1.成形收缩

成形收缩是成形件误差的一个非常重要的来源：一方面，成形件发生收缩，其实际尺寸必然小于理论尺寸，成形件出现尺寸误差；另一方面，收缩现象严重时成形件甚至出现翘曲等缺陷，成形件出现位置误差。成形收缩是SLS工艺中普遍存在的现象，因此分析成形收缩现象的组成及产生的原因，并采取一定的改进措施，对减小成形收缩引起的误差和改善成形质量至关重要。

1）温致收缩

SLS工艺中，粉末材料受到激光作用后，瞬时将光能转化为热能，材料温度急剧上升，其烧结温度远远高于室温，甚至接近材料的分解温度，当激光扫描结束后材料逐渐冷却至室温。整个烧结过程材料前后自身温度降低，出现一定程度的收缩，将万物普遍存在的这类收缩定义为温致收缩。成形件的温致收缩δ1可表示为

式中，ζ为材料线膨胀系数，T为烧结过程中最高温度，Ts为室温。

由公式4-8得知，温致收缩与材料线膨胀系数ζ和温差ΔT成正比，因此可通过减小材料的线膨胀系数与烧结过程中温差ΔT两种途径减小温致收缩。材料线膨胀系数为材料自身性质，无法通过工艺对其更改，因而与成形工艺参数无关。烧结过程中的温差由成形工艺参数取值和材料导热系数大小共同决定。在材料确定的情况下，成形工艺参数成为直接影响烧结过程中的温度的唯一因素。因此应该在保证成形件可成功制备的前提下，尽可能合理地选择成形工艺参数，减小成形过程的温差，降低材料的温致收缩。

2）烧结收缩

SLS工艺的本质是激光作用瞬间，粉末材料吸收光能变为热能，材料自身温度上升变为熔融态且颗粒表面的自由能减小，进而驱动粉末颗粒发生黏性流动，待加工结束后黏性流动停止，零件冷却成形。粉末材料发生黏性流动后，不仅引起颗粒表面积发生变化，同时引起颗粒之间逐渐靠近，粉末孔隙率缩小，粉末逐渐实现致密化。黏性流动的根本为粉末材料迁移，材料短暂时间内完成熔融—黏结，这一瞬间材料出现一定量的收缩，这种收缩被定义为烧结收缩。烧结收缩与温致收缩的根本差别是烧结收缩发生了颗粒粉末中心的靠近，且具有瞬时性。

由上述分析可知，粉末烧结时的状态确定了材料黏性流动状态，而决定烧结状态的关键因素为工艺参数。无论是烧结收缩还是温致收缩，两种收缩量都与成形工艺参数有着密不可分的关系。在合理的工艺参数下，粉末材料几乎完全熔融，烧结收缩现象也会有所控制，同时温致收缩也会适当减小，控制成形收缩的关键问题是工艺参数的取值。

2.材料性能

1）粒径

粉末的粒径会影响到SLS成形件的表面光洁度、精度、烧结速率及粉床密度等。在SLS成形过程中，粉末的切片厚度和每层的表面光洁度都是由粉末粒径决定的。由于切片厚度不能小于粉末粒径，当粉末粒径减小时，SLS制件就可以在更小的切片厚度下制造，这样就可以减小阶梯效应，提髙其成形精度。同时，减小粉末粒径可以减小铺粉后单层粉末的粗糙度，从而提高制件的表面光洁度。因此，SLS所用粉末的平均粒径一般不超过100 μm，否则制件会存在非常明显的阶梯效应，而且表面会非常粗糙。但平均粒径小于10 μm的粉末同样不适用于SLS工艺，因为在铺粉过程中，摩擦产生的静电会使此种粉末吸附在辊筒上，造成铺粉困难。

粒径的大小也会影响高分子粉末的烧结速率。一般地，粉末平均粒径越小，其烧结速率越大，烧结件的强度也越高。粉床密度为铺粉完成后工作腔中粉体的密度，可近似为粉末的表观堆积密度，它会影响SLS制件的致密度、强度及尺寸精度等。研究表明，粉床密度越大，SLS制件的致密度、强度及尺寸精度越高，粉末粒径对粉床密度有较大影响。一般而言，粉床密度随粒径减小而增大，这是因为小粒径颗粒更有利于堆积。但是当粉末的粒径太小时（如纳米级粉末），材料的表面积增大，粉末颗粒间的摩擦力、黏附力以及其他表面作用力显著增大，因而影响到粉末颗粒系统的堆积，粉床密度反而会随着粒径的减小而降低。

2）粒径分布

常用粉末的粒径都不是单一的，而是由粒径不等的粉末颗粒组成的。粒径分布（Particle Size Distribution），又称为粒度分布，是指用简单的表格、绘图和函数形式表示的粉末颗粒群粒径的分布状态。(www.daowen.com)

图4-19　单分布球形粉末的正交堆积

粉末粒径分布会影响固体颗粒的堆积，从而影响粉床密度。一个最佳的堆积相对密度是和一个特定的粒径分布相联系的，如将单分布球形颗粒进行正交堆积（图4-19）时，其堆积相对密度为60.5%（孔隙率为39.5%）。

正交堆积或其他堆积方式的单分布颗粒间存在一定体积的空隙，如果将更小的颗粒放于这些空隙中，那么堆积结构的孔隙率就会下降，堆积相对密度就会增大。增大粉床密度的一个方法是将几种不同粒径的粉末进行复合。图4-20所示分别为大粒径粉末A的单粉末堆积图和大粒径粉末A与小粒径粉末B的复合堆积图。可以看出，单粉末堆积存在较大的孔隙，而在复合粉末堆积中，由于小粒径粉末占据了大粒径粉末堆积中的孔隙，因而其堆积相对密度得到增大。

图4-20　单粉末堆积与复合粉末堆积

（a）单粉末堆积；（b）复合粉末堆积

3）粉末颗粒形状

粉末颗粒形状对SLS制件的形状精度、铺粉效果及烧结速度都有影响。一般而言，球形粉末SLS制件的形状精度比不规则粉末高，由于规则的球形粉末具有更好的流动性，因而球形粉末的铺粉效果更好，尤其是当温度升高，粉末流动性下降的情况下，这种差别更加明显，研究表明，在平均粒径相同的情况下，不规则粉末颗粒的烧结速率是球形粉末的五倍，这是因为不规则颗粒间的接触点处的有效半径要比球形颗粒的半径小得多，因而表现出更快的烧结速率。高分子粉末的颗粒形状与制备方法有关，喷雾干燥法制备的高分子粉末为球形，如图4-21（a）所示；溶剂沉淀法制备的粉末为近球形，如图4-21（b）所示；而深冷冲击粉碎法制备的粉末呈不规则形状，如图4-21（c）所示。

图4-21　不同制备方法的粉末形状

（a）喷雾干燥法；（b）溶剂沉淀法；（c）深冷冲击粉碎法

3.成形设备

设备影响成形精度的影响因素主要包括激光振镜扫描系统和铺粉系统。在激光扫描过程中主要存在系统本身的误差，该部分误差主要是由扫描系统组件引起的，包括振镜装配精度、步进电动机偏转精度等。另一种就是该扫描系统的原理误差，包括枕形畸变、离焦误差或桶形失真等其他畸变方式，主要是当激光束要完成给定扫描路径时，由于激光束在X、Y振镜进行反射，其中振镜受到计算机D/A模拟信号实现线性控制，振镜间光路理论控制方程与实际产生误差。而离焦误差则是激光束经过动态聚焦单元，由于扫描路径的变化，激光束到达加工平面所引发的激光光斑直径的变化。针对上述误差，现阶段往往是通过提高扫描系统加工及装配精度，再通过在振镜扫描系统物理模型上分别推导添加相应畸变补偿量的公式，如借助校正网格插值模型、多项式曲线模型校正以及神经网络算法校正，进而实现加工平面内的扫描系统误差补偿的。

针对铺粉系统的精度问题，主要通过计算机实现对步进电动机的控制，进而控制成形缸及供粉缸的进给量来解决的，其中为保证成形缸每下降一个层厚均与切片厚度一致，需要严格保证步进电动机与丝杠间的工作精度，特别是做好设备的定期校正与标定。