1.机器误差

机器误差是SLM成形设备自身所带来的误差，它是SLM成形过程中的一种原始性误差。一旦成形设备被设计和制造出来，该误差就会一直存在。所以在设计和制造SLM成形设备的过程中，要尽量避免此种误差。

1）成形缸升降误差

成形缸升降误差直接影响SLM成形过程中的层厚精度，因而会引起零件在Z方向上的尺寸误差。成形缸由下面的活塞支撑，活塞与伺服螺杆机构相连，伺服螺杆机构由伺服电动机控制其转动，从而控制成形缸的升降。在SLM成形过程中，零件的层厚都很小，所以成形缸每次下降的行程很小，而且会频繁地快速起停，难免会产生响应迟滞和振动的现象，从而产生成形缸升降误差，进而带来成形件在Z方向上的误差。

2）铺粉系统产生的误差

铺粉系统对SLM的成形过程有很大影响。在成形过程中，要求铺粉能够平整均匀，从而粉末能够平稳地吸收激光能量，成形出的零件表面也较平整，零件精度高；如果铺粉平面不够平整均匀，甚至凹凸不平，则会出现激光离焦量变化的情况，从而使得粉末不能平稳地吸收激光能量，成形出的零件表面也会凹凸不平，影响零件的最终尺寸。此外，如果成形表面凹凸不平，就会影响下一层的铺粉效果，使得下一层的铺粉更加不平，如此反复，只会恶性循环，导致成形件误差越来越大，精度越来越差。除了平整均匀外，还要求铺粉系统铺出的粉末层能够紧实，因为粉末的松装密度为45%左右，完全熔化凝固成致密度为99%左右的实体后，材料收缩比较严重，从而带来成形误差。如果铺粉紧实，能在一定程度上减小因材料收缩而带来的成形误差。步进电动机通过螺杆丝杠带动铺粉装置沿导轨做来回水平移动，完成一次铺粉行程，在SLM成形过程中，难免会有金属粉末或飞溅物等进入导轨中，从而影响铺粉装置的移动，甚至产生振动，使得铺粉凹凸不平，影响成形精度。定期地对铺粉系统的导轨进行清理，能有效地减小铺粉装置振动带来的成形误差。

3）激光扫描系统产生的误差

激光扫描系统产生的误差，是由扫描迟滞带来的。当激光开始扫描的时候，激光的扫描速度不可能一下子就能达到设置的速度，而是从零逐渐变到设置的速度的。同理，当激光停止扫描的时候，也不是马上就能停止，而是从扫描的速度逐渐变为零的。因此，由于此种迟滞现象的存在，当加工零件时，零件的起始端和终端往往比零件的其他地方接触激光的时间要长，吸收的能量就比其他地方大，形成的熔道就会比较宽和高，表现为零件最边缘的轮廓线凸起严重（图5-25）。随着加工层数的累积，轮廓线凸起现象也会逐渐累积，从而对成形零件的最终尺寸精度产生影响。当轮廓线凸起累积到一定程度时，会影响铺粉效果，严重时，会导致零件翘曲变形。为了减小此种误差，可以采取将零件起始端的激光功率逐渐上升至设定值的方法，同时将零件末端的激光功率逐渐减小至零，或者采用高扫描速度来减少迟滞的时间，或者避免采取勾边扫描。

图5-25　外轮廓线凸起示意

此外，振镜系统也会带来激光扫描误差，主要是由扫描振镜在X/Y轴上的偏转误差造成的。另外，当进行大范围扫描时，激光束与成形平面的边端会变得不垂直，使得原本为圆形的激光光斑变成椭圆，给零件的成形边界带来误差。而且扫描范围越大，透镜与成形面边端的工作距离越大，离焦量越大，光斑聚焦直径也越大，这会给SLM的精密成形带来不利影响。

2.激光深穿透产生的误差

SLM加工零件是通过激光束穿透当前粉末成形层，并部分熔化上一实体成形层，使粉末成形层和实体成形层之间形成致密冶金结合，来实现零件层与层之间黏合的。当存在悬垂结构时，由于当前成形层并没有实体作为支撑，粉末熔化后形成的熔池由于重力和毛细管力的原因会凹陷，从而使得悬垂结构的下表面产生“挂渣”，如图5-26所示。“挂渣”会影响零件下表面的粗糙度和Z方向尺寸精度，大的悬垂结构会引起零件翘曲甚至坍塌。为了减小激光深穿透产生的误差，避免零件翘曲和坍塌，可以为零件的悬垂结构添加支撑；或者可以采取高功率高扫描速度来减小“挂渣”的出现；也可以在零件设计时，避免悬垂结构的出现。

图5-26　“挂渣”示意

3.激光光斑直径产生的误差

激光束通过聚焦镜聚焦后形成具有一定直径的光斑圆，光斑直径的大小直接影响SLM的成形能力和成形精度。因为SLM的成形原理是通过激光束聚焦后的光斑圆在成形件表面选择性的扫描熔化每一层的轮廓区域来加工零件的，而且由于热传递效应，光斑周围的部分粉末也往往会被熔化，所以实际形成的熔池一般要比光斑直径大。如果单单从几何角度来考虑，SLM的成形精度取决于光斑直径的大小。当成形零件的厚度小于光斑直径的大小时，零件的理论截面轮廓要比光斑熔化的实际区域面积小，所加工出的零件的实际厚度自然要比设计的时候尺寸大。当考虑热传递效应时，此种误差会更大。因此，在设计零件结构时，要避免厚度小于光斑直径的结构特征出现，或者可以通过减小光斑直径来降低此种误差。但如果光斑直径太小，往往会影响激光束能量，从而影响零件的成形精度。所以，在实际成形过程中，要合理地调节光斑直径。

此外，由于激光束是带有一定直径的光斑圆，在SLM成形过程中，是以光斑圆的中心点为参照进行扫描而形成的一系列包络线，理论上线宽宽度是光斑圆的直径，如果考虑熔池的实际大小，线宽会更大，因此，对于零件的边界而言，当光斑圆的中心点与零件边界线重合时，至少会带来半个光斑直径的误差。如图5-27所示，图中的虚线代表零件的设计尺寸，实线代表零件的实际成形尺寸，在扫描过程中，光斑圆的中心点沿图中虚线运动，不仅带来X和Y方向的尺寸误差，而且成形出的尖角也呈圆弧状，从而带来形状误差。可以采用光斑补偿的方式来减小此种误差，即在扫描过程中使光斑向零件边界内部偏移半个光斑直径；或者也可以适当地减小光斑直径。

图5-27　光斑对尺寸的影响

4.材料收缩变形产生的误差

由于SLM成形材料是松装密度为45%左右的金属粉末，加工成形后变成致密度为99%左右的实体零件，密度的增大，势必引起体积收缩，从而带来尺寸误差。

在SLM加工过程中，金属粉末熔化成液相再凝固成固相是在短时间内完成的，往往正在被激光扫描的部位还是液态，刚才被激光扫描过的部位就已经冷却凝固成固态了。这就会在成形件内部形成大的温度梯度，产生大的热应力。而且，材料从液态凝固成固态，体积会收缩，由于体积收缩，会在零件成形过程中产生内应力。

另外，在SLM成形过程中，激光束为高斯光束（图5-28），光束中心能量最大，由此向四周能量逐渐递减，而且在激光束与粉末作用的过程中，随着激光束穿过粉末层的深度的增加，激光能量呈指数函数递减，由于能量不均，粉末受热不平衡，粉末层上端吸收的能量大，熔化的粉末就多，收缩也大，粉末层下端吸收的能量少，熔化的粉末就少，收缩也小，由于收缩不均匀，会在零件内部层内和层间产生内应力。

随着SLM成形过程的进行，受热不均或者体积收缩产生的应力累积到一定程度时，就会在成形零件表面产生裂缝，严重时会导致零件坍塌或翘曲，如图5-29（a）所示。当零件有支撑时，还有可能导致支撑被拉断，如图5-29（b）所示。如果在加工过程中出现这些现象，就会严重影响零件的尺寸精度、形状精度、位置精度等，甚至导致加工不能正常进行而使得成形件成为废品。

图5-28　高斯分布

图5-29　翘曲变形的影响

（a）无支撑时的翘曲变形；（b）有支撑时的翘曲变形

可以通过采用合适的激光功率、扫描速度、扫描策略、扫描间距、分层层厚等来优化工艺参数以减小材料收缩变形产生的误差。

5.粉末黏附产生的误差

在SLM成形过程中，粉末黏附是一种常见现象。激光束为高斯光束，光束中心能量最大，由中心向四周逐渐减小。处于光斑范围内的金属粉末能够完全被熔化而凝固形成实体，这一范围被称为熔化区。由于热传导作用，能量会向光斑范围以外的四周传导，处于光斑范围外的金属粉末由于受热传导的影响会部分熔化，或者由于吸收能量不够而熔化不充分，这一范围被称为热影响区。热影响区内熔化不充分的金属粉末呈烧结态或颗粒状而黏附在实体周围，如图5-30所示。

加工过程中产生的“飞溅物”是造成粉末黏附现象的另一个重要原因。激光束与金属粉末的相互作用是一个极其复杂的过程，既有物理反应，也有化学反应。有些金属粉末由于吸收了过多的能量而直接汽化，因此SLM成形过程中会伴随气体的释放，气体释放会产生冲击力，使熔化区的液态金属和热影响区的半熔化金属颗粒以“飞溅物”的形式飞溅到周围，导致一些类似球状的小颗粒黏附在实体零件的表面，如图5-31所示。

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图5-30　粉末黏附现象

图5-31　飞溅导致的粉末黏附

粉末黏附直接影响SLM成形件的精度。如316L不锈钢粉末的平均粒径为20 μm，因此任意一个随机的粉末黏附就有可能带来20 μm的尺寸误差。而当多颗粉末黏附在一起时，有可能会带来更大的尺寸误差。为了减小由于粉末黏附而带来的尺寸误差，可以采用优化的工艺参数减少加工过程中的粉末黏附现象；也可以通过电化学等后处理来去除黏附的粉末。

6.加工参数调节不当产生的误差

图5-32　熔道搭接示意

SLM加工的实质是激光束扫描金属粉末形成熔道，然后激光束偏移一定距离扫描邻近的金属粉末形成另一条熔道，并与前面的金属熔道搭接。如此循环形成一个成形面。接着，成形缸下降一个层厚，供粉缸上升一个层厚，完成铺粉后，激光束在新的粉末层上以相同的方式开始扫描形成另一个成形面，新形成的成形面与上一成形面保持搭接。如此循环，随着成形面的逐层搭接而最终加工出实体零件。如图5-32所示，H代表熔道深度，D代表熔道宽度，Δs代表同一成形面内两相邻熔道之间的搭接长度，Δh代表熔道与上一成形面的搭接深度。从图5-32可以看出，要想保证同一成形面内两熔道搭接，以及保证熔道与上一成形面搭接，则必须使激光扫描间距小于熔道的宽度D，且使分层厚度小于熔道深度H。这是加工顺利进行的前提，也是保证加工精度的前提。如果激光功率太大，扫描速度太慢，激光输入能量就会过高，熔道的宽度和深度就会变大，在扫描间距和分层厚度比较小的情况下，相邻两熔道之间以及相邻两成形层之间的搭接度就会增大，这会使得能量过度集中而增大零件热应力，从而引起成形误差。如果激光功率太小，扫描速度太快，激光输入能量就会过低，有可能使得金属粉末熔化不充分而形成不连续的熔道，在扫描间距和分层厚度比较大的情况下，熔道和熔道之间，以及层与层之间可能不能顺利搭接，从而产生成形误差。

由此可见，优化工艺参数，合理地控制激光功率、扫描速度、扫描间距、分层层厚，可以很好地减小成形误差。

影响成形件尺寸精度的另一个重要因素是扫描策略。扫描策略有如图5-33所示的几种典型方式。在SLM成形过程中，S形正交层错扫描策略采用的比较普遍，它是S形正交扫描与层间错开扫描这两种策略的优势结合。如图5-33（c）所示，S形正交扫描策略即在第n层采用S形往返扫描策略沿X方向扫描，在第n＋1层则采用S形往返扫描策略沿Y方向扫描，使第n层与第n＋1层的扫描方向相互正交，从而能够有效地减小上一成形层表面的波纹效应。层间错开扫描策略即第i层与第i＋1层的扫描线相互错开半个扫描间距宽度，使第n＋1层的每条熔道都落在第i层相邻两熔道之间，从而能够很好地修补第n层的成形缺陷，使相邻两成形层之间能够搭接得更紧实。S形正交层间错开扫描是先在X方向上进行两层层间错开扫描，然后在Y方向上进行两层层间错开扫描。从理论上来讲，S形正交层间错开扫描策略结合了S形正交扫描和层间错开扫描两种策略的优势，相对而言是一种比较优化的扫描策略。单方向扫描和S形往返扫描策略由于是始终沿一个方向扫描，容易在成形件内部产生大的应力累积，而且每相邻两熔道之间的沟壑有可能因填充不到而导致成形件产生裂纹，影响成形件精度。轮廓偏移扫描策略能够提高成形件的轮廓精度，对形状精度要求比较高的零件可以选取此种扫描策略，但是轮廓偏移扫描策略容易引起应力集中，且有可能因为外围轮廓扫描线过长而引起零件翘曲，从而带来成形误差。分区扫描策略能够很好地减少零件内部的应力集中现象，因此对于横截面积比较大的零件可以采取此种扫描方式。但是，分区扫描往往会使区域与区域之间搭接不紧实，而在相邻区域之间产生缺陷，影响成形精度。

图5-33　典型的扫描策略

（a）单向扫描；（b）往返扫描；（c）正交扫描；（d）层间错开扫描；（e）轮廓偏移扫描；（f）分区扫描；（g）正交层间错开扫描

扫描策略与成形件的精度息息相关。选择合适的扫描策略是提高成形件精度的有效途径之一。

7.材料性能不佳产生的误差

SLM成形采用的加工材料是金属粉末，金属粉末的性能包括粉末粒径、松装密度、含氧量、球形度、流动性等。SLM成形件的精度与金属粉末的这些性能有很密切的关系。粉末粒径过大，松装密度低，颗粒之间的空隙就会大，材料熔化凝固形成实体后收缩就大，成形件的误差就大。而且空隙中的空气是热的不良导体，会阻碍粉末层上端的能量往下传，上端吸收能量大，熔池大，收缩也大；下端吸收能量小，熔池小，收缩也小。熔池上下收缩不均匀，会产生内应力，当应力累积到一定程度时，可能导致零件翘曲，影响成形件精度。此外，由SLM成形过程中的粉末黏附现象可知，粉末粒径越大，黏附在零件表面的颗粒也越大，产生的尺寸误差也越大。由此可见，选用粉末粒径小、松装密度高的金属粉末更有利于成形件的精度，而且粒径小的金属粉末之间接触表面积的总和会更大，粉末之间的机械咬合作用也大，这能在一定程度上抑制零件的翘曲。但是如果选用的金属粉末粒径过小且球形度不够好的话，就会降低粉末的流动性，影响铺粉的平整性和均匀性，反而对成形件精度不利。另外，粒径小的金属粉末表面能也大，如果粉末的化学性质比较活泼的话，在加工过程中发生轻微爆炸引起“飞溅”也是有可能的，而“飞溅”是造成粉末黏附现象的主要原因之一，它会影响成形件的尺寸精度。粒径小的金属粉末在铺粉过程中容易被扬起，有可能污染光学部件，影响激光能量；扬起的粉末还有可能进入铺粉轨道中，使铺粉装置在移动过程中产生振动，影响铺粉效果，从而带来成形误差。可见，粉末粒径对SLM成形件精度的影响是一系列的。最后，金属粉末的含氧量不宜过高，因为含氧量高的金属粉末容易在成形中生成氧化物，氧化物会降低金属溶液的润湿性，导致球化现象发生，从而影响成形件精度。

由以上分析可知，材料性能对成形件的精度有很大的影响。选取性能优良的金属粉末能够提高成形件的精度。

8.其他因素产生的误差

除了上述因素影响SLM成形精度外，还有以下一些细节因素对成形件精度的影响也是不可忽略的。

1）黑烟问题

激光束与粉末相互作用过程中会产生黑烟，因为金属粉末中含有C元素以及其他杂质元素，这些元素与激光作用过程中会燃烧、汽化而产生黑烟。黑烟会对金属粉末产生污染，受污染的粉末被长期反复使用就会导致黑烟问题加剧，产生恶性循环；黑烟也会污染聚焦透镜，黑烟黏附在聚焦透镜表面，会降低激光的透过率，造成激光能量的衰减，使得金属粉末不能被完全熔化，加重粉末黏附现象，影响成形件精度。目前，黑烟问题还未能得到根本解决，在SLM成形设备中增加气体循环装置，能够在一定程度上减少黑烟现象。

2）成形室气密性

SLM成形前，需要先对成形室抽真空，然后通入氮气或者氩气等惰性气体，以确保整个SLM成形过程在含氧量低于0.2%的气氛下顺利进行。如果成形室气密性不好，使得成形室中含氧量上升，氧易与金属粉末中的C、Mn、S、Si、P等元素反应而生成氧化物，氧化物溶解在液态金属中会降低其对已凝固层的润湿性，导致球化现象产生，降低成形件精度。

3）基板安装

SLM成形件是在基板上一层一层黏叠起来的，如果安装在成形缸内的基板与铺粉刷不平行，会造成铺粉的不均匀，从而带来成形误差。基板的安装是由人员手工操作来完成的，基板本身是否平坦、各螺钉的松紧程度、安装螺钉的先后顺序和对称与否，对基板是否与铺粉刷平行带来影响。

4）离焦量

如果不能调整聚焦透镜焦点位置使其在成形面上，就会导致正离焦或者负离焦。正离焦和负离焦都会使激光光斑变大，不利于SLM的精密成形。此外激光能量与光斑直径的平方成反比，光斑直径稍微变大，就会大大降低激光能量，影响SLM成形件的质量。

5）零件摆放方式

由SLM成形的原理性约束可知，零件摆放方式对零件的成形精度有很重要的影响。比如一个长度较大而宽度较小的长方体零件，如果将其沿X或者Y方向水平摆放，并采用S形正交层间错开扫描策略进行加工的话，有可能因其在X方向或者Y方向的扫描线过长而引起零件翘曲现象，影响成形精度。如果将其与X轴成45°摆放，可大大减小其在X和Y方向的扫描线长度，有效避免因扫描线过长而引起的零件翘曲现象。此外，零件水平摆放、垂直摆放、与水平面成45°摆放等，也会对成形件精度有影响。通过零件摆放位置的调整，尽量减小悬垂面或零件台阶误差。

6）零件几何特征

零件几何特征与SLM成形件精度有紧密联系。平面零件的成形精度与曲面零件的成形精度会不同，方形、尖角、圆形零件等的成形精度会不同，同一特征不同尺寸成形精度会不同。

7）粉末杂质

长期使用的金属粉末如果不进行过筛，会发现里面有杂质。这些杂质主要由SLM加工过程中的“飞溅”产物、球化产物、加工悬垂结构时产生的“挂渣”等组成。这些杂质颗粒一般都比较大，影响铺粉的均匀性、平整性，不利于SLM成形件的精度。

8）实际激光功率

激光束每经过一个光路元器件都会有一定程度的能量损耗，使得照射到粉末层上的实际激光功率小于理论设定值。当损耗过大时，会影响成形件精度。所以需要定期校正光路单元的元器件，以确保实际激光功率超过理论值的90%。