成型精度影响及控制

 金属粉末具有密度大、熔点高、导热系数好等特点, 这些特点使得对激光束的功率要求更高，加热速度更快，由于激光束加热的局部性，将会引起温度场分布不均衡、温度梯度大. 在模型成型过程中, 由于温度场不均衡引起的固化收缩问题, 极易导致模型出现球化、翘曲和开裂等现象。为了减少上述因为温度场不均衡导致的模型损坏现象, 对温度场控制进行研究是非常必要的. 因为金属粉末烧结温度场是一个动态分布的过程, 所以采用有限元模拟可以更好地分析成型过程中影响精度的因素, 从而对工艺参数进行合理选择. Bugeda等通过对选择性激光烧结过程中的单一激光源烧结轨迹进行有限元三维模拟, 分析了实验材料的烧结过程, 得到的温度和密度分布图, 获取了烧结深度的信息. Dai等提出了一种有限元分析方法用于调查激光扫描方式对残留应力和变形的影响. 研究表明, 若有一层出现形变, 改变激光束的扫描方式可以将形变影响最小化; 该研究同时还发现, 如果扫描路径沿着某一轴线方向进行长距离扫描, 将可能出现鞍形失真。

 上面的研究基本采用三维有限元瞬态温度场分析, 但却没有考虑到随着温度的变化对一些重要物理参数的影响; 不同材料的热系数等物理性质的变换; 以及温度、激光能量密度和成型件密度的耦合作用等。Wang讨论了选择性激光烧结过程中两个重要参数(固化收缩和光束偏移) 对模型尺寸的影响. Williams 等采用分析和实验的方法研究选择性激光烧结过程中激光的能量密度、激光束光斑直径以及激光束延迟对成型件平均密度和强度的影响. 该研究结果表明: 随着能量密度和光斑直径的增加, 成型件的密度和强度也随之增长, 但是一些限制性因素的存在仍然会影响模型的最大密度和强度. 这种方法虽然能确定烧结过程中模型性能的变化, 但是对模型性能的提高有限. 选择性激光烧结有一种大幅提高制件密度和强度的方法: 后固化法(将成型制件放入一定温度的设备中使未完全成型部分进行再次固化). 文献使用最小二乘法来调查后固化过程中成型件的收缩变化, 研究人员发现后固化方法能显著减小尺寸的收缩, 并且发现固化程度与激光功率、层间距、扫描间距和扫描速度存在函数关系. 文献研究揭示了重要过程参数(激光功率、扫描速度、层间距、粉床温度等) 与成型制

件精度的关系, 使用田口设计方法为长方体模型进行测试, 通过最大化信噪比和方差分析进行尺寸补偿, 成功提高了模型的有效性和精度。

 这些实验和结果都证明了激光粉末成型技术的成型精度还有10%以上的提升空间, 需要更多的科研人员来研究这部分领域, 特别是控制方法的研究.

 综上所述, 3D打印技术呈现了百花齐放, 百家争鸣的发展状况, 无论是从成型原理、材料等关键方向都有大量科研工作人员进行研发, 并且各有特色和优势. 虽然3D 打印技术取得了广泛的关注和迅猛的发展, 在成型精度和速度有所突破, 但依然存在着许多亟待解决的问题，有待来者的研究。