選擇性激光燒結(jié)后處理工藝技術(shù)研究現(xiàn)狀

王 偉，王璞璇，郭艷玲

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，SLS)技術(shù)是一種較成熟的快速原型制造(Rapid prototyping manufacturing，RPM)技術(shù)，它利用激光燒結(jié)粉末材料實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的快速制造，并與傳統(tǒng)工藝方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了快速鑄造和快速模具制造，為傳統(tǒng)制造方法注入新的活力，具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。選擇性激光燒結(jié)是基于離散和堆積原理的一種造技術(shù)，其根據(jù)產(chǎn)品的三維模型將其切片為模型輪廓的二維截面信息在計(jì)算機(jī)控制下層層燒結(jié)疊加而成成型件，理論上凡是受熱后能夠粘結(jié)的粉末都可以作為SLS燒結(jié)的原材料，正是由于SLS加工原理特點(diǎn)，原材料本身的限制以及加工工藝的不完善，使得燒結(jié)的成型件孔隙率較高、強(qiáng)度低，無法滿足商業(yè)化使用強(qiáng)度等問題，如需用作功能件使用需要通過后處理工藝進(jìn)一步提高制件的機(jī)械性能和熱學(xué)性能[4-5]。在SLS整個(gè)加工過程中，后處理是必不可少的環(huán)節(jié)，研究后處理工藝對(duì)SLS進(jìn)一步的發(fā)展與推廣起著重要的作用[6]。目前，國內(nèi)外的后處理工藝的研究基本上已經(jīng)成熟。本文綜述了SLS所用成型材料如金屬粉末、無機(jī)非金屬材料(簡稱高分子材料)、有機(jī)高分子材料的后處理工藝和研究現(xiàn)狀及方法，重點(diǎn)研究了SLS新型原材料木塑復(fù)合材料成型件后處理方法和性能變化情況。

1 SLS幾種材料成型件的后處理工藝

1.1 SLS金屬粉末材料成型件后處理工藝

目前，金屬粉末的SLS成型方法主要分為直接法和間接法[7]。直接法燒結(jié)金屬粉末一般為燒結(jié)單一金屬粉末，如Sn、Zn、Pb、Fe，直接燒結(jié)高熔點(diǎn)的金屬材料易出現(xiàn)球化現(xiàn)象，往往會(huì)產(chǎn)生空洞。目前，主要采用的后處理工藝方法為：①熔滲或浸漬；②熱等靜壓法。熔滲和浸漬都是應(yīng)用毛細(xì)管原理，熔滲是將低熔點(diǎn)金屬或合金滲入到多孔燒結(jié)零件的空隙中，而浸漬采用的是液態(tài)非金屬物質(zhì)浸入。熱等靜壓法是通過流體介質(zhì)將高溫高壓同時(shí)作用在零件坯體表面上使零件固結(jié)消除內(nèi)部空隙，來提高零件的密度和強(qiáng)度[8-10]。熱等靜壓后處理可使零件非常致密，但零件的收縮也比較大。美國Austin大學(xué)的Haase對(duì)鐵粉的選擇性激光燒結(jié)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，燒結(jié)的零件經(jīng)熱等靜壓處理后，相對(duì)密度高達(dá)90%以上[10]。

間接法燒結(jié)覆膜金屬粉，即采用低熔點(diǎn)金屬或有機(jī)粉末做粘結(jié)劑在激光加熱條件下將金屬粉末(基體材料)粘結(jié)起來。間接法成型的坯體(綠件)必須進(jìn)行后處理去除粘結(jié)劑，才能形成致密的金屬功能件。間接法后處理工藝一般分為三步驟：①降解粘結(jié)劑；②高溫焙燒(二次燒結(jié))；③熔滲金屬[7，11]。降解聚合物：通過加熱、保溫去除金屬粉粒間起聯(lián)結(jié)作用的聚合物。二次燒結(jié)是在第一步之后，將坯件加熱到更高的溫度，建立新的聯(lián)結(jié)，在加熱過程中需保持爐內(nèi)的溫度分布均勻，否則會(huì)導(dǎo)致零件的各方向收縮不一致，引起翹曲變形。經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后零件內(nèi)部的孔隙率減少，強(qiáng)度增加，并為其后的金屬熔滲做好準(zhǔn)備。熔滲金屬：熔點(diǎn)較低的金屬熔化后，在毛細(xì)力或重力的作用下，通過成型件內(nèi)相互連通的孔隙，填滿成型件內(nèi)的所有孔隙，使之成為致密的金屬件。

中北大學(xué)用間接法燒結(jié)覆膜鉬粉金屬零件，對(duì)燒結(jié)后的坯件進(jìn)行脫脂預(yù)燒結(jié)，真空固相高溫?zé)Y(jié)與還原氣氛二步燒結(jié)實(shí)驗(yàn)。研究表明：固相高溫?zé)Y(jié)提供坯件二步燒結(jié)的保形性，二步燒結(jié)后的制件抗拉強(qiáng)度達(dá)到200MPa，延伸率接近4%。再對(duì)二步燒結(jié)件進(jìn)行滲銅處理，滲銅件的抗拉強(qiáng)度達(dá)到400MPa，延伸率為13%，沖擊功為140J[7]。南京航空航天大學(xué)對(duì)還原鐵粉和環(huán)氧樹脂以及少量的固化劑進(jìn)行燒結(jié)，對(duì)燒結(jié)件進(jìn)行二次燒結(jié)以及熔滲銅后，得到了致密的鐵銅二元金屬零件，可以作為EDM電極主體[12]。美國Harrisl Marcus等人對(duì)60Cu-40PMMA混合粉末成型件進(jìn)行后處理，得到制件致密度達(dá)到84%～96%?？梢娭萍ㄟ^后處理工藝，其機(jī)械性能得到了顯著提高。

1.2 復(fù)合材料成型件后處理工藝

1.2.1 SLS高分子材料及其復(fù)合材料

SLS 高分子原材料分為熱塑性和熱固性材料。目前，大多作為SLS粉料的是熱塑性材料。熱塑性塑料粉又可分為晶態(tài)和非晶態(tài)兩類，使用較多的燒結(jié)原材料為非晶態(tài)高分子粉料。例如國內(nèi)的華中科技大學(xué)、中北大學(xué)、北京隆源自動(dòng)成型有限公司等SLS技術(shù)研究單位開發(fā)的HB、PSB、PSC、STP1 等?，F(xiàn)在已投入使用的結(jié)晶類成型粉料一般是尼龍(Nylon)及共聚尼龍粉料，由于結(jié)晶性聚合物的燒結(jié)件具有較高的強(qiáng)度和韌性，可以直接作為功能件使用，具有較大的發(fā)展?jié)摿Α峁绦运芰戏勰┏尚蜋C(jī)理是在激光的熱作用下分子間發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)使粉體顆粒彼此粘接。目前，最常用的熱固性材料是酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂，但一般不可以單獨(dú)使用，可以作為復(fù)合材料粉末中粘結(jié)劑[13]。

高分子粉末及其復(fù)合材料的燒結(jié)件根據(jù)用途的不同后處理工藝分為兩大類：當(dāng)其應(yīng)用于功能測(cè)試件時(shí)，一般采用滲樹脂處理來提高制件的強(qiáng)度；當(dāng)其應(yīng)用于精密鑄造制造金屬零件的消失模時(shí)，主要是使用鑄造蠟處理，以提高制件表面光潔度[4]。

1.2.2 滲樹脂后處理工藝

在樹脂涂料中，環(huán)氧樹脂具有力學(xué)性能好，粘結(jié)性能優(yōu)異，固化收縮率小，穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，浸滲后制件的強(qiáng)度高、變形度小，常被選用為后處理的基體材料。浸滲樹脂的工藝流程如下：①將附著在燒結(jié)件表面的粉末清理干凈； ②根據(jù)材料的不同，稱量環(huán)氧樹脂與稀釋劑以及固化劑，其比例需要通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得；③以手工涂刷的方式浸滲樹脂； ④涂刷完畢，用吸水紙將制件表面多余的樹脂吸凈，置于室溫下自然晾干，時(shí)間在4～6 h，再放置于60°C烘箱中進(jìn)行固化，時(shí)間為5 h；⑤對(duì)制件進(jìn)行打磨、拋光等處理工藝，滿足制件的使用功能要求[14-16]。

中北大學(xué)采用尼龍與鋁復(fù)合粉末燒結(jié)材料，經(jīng)過浸樹脂后制件平均拉伸強(qiáng)度提高了43.5%[17]。方強(qiáng)等將ABS粉末SLS成型件浸滲環(huán)氧樹脂，浸滲后的制件拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彈性模量及沖擊強(qiáng)度都顯著地提高[18]。

1.2.3 滲蠟后處理工藝：

鑄造蠟具有硬度高、線收縮率小、穩(wěn)定性好、可反復(fù)使用、提高制件的表面光潔度的優(yōu)點(diǎn)。滲蠟工藝流程如下：①清理制件表面的浮粉；②防止制件長時(shí)間浸泡于蠟液中變軟變形，根據(jù)制件特征合理選擇蠟液溫度和滲蠟時(shí)間(見表1)。首先將原型件放入烘箱(設(shè)定60 ℃)中30 min，使制件受熱均勻。再將預(yù)熱好的原型件放入到一定溫度的蠟池中，等到原型件表面沒有氣泡冒出的時(shí)候，再將原型件用托盤提出蠟池。將滲蠟后的制件放在30°C的烘箱中冷卻30～60 min后，再放置到空氣中冷卻；③根據(jù)鑄件質(zhì)量要求，對(duì)滲蠟制件進(jìn)行相應(yīng)的表面處理[14-16]。

表1 滲蠟溫度與制件特征關(guān)系

1.3 SLS陶瓷粉末材料成型件后處理工藝

1.3.1 SLS陶瓷材料

目前，研究的陶瓷材料主要有AL2O3、SiC、Si3N4及其復(fù)合材料。一般，國內(nèi)生產(chǎn)的選擇性激光燒結(jié)設(shè)備功率比較低，目前，只能用間接成型的方法，將陶瓷粉末與一定量的低熔點(diǎn)粘結(jié)劑混合，激光加熱熔化粘結(jié)劑將陶瓷粉末顆粒粘結(jié)起來，從而制出陶瓷坯體[19-20]。

1.3.2 SLS陶瓷粉末成型件后處理工藝

在SLS陶瓷粉末成坯體后，后處理工藝一般分為3個(gè)階段：脫脂降解粘結(jié)劑、高溫?zé)Y(jié)和熔滲或熱等靜壓燒結(jié)。脫脂降解是去除坯體中的粘結(jié)劑。高溫?zé)Y(jié)是將去除粘結(jié)劑后的成型件放在溫控爐中高溫?zé)Y(jié)，使得坯體內(nèi)部的空隙率降低，密度和強(qiáng)度得到提高[21-22]。鄭州大學(xué)采用以鋁為粘結(jié)劑的AL2O3為燒結(jié)材料，討論了高溫?zé)o壓燒結(jié)和熔浸燒結(jié)對(duì)制件的影響，結(jié)果表明熔浸燒結(jié)可使密度達(dá)到2.2 g/cm3，抗彎強(qiáng)度達(dá)到57.5 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)到商業(yè)使用強(qiáng)度[23]。

熔滲是將陶瓷坯體浸沒在低熔點(diǎn)的液態(tài)物質(zhì)中，或?qū)㈩A(yù)滲物質(zhì)放置于陶瓷坯體上進(jìn)行加熱，在毛細(xì)管力作用下浸滲到坯體內(nèi)部的孔隙，最終將其完全填充。IN S.L對(duì)SLS成型的氧化鋁坯體進(jìn)行了氧化鋁溶膠、硅膠以及鉻酸的入滲處理研究，研究表明滲硅膠后的強(qiáng)度、致密度比滲鉻酸溶液好，入滲后通過高溫處理可得到高強(qiáng)度、高致密度的成型件。

熱等靜壓燒結(jié)是通過氣體介質(zhì)將高溫和高壓同時(shí)作用于陶瓷坯體的表面，消除坯體內(nèi)部的孔洞，以提高制件的密度和強(qiáng)度。南京航空航天鄧琦琳等人以為AL2O3例，采用熱等靜壓后處理方式，溫度為1 150～1 370 ℃，壓力為70～140 MPa，得到零件的相對(duì)密度為96%～99.8%，但工藝比較復(fù)雜，設(shè)備昂貴，零件收縮很大[24]。上海大學(xué)研究了AL2O3與NH4H2PO3的燒結(jié)過程，研究得出二次燒結(jié)后處理反應(yīng)生成了ALPO4，它使AL2O3陶瓷零件的強(qiáng)度有了明顯的提高。

2 SLS木塑復(fù)合材料成型件后處理工藝

木塑復(fù)合材料(WPC)是用塑料和木纖維(或稻殼、麥秸、玉米稈、花生殼等天然纖維)加入少量的化學(xué)添加劑和填料，經(jīng)過專用配混設(shè)備加工制成的一種低成本、綠色環(huán)保、可降解、可循環(huán)使用的成型材料[25]。熱壓成型件已在美國、加拿大、澳大利亞、德國、日本、韓國等國得到廣泛應(yīng)用。東北林業(yè)大學(xué)郭艷玲教授等人提出采用木塑復(fù)合材料進(jìn)行SLS快速原型制造[26]，在國內(nèi)外尚屬首例。燒結(jié)成型實(shí)驗(yàn)采用HRPS-Ш激光成型機(jī)，目前，已進(jìn)行了楊木/PES、桉木/PES、稻殼粉/PES的SLS實(shí)驗(yàn)[27-28]。如圖1所示獲得的成型件的力學(xué)強(qiáng)度較低，通過打磨、烘干、滲蠟等后處理之后形成的原型件已經(jīng)可以達(dá)到一定的力學(xué)性能要求。研究結(jié)果表明，滲蠟件的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度以及沖擊強(qiáng)度都有顯著地提高(見表2)，成型件表面密實(shí)，孔隙率為7%左右，相比于未經(jīng)后處理的成型件，有了明顯提高[29]。目前，SLS木塑復(fù)合材料成型件主要用于模型測(cè)試件、工藝品以及消失模，可以用于熔模鑄造，得到金屬精密制件或模具。

圖1 SLS桉木/PES成型件及滲蠟件

表2 三種木塑燒結(jié)件的機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論與展望

與傳統(tǒng)制造方法相比，SLS采用分層燒結(jié)思想，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形狀零件的快速制造，以及SLS后處理工藝相對(duì)簡單使其得到快速發(fā)展。因?yàn)槌尚筒牧喜煌琒LS后處理工藝不同，本文按照材料的分類：金屬粉末、高分子粉末、陶瓷粉末、木塑復(fù)合粉末以及復(fù)合粉末，論述了SLS成型件后處理工藝方法，得到如下結(jié)論：

(1)間接燒結(jié)法獲得的金屬材料成型件和陶瓷材料燒結(jié)件采用的后處理工藝較相似，高分子粉末與木塑復(fù)合粉末的SLS燒結(jié)件后處理工藝相同，通過后處理之后的制件密度、強(qiáng)度得到顯著地提高，可以達(dá)到使用強(qiáng)度要求，擴(kuò)展了快速原型技術(shù)的使用范圍。

(2)通過后處理工藝，制件在用途上得到了更廣泛的應(yīng)用。例如：高分子與木塑的SLS成型件在滲蠟后可以應(yīng)用于模型測(cè)試件、工藝品以及精密鑄造制造金屬零件的消失模。

(3)相比較高分子粉末和木塑復(fù)合材料，金屬粉末與陶瓷粉末以及他們各自的復(fù)合粉末SLS成型件后處理工藝相對(duì)復(fù)雜，但是與傳統(tǒng)的制造金屬與陶瓷的方法更省時(shí)省力。

(4)SLS新型木塑復(fù)合材料具有低成本，綠色環(huán)保，可降解，可循環(huán)使用的優(yōu)點(diǎn)，但其成型件強(qiáng)度低，經(jīng)過后處理工藝之后力學(xué)性能和制件表面質(zhì)量顯著提高，使得SLS技術(shù)有許多突破。目前，后處理工藝已經(jīng)發(fā)展成熟，但還有待進(jìn)一步提出新的方法與新的后處理劑，使得SLS技術(shù)得到更廣泛的發(fā)展。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1] 朱林泉，白培康，朱江淼.快速成型與快速制造技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

[2] 程 迪.AL2O3陶瓷零件的SLS成型及后處理工藝研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

[3] Kruth J P.Lasers and materials in selective laser sintering[J].Assembly Automation，2006，23(4)：357-371.

[4] 龐國星.粉末激光燒結(jié)快速成型工藝及后處理涂層研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2009.

[5] 楊勁松.塑料功能件與復(fù)雜鑄件選擇性激光燒結(jié)材料的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2008.

[6] Agarwala M，Bourell D，Beaman J，et al.Post-processing of Selective laser sintering metal parts[J].Rapid Prototyping Journal，1995，1(2)：36-44.

[7] 尹貽國，白培康，劉 斌.覆膜鉬粉激光燒結(jié)成型件的后處理工藝研究[J].武器材料科學(xué)與工程，2007，30(2)：44-48.

[8] 鄧琦琳，余承業(yè).金屬粉末選擇性激光燒結(jié)的后處理工藝分析[J].航空工藝技術(shù)，1996，1(1)：31-33.

[9] 任乃飛，張福周，王 輝，等.金屬粉末選擇性激光燒結(jié)技術(shù)研究進(jìn)展[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010，2(2)：201-203.

[10] Agarwala M K.Synthesis selective laser sintering and post-processing of metal and ceramic composites[D].Austin：The University of Texas at Austin，1994.

[11] 任乃飛，曹 松.選擇性激光燒結(jié)金屬粉末材料的研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2005，36(8)：147-150.

[12] 李守衛(wèi).多組元金屬粉末選擇性激光燒結(jié)數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2006.

[13] 李小城.SLS高分子粉料成型工藝參數(shù)及成型質(zhì)量的比較研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2007.

[14] 梨志沖.激光燒結(jié)的高分子粉末及其成型工藝的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2004.

[15] 張 磊.粉末激光燒結(jié)快速成型工藝及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2007.

[16] Childs T H C，Berzins M，Ryder G R，et al.Selective laser sintering of an amorphous polymer-simulations and experiments[J].Journal of Engineering Manufacture，1999，213(4)：333-349.

[17] 洪 琴.選擇性激光燒結(jié)用新型復(fù)合尼龍粉末的研究[D].太原：中北大學(xué)，2009.

[18] 方 強(qiáng)，菜道生.ABS粉末的選擇性激光燒結(jié)成形及浸滲樹脂后處理[J].應(yīng)用激光，2009，29(5)：408-410.

[19] 姜?jiǎng)P譯，郭艷玲，劉 祥.選擇性激光燒結(jié)用原材料研究進(jìn)展[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2010，25(5)：78-81.

[20] Hon K K B，Gill T J.Selective laser sintering of SiC/polyamide composites[J].CIRP Annals Manufacturing Technology，2003，52(1)：173-176.

[21] Slocombe A，Li L.Selective laser sintering of TiC-AL2O3 composite with self-propagating high-temperature synthesis[J].Journal of Materials Processing Technology，2001，118(1-3)：173-178.

[22] 徐文武.碳化硅陶瓷的SLS成形及后處理研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

[23] 高 聳.添加劑及熔浸燒結(jié)對(duì)以鋁為粘結(jié)劑的氧化鋁SLS成型影響[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2011.

[24] 鄧琦琳，唐亞新，余承業(yè).陶瓷粉末選擇性激光燒結(jié)的后處理工藝分析[J].航空工藝，1997，1(1)：16-18.

[25] 李自強(qiáng).木塑復(fù)合材料制備及性能研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2009.

[26] 方小林，郭艷玲，辛宗生.基于木粉的快速成型工藝精度研究[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2008，36(3)：29-33.

[27] 姜?jiǎng)P譯.木塑復(fù)合材料選擇性激光燒結(jié)實(shí)驗(yàn)與后處理研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2011.

[28] 辛宗生，郭艷玲.金屬粉末選擇性激光燒結(jié)技術(shù)研究進(jìn)展金[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010，2(2)：201-203.

[29] 郭艷玲，王璞璇，姜?jiǎng)P譯，等.桉木/PES復(fù)合粉末選擇性激光燒結(jié)實(shí)驗(yàn)與滲蠟后處理[A].第十四屆中國科協(xié)年會(huì)第11分場(chǎng)：低成本高性能復(fù)合材料發(fā)展論壇論文集[C].北京：《中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版)》電子雜志社，2012.

[30] 葉金蕊，李宏富.第十四屆中國科學(xué)年會(huì)第11分會(huì)場(chǎng)：低成本、高性能復(fù)合材料發(fā)展論壇論文集[C].北京：北京航空航天大學(xué)，2012：122-127.