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O 引言

選區(qū)激光熔化(SLM-Selective Laser Melting)是金屬件直接成型的一種方法，是快速成型技術(shù)的最新發(fā)展。該技術(shù)基于快速成型的最基本思想，即逐層熔覆的“增量”制造方式，根據(jù)三維CAD模型直接成型具有特定幾何形狀的零件，成型過(guò)程中金屬粉末完全熔化，產(chǎn)生冶金結(jié)合。

利用選擇性激光熔化激光快速成型技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜金屬零件的制造，其制造結(jié)果能否滿足實(shí)際要求，其中一個(gè)很重要的方面是尺寸精度與形狀精度能否滿足要求。

評(píng)價(jià)尺寸形狀精度的常規(guī)方法是：首先用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量零件表面的若干特征點(diǎn)，再把測(cè)量得到的實(shí)際尺寸和原始的三維CAD模型進(jìn)行比較，從而得到其加工誤差。但對(duì)于復(fù)雜零件，特別是具有復(fù)雜曲面的零件，常規(guī)的評(píng)價(jià)方法效率較低，而且由于人工取點(diǎn)數(shù)目有限，這也會(huì)影響評(píng)價(jià)的精度。

l 影響成型件尺寸形狀精度的主要因素分析

(1)激光光斑大小

在其它參數(shù)一定的情況下，激光光斑大小對(duì)尺寸精度會(huì)產(chǎn)生較大的影響，假定其激光能量足夠熔化金屬粉末，不產(chǎn)生球化現(xiàn)象，激光光斑越大，則尺寸誤差越大，反之則誤差減小。分析原因：因?yàn)榭焖俪尚拖到y(tǒng)中采用的加工路徑是線掃描路徑，即把加工面看成是線的集合，如果光斑是一個(gè)點(diǎn)，則加工實(shí)際輪廓和理論輪廓重合，但由于激光光斑具有一定的大小，因此，如果加工如圖1所示的零件，則它的外環(huán)輪廓和內(nèi)環(huán)輪廓會(huì)比理論輪廓大或者小一個(gè)光斑半徑，實(shí)際加工輪廓如圖1中虛線所示。

圖1 光斑影響加工尺寸誤差示意圖

另外，光斑的實(shí)際大小還受激光功率和掃描速度的影響。當(dāng)速度恒定時(shí)，功率越大，光斑越大，尺寸加工誤差越大；而與之相反，當(dāng)功率恒定，掃描速度增大時(shí)，尺寸誤差減小。因?yàn)閽呙杷俣仍龃?，則單位面積激光能量密度減?。す馊鄢爻叽鐪p小，相當(dāng)于減小了激光功率。

(2)鋪粉層厚和搭接率

隨著單層層厚的增加，尺寸誤差增大。層厚增加，需要熔化的粉末增加，要能達(dá)到成型要求，則必然要增加激光功率，所以成型件尺寸精度下降。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

如圖2所示，在加工傾斜面時(shí)，當(dāng)傾斜角度a一定時(shí)，如果層厚H增加，則相鄰兩層的錯(cuò)切量△L增大，從而影響斜面的形狀精度。

圖2層厚對(duì)斜面成型精度的影響

搭接率的大小直接影響成型件的輪廓精度。如圖3所示。當(dāng)采用光柵掃描填充，光斑直徑一定時(shí)，搭接率越小，則輪廓成型精度越低。

圖3搭接率對(duì)輪廓精度的影響示意圖

(3)金屬粉末的粒度，直接影響鋪粉層厚，粒度增大則鋪粉的最小層厚增加，成型件的尺寸誤差增大。另外，當(dāng)激光掃描線落在金屬粒子邊緣時(shí)，金屬粒子受光部分被溶化，使金屬粒子被焊接在零件上，形成凸凹不平的毛刺。

(4)鋪粉設(shè)備的精度

根據(jù)成型原理，SLM鋪粉設(shè)備的精度直接影響加工制造精度。在鋪粉設(shè)備的誤差中，特別重要的是鋪粉過(guò)程中的刮板與基板之間的間隙誤差，因?yàn)檫@個(gè)誤差最終影響鋪粉厚度的均勻性。間隙誤差是一種累積誤差，影響的因素較多，也較復(fù)雜。主要包括：①刮板刃口的直線度；②刮板直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的跳動(dòng)；③成型缸活塞上下運(yùn)動(dòng)時(shí)的擺動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)；④基板平面與推動(dòng)絲杠軸線的垂直度。其中成型缸的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差對(duì)刮板與基板之間的間隙不產(chǎn)生影響，只對(duì)成型件的形狀精度有影響；而刮板刃口的直線度誤差則直接影響刮板與基板之間的間隙大小。

2提高SLM快速成型件尺寸形狀精度的途徑

針對(duì)以上影響因素，可以通過(guò)以下途徑提高成型件的精度：

(1)在滿足加工要求的前提下，盡量減小光斑直徑和層厚。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

(2)實(shí)驗(yàn)證明：在考慮加工效率的前提下，搭接率取30％一50％時(shí)，成型件精度一般可以滿足實(shí)際要求。

(3)在滿足加工要求和加工效率的前提下，選擇合適的功率和掃描速度。

(4)對(duì)于圖1所示的問(wèn)題，可以通過(guò)軟件控制，采取輪廓偏置的方法來(lái)解決。即將外環(huán)輪廓向內(nèi)偏置一個(gè)光斑半徑，將內(nèi)環(huán)輪廓向外偏置一個(gè)光斑半徑，而光柵填充要以偏置后的輪廓為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行。

(5)嚴(yán)格控制鋪粉設(shè)備的精度，

利用導(dǎo)向套筒加長(zhǎng)(約為導(dǎo)桿直徑的3—5倍)和提高配合精度等級(jí)等措施可以較好的消除成型缸活塞上下運(yùn)動(dòng)全程的擺動(dòng)誤差。

采用高精度的線性模組可以消除刮板直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的跳動(dòng)誤差。

利用基板水平調(diào)節(jié)裝置可以清除基板與絲杠軸線的垂直度誤差，如圖4所示。

圖4基板水平調(diào)節(jié)裝置實(shí)物圖

3 尺寸與形狀精度的評(píng)價(jià)方法

3•1 評(píng)價(jià)方法

逆向工程，也叫反求工程，實(shí)物反求技術(shù)是利用儀器去收集物體表面的幾何數(shù)據(jù)；然后再利用軟件，計(jì)算出采集數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)；最后用專門(mén)的軟件，把三維數(shù)據(jù)擬合成表面模型，得出實(shí)物的#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#i維模型。

圖5所示是用SLM快速成型方法制造的金屬可摘除局部義齒支架實(shí)物圖，材料為Fe一17Cr-4Ni．2Mo-0．1C?？烧植苛x齒支架是人體口腔修復(fù)的重要輔助工具。由于它的表面是形狀復(fù)雜的曲面，所以用常規(guī)方法難以精確評(píng)價(jià)它的形狀和尺寸精度。本文用逆向工程的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。具體如下：

圖5金屬可摘除局部義齒支架實(shí)物

(1)物體數(shù)據(jù)化：采用柯尼卡美能達(dá)RANGE7采集物體表面的空間坐標(biāo)值?？履峥滥苓_(dá)RANGE7是一款高精度的非接觸式三維掃描儀，主要功能是掃描三維物體，以獲得其外形三維尺寸數(shù)據(jù)。