大尺寸PS熔模的SLS制造

摘要：选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，简称SLS)是与精密铸造结合最紧密的快速成形新技术，它最适合制造形状复杂、特别是具有复杂内腔流道、具有夹层空间、薄壁（最薄处约1～2mm）的精密铸件。本文介绍了多层可调式预热装置、粉床预热温度模糊自适应控制、多激光器扫描方式抑制超大型复杂零件翘曲变形的热源支撑结构、分区变向与轮廓复合扫描等SLS装备的超大型技术。深入研究了PS（聚苯乙烯）熔模的特性，通过差热扫描量热法（DSC），测定PS模料的玻璃化温度Tg，以确定PS粉床最佳的预热温度；通过热失重分析（TGA）测定PS模料的熔化与粘流温度，以确定焙烧模壳时PS模料的脱除温度。在上述研究的基础上，成功制造出多个卫星的大尺寸薄壁钛合金铸件。

关键词：快速成形；选择性激光烧结；多激光扫描；差热扫描量热法（DSC）；热失重分析（TGA）

1. SLS装备的超大型技术
1）研制一种满足超大型SLS装备（图1）要求的新型预热装置。多层可调式预热装置（图2）。由于SLS装备的工作腔变大，单层加热装置已经不能使超大范围扫描场的温度均匀。我们拟在超大型SLS装备中采用内外多结构且独立可调节高度的预热装置，采用模拟计算与实验相结合的方法，优化设计出位置可调的预热装置及其布置方式，从而提高了SLS成形过程中超大范围温度场的均匀性（图3）。

基于零件切片信息的粉床预热温度模糊自适应控制方法。在SLS成形过程中，预热温“*” “本文获复杂零件快速精铸技术项目（编号2009ZX04014-075）资金资助”
度是决定其零件精度的重要因素。当零件截面几何形状发生突变时，粉末材料的预热温度需要随之变化，否则零件将严重翘曲变形甚至无法成形，对超大型复杂结构件的成形尤其如此。在现有SLS装备中，一般采用人工干预实现预热温度调节，温度参数不好控制，难以用于超大型复杂零件的SLS成形。为此，我们实施一种基于零件切片信息的粉床预热温度模糊自适应控制方法，它基于比较零件相邻切片层的差异，获得零件的形状信息，使预热温度能随零件几何形状变化而自动调整。从生产数据中提取优化的人工控制经验，采用自适应模糊控制方法，使粉床预热温度的控制效果更加符合超大型复杂结构件的SLS成形工艺要求。

3）抑制超大型复杂零件翘曲变形的热源支撑结构。
在成形超大型复杂结构件时，对悬臂等结构，往往会发生严重的翘曲变形现象，并且尺寸越大变形越明显，导致成形失败。为此，必须研究新型的支撑结构，以克服这种现象。我们实施一种新型的热源平衡工艺支撑结构，它能显著改善温度场和应力场的平衡性，抑制超大型复杂结构件的翘曲变形现象，同时支撑结构具有面积小、激光扫描速度快，容易剥离及支撑体材料可回收利用等优点，使超大型复杂结构件的顺利成形得到保障。

4）分区变向与轮廓复合扫描。
在现有SLS装备中，一般采用逐行激光扫描等方式，其适合于中小型复杂结构件的成形。但对超大型复杂结构件容易导致应力集中，从而引起翘曲变形等问题。为此，我们实施一种新的分区变向扫描方式，它能缩短空行程长度和分散应力，从而显著提高成形效率并减小超大型复杂结构件的翘曲变形；同时将分区变向和螺旋扫描方式相结合，根据它们不同的特点，将一个层面复杂的多连通扫描区域划分成一系列简单的单连通区域，在不同的扫描区域采用最适合的激光扫描方式，构成一种新的复合扫描方式，适用于高精度超大型复杂结构件的成形。

2. 超大型SLS装备的高效化技术
由于现有的SLS装备采用单激光器扫描方式和实体烧结成形模式，因而激光扫描时间长，导致其成形效率较低。随着SLS成形零件尺寸的超大型化，现有SLS装备的成形效率已经难以满足快速制造的要求。为此，针对此项关键技术，我们提出了：
1）采用多激光器扫描方式（图4）。我们在超大型SLS装备中采用多激光器扫描方式，即在一台SLS装备上采用多个激光器及扫描系统同时进行烧结成形，以解决超大型复杂结构件一次整体成形过程中效率低的问题。
2）采用三维模型镂空制造方式。SLS成形超大型零件的耗时长、效率低。我们采用一种三维模型镂空的制造方式，它基于空间离散化算法，可将任意三维模型转变为指定壁厚的镂空模型，由此可大幅度减少成形过程中的激光扫描时间，并在三维模型内部添加工艺支撑以保证零件的强度。对很多超大型复杂结构件的实心零件，镂空模型的成形速度可提高一倍以上。
3. 大尺寸熔模精铸件的快速制造
保证获得复杂精铸件的前提条件是，首先必须用SLS成型机选择性激光烧结出尺寸精度复合要求的蜡模，其后最重要的则是如何获得内腔轮廓和表面光洁的精铸型壳，为此本文对下面内容进行了研究：
1） 研究用于SLS蜡模模料的工艺特性，确定可行的工艺规范。

由于选择性激光烧结所使用蜡模的PS模料性质不同于一般熔模精密铸造的蜡料，它具有如下特性：
● 分子量较大，属于高分子化合物范畴，不仅熔化温度高，无固定的熔点，而且熔程长。
● 由于模料的熔体粘度大，需要在较高的温度下才能达到脱蜡所需的粘度，所以不能用一般的水煮或蒸汽等脱蜡方法脱蜡。
● 当蜡模被包裹在模壳中缺氧条件下进行焙烧时，由于然烧不完全，结果在模壳内形成残渣，使精铸件产生夹渣等铸造缺陷。
因此，我们必需对所用模料进行下列试验研究：
① 确定PS蜡料的SLS烧结与能量密度有关的工艺参数
对三种PS粉末材料进行烧结成形。激光能量密度定义为单位面积上应用的相对激光能量，可以由下式计算：

式中，ED为激光能量密度(Energy density)，P 为激光功率(laser power)，BS 为激光扫描速率(laser beam speed)，SCSP 为扫描间距(scan spacing)，将BS 设为 2000 mm/s；SCSP设为 0.1 mm；P 设定范围 8～16 W，因而，ED 的变化范围为：0.04～0.08 J/mm2，切片厚度设为 0.1 mm。
② 确定PS粉料的预热温度Tb烧结温度
粉料充分预热后的温度称为预热温度（Tb）。由于非晶态聚合物如PS在玻璃化温度Tg以上时，大分子链段运动已经相当活跃，由于分子链段的扩散运动，其粉末颗粒会发生粘结、结块而失去流动性，造成铺粉困难，因此，在SLS制造过程中，非晶态聚合物的Tb应低于并接近Tg，已达到减少制件翘曲变形，又不会产生制件烧结过程中被推动。本实验中三种PS材料的Tg是由差热扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry, DSC）来测定的。图5所示为三种PS树脂的DSC曲线，图中箭头所指处为PS树脂的玻璃化转变温度，得到的玻璃化温度及根据玻璃化温度设定的预热温度列于表1中。
2）热失重分析（TGA）
目前，非晶态聚合物的SLS成形件主要有两种用途，即经过浸渗铸造蜡后处理用作精密铸造熔模和经过涂渗树脂后处理用作塑料功能件。当用作精密铸造熔模时，要求聚合物在较低的温度下就能熔融、分解，并且残留物越少对最终零件的性能越有利。
① 测定模料熔化与粘流温度
模料的熔化与流动性能将为脱蜡提供直接的依据，本文研究了SLS模料熔融粘度与温度的关系曲线等，来比较模料的熔化及熔融流动特性，确定模料熔体粘度最敏感的温度；测定模料的热失重（TGA）曲线，确定SLS模料的分解过程，以提供选择合理的脱蜡方法并确定最佳脱蜡温度。
图6为PS的TGA曲线，从TGA曲线得到的最大失重速率温度（Tp），终止分解温度（Tf）及最终残余量（Mf）列于表2中，并确定为PS熔模脱蜡温度范围。

② 应设计利于SLS模料熔失过程中的浇冒口、通气道及排蜡辅助浇道系统，为便利脱除PS蜡料获得优质精铸件创造条件。
3）应用实例（图7～11）

3. 结束语
选择性激光烧结快速成形制造技术是国际上快速制造技术的重要发展方向之一，可为航空航天、军工、汽车等领域复杂新产品的快速低成本开发提供一种新的技术手段。因此，该技术在先进军事装备、重要交通运输工具核心部件研制中有着重要战略意义，可以解决我国这些行业目前新产品开发周期长、成本高、市场响应慢、柔性化差等问题，提高这些行业的自主创新开发能力和参与国际竞争的能力。
参考文献
1. Cai Daosheng(蔡道生), Shi Yusheng, Huang Shuhuai. Hollowing  Models by Offsetting Contours. Advanced Manufacturing Technology，2007，33：738-745.
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3. 于千, 白培康. 选择性激光烧结尼龙制件翘曲研究. 工程塑料应用, 2006, 34(2): 34-36.
重大专项项目：“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项资助项目（2007AA03Z115）
第一作者简介：沈其文，女，1938年生，教授，主要从事快速成形技术及应用方面的研究。
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