316L選擇性激光燒結(jié)參數(shù)對燒結(jié)件性能的影響

任乃飛,杭雅慧,趙　巖

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

316L選擇性激光燒結(jié)參數(shù)對燒結(jié)件性能的影響

任乃飛,杭雅慧,趙巖

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要在金屬零件制造過程中采用選擇性激光燒結(jié)方法,金屬零件的性能會受多種因素的影響,而影響因素主要有激光功率、掃描速度、掃描間距、鋪粉層厚。文中采用單因素實(shí)驗(yàn)方法研究了316 L和環(huán)氧樹脂粉末間接燒結(jié)方法。并通過測量燒結(jié)件的壓縮強(qiáng)度和尺寸精度,得出不同影響因素對燒結(jié)件質(zhì)量的影響規(guī)律。燒結(jié)件強(qiáng)度隨激光功率的增大、掃描速度的減小而增大,隨掃描間距的增大、鋪粉層厚的增大而減小;燒結(jié)件尺寸精度隨激光功率增大、掃描速度的減小而降低,隨掃描間距的增大、鋪粉層厚的增大而提高;而燒結(jié)件表面粗糙度,隨鋪粉層厚的增大而提高。

關(guān)鍵詞選擇性激光燒結(jié);單因素實(shí)驗(yàn);壓縮強(qiáng)度;尺寸精度

Effect of 316L Selective Laser Sintering Parameters on the Properties of Sintered Parts

REN Naifei,HANG Yahui,ZHAO Yan

(School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

AbstractThe selective laser sintering technology provides a new approach to manufacture metal parts.The properties of the metal parts are affected by many factors.In this paper,the single factor experiments are employed to study the indirect SLS of the mixed powder of 316L and epoxy resin.The factors investigated are laser power,scanning speed,scan spacing and layer thickness.The compressive strength and dimensional accuracy of the parts are measured.The influence of different factors on the properties of the parts is obtained.The compressive strength of the parts increases with the addition of the laser power and lower scanning speed,and decreases with greater scanning space and layer thickness.The dimensional accuracy of the parts is reduced by the addition of the laser power and the lower scanning speed,and improved by addition of the scanning space and layer thickness.The surface roughness of the parts is improved by the addition of the layer thickness.

Keywordsselective laser sintering;single factor experiment;compressive strength;dimensional accuracy

選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering,SLS)是一種發(fā)展較快的快速成型技術(shù)。其利用計算機(jī)對激光器進(jìn)行控制,使激光束有選擇性地掃描粉末,使其單層成型,再逐層疊加,從而完成零件制造[1]。SLS分為直接燒結(jié)和間接燒結(jié)兩種,本文實(shí)驗(yàn)所使用的是間接燒結(jié)法[2]。間接選擇性激光燒結(jié)是將金屬與有機(jī)材料混合粉末燒結(jié)成型的方法?；旌衔镏杏袡C(jī)材料作為粘結(jié)劑,在燒結(jié)時起粘結(jié)作用;金屬粉末作功能材料。

國內(nèi)外學(xué)者對SLS技術(shù)做了大量研究,并取得了一些成果。美國學(xué)者Kamatchi和Neal等人制備鋁粉和聚合物覆膜粉末,進(jìn)行間接燒結(jié)研究[3]。英國學(xué)者Hon等人對碳化硅進(jìn)行間接燒結(jié),研究各工藝參數(shù)對燒結(jié)件性能的影響[4]。北京隆源自動成型系統(tǒng)有限公司是國內(nèi)最先從事SLS成型設(shè)備的生產(chǎn)、制造、銷售的單位,公司還致力于研發(fā)新材料和新工藝[5]。國內(nèi)華中科技大學(xué)的史玉升教授團(tuán)隊對SLS技術(shù)做了許多研究[6-8]。由于SLS間接燒結(jié)的成型原理,不同材料的成型件其強(qiáng)度、精度不同。且不銹鋼材料在市場使用材料中所占比重較高,因此,研究不銹鋼粉末燒結(jié)規(guī)律有其重要意義。

本文實(shí)驗(yàn)在不同的燒結(jié)參數(shù)下燒結(jié)316L不銹鋼與環(huán)氧樹脂混合粉末,測量各個燒結(jié)成型的試樣的抗壓強(qiáng)度和尺寸精度,比較各燒結(jié)參數(shù)對燒結(jié)件質(zhì)量的影響規(guī)律。

1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為金屬材料與有機(jī)樹脂的混合材料。金屬材料為316L不銹鋼,由南宮市雷公焊接材料有限公司提供;有機(jī)樹脂選用環(huán)氧樹脂E-12,由廣州市新稀冶金化工有限公司提供。其化學(xué)成分及性能如表1和表2所示。

表1　316L不銹鋼化學(xué)成分及性能

表2　環(huán)氧樹脂E-12性能指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)中所采用的混合方法為機(jī)械混合,不銹鋼與環(huán)氧樹脂混合比例為質(zhì)量比94∶6,所用設(shè)備為行星式球磨機(jī)(QM-3SP4)。本實(shí)驗(yàn)主要燒結(jié)設(shè)備為激光燒結(jié)快速成形系統(tǒng),型號為HRPS-IIA,由武漢濱湖機(jī)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司生產(chǎn)。該設(shè)備中的激光器為連續(xù)式CO2激光器,激光波長為10.6 μm,最大輸出功率為50 W。

2實(shí)驗(yàn)方案

在選擇性激光燒結(jié)成型實(shí)驗(yàn)中,影響燒結(jié)件性能的因素有眾多,主要有:激光功率,掃描速率,掃描間距,預(yù)熱溫度,鋪粉厚度等。為研究各影響因素對燒結(jié)件性能的影響規(guī)律,本文使用單因素實(shí)驗(yàn)法,研究激光功率,掃描速度,掃描間距和鋪粉層厚對燒結(jié)件的影響。各燒結(jié)參數(shù)如表3所示。

表3　單因素實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

注:表中1-2、2-1、3-3參數(shù)相同,1-3、4-1參數(shù)相同。

每組實(shí)驗(yàn)參數(shù)燒結(jié)9個試樣(試樣為Φ10×10 mm的圓柱體),按排列,行和列之間的距離均為3 mm。利用萬能試驗(yàn)機(jī)測試試樣的壓縮強(qiáng)度,用游標(biāo)卡尺測量試樣的高度與直徑,得出絕對誤差。根據(jù)測量得出的壓縮強(qiáng)度與精度優(yōu)化燒結(jié)參數(shù),研究各影響因素對燒結(jié)件質(zhì)量的影響規(guī)律。

3實(shí)驗(yàn)分析

3.1　壓縮強(qiáng)度分析

為減少實(shí)驗(yàn)誤差,本文實(shí)驗(yàn)在測量試樣的壓縮強(qiáng)度時,對每組試樣中任意3個樣品進(jìn)行測試,測試結(jié)果取其平均值,其測量結(jié)果如表3所示。

根據(jù)壓縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù),得出各影響因素對試樣強(qiáng)度的影響。激光功率對試樣壓縮強(qiáng)度影響曲線如圖1所示,試樣壓縮強(qiáng)度隨激光功率增加而增加,且增加趨勢逐漸變緩。激光功率逐漸增大,粉末材料吸收的能量逐漸增多,混合粉末中粘結(jié)劑環(huán)氧樹脂因此熔化越多,更多的液相有利于燒結(jié)的進(jìn)行,并大幅增加了材料原子間的移動,使得燒結(jié)件的密度提高。此時,試樣的壓縮強(qiáng)度會提高。激光功率繼續(xù)增加時,環(huán)氧樹脂溫度繼續(xù)升高,超過其熔點(diǎn),甚至發(fā)生汽化,在燒結(jié)過程中可看到有白煙出現(xiàn)。由于粉末中的液相趨于飽和,試樣壓縮強(qiáng)度增大的趨勢變緩。

圖1　試樣壓縮強(qiáng)度隨激光功率變化曲線

激光掃描速度對試樣壓縮強(qiáng)度的影響如圖2所示,隨著激光掃描速度的提高,試樣壓縮強(qiáng)度逐漸降低。這是由于激光掃描速度越快,粉末材料對激光能量的吸收越少,導(dǎo)致燒結(jié)中的液相變少,不利于燒結(jié)成型的完成,燒結(jié)件的密度變低,則壓縮強(qiáng)度隨之降低。

圖2　試樣壓縮強(qiáng)度隨掃描速度變化曲線

激光掃描間距對試樣壓縮強(qiáng)度的影響如圖3所示,試樣壓縮強(qiáng)度隨掃描間距的增大而減小。掃描間距的大小影響相鄰兩行燒結(jié)時激光的搭接率[9],掃描間距D大時,則相鄰兩行激光搭接寬度小、搭接率小,此時,相鄰兩行之間的粘結(jié)度不高,影響成型件強(qiáng)度;反之,掃描間距小時、搭接率大、成型件強(qiáng)度高。

圖3　試樣壓縮強(qiáng)度隨掃描間距變化曲線

鋪粉層厚對試樣壓縮強(qiáng)度的影響如圖4所示,試樣壓縮強(qiáng)度隨鋪粉層厚的增加而減小,這是由激光能量及激光對粉層的穿透能力決定的。鋪粉層厚越大時,到達(dá)每層底部粉末的激光能量越小,則燒結(jié)中下層形成的液相越少,不利于粉層下部分的燒結(jié)和層與層之間的粘結(jié)。因此,鋪粉層厚越大時,試樣強(qiáng)度越低。

圖4　試樣壓縮強(qiáng)度隨鋪粉層厚變化曲線

3.2　尺寸精度分析

利用游標(biāo)卡尺對試樣進(jìn)行尺寸測量,得出每個試樣的直徑與高度尺寸,再與試樣的理論尺寸相比,得出其絕對誤差。為減少誤差,對9個試樣都進(jìn)行測量,最終得出均值,結(jié)果如表3所示。

燒結(jié)試樣直徑與高度上的絕對誤差隨激光功率變化曲線如圖5所示,試樣直徑與高度誤差都隨激光功率的增大而增大。這是由于激光功率的增加,使得粉末材料吸收更多的激光能量,周圍未燒結(jié)部分粉末吸收能量,溫度達(dá)到軟化點(diǎn)甚至熔化點(diǎn)后粘結(jié)在燒結(jié)件四周或底部,影響燒結(jié)件精度。隨著激光功率的增加,粘結(jié)在燒結(jié)件四周及底部的材料強(qiáng)度提高,清粉工作無法順利完成,從而影響燒結(jié)試樣的尺寸精度。

圖5　試樣尺寸絕對誤差隨激光功率變化規(guī)律

試樣尺寸絕對誤差隨激光掃描速度的變化曲線如圖6所示,其絕對誤差隨掃描速度的提高而減小。燒結(jié)過程中,掃描速度較低時,能量在粉末材料中傳遞的時間較長,燒結(jié)區(qū)域周圍的粉末溫度升高,易發(fā)生次級燒結(jié)。若次級燒結(jié)層的材料密度較低,可以在清粉過程中清除,不影響成型件精度;若次級燒結(jié)層的材料密度較高、厚度較大時,會使燒結(jié)件輪廓不清晰,影響燒結(jié)件尺寸精度。

圖6　試樣尺寸絕對誤差隨掃描速度的變化規(guī)律

試樣尺寸絕對誤差隨激光掃描間距的變化曲線如圖7所示,試樣直徑尺寸絕對誤差隨激光掃描間距變化較小,且無明顯的變化規(guī)律。這是由于粉末材料燒結(jié)時,使用分組變向的掃描方式,即先掃描試樣外輪廓,再掃描試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此,激光掃描間距的變化對燒結(jié)件周圍的未燒結(jié)粉末的能量吸收影響較小。圖中顯示試樣高度尺寸絕對誤差隨激光掃描間距的增大而減小。這是由于掃描間距的增大會減少每層掃描次數(shù),則輻射到材料表面的能量減少,傳遞到燒結(jié)件底部的熱量減少,減少了底部粉末燒結(jié)的可能。

圖7　試樣尺寸絕對誤差隨掃描間距的變化規(guī)律

試樣尺寸絕對誤差隨鋪粉層厚的變化曲線如圖8所示,試樣尺寸絕對誤差隨鋪粉層厚的增加而減小。這是由于SLS燒結(jié)過程為材料疊加過程,每層的燒結(jié)由于機(jī)械精度、燒結(jié)環(huán)境等會產(chǎn)生一些較小的誤差,而最終燒結(jié)件的誤差則是每層燒結(jié)時的誤差的疊加。燒結(jié)試樣的尺寸一定,增加鋪粉層厚可以減少鋪粉次數(shù),即燒結(jié)層數(shù),則相應(yīng)的燒結(jié)件的累積誤差減小。這種誤差的減小只是體現(xiàn)于試樣總體高度和直徑上,增加層厚會使燒結(jié)件表面的階梯現(xiàn)象更嚴(yán)重。因此,從另一方面,增加層厚會降低燒結(jié)件表面精度。

圖8　試樣尺寸絕對誤差隨鋪粉層厚的變化規(guī)律

觀察所有試樣尺寸絕對誤差,發(fā)現(xiàn)所有絕對誤差都為正,即所有燒結(jié)試樣的尺寸都略大于所設(shè)計的零件三維模型尺寸。一般情況下,SLS完成后要對燒結(jié)試樣進(jìn)行拋光、打磨等后處理。SLS間接燒結(jié)的后處理一般需要進(jìn)行二次燒結(jié),降解燒結(jié)件中的聚合物粘結(jié)劑,再滲入特定的金屬材料。燒結(jié)試樣在進(jìn)行后處理時,會發(fā)生收縮現(xiàn)象。因此,在燒結(jié)時的正向誤差會為后處理提供收縮余量。

4結(jié)束語

本文實(shí)驗(yàn)采用單因素實(shí)驗(yàn)的方法,以壓縮強(qiáng)度和尺寸精度作為衡量指標(biāo),研究激光功率、掃描速度、掃描間距、鋪粉層厚等因素對燒結(jié)件質(zhì)量的影響規(guī)律。通過對研究結(jié)果的分析,可得到結(jié)論:(1)燒結(jié)件強(qiáng)度隨激光功率的增大而增大,隨激光掃描速度的增大而減小,隨掃描間距的增大而減小,隨鋪粉層厚的增大而減小。(2)燒結(jié)件尺寸精度隨激光功率增大而減小,隨掃描速度的增大而提高,隨掃描間距的增大而提高。(3)燒結(jié)件的尺寸精度隨鋪粉層厚的增大而提高,但表面粗糙度隨鋪粉層厚的增大而增大。

參考文獻(xiàn)

[1]劉偉軍.快速成型技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2]李鵬,熊惟皓.選擇性激光燒結(jié)的原理及應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報,2002,16(6):55-58.

[3]Subramanian K,Vail N,Barlow J,et al.Selective laser sintering of alumina with polymer binders[J].Rapid Prototyping Journal,1995,1(2):24-35.

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

[5]王科峰,劉國峰,段國慶.選區(qū)粉末激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)[J].機(jī)械工程師,2005(6):46-47.

[6]史玉升,郭婷,劉錦輝,等.尼龍/Cu復(fù)合粉末選擇性激光燒結(jié)成形研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2007,35(8):90-92.

[7]徐林,史玉升,閆春澤,等.選擇性激光燒結(jié)鋁/尼龍復(fù)合粉末材料[J].復(fù)合材料學(xué)報,2008,25(3):25-30.

[8]何文婷,魏青松,劉凱,等.樹脂模擬在氧化鋁陶瓷SLS/CIP過程中的應(yīng)用[J].材料科學(xué)與工藝,2014,22(4):56-60.

[9]張棟棟.高硬度激光熔覆裂紋的產(chǎn)生機(jī)理及控制方法研究[D].長春:長春理工大學(xué),2014.

作者簡介:任乃飛(1964—),男,博士生導(dǎo)師。研究方向:激光加工。杭雅慧(1990—),女,碩士研究生。研究方向:激光粉末燒結(jié)。

基金項目:國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)基金資助項目(2011CB013004);江蘇省高校自然科學(xué)研究基金資助項目(11KJA460003);江蘇省科技支撐計劃(工業(yè))重點(diǎn)基金資助項目(BE2013009);江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程基金資助項目;江蘇省第十批“六大人才高峰”基金資助項目(2013-ZBZZ-025)

收稿日期:2015- 05- 08

中圖分類號TN244;TF124

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)01-001-05

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.01.001