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)進行復(fù)雜金屬零件的制造，其制造結(jié)果能否滿足實際要求，其中一個很重要的方面是尺寸精度與形狀精度能否滿足要求。

　　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，激光光斑大小對尺寸精度會產(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：因為快速成型系統(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，如果光斑是一個點，則加工實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)輪廓會比理論輪廓大或者小一個光斑半徑，實際加工輪廓如圖1中虛線所示。

　　圖1 光斑影響加工尺寸誤差示意圖

　　另外，光斑的實際大小還受激光功率和掃描速度的影響。當速度恒定時，功率越大，光斑越大，尺寸加工誤差越大;而與之相反，當功率恒定，掃描速度增大時，尺寸誤差減小。因為掃描速度增大，則單位面積激光能量密度減小.激光熔池尺寸減小，相當于減小了激光功率。

　　(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。

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

　　圖2層厚對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。當采用光柵掃描填充，光斑直徑一定時，搭接率越小，則輪廓成型精度越低。

　　圖3搭接率對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，當激光掃描線落在金屬粒子邊緣時，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程中的刮板與基板之間的間隙誤差，因為這個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)運動的跳動;③成型缸活塞上下運動時的擺動與轉(zhuǎn)動;④基板平面與推動絲杠軸線的垂直度。其中成型缸的轉(zhuǎn)動誤差對刮板與基板之間的間隙不產(chǎn)生影響，只對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

　　針對以上影響因素，可以通過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。

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

　　(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)對于圖1所示的問題，可以通過軟件控制，采取輪廓偏置的方法來解決。即將外環(huán)輪廓向內(nèi)偏置一個光斑半徑，將內(nèi)環(huán)輪廓向外偏置一個光斑半徑，而光柵填充要以偏置后的輪廓為基礎(chǔ)來進行。

　　(5)嚴格控制鋪粉設(shè)備的精度，

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

　　采用高精度的線性模組可以消除刮板直線往復(fù)運動的跳動誤差。

　　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)裝置實物圖

　　3 尺寸與形狀精度的評價方法

　　3.1 評價方法

　　逆向工程，也叫反求工程，實物反求技術(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，計算出采集數(shù)據(jù)的空間坐標;最后用專門的軟件，把三維數(shù)據(jù)擬合成表面模型，得出實物的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物圖，材料為Fe一17Cr-4Ni.2Mo-0.1C。可摘除局部義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)方法難以精確評價它的形狀和尺寸精度。本文用逆向工程的方法進行評價。具體如下：

　　圖5金屬可摘除局部義齒支架實物

　　(1)物體數(shù)據(jù)化：采用柯尼卡美能達RANGE7采集物體表面的空間坐標值。柯尼卡美能達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)。

　　(2)物體三維模型重建：RapidForm是韓國INUS公司開發(fā)的全球四大逆向工程軟件之一，它可實時將點云數(shù)據(jù)運算出無接縫的多邊形曲面，得出實物的三維模型。由RapidForm重建圖5所示的零件，結(jié)果如圖6所示。

　　圖6 金屬可摘除局部義齒支架三維重建

　　(3)利用Rapidform軟件進行設(shè)計數(shù)據(jù)與掃描數(shù)據(jù)的全局拼接比較，如圖7所示，圖中左邊模型為可摘除局部義齒支架CAD模型，右邊為三維重建后的模型。軟件通過對比掃描數(shù)據(jù)和三維CAD設(shè)計數(shù)據(jù)，自動導(dǎo)出檢測報告，包括全局誤差以及幾何尺寸誤差。

　　圖7原始CAD模型與重建CAD模型比較

　　3.2結(jié)果與分析

　　如圖8所示，將CAD模型和三維重建模型進行重疊對比，以不同顏色來顯示零件各處是否存在加工偏差及偏差的大小范圍。偏差的大小范圍用不同的顏色來表示，按圖7右邊的色彩設(shè)置，說明如下：

　　圖8原始CAD模型與重建CAD模型重疊拼接后的結(jié)果圖

　　(1)設(shè)置的偏差范圍為±1mm，如果偏差值大于+1mm則以深紅色顯示，如果偏差小于一1mm，則以深藍色顯示：

　　(2)如果偏差為0mm，則顯示為綠色;

　　(3)如果偏差在0—1mm之間，顯示顏色在黃色和紅色之間變化，偏差值增大，顏色變深;

　　(4)如果偏差在一1一0mm之間。顯示顏色在深藍色與淺藍色之間變化，顏色越深偏差越大。

　　從圖8可以清楚地看到：第一，沒有深紅色及深藍色存在，說明偏差值均在±1121121之間，第二。圖中綠色面積較大，只有極小部分是黃色與淺藍色，說明三維重建后模型與CAD模型比較，部分是吻合的，沒有偏差，即使有偏差的地方，顏色也比較淺，故偏差值也較小。

　　軟件通過對比分析得出其尺寸與形狀誤差結(jié)果，如表l所示。

　　表1全局偏差測量結(jié)果表

　　從表l可知，測量結(jié)果中，偏差最大值為0.959mm，平均偏差為士0.172mm。

　　三維測量結(jié)果與原始CAD模型的吻合結(jié)果如圖9所示。

　　圖9形狀與尺寸精度分析結(jié)果圖

　　通過對113363個點的偏差進行統(tǒng)計，得到各個偏差范圍內(nèi)的點的個數(shù)占總點數(shù)的百分比如表2所示。利用SLM技術(shù)制作的可摘除局部義齒支架與原始模型在偏差為±0.285mm范圍內(nèi)的吻合度可達到75.95%.可見其加工精度比較高，在此基礎(chǔ)上，再進行一定的輔助后續(xù)精加工，完全可以得到滿足實際使用要求的可摘除義齒支架。

　　表2各個偏差范圍內(nèi)點數(shù)占總點數(shù)的百分比表

　　4 結(jié)束語

　　本文首先分析了影響SLM快速成型件尺寸形狀精度主要因素，以及提高成型件精度的方法;然后針對以上常規(guī)精度評價方法的不足，以可摘除局部義齒支架為例，利用逆向工程的方法對零件的形狀尺寸精度進行評價，取得較好的評價結(jié)果。