SLS快速成型技术误差综合分析与提高_杨军惠

Improvement and Synthesis Error Analysis of Rapid Prototyping Technology by Using SLS
YANG Junhui, DANG Xinan, YANG Lijun
(College of Mech. and Elec. Eng., Shaanxi University of Science & Technology, Xi'an 710021, China)
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Hot Working Technology 2009, Vol.38, No. 13
上半月出版
Casting·Forging·Welding 金属铸锻焊技术
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和表面不光滑。 这种由 CAD 模型前处理造成的 偏差在形成 STL 文件时就已经产生, 间接影响制 件的最终精度。
在切片之前 ，STL 文件的质量 对 成 型 零 件 的 最终精度十分重要。 在对 CAD 模型进行 STL 格 式转换时， 通过恰当地选择精度参数值可以减少 这一误差。 如制作一圆柱体, 当沿轴线方向叠加 时，如果逼近精度有限,则明显地看到圆柱体变成 了棱柱体，如图 1(a) 所示。 Pro/ E 软件是通过选定 弦高值(ch) 作为逼近的精度参数，如图 1(b)、(c)所 示一球体的 STL 文件格式； 但 ch 值选的太小,要 牺牲处理时间及存储空间， 并且这种情况下由于 软件的问题 STL 文件也会产生错误，需进一步检 查修补，这给后续处理带来了麻烦。
化结合起来, 将能更大程度上减少分层切片的数 据误差。
2 加工工艺误差
造成加工工 艺误差的因 素较多，SLS 工艺 中 的烧结参数主要有预热温度、 激光功率、 扫描速 度、扫描间隔、扫描路径以及层厚等，而且各因素 对此误差的影响差别很大， 同时各因素之间也相 互关联、 相互制约。 影响零件表面粗糙度的参数 主要是扫描间隔和层厚； 而对于零件的尺寸精度 和形状精度来说, 则是几个因素综合作用的结果。 2.1 粉末预热温度对误差的影响
金属铸锻焊技术 Casting·Forging·Welding
● 快速成型技术●
2009 年 7 月
SLS 快速成型技术误差综合分析与提高
杨军惠，党新安，杨立军 （陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安 710021）
摘 要： 激光烧结快速成形零件因其精度较低而限制了它的进一步发展和应用。 本文从选择性激光烧结
10.01
0.05
《热加工工艺》 2009 年第 38 卷第 13 期
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金属铸锻焊技术 Casting·Forging·Welding
2009 年 7 月
若预热温度太高，又会导致部分低熔点有机物的碳 化和烧损，反而降低烧结深度和密度。 2.2 烧结温度控制不当引起的误差
激 光 的 烧 结 温 度 是 影 响 SLS 制 件 的 主 要 因 素之一．激光束对粉末材料的扫描烧结温度决定 于两个因素：一个是激光束的扫描速度，另一个是 扫描激光器的功率输出。扫描速度越高、功率输出 越低，受照射的粉末材料的受热温度越低、而扫描 速度越低、功率输出越高，受照射的粉末材料的受 热温度越高[7]。 SLS 中的激光扫描烧结与激光切割 中的情形不太相同， 当激光束扫描加热粉末材料 时，激光对粉末颗粒的能量辐射时间极短,一般在 0.1 ms～0.1 s[8]，将 每 层 烧 结 材 料 加 热 到 某 一 温 度 区 间(Tmin<t<Tmax)。 如烧结温度 t 大于 Tmax 就会引起材 料被破坏；如烧结温度小于 Tmin则不能达到使粉末 材料互相粘结的目的，影响制件的力学性能。
(a) 圆柱体的 STL 文件格式
(b) ch=0.5 下球体 (c) ch=0.1 下球体
的 STL 文格式
的 STL 文格式
图 1 CAD 造型误差示意图 Fig.1 The schematic diagram of CAD modeling error
1.2 切片的数据误差 分 层 切 片 的 数 据 误 差 是 由 SLS 的 叠 层 制 造
Abstract：The development and application of Selective Laser Sintering (SLS) technique is restricted by the low accuracy of the part made with this technique. This article analysed error of this technique from three factors: model data processing, sintering forming process, forming machine system. Offering some relevant measures for increasing accuracy of parts made with this technique.
收 稿 日 期 ：2009-03-22 作 者 简 介 ：杨 军 惠 （1981-），女 ，河 南 郑 州 人 ，在 读 硕 士 研 究 生 ， 主 要
从事选择性激光烧结仿生人骨的研究； 电话： 15809240710； E-mail：yanghui2001334202 @163.com
的误差和边界表述不当造成的误差[2]。 1.1 CAD 模型 STL 格式拟合形成的误差
原理造成的。 切片的过程是通过一簇垂直于制作 方向的平行平面与 STL 文件格式模型相截, 所得 到的截面与模型实体的交线就是各薄层的轮廓与 实体信息[4]。 切片方向及厚 度的选择对 快速原型 的精度、制做时间、成本有重要影响。
由于每一层片只能用直壁层片近似表示原层 片的三维几何特征， 用二维特征截面近似代替整 个层片的几何轮廓信息，则必然会导致局部细微特 征的缺失：如沿切片层方向的成型件尺寸与切层厚 度不能整除时，必然引起尺寸误差；分层切片会造 成阶梯面的形成， 严重影响表面粗糙度 (图 2 所 示)；另外，当零件上的微小特征信息尺寸小于分层 厚度时，该微小信息可能被丢失，如图 3 所示零件， 当分层厚度 △t=0.1mm 时，第 100 切片层与第 101 切片层均未切到微槽,微小槽的信息被丢失。
文 献[5]提 出 采 用 斜 切 法 或 自 适 应 分 层 法 可 以减小切片数据误差， 当然适当减小层厚和优选 分层方向也可以提高分层切片时的精度, 相关文
εδ CAD 模型
成型件
图 2 阶梯面带来的误差 Fig.2 The error of forming by step surface
图 3 分层误差示意图 Fig.3 The schematic diagram of error layered 献也提出了采用多目标优化的方法确定层厚和分 层方向， 如果提出的措施和层厚及分层方向的优
当激光扫描到粉末时， 粉末由于温度突然升 高达到熔点而熔化， 并与周围粉末形成一个较大 的温度梯度，产生热应力。 扫描完成后，粉末温度 下降，先前熔化的粉末凝固收缩，产生残余应力。 热应力与残余应力相互作用， 引起烧结体的翘曲 变形， 并且随着成型区面积的增大翘曲变形呈现 增大趋势。 通常的快速原型激光扫描方式按其扫 描路径不同可分为以下几类： 第 1 类为顺序往返 直线扫描法，从左往右直线填充；第 2 类为分区扫 描， 分区扫描将截面分割成若干个无内孔的扫描 子域,扫描子域内部用直线填充,以减少成型区面 积；第 3 类为扫描线平行于边界轮廓线，如同螺旋 一样，由内向外或由外向内的环形扫描；第 4 类为 分形扫描， 所采用的扫描轨迹是一种具有自相似 特 征 的 分 形 结 构 图 形 [9]。
由于激光加热时, 粉末温度突然升高使之与 周围粉末之间产生一个较大的温度梯度, 易导致 翘曲变形。 对粉末进行预热有利于减少激光照射 的粉末与其周围粉末之间的温度梯度从而可以改 善制件的翘曲变形[6]。 如果预热温度太低，由于粉层 冷却太快，熔化颗粒之间来不及充分润湿和互相扩 散、流动，烧结体内留下大量空隙，导致烧结深度和 密度大幅度下降， 成形件质量因此受到很大的影 响。 随着加热温度的提高，粉末材料导热性能变好 同时低熔点有机成分液相数增加，有利于其流动扩 散和润湿， 可以得到更好的层内烧结和层间烧结， 使烧结深度和密度增加，从而提高成形质量。 但是，
Key words：selective laser sintering； error； accuracy
选择性激光 烧结(SLS)快速成 形技术 是 基 于 离散 / 堆积成形原理的快速成形技术之一, 是目 前应用极为广泛的加工系统[1]。 研究和实践表明， SLS 制件的制造精度较低。 如何控制零件的误差, 达到零件的设计精度是快速成型领域内的主要研 究方向之一。 现针对 SLS 全过程中产生误差的若 干因素做简单分析，并提出相应的改进措施。
SLS 原型制作之前,必须对原型的 CAD 模型 进行 STL 格式化和切片等前处理, 以便得到一系 列的截面轮廓。 首先应用造型软件 Pro/E、UG 等 CAD 软件或专用的逆向工程软件 Imageware、Geomagic 等对原型进行三维造型, 然后采用由快速 原型制造系统中切片软件识别的 STL 数据格式, 确定输出精度,直接转化为 STL 数据格式。STL 数 据文件的内容是将三维实体的表面三角化, 并将 其顶点信息和法矢有序排列起来而生成的一种二 进制或 ASCⅡ信息,但从本质上,是用有限的小三 角面的组合来逼近 CAD 模型表面,是原始模型的 一阶近似,不可能完全表达原始设计的意图[3]。 如 果 输出精度 不够,STL 数 据 格 式 化 后 的 模 型 与 设 计的 CAD 模型就存在差异； 如果提高输出精度, 这时 STL 数据格式文件的规模增大, 加大后续数 据处理的运算量, 可能超出快速成型系列所能接 受的范围, 而且在表达截面轮廓时会产生许多小 线段,不利于激光头的扫描运动，导致低的生产率
描次数控制不合理， 扫描次数过多， 则温度会过 高，对成型件产生不良影响。 文献[10]对几种扫描 方式进行了分析， 提出了分区变向扫描的扫描方 式； 分区扫描将截面分割成若干个无内孔的扫描 子域，扫描子域内部用直线填充，以减少成型区面 积； 分区变向扫描则是在相邻两层截面的扫描方 向之间错开一角度(一般为 90°)的分区扫描方式。 证明此种扫描方式可以显著改善烧结体的翘曲变 形程度同时兼顾了成型效率。 2.4 单层层厚的影响
(SLS)成型技术中的模型数据处理、烧结成型工艺、成型机 系 统 等 三 个 方 面 分 析 了 SLS 快 速 成 型 制 件 误 差 产 生 的
原因，并提出了提高制件精度的相应措施。
关键词： 选择性激光烧结；误差；精度
中 图 分 类 号 ：TG456.7
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1001-3814(2009)13-0160-04
合理的控制烧结温度必须从影响烧结温度的 两个决定因素入手。 扫描速度增大,单位距离内激 光扫描的时间就减小,扫描在粉末上瞬间能量密度 就减小,反之,就增大。 因此,扫描速度对烧结件精度 和密度的影响与激光功率对其影响成相反的效果。 扫描速度的大小,决定了成形速度的快慢。 从快速 成形方面考虑,应尽量选择高的扫描速度。 2.3 激光扫描路径对误差的影响
1 模型数据处理误差
SLS 金属构件制作之前， 必须对原型的 CAD 模型进行 STL 格式化和切片等前处理， 以便得到 一系列的截面轮廓。 模型数据处理误差是 CAD 模 型进行离散化过程中一些信息丢失造成的，包括模 型误差和切片误差。 模型误差包括 CAD 造型误差 和由 STL 文件近似拟合三维曲面造成的误差。 切 片误差除了原理误差外，还包括首层选取不当造成
扫 描 方 式 的 选 择 直 接 影 响 SLS 加 工 层 面 上 的温度场分布和成型区的扫描顺序, 对制件翘曲 变形有十分重要的影响。 如果对同一点的激光扫
（a） 顺序往返直线扫描
③
④
②
① （b） 分区扫描
（c） 环形扫描
（d） 分形扫描
图 4 几种扫描方式示意图 Fig.4 The schematic diagram of several scanning mode