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为了探讨激光选区熔化成型典型几何特征的尺寸精度,并为激光选区熔化直接成型金属零件提供设计参考依据,设计了薄板、尖角、圆柱体、圆孔、方孔等典型几何特征的三维模型,采用华南理工大学研发的激光选区熔化设备(DiMetal-100)在优化的工艺参数下选用316L 不锈钢粉末对这些典型几何特征进行激光选区熔化成型。实验结果表明,激光光斑约束、台阶效应、粉末粘附、激光深穿透等因素是影响零件尺寸精度和激光选区熔化成型能力的主要原因。基于对激光选区熔化成型典型几何特征的尺寸精度及成型能力研究,提出了一些适用于激光选区熔化的零件设计规则,为产品的创新设计提供了参考依据。
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第 42 卷 第 3 期
2015 年 3 月
Vol. 42, No. 3
March, 2015
中 国 激 光
CHINESE JOURNAL OF LASERS
0303004-
激光选区熔化成型典型几何特征尺寸精度研究
杨雄文 杨永强 刘 洋 王 迪
*
华南理工大学机械与汽车工程学院, 广东 广州 510640
摘要 为了探讨激光选区熔化成型典 型几何 特征的尺寸精度,并为激光选区熔化直接成型金 属零件 提供设计参考
依据 ,设 计了薄板 、尖 角、圆柱体、圆孔 、方 孔等典型 几何特征的 三维模型 ,采 用华南理工 大学研发 的激光选区 熔化
设备 (DiMetal-100)在 优化的工艺 参数下选用 316L 不锈钢 粉末对这些 典 型几何特征 进行激光选区 熔化成型。 实 验
结果 表明,激光光斑 约束、台阶效 应、粉末粘附、激 光 深穿透等 因素是影响 零件尺寸精 度和激光 选区熔化成 型能力
的主要原因。基于对激光选区熔化成型典型几何特征的尺寸精度及成型能力研究,提出了一些适用于激光选区熔
化的零件设计规则,为产品的创新设计提供了参考依据。
关键词 激光技术; 设计规则; 激光选区熔化; 几何特征; 尺寸精度; 成型能力
中图分类号 TN249; TG665 文献标识码 A
doi: 10.3788/CJL201542.0303004
Study on Dimensional Accuracy of Typical Geometric Features
Manufactured by Selective Laser Melting
Yang Xiongwen Yang Yongqiang Liu Yang Wang Di
School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology,
Guangzhou, Guangdong 510640, China
Abstract In order to investigate dimensional accuracy of geometric features manufactured by selective laser
melting (SLM) and to provide design references for SLM to manufacture metal parts directly, several typical
geometric features such as thin walls, sharp corners, cylinders, circular holes, square holes, etc are designed.
Then SLM equipment DiMetal-100 is employed and 316L stainless steel powders are used to manufacture these
typical geometric features under the condition of optimized process parameters. It is shown that laser spot
restraint, step effect, powder adhesion and laser deep penetration are the main factors which affect
dimensional accuracy of parts and affect manufacturing ability of SLM. The manufacturing ability of SLM and
the dimensional accuracy of typical geometric features by SLM is studied. It puts forward some preliminary
design rules suitable for SLM, which provides a reference for innovative design of products.
Key words laser technique; design rules; selective laser melting; geometric features; dimensional accuracy;
manufacturing ability
OCIS codes 140.3390; 350.3390; 350.3850
收稿日期: 2014-08-22; 收到修改稿日期: 2014-10-10
基金项目: 国家自然科学基金(51275179,51405160)、佛山市科技创新专项资金项目(2013AH100042)
作者简介: 杨雄文(1989—),男,硕士研究生,主要从事激光加工及激光快速成型等方面的研究。
E-mail: yangxiongwen.1989@163.com
导师简介: 杨永强(1961—),男,教授,博士生导师,主要从事激光快速成型及自动化焊接技术等方面的研究。
E-mail: meyqyang@scut.edu.cn
* 通信联系人。E-mail: mewdiaser@scut.edu.cn
1 引 言
尺寸精度是衡量机械产品质量的重要指标之一,为使零件具有互换性,必须保证尺寸的一致性,即要求
1
中国激光
尺寸在某
一
合理
的范围内
[1
)
。
在
复杂精
密金属
零
件制造领域,对
零
件的尺寸精度有严格的要求,提高尺寸精
度,可以缩短
零
件的后处理时间,降低制造成本口
]
。
传统制造对于产品的形状与结构设计约束很大
口
l
。
传统
制造方法是基于
去除
材料原理通过
多
个
工
序逐步由坯料加
工出来
,刀具和装夹是
零
件设计时最
主要
的约
束
。
而激光选区熔化
(SLM)
是逐
层添
加出实体
零
件,无需刀具和装夹
。
这意味着,传统的设计规则、设计方法
等已不再 适用于
SLM
[
飞目前
,国内外针对
SLM
成型典型几何特征的研究还比较少,且暂时没有适用于
SLM
的设计规则供设计
工
程师参考
。
罗子艺等
[5)
采用
S
LM
技术成型了变截面的薄壁零件,零件顶部壁宽为
10
1.
3μm
,
底部壁宽为
142μm;
卢建斌等
[6)
对
SLM
成型悬垂面质
量
的影响因
素进行了分
析;刘
洋等
[7)
研究了
成型厚度、倾斜角度和能量输入等
工
艺参数对
S
LM
成型间隙特征大小的影响;王迪等问对
S
LM
成型间隙倾斜
面的表面粗糙度进行了理论研究;刘利
[9
)
对光固化快速成型
(SLA)
精度问题进行
了专题
研究,研究
了
光斑
直径
补偿、
层厚、扫
描速度以及扫描间距对成型件尺寸精度的影响;邹国林
[1
町对熔融沉积制造
(FDM)
的精度问题进
行了研究,研究了材料收缩对尺寸精度的影响以及对收缩的控制和补偿方法
。
吴伟辉等
[11)
从硬件因
素、软
件
因素和材料因素
3
个方面对
S
LM
的
成型精度进行了初步探讨;王迪等
[12)
对
S
LM
成型件在
Z
方向的尺寸精度
进行了初步研究
。
付
立 定
等
[
1
3
)
初步研究了激光功
率、扫
描间距、扫描速度对
SLM
成型件尺寸精度的影响
。
Kruth
等
[ 1
4)
采用
S
L
S
加
工工
艺对薄壁、尖角、小圆孔等进行成型,并对其进行了尺寸精度、表面粗糙度和机械
性能的测量;
Mumtaz
等
[
1
5
)
利用脉冲激光器对薄
壁零
件进行
了
S
LM
成型;
Yadro
山
e v
等
[
1
6
)
采用
PHE
N
IX-PMI00
设备在不同的扫描策略下对薄壁零件进行了
S
LM
成型,并最终加工出壁厚为
0.14mm
的
薄壁零件
;Adam
等
[17)
从基本几何单元、几何单元之间的过渡以及
复合结
构
三方面
对
SLM
的设计规则进行了
一
些探讨
;Zhou
等
[18)
采用
S
LA
技术成型了
一
些典型几何特征,
并
研究
了
工
艺参数对典型几何特征精度的影响
;
T
a
n
g
等[1
9)
通过对铜
基合金进行
S
LM
的
原型
件制造,发现增加扫描间距有利于提
高精
度,而扫描
层厚
对成型件精度几
乎没有影
响
。
以上只
是
研究了 非金属
材料几何特征的成型精度;或
者只是针
对
金属
材料单
一
几何特征的研究,还没
有对金属材料典型几何特征的成型工艺进行系统的总结
。
本实验设计了薄板、尖角、圆柱体、圆孔、方孔等
典型几何特征,然后采用
316L
不锈钢粉
末
对其
SLM
成型,
井
对
SLM
成型能力和尺寸精度进行分析,初步提
出
一
些适用于
SLM
的
零
件设计规则
。
2
实验设备、材料与实验方法
2.1
实验设备和材料
实验设备为华南理
工
大学研发的激光选区熔化设备
DiM
e
tal-l00
。
女
1
]
图
1
所示,其
主要由
光纤激光器
、
光
路传输单元、密封成型室(包括铺粉装置)、机械传动及控制系统、
工
艺软件等几个部分组成
。
激光由扫描振镜
导
向,然
后通
过
f-8
透镜聚
焦
,选择性地将成型面
上
的
金属
粉
末熔
化堆
叠成金属零
件
。
其扫描速度范围为
10-
5000
mm/s
,
加 工
层厚为
20-100μm
,激光聚
焦
光斑
直径为
70μm
,
成型最大体积为
100
mm
x
l00
mm
x
120
mm o
f-Ð
图
1
SLM
成型原理图
Fig.l Principle
of
SLM
process
2.2
实验材料
实验材料为
3
16L
不锈钢球形粉末
,
平均粒径为
17.11μm
,
最大
粒径为
35μm
,粉
末
的松装密度为
4
.4
2 g/cm
3
,
其化
学成分
如表
1
所示
。
0303004-2
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