引 言

選擇性激光燒結快速自動成型（SLS—Rapid Prototyping）技術是先進制造技術的重要組成部分，它集成了CAD技術、數控技術、激光技術和材料技術等現代技術成果。與傳統制造方法不同，快速成型制造從零件的CAD模型出發，通過軟件分層和數控成型系統，用激光束或其它方法將材料堆積而形成實體零件。即將復雜的三維制造轉化成一系列的二維制造的疊加，因而可以在不用模具和傳統刀具的條件下生成幾乎任意形狀的零部件，極大地提高了生產效率和制造柔性。雖然由于成型材料的不同，成型件的強度和精度較低，很難直接作為最終零件或模具使用，但可以作為樣件或模具的母模使用。當然直接制造模具的快速成型設備也有了初步的發展，本文重點講述的是快速成型制造模具母模的技術。快速成型制模技術可以大大降低制模的成本，縮短模具的制造周期，增強產品的市場競爭力。目前該技術已經廣泛應用于航空航天、汽車摩托車、科學研究、醫療、家電等領域。

1 SLS原理

快速成型技術根據成型材料的不同可以分為立體印刷成型（熱固性光敏材料）、選擇性激光燒結（石蠟、金屬、陶瓷粉末）、熔融沉積造型（石蠟、塑料、低熔點金屬）和分層實體制造（紙、金屬帶、塑料膜）。本文介紹的是選擇性激光燒結成型，用于成型加工的機器是從北京隆源購進的AFS320快速成型機。選擇性激光燒結成型的原理是首先生成一個產品的三維CAD模型或曲面模型文件，將其轉換成STL格式，再從STL文件“切”出設定厚度的一系列片層，或者直接從CAD文件切出一系列的片層，這些片層按次序累積起來便是所涉及零件的形狀。如圖1所示，整個成型過程是在成型活塞筒內完成。在成型活塞筒的一側有一個供粉活塞筒。成型步驟如下：

圖1 AFS320快速成型機原理

首先，供粉活塞上移一定量。鋪粉滾輪將粉末（PSB）均勻地鋪在加工平面上。激光器發出激光，計算機控制激光器的開關及掃描器的角度，使得激光束以一定的速度和能量密度在加工平面上掃描。激光器的開與關以及掃描器的角度是與待成型的零件的片層的第一層信息相關。激光束掃過之處，粉末燒結成一定厚度的片層，未掃過的地方仍然是松散的粉末，這樣零件的第一層就制造出來了。這時，成型活塞下移一定距離，這個距離等于待成型零件的切片厚度，而供粉活塞上移一定量（上移的量與模型的切出的片層厚度有關，一般是略大于片層厚度）。鋪粉滾輪再次將粉末鋪平后，激光束依照零件的片層的第二層信息加工。激光掃過之后，所形成的第二個片層也燒結在第一層上，如此反復，一個三維實體就疊加制造出來了。

2 成型零件數據處理

成型零件要經過數據轉換與處理。處理的軟件分別有：三維CAD造型軟件（如PRO/E、SolidWorks、SolidEdge或UG等）、數據轉換與處理軟件（MAGIC9.0）和監控軟件（AFSWin）。造型軟件都是市場上已有的，主要負責成型零件的幾何造型，然后將創建的零件模型輸出為STL格式。數據轉換與處理軟件MAGIC9.0打開STL文件，并進行一些數據處理與參數設置。

2.1 模型修補與縮放處理

因為各種三維造型軟件都有自己的數據格式，三維造型軟件創建的模型需要進行格式轉換導出為STL格式，因此有可能會造成部分數據的丟失，MAG-IC9.0打開STL格式的模型文件時要進行檢查，如發現模型中有錯誤或存在面的缺損，則需要進行錯誤修復與模型修補。因為零件是在高溫下燒結成型的，成型以后回到常溫下，零件都有一個收縮，因此，為了抵消這種收縮，一般是根據材料的不同進行模型放大補償，一般沿Z向放大1.005。而根據成型以后的零件所作的用途還要給CAD模型作另外的縮放處理。例如用石臘作為成型材料做消失模。如果消失模是用來鑄造鋁件，那么要CAD模型整體放大1%，如果消失模是用來鑄造鋼件，那么要給CAD模型整體放大2%。根據模具鑄造材料的不同選擇不同的縮放比例。

2.2 模型放置與添加零件支撐

為了防止成型過程中零件的翹曲變形，需要給零件添加支撐。AFS（快速成型系統）提供了兩種支撐方法，一種是網格支撐，一種是基于切片和零件形狀的支撐。因為支撐只是在零件燒結成型的過程中防止零件翹曲變形，零件成型以后，支撐是需要去除的，因此支撐再燒結溫度要小于零件的燒結溫度。也就是激光束在掃描經過支撐的時候，激光器的功率要降低，掃描密度要降低，掃描線寬要增大。這樣，支撐的燒結強度就低，成型以后很容易去除。如圖2所示，成型零件是一個吸塵器的封蓋，當封蓋模型經過縮放處理后就可以添加支撐了，涂顏色的部分即是添加的支撐。添加支撐的原則是對那些懸掉點、下棱線、傾斜角度過大的表面三種結構需要加支撐。因此在放置模型時就應該考慮到支撐的放置問題。一般對表面質量要求較高的面最好放置為頂面，特別是對于細小凸起，如圖2所示的箭頭標志，更要放置在頂面；同時，如果凸起的尺寸太小，需要對凸起高度進行一定比例的放大。對于細長的懸臂類結構件最好橫放，豎放難以保證懸臂的直線度。為了提高掃描的效率，一般應考慮將尺寸較大的邊橫放，減少掃描的層數，縮短加工時間。

圖2 添加支撐

2.3 切片參數設置

模型經過修補、放大補償并添加過支撐以后就可以進行切片處理了。要設置切片處理的參數，其中主要需要用戶設置的是層厚和刀具補償。層厚的設置主要根據精度要求。不過一般不能超過0.4mm。這里的刀具指的是激光束，根據激光束品質的不同，在燒結零件外輪廓時，激光束成型的并不是理論上的一條線，因此需要進行刀具補償，蠟件刀具補償為零，塑料件刀具補償為0.15mm，支撐的刀具補償為-2mm。零件和支撐要分別進行切片處理，因為它們的掃描參數是不一樣的。對于零件來說，一般選擇掃描線寬為0.15mm，即激光束掃描軌跡之間的間隔。支撐一般是0.8mm。掃描線寬太大，不容易燒結成型，掃描線寬太小，容易導致燒結區溫度過高，導致支撐強度大，不容易取出。

2.4 輸出切片文件

將經過Magic軟件處理過的成型件的CAD模型導出（零件與支撐分別導出），導出格式為*.cil。然后用專門進行切片處理的系統Arps對零件與支撐進行切片處理，輸出的是CAD模型每一層的信息。導出格式為*.cil。在作切片處理時要先設置處理參數，如圖3所示，掃描參數有：

圖3 切片參數設置

（1）掃描輪廓參數設置包括：1）先掃描輪廓：在輸出的AFI文件中，先進性輪廓掃描，再進行填充掃描；2）后掃描輪廓：在輸出的AFI文件中，先進行填充掃描，再進行輪廓掃描。
（2）掃描方向參數設置包括：1）X方向，即掃描線平行于X軸；2）X、Y方向交替，即掃描線方向在平行于X坐標軸和平行于Y坐標軸兩個方向上交替使用。
（3）優化原則參數設置：從切片上的掃描區域的拓撲結構來看，整個掃描區域是由若干個平面連通域所組成。在光柵式掃描的過程中，可能會出現頻繁地從一個連通域跳到另一個連通域，實際上這樣的空跳只需一次就可以了，解決的辦法是將整個掃描區域按照連通域的邊界分解成若干個子掃描區域，這樣，逐個掃描子掃描區域，在一個子掃描填充掃描結束后，才跳到下一個掃描區域。如圖4所示，整個掃描區域分為里面的小正方形區域和外面的ABCD組成的連通區域。而在一個子掃描區域內的掃描路徑優化可采取幾種方法：軌跡點的就近原則；廣度優先原則；深度優先原則；深度廣度混合原則；如圖4所示，外面的連通區域劃分成更小的A、B、C、D四個子連通區域。在一個子連通區域掃描結束時，根據優化原則的不同，跳向的另一個子連通區域也有所不同。選擇廣度優先原則（X方向）時，掃描順序是A-B-C-D；選擇深度優先原則時，掃描順序是A-B-D-C。根據子掃描區域的劃分情況可以選擇不同的優化原則。

圖4 掃描路徑優化

3 成型加工及參數設置

經過ARPS處理后的切片文件以AFI格式保存下來，快速成型機配有控制系統AFSwin。AFSwin讀入AFI切片文件。根據成型零件的尺寸大小，成型缸內一次可以成型多個零件，也就是說AFSwin一次可以讀入多個成型零件的AFI切片文件，并將它們在成型缸內進行合理的排列。下一步工作就是進行參數設置，需要設置的參數主要有：

（1）鋪粉參數，即加工參數，它包括成型缸下降距離、料缸上升距離、鋪粉電機和滾輪電機的速度4個參數。該4個參數決定了鋪粉的平整及速度。而這些又對成型質量和效率有較大的影響。成型缸下降的距離等于切片的厚度，而料缸上升的距離要略大于成型缸下降的距離。

（2）加熱溫度參數。成型缸上部裝有加熱器，并由溫控表控制粉末表面溫度，加熱的作用是減小成型過程中的變形、節省激光能量。加熱溫度的設定和調節是根據材料的不同而異。對于PSB粉末，其加工時的粉末表面溫度為98-102攝氏度。為了防止零件變形，一般成型件底部的溫度要高于此值20攝氏度左右，也就是120攝氏度左右。具體辦法是當紅外測溫儀測得成型缸表面的粉末溫度達到120攝氏度時就可以進行燒結。然后在前25層燒結成型過程中，要逐漸降低加熱溫度的值，也就是逐漸降低加熱器的功率。目的是使成型缸粉的表面溫度恒定在98-120攝氏度成型所需的溫度范圍內。因為剛開始激光器燒結粉末，在成型缸內熱積累較少，因此加熱器需要大功率加熱。經過一定層數的激光燒結以后，成型缸內具備了一定的熱積累，因此加熱器功率減小，這樣可以保證成型件上下成型時的溫度恒定，有利于防止底部熱變形，提高成型質量。成型過程中與加熱溫度相關的問題有：1）邊角部位翹曲，零件變形：這是由于成型過程中粉末的加熱溫度過低，激光掃過后，材料的內應力使燒結區翹曲變形。2）粉末板結嚴重，增加后處理中清粉的難度：這是燒結過程中，粉末的加熱溫度過高，再加上激光器掃描時的熱積累，使得未燒結區的粉末也因為溫度高而粘結在一起，難于從零件中清除。3）在燒結過程中觀察不到變形，但取出零件后底部變形：這是由于粉末的加熱溫度過高，當然也有可能是激光器的掃描能量過高，造成熱積累。使底部燒結區出現增大現象。4）應垂直的邊界出現傾斜：這是由于各層的收縮程度不一樣，收縮程度也和加熱溫度直接相關。適當提高粉末的加熱溫度可以解決這個問題。

（3）掃描速度和激光功率參數。掃描速度和激光功率對燒結零件的強度和變形量精度有較大的影響。掃描速度大，則加工速度快，但成型零件的精度、強度會降低。激光功率的大小影響成型零件的強度和變形，激光功率高，成型零件強度高，但過高會引起燒結過程中的變形。一般設置為10-20W。激光功率包括掃描零件的激光功率和掃描支撐的激光功率。掃描支撐的激光功率一般比掃描零件的激光功率大10W左右。因為支撐的掃描線寬很大，激光功率過小不易燒結成型。成型過程中與加熱溫度相關的問題有：1）成型零件在后處理過程中薄壁處易損壞：這是由于激光器的掃描功率過低，使得層間的粘接程度降低。2）結構不同處側壁變形：這是由于燒結區域的變化，造成收縮的不一致，這和過高的激光功率以及過低的粉末加熱溫度有關。3）底部變形等。

（4）掃描參數。是指激光器的掃描參數，用來設置掃描器的掃描速度及空跳速度。掃描速度是激光打開情況下掃描頭的運動速度，空跳速度是激光關閉情況下掃描頭的運動速度。同時還可以為零件內部掃描和輪廓掃描設置不同的掃描速度及空跳速度。

4 總 結

對于選擇性激光燒結快速自動成型來說，其加工工藝、加工參數設置隨著成型機器類型、成型材料、成型件結構尺寸的不同而不同。本文針對AFS320成型機在PSB粉末成型時，從加工工藝參數設置上提出了提高成型質量的方法。但PSB粉末直接成型的零件強度低、韌性差，容易遭破壞，因此還需要經過清粉、浸膠（浸入樹脂）、烘干、拋光等后處理工序方能應用于產品裝配、干涉檢驗、性能測試，從而驗證設計零件的結構合理性、制造工藝的可行性及外觀的美觀性。成型件配合一臺注塑機也可應用于制造模板、模樣、型芯等模具制造，大大縮短產品的開發周期。