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选择性激光烧结成型件精度及抗压强度研究

贾礼宾  
【摘要】:随着科技的进步与发展,人们对物质的需求也提升到了更高的水平,传统制造业已经无法完全满足人们日常生活与生产的需要,工业产品开始向多品种、小批量、高精度和复杂化的方向发展。选择性激光烧结技术出现于上世纪80年代末期,目前在各个领域的应用已相当广泛。它集成了计算机、数字控制、激光以及材料等多种技术及工艺,与传统制造技术相比具有适用性广、工艺简单、自动化程度高、可直接进行零件烧结等优点,特别适合制作熔模铸造用模以及砂型铸造用模。目前,选择性激光烧结技术已普遍运用在汽车机械、医疗、建筑、航空航天、快速制造精铸模具、工艺品设计等广阔领域,对人们的生活生产方式影响深远,在许多行业均有巨大的应用潜力。但是,作为目前一种相对较新的成型技术,选择性激光烧结还存在着许多问题:成型设备成本较高,且无法同时用于成型多种材料,成型速度不高;成型件的表面质量不高,尺寸精度有限;成型件强度无法满足使用要求等。针对以上问题,本论文首先概括性的论述了3D打印技术的研究进展,介绍了选择性激光烧结技术的原理、应用以及目前存在的不足,进而针对聚苯乙烯与覆膜砂材料,以HRPS-IV激光快速成型系统为实验平台设计工艺实验,研究了多个工艺参数对选择性激光烧结成型件性能的影响,优化了成型过程中的工艺参数组合。本文主要结论如下:(1)当激光扫描速度为2000mm/s时,使用聚苯乙烯粉末成型的最佳激光功率为20%,使用覆膜砂成型的最佳激光功率为45%。当激光功率太小,而扫描速度过快时,成型材料无法获得足够的能量,从而导致成型件表面粗糙度大,尺寸精度低,抗压抗拉强度不高。而当激光功率过大,扫描速度过于缓慢时,则容易导致成型材料的烧结过于充分,甚至出现烧透烧断现象,同样不利于成型件最终的成型质量。(2)对于聚苯乙烯而言,最佳的扫描间距为0.2mm,而使用覆膜砂成型的最佳扫描间距为0.1mm。当扫描间距过大时,粉末材料被烧结部分没有连接成片或没有重合,无法使相邻部分的材料熔化,使得相邻两区域材料之间粘结不够牢固,烧结成型件的表面不够平整,成型件的强度受到影响而极大降低;当扫描间距过小时,激光束大部分重合。此时相邻区域的激光能量可以使该区域的粉末重复烧结,使得成型件最终产生较大的翘曲和收缩;如果继续缩小激光扫描间距时,将会使得照射在粉末材料上的总激光能量过高,从而导致成型材料表层的汽化电离,甚至变形,将不利于成型件最终的成型质量。(3)激光烧结单层厚度的选取对成型件表面粗糙度影响很大。对于聚苯乙烯而言,其最佳的单层厚度为0.2mm,使用覆膜砂成型的最单层厚度为0.3mm。通常情况下,激光烧结的单层厚度越小,成型件的尺寸精度越高、成型件的表面粗糙度也越小。可当单层厚度太薄时,层片间会出现翘曲现象,烧结成型件的时间也长。(4)针对数据前处理对选择性激光烧结成型精度的影响,分析了数据处理阶段误差产生的原因以及误差对成型件精度及其他性能的影响,成型件的摆放角度对成型时间以及成型件的表面质量有直接的影响。当CAD模型的表面不规则时,成型中会产生阶梯效应,其表面接近垂直方向阶梯效应最小,而接近水平方向但并不水平的表面则阶梯效应最为明显。


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