SLS尼龍粉料成型工藝參數優(yōu)化研究

李小城

（安徽機電職業(yè)技術學院 機械工程系，安徽 蕪湖 241002）

SLS尼龍粉料成型工藝參數優(yōu)化研究

李小城

（安徽機電職業(yè)技術學院 機械工程系，安徽 蕪湖 241002）

用正交試驗法對SLS尼龍粉料進行燒結實驗，研究了SLS成型工藝對尼龍燒結件密度和強度的影響規(guī)律；結合材料性能對關鍵工藝參數做了進一步實驗，確定了SLS尼龍粉料的最優(yōu)工藝參數組合。其研究方法和結論對SLS高分子粉料成型工藝的確定有一定的參考價值。

激光選區(qū)燒結；成型工藝參數；成型質量；SLS高分子粉料

激光選區(qū)燒結（SLS）快速成型是一種以激光為熱源層層疊加燒結粉狀材料的“凈成型”技術［1－2］，可用的材料有高分子材料、金屬材料、高分子與金屬或與樹脂砂的復合材料，其產品可用于熔模鑄造的“蠟?！?、功能性零件、快速模具等多個方面。SLS高分子粉料中的尼龍粉料為半結晶型材料，因為其成型產品具有較高的強度和密度，所以產品作為功能件使用時具有很大的優(yōu)勢［3－4］。

成型設備、材料和工藝是目前國內外研究的主要內容，成型工藝也是影響成型件質量的關鍵因素。本文采用正交試驗的方法，以密度、強度和成型質量為考核指標，確定了尼龍粉料的成型工藝參數，找出了各參數對密度和強度的影響規(guī)律，并通過進一步實驗精確確定了激光功率的大小。

1 實驗

1.1 實驗設備及材料

AFS-320型激光快速自動成型機（北京隆源自動成型系統(tǒng)有限公司），射頻CO2激光器，最大功率50 W，一次成型最大尺寸320 mm×320 mm×440 mm，儲料容積45 L，分層厚度0.08 ～ 0.3 mm；精度為0.1 mg的分析天平；紅外線測溫儀； 5KN MT型微機控制電子拉力試驗機（深圳市新三思材料檢測有限公司）。材料為市售尼龍粉料，白色，堆積密度為0.592 g·cm－3，粒徑分布為50～150 μm，吸濕率為1.0%，熔點為140 ℃，板結溫度為100 ℃。

1.2 實驗方法

設計25 mm×25 mm×10 mm密度樣件和拉伸樣件，以預熱溫度、激光功率、掃描速度和切片厚度四個主要成型工藝參數為研究對象，采用L9（34）正交試驗，以樣件密度和強度為評價指標，確定成型工藝最佳參數組合。

2 實驗結果與分析

2.1 各因素水平的確定

（1）預熱溫度。如果預熱溫度太低燒結件就容易翹曲，翹曲輕者造成燒結件發(fā)生層間錯移，嚴重時會使鋪粉過程無法進行。尼龍（PA）粉的板結溫度為100 ℃，所以取95、85和75 ℃為預熱溫度的三個水平。

（2）激光功率。激光功率是對成型性能影響最大的參數，將其他三個參數固定在高分子材料的常用數值，取激光功率為35%、40%、45%和50%進行試探性燒結，結果表明：當激光功率為35%時，燒結件幾乎不能成型，輕微的移動即遭破壞；當激光功率為40%時，燒結件表面平整，但粉末處于半熔化狀態(tài)，強度較低，略施力便遭破壞；當激光功率為45%時，燒結件表面質量比激光功率為40%時略有下降，但燒結強度比前兩者有很大提高；當激光功率為50%時，燒結時煙霧較濃，成型件表面及邊界粗糙，說明激光能量已略顯高。所以取激光功率為40%、45%和50%三個水平。

（3）切片厚度和掃描功率。AFS-320成型機的分層厚度在0.08～0.3 mm之間，另外，分層厚度越薄，加工時間就越長，燒結件還會出現(xiàn)過燒現(xiàn)象。故分層厚度取0.15、0.2、0.25 mm三個水平。掃描速度和激光功率兩種參數相互影響、相互作用，故掃描速度取1 600、 1 800和2 000 mm·s－1三個水平。

2.2 正交試驗結果與分析

正交試驗結果見表1。表中Mij是第j列水平號為i的ρ值之和是因子j的第i個水平的均值，

表1 正交試驗結果與極差分析

圖1 PA粉料四因素與燒結密度的關系

2.2.1 工藝參數對密度的影響

（1）各因素極差從大到小順序為：RA＞RC＞RB＞ RD，即各工藝參數對密度的影響程度從大到小為：激光功率、切片厚度、預熱溫度、掃描速度。

（2）從圖1中可以看出，燒結密度隨激光功率的增大而增大，且在激光功率為40%和45%時增大較多；密度隨預熱溫度升高而增大，隨切片厚度和掃描速度的增加而減小。

（3）從實驗結果中可以看出密度和拉伸強度在各對應組中變化趨勢相同。

2.2.2 激光功率對燒結件表面質量的影響

在9組實驗（見表1）中，激光功率為40%時，燒結件表面質量較好（見圖2），但是強度較低，平均強度為0.602 MPa；激光功率為50%時，拉伸件平均強度達到7.63 MPa，但此時零件表面粗糙，由于激光功率過大而形成“橘皮式”表面，表面粗糙且邊界模糊，如圖3中第8、9組。將第6組與5組和7組比較，6組由于預熱溫度高和切片厚度薄，燒結充分，反而比激光功率高的7組密度和強度都高。綜合上述分析，激光功率的選擇應在45%左右。

圖2 激光功率為40%時的燒結樣件

圖3 激光功率為50%時的燒結樣件

2.3 激光功率的確定結果及分析

2.3.1 激光功率的確定

由于預熱溫度跟成型材料的板結溫度有關，在保證成型過程中材料不板結的狀況下，較高的預熱溫度既能降低對激光能量的需求又可以防止燒結件翹曲，故預熱溫度取95 ℃；切片厚度越大，成型強度越低，為了滿足尼龍粉燒結件作為功能件使用，將取切片厚度為0.15 mm；掃描速度和激光功率的作用相互補充，所以將掃描速度固定在設備常用值1 800 mm·s－1。按表2變換激光功率，燒結實驗樣件，每組燒結5件，測試并計算其平均密度和拉伸強度，結果見表2。激光功率與密度和強度的關系見圖4。

圖4 激光功率與PA燒結密度和強度之間的關系

表2 不同激光功率下燒結件的密度和強度

2.3.2 結果分析

（1）隨著激光功率增大，密度和強度先增大后減小，在激光功率為47%時達到最大。這是因為激光功率增大，材料吸收能量就增加，材料的熔融度增大，所以密度就增大；而激光功率繼續(xù)增大，材料受熱氣化，又會使密度略有降低。

（2）密度基本上在1.0 g·cm－3左右，隨激光功率的增大變化不明顯；而強度隨激光功率的增大增幅較大，激光功率從42%增加到44%，強度增加了4.98 MPa；激光功率從46%增加到47%，強度增加了13.753 MPa；而激光功率從47%增加到48%時，密度和強度都略有降低。SLS成型屬于無壓燒結，尼龍屬于半結晶材料，所以溫度在熔點附近時，密度變化不是很大；但是，當溫度達到熔點時，材料又會瞬間熔融成型，材料形態(tài)、結構發(fā)生變化，所以強度變化較大。

3 結論

（1）激光功率對成型件的密度和拉伸強度影響最大，其次是切片厚度、預熱溫度和掃描速度。（2）在一定范圍內，燒結件密度和強度隨激光功率的增大而增大，當達到一定數值后開始減小；密度隨預熱溫度的增大而增大，隨切片厚度和掃描速度的增大而減小。（3）綜合考慮密度、強度和表面質量各項指標，尼龍材料燒結成型工藝參數的優(yōu)化組合為：激光功率47%，預熱溫度95 ℃，切片厚度0.15 mm，掃描速度1 800 mm·s－1。（4）尼龍粉料為半結晶材料，燒結成型時材料狀態(tài)發(fā)生改變，激光功率較大時表面粗糙，邊界更加模糊。

［1］ 趙志國.激光選區(qū)熔化成形技術的發(fā)展現(xiàn)狀及研究進展［J].航空制造技術，2014（19）：46-49.

［2］ KUMAR S. Selective Laser Sintering: A Qualitative and Objective Approach［J］. JOM，2003（3）: 43- 47.

［3］ ZARRINGHALAM H, HOPKINSON N, KAMPERMAN F. Effects of Processing on Microstructure and Properties of SLS Nylon 12［J］. Mat Sci Eng A-Struct, 2006（5）: 172-180.

［4］ CAULFIELD B，MCHUGH P E，LOHFELD S. Dependence of Mechanical Properties of Polyamide Components on Build Parameters in the SLS Process［J］. Journal of Materials Processing Technology, 2007, 182: 477-488.

【責任編輯 黃艷芹】

Research on Process Parameters Optimization of Polymer Powders of Nylon

LI Xiaocheng
（Department of Mechanical Engineering, Anhui Technological College of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhu 241002, China)

The effects of sintering process parameters on density and tensile strength were analyzed by using orthogonal design of experiment of nylon. According to the properties of material, the key process parameter was studied by further experiment，and the combination of process parameters for experiment material was defined precisely. The results and the research methods can be of theoretical reference to optimizing process parameters.

selective laser sintering(SLS)； prototyping process parameter； prototyping quality； SLS polymer powder

TQ320.668

A

2095-7726（2015）03-0050-04

2014-11-11

安徽省高校省級自然科學研究重點項目（KJ2014A023）

李小城（1976-），女，河南太康人，講師，碩士，研究方向：快速成型技術和模具CAD/CAM/CAE。