(yàn)起始預(yù)熱溫度108℃、穩(wěn)定預(yù)熱溫度100℃(試驗(yàn)方案9)出現(xiàn)此問題。

經(jīng)試驗(yàn)確定適宜的預(yù)熱溫度：起始預(yù)熱溫度為104℃；穩(wěn)定預(yù)熱溫度為100℃。懸臂試樣的翹曲變形率降至1.26%，較改進(jìn)前降低80%，但是翹曲變形率依然相對(duì)較高，溫度場控制已達(dá)到瓶頸，需配合工藝支撐提高燒結(jié)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(shí)針逐漸移動(dòng)檢查，按外上、外下、內(nèi)下、內(nèi)上、腋下順序，系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)腫塊或其他異常要及時(shí)到醫(yī)院做進(jìn)一步檢查。

2.4 添加工藝支撐試驗(yàn)

工藝支撐是SLS成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件必不可少的輔助部分，其體現(xiàn)在[15]：①承載和固定燒結(jié)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(jié)構(gòu)中的熱量，抵抗熱應(yīng)力變形，抑制翹曲變形。

以懸臂試樣為研究對(duì)象，依據(jù)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(jìn)行支撐設(shè)計(jì)，以預(yù)熱溫度控制試驗(yàn)確定的最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行懸臂試樣燒制，驗(yàn)證改進(jìn)效果。

支撐類型需根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特征、懸垂面的大小和角度及應(yīng)用需求進(jìn)行選擇，其中塊狀支撐的密度可以改變，能承受較強(qiáng)的拉應(yīng)力，用于面積較大，懸垂部分較長結(jié)構(gòu)，點(diǎn)支撐用于面積較小的特征結(jié)構(gòu)，線支撐用于面積較窄的下表面，網(wǎng)狀支撐用于回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)支撐，輪廓支撐則主要用于外輪廓結(jié)構(gòu)。支撐與零件連接采用齒狀連接，該方式會(huì)顯著降低連接處強(qiáng)度，有利于支撐去除，減小對(duì)于制件破壞，提高制件表面質(zhì)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(xiàn)在懸臂處，同時(shí)問題區(qū)域面積較大，故選擇塊狀支撐，連接處采用齒狀連接，支撐結(jié)構(gòu)如圖6(g)和6(i)所示。

以起始預(yù)熱溫度104℃、穩(wěn)定預(yù)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(yù)熱溫度抑制水平相當(dāng)，但粉層未板結(jié)，后續(xù)清理、篩粉難度小，可見預(yù)熱溫度、支撐添加改進(jìn)效果明顯，如圖6(i)所示。

圖6 支撐類型及改進(jìn)效果對(duì)比Fig.6 Comparision of support type and optimization effect

3 產(chǎn)品驗(yàn)證

將預(yù)熱溫度控制、添加工藝支撐試驗(yàn)成果應(yīng)用于一級(jí)泵葉輪產(chǎn)品，以驗(yàn)證工藝改進(jìn)效果。

采用激光三維掃描儀進(jìn)行蠟?zāi)Ｐ兔鏅z測(見圖7)，圖中深藍(lán)色部位為翹曲變形部位，主要出現(xiàn)在中柱、浮動(dòng)環(huán)凸肩及下蓋板。

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

以蠟?zāi)Ｐ兔鏅z測結(jié)果為參考，采用Magics軟件開展針對(duì)性的支撐設(shè)計(jì)，具體實(shí)施方案見圖8(a)，中柱、浮動(dòng)環(huán)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(qū)域小，僅出現(xiàn)在蓋板外側(cè)，為了便于支撐去除，選擇輪廓支撐，支撐與產(chǎn)品接觸部位均采用齒狀連接。

以預(yù)熱溫度控制試驗(yàn)確定的最優(yōu)工藝參數(shù)(起始預(yù)熱溫度104℃、穩(wěn)定預(yù)熱溫度100℃)燒制蠟?zāi)?，改進(jìn)前后蠟?zāi)Ｈ鐖D8(b)和圖8(c)所示，其中黃色為修補(bǔ)蠟，表明此處翹曲變形量較大。對(duì)比圖8(b)和圖8(c)后可知，改進(jìn)后，蠟?zāi)o須修型即可滿足設(shè)計(jì)要求。計(jì)算改進(jìn)前后不同位置的翹曲變形率，如表5所示，中柱、浮動(dòng)環(huán)凸肩及下蓋板翹曲變形率明顯降低，改進(jìn)后翹曲變形率均值僅1.80%，較改進(jìn)前降低82.5%，表明工藝支撐及預(yù)熱溫度措施起到良好的改進(jìn)效果。

圖8 改進(jìn)效果對(duì)比 Fig.8 Contrast of improvement effect

表5 工藝改進(jìn)前后產(chǎn)品型面翹曲變形率對(duì)比Tab.5 Comparison of product warp distortion rate before and after process improvement

4 結(jié)論

1)分析了選擇性激光燒結(jié)過程翹曲變形的產(chǎn)生機(jī)理，確定了翹曲變形問題焦點(diǎn)，改進(jìn)了預(yù)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(jié)構(gòu)的預(yù)熱溫度與翹曲變形率的二次多元回歸模型。

3)經(jīng)產(chǎn)品驗(yàn)證，翹曲變形率僅1.8%，較改進(jìn)前降低82.5%，翹曲變形抑制效果明顯。