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成型精度影響及控制

 金屬粉末具有密度大、熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱系數(shù)好等特點(diǎn), 這些特點(diǎn)使得對(duì)激光束的功率要求更高，加熱速度更快，由于激光束加熱的局部性，將會(huì)引起溫度場(chǎng)分布不均衡、溫度梯度大. 在模型成型過(guò)程中, 由于溫度場(chǎng)不均衡引起的固化收縮問(wèn)題, 極易導(dǎo)致模型出現(xiàn)球化、翹曲和開(kāi)裂等現(xiàn)象。為了減少上述因?yàn)闇囟葓?chǎng)不均衡導(dǎo)致的模型損壞現(xiàn)象, 對(duì)溫度場(chǎng)控制進(jìn)行研究是非常必要的. 因?yàn)榻饘俜勰Y(jié)溫度場(chǎng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)分布的過(guò)程, 所以采用有限元模擬可以更好地分析成型過(guò)程中影響精度的因素, 從而對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行合理選擇. Bugeda等通過(guò)對(duì)選擇性激光燒結(jié)過(guò)程中的單一激光源燒結(jié)軌跡進(jìn)行有限元三維模擬, 分析了實(shí)驗(yàn)材料的燒結(jié)過(guò)程, 得到的溫度和密度分布圖, 獲取了燒結(jié)深度的信息. Dai等提出了一種有限元分析方法用于調(diào)查激光掃描方式對(duì)殘留應(yīng)力和變形的影響. 研究表明, 若有一層出現(xiàn)形變, 改變激光束的掃描方式可以將形變影響最小化; 該研究同時(shí)還發(fā)現(xiàn), 如果掃描路徑沿著某一軸線方向進(jìn)行長(zhǎng)距離掃描, 將可能出現(xiàn)鞍形失真。

 上面的研究基本采用三維有限元瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析, 但卻沒(méi)有考慮到隨著溫度的變化對(duì)一些重要物理參數(shù)的影響; 不同材料的熱系數(shù)等物理性質(zhì)的變換; 以及溫度、激光能量密度和成型件密度的耦合作用等。Wang討論了選擇性激光燒結(jié)過(guò)程中兩個(gè)重要參數(shù)(固化收縮和光束偏移) 對(duì)模型尺寸的影響. Williams 等采用分析和實(shí)驗(yàn)的方法研究選擇性激光燒結(jié)過(guò)程中激光的能量密度、激光束光斑直徑以及激光束延遲對(duì)成型件平均密度和強(qiáng)度的影響. 該研究結(jié)果表明: 隨著能量密度和光斑直徑的增加, 成型件的密度和強(qiáng)度也隨之增長(zhǎng), 但是一些限制性因素的存在仍然會(huì)影響模型的最大密度和強(qiáng)度. 這種方法雖然能確定燒結(jié)過(guò)程中模型性能的變化, 但是對(duì)模型性能的提高有限. 選擇性激光燒結(jié)有一種大幅提高制件密度和強(qiáng)度的方法: 后固化法(將成型制件放入一定溫度的設(shè)備中使未完全成型部分進(jìn)行再次固化). 文獻(xiàn)使用最小二乘法來(lái)調(diào)查后固化過(guò)程中成型件的收縮變化, 研究人員發(fā)現(xiàn)后固化方法能顯著減小尺寸的收縮, 并且發(fā)現(xiàn)固化程度與激光功率、層間距、掃描間距和掃描速度存在函數(shù)關(guān)系. 文獻(xiàn)研究揭示了重要過(guò)程參數(shù)(激光功率、掃描速度、層間距、粉床溫度等) 與成型制

件精度的關(guān)系, 使用田口設(shè)計(jì)方法為長(zhǎng)方體模型進(jìn)行測(cè)試, 通過(guò)最大化信噪比和方差分析進(jìn)行尺寸補(bǔ)償, 成功提高了模型的有效性和精度。

 這些實(shí)驗(yàn)和結(jié)果都證明了激光粉末成型技術(shù)的成型精度還有10%以上的提升空間, 需要更多的科研人員來(lái)研究這部分領(lǐng)域, 特別是控制方法的研究.

 綜上所述, 3D打印技術(shù)呈現(xiàn)了百花齊放, 百家爭(zhēng)鳴的發(fā)展?fàn)顩r, 無(wú)論是從成型原理、材料等關(guān)鍵方向都有大量科研工作人員進(jìn)行研發(fā), 并且各有特色和優(yōu)勢(shì). 雖然3D 打印技術(shù)取得了廣泛的關(guān)注和迅猛的發(fā)展, 在成型精度和速度有所突破, 但依然存在著許多亟待解決的問(wèn)題，有待來(lái)者的研究。