松木粉聚醚砜樹脂復(fù)合材料的選擇性激光燒結(jié)成型工藝參數(shù)優(yōu)化1)

張慧 郭艷玲 姜?jiǎng)P譯 趙德金

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

責(zé)任編輯:張 玉。

選擇性激光燒結(jié)(SLS)，可在沒有模具或工裝夾具的情況下，借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，采用逐層疊加燒結(jié)粉末狀材料原理，成形出結(jié)構(gòu)復(fù)雜且具有一定功能的零部件及工藝產(chǎn)品［1-2］。該加工技術(shù)，具有成形過程簡單、成形材料多樣化、用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)，是最具有發(fā)展前途的3D 打印技術(shù)之一［3-5］。常用于SLS 研究及生產(chǎn)制造的材料，有高分子材料(尼龍、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚碳酸酯等)、陶瓷粉末、金屬粉末，及其與高分子材料復(fù)合粉末等［6-8］;但目前可用材料的種類少，在一定程度上限制了SLS 技術(shù)的發(fā)展。

木塑復(fù)合材料用于SLS，具有低能耗、低成本、制備工藝簡單、尺寸精度高等優(yōu)勢［9-10］，木粉可選用農(nóng)林業(yè)廢棄植物纖維及木材等，廢物利用，因而具有綠色可持續(xù)性。初步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):木塑復(fù)合材料的燒結(jié)制件力學(xué)性能較弱，對燒結(jié)過程工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化是提高木塑制件力學(xué)性能的有效方法之一。Minitab 是一套結(jié)合數(shù)據(jù)處理、分析及圖形展示的統(tǒng)計(jì)軟件，可提供強(qiáng)大的試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)功能，并且操作簡單，以計(jì)算機(jī)代替冗雜的人工手算，節(jié)約了計(jì)算處理時(shí)間［11-12］。同時(shí)，DOE 是一種對多因素問題優(yōu)化的常用手段。比如:R.A.Paggi［13］曾采用DOE 對PA12/MWCNT 納米復(fù)合材料SLS 進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化，提高了材料的力學(xué)強(qiáng)度;Liao H.T.［14］也借助DOE 優(yōu)化金屬粉末SLS 的工藝參數(shù)，達(dá)到降低孔隙率的目的;徐大鵬等人［15］采用正交試驗(yàn)及方差分析方法，對覆膜陶瓷粉末SLS 的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，從而分析出工藝參數(shù)對致密度的影響情況;辛宗生等人［16］同樣采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，對木塑復(fù)合材料SLS 過程中的預(yù)熱溫度、掃描速率、掃描間距及激光功率4 個(gè)參數(shù)優(yōu)化，得到燒結(jié)件密度最優(yōu)的一組參數(shù)。

本實(shí)驗(yàn)以松木粉與聚醚砜樹脂(PES)的混合粉末作為選擇性激光燒結(jié)的原材料，利用激光燒結(jié)快速成型機(jī)制備力學(xué)測試件;使用Minitab 軟件，并采用DOE 方法，對影響力學(xué)性能的多因子工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到多因素對力學(xué)性能影響的顯著程度以及相關(guān)數(shù)學(xué)模型，達(dá)到既提高該復(fù)合材料的力學(xué)性能，又節(jié)約實(shí)驗(yàn)周期的目的。采用差示掃描量熱儀(DSC)、傅里葉紅外光譜儀、掃描電鏡(SEM)，對松木粉/PES 木塑復(fù)合材料的熱性能及微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

1 材料與方法

1.1 松木/PES 復(fù)合材料制備

松木粉:選用邢臺(tái)市開發(fā)區(qū)金葉木質(zhì)纖維素粉廠生產(chǎn)的平均粒徑為120 μm 的松木粉。

PES:選取無毒性、具有優(yōu)良物理機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性的平均粒徑為58 μm 的聚醚砜樹脂粉末。

采用HC-600-3S 型超聲波振動(dòng)篩，獲得粒徑大小均一的松木粉，進(jìn)行干燥處理;將干燥完畢的松木粉與PES 粉末，按照1 ∶4 的質(zhì)量比并使用SHR-50A 型高速混合機(jī)進(jìn)行混粉，物料溫度低于50 ℃，防止粉料因溫度高而黏結(jié)成塊。

1.2 松木/PES 復(fù)合材料熱性能測試

差示掃描量熱分析，采用美國PerkinElmer 公司生產(chǎn)的DSC8000 型差示掃描量熱儀，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下，以10 ℃/min 的速率分別將純PES 粉末、純松木粉、松木粉/PES 復(fù)合材料由室溫升至200 ℃，記錄升溫過程中的DSC 曲線。

1.3 燒結(jié)實(shí)驗(yàn)

采用華中科技大學(xué)快速制造中心研制的HRPS-ⅢA 型快速成形機(jī)，加工木塑制件。首先，利用計(jì)算機(jī)軟件，通過分層掃描三維模型形式，將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的加工信息;然后，根據(jù)計(jì)算機(jī)提供的信息，逐層鋪粉、逐層燒結(jié)，最終以增材制造的方式獲得制件［17-19］。

采用部分因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，按照Minitab 軟件自動(dòng)生成的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行SLS 實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的加工參數(shù)范圍:激光功率6.6～8.8 W，掃描速率1 800～2 000 mm/s，燒結(jié)間距0.1～0.2 mm，單層厚度0.1～0.2 mm，預(yù)熱溫度80 ℃。

1.4 力學(xué)性能測試

拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，分別按照GB/T 2040—1992、GB/T 9341—2001 標(biāo)準(zhǔn)要求，使用深圳市新三思計(jì)量技術(shù)有限公司生產(chǎn)的CMT5504 型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試;沖擊強(qiáng)度，按GB/T 1043—1993 標(biāo)準(zhǔn)要求，使用承德精密試驗(yàn)機(jī)有限公司生產(chǎn)的XJC-25Z 機(jī)械組合式擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)測試。

1.5 紅外光譜分析及微觀結(jié)構(gòu)表征

松木/PES 復(fù)合材料和該材料的燒結(jié)制件，均采用美國Thermo Fisher Scientific 制造商的Nicolet 6700 FTIR 型傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行測試對比，分辨率為4 cm-1。試樣斷面經(jīng)噴金處理后，采用FEI 公司生產(chǎn)的QUANTA200 型掃描電鏡觀察斷面形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 松木/PES 復(fù)合材料熱性能

由圖1可見:3 種粉末均不存在明顯的結(jié)晶峰，因此，松木/PES 復(fù)合材料屬于非結(jié)晶態(tài)高分子材料。同時(shí)，純PES 粉末的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為56 ℃左右，純松木粉的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約為100 ℃，松木粉/PES 復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為87 ℃。由此可知:松木粉的添加，提高了復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度;混粉的最佳預(yù)熱溫度需低于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度5～10 ℃［20］，因此選擇80 ℃為預(yù)熱溫度時(shí)較適宜，既可以避免預(yù)熱溫度低而試件變形，又可以防止溫度高而粉末黏結(jié)。

圖1 3 種粉末材料的DSC 曲線

2.2 松木/PES 復(fù)合材料的力學(xué)性能及優(yōu)化結(jié)果

表1為松木/PES 復(fù)合材料力學(xué)性能測試結(jié)果。對拉伸強(qiáng)度進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化，各因素對拉伸強(qiáng)度影響程度，由大到小依次為:燒結(jié)間距、激光功率、單層厚度、掃描速率。

利用殘差診斷以及方差分析，將Minitab 自動(dòng)生成的數(shù)學(xué)模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對，殘差和方差均正常，說明當(dāng)激光功率為6.6～8.8 W、掃描速率為1 800～2 000 mm/s、燒結(jié)間距為0.1～0.2 mm、單層厚度為0.1～0.2 mm 時(shí)，拉伸強(qiáng)度的數(shù)學(xué)模型為:p=10.135 6+0.623 409P-0.003 700 75v-22.399 0r-13.588 5d。式中:P 為激光功率;v 為掃描速率;r 為燒結(jié)間距;d 為單層厚度。

通過“響應(yīng)優(yōu)化器”，實(shí)現(xiàn)木塑制件力學(xué)性能最優(yōu)化參數(shù):激光功率為8.8 W、掃描速率為1 800 mm/s、燒結(jié)間距為0.1 mm、單層厚度為0.1 mm。根據(jù)拉伸強(qiáng)度的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出該參數(shù)的拉伸強(qiáng)度為5.320 9 MPa。

利用Minitab 進(jìn)行預(yù)測響應(yīng)，當(dāng)采用最優(yōu)工藝參數(shù)進(jìn)行SLS 成形時(shí)，拉伸強(qiáng)度的95%置信區(qū)間是(4.822 55 MPa，5.819 33 MPa)。采用最優(yōu)工藝參數(shù)進(jìn)行SLS 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測得木塑制件的拉伸強(qiáng)度為5.203 7 MPa。結(jié)果表明:最優(yōu)工藝參數(shù)下的拉伸強(qiáng)度值在95%置信區(qū)間內(nèi)，由Minitab 軟件分析得到的理論數(shù)值與實(shí)際值相比，相對誤差為2.25%，說明該數(shù)學(xué)模型具有可信度。對于木塑復(fù)合材料的彎曲 強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度的優(yōu)化，均可采用該方法。

表1 實(shí)驗(yàn)方案對應(yīng)的力學(xué)性能

2.3 松木/PES 復(fù)合材料紅外光譜分析及結(jié)構(gòu)表征

由圖2可見:SLS 前后，木塑復(fù)合材料的吸收峰位置沒有改變，只是部分峰強(qiáng)度有所改變。說明在燒結(jié)過程中并沒有產(chǎn)生新的化學(xué)基團(tuán)，因此可確定激光燒結(jié)松木/PES 復(fù)合材料過程為單一物理變化。

圖2 松木粉/PES 復(fù)合材料燒結(jié)前后的FTIR 圖譜

由圖3可見:不規(guī)則近橢球形顆粒為PES 粉末，長條扁片狀顆粒為松木粉。在SLS 成形過程中，PES 大分子鏈?zhǔn)軣衢_始活躍，當(dāng)激光功率為7.7 W時(shí)，小部分顆粒仍保持原來的形狀，一部分粉末顆粒在相互接觸的部位黏結(jié)在一起形成較大的顆粒;當(dāng)激光功率為8.8 W 時(shí)，大分子鏈的活動(dòng)能量增高，PES 粉末顆粒的形狀發(fā)生了較明顯的變化，顆粒之間的燒結(jié)頸變長。松木粉在SLS 成形過程中保持著原有的形狀，部分顆粒被PES 熔融顆粒包圍，部分顆粒搭接在PES 顆粒上。300 倍掃描電鏡下觀察到:SLS 木塑制件呈多孔狀，較多的孔隙影響著制件的力學(xué)強(qiáng)度。

2.4 木塑燒結(jié)模型

圖4是采用推薦的最優(yōu)工藝參數(shù)燒結(jié)的組裝房子的復(fù)雜三維模型。在選擇性激光燒結(jié)過程中，松木粉/PES 復(fù)合材料展現(xiàn)了易燒結(jié)、成型效果好、尺寸精度較高的特性。

圖3 松木粉/PES 制件的掃描電鏡照片

圖4 木塑燒結(jié)模型

3 結(jié)論

松木/PES 復(fù)合材料應(yīng)用于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)當(dāng)中，具有低能耗、低成本、易成形、成型效果好、尺寸精度高等優(yōu)勢。

松木/PES 復(fù)合材料選擇性激光燒結(jié)過程中，僅存在物理變化，沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng);燒結(jié)制件中存在較多的孔隙，直接影響著木塑制件的力學(xué)強(qiáng)度。

采用Minitab 軟件DOE 的部分因子設(shè)計(jì)，得到一定工藝參數(shù)范圍內(nèi)木塑制件力學(xué)性能的數(shù)學(xué)模型，由此可以定量分析不同工藝參數(shù)對應(yīng)的力學(xué)強(qiáng)度。

松木/PES 復(fù)合材料選擇性激光燒結(jié)的工藝優(yōu)化結(jié)果:當(dāng)激光功率為8.8 W、掃描速率為1 800 mm/s、燒結(jié)間距為0.1 mm、單層厚度為0.1 mm 時(shí)，該復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為5.203 7 MPa、彎曲強(qiáng)度為9.494 5 MPa、沖擊強(qiáng)度為1.865 5 kJ/m2，為最優(yōu)力學(xué)強(qiáng)度。

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