PS／CF復(fù)合粉末激光選區(qū)燒結(jié)工藝研究*

楊來俠，趙貞慧

（西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710054）

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PS／CF復(fù)合粉末激光選區(qū)燒結(jié)工藝研究*

楊來俠，趙貞慧

（西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710054）

摘要：為提高聚苯乙烯粉末燒結(jié)件的強(qiáng)度，制備了聚苯乙烯／碳纖維（PS／CF）復(fù)合粉末，采用正交實(shí)驗(yàn)方法研究了不同工藝參數(shù)對PS／CF復(fù)合粉末SLS燒結(jié)件彎曲強(qiáng)度的影響，確定了最優(yōu)工藝參數(shù)。結(jié)果表明，復(fù)合粉末試樣的彎曲強(qiáng)度最高可達(dá)7.49 MPa，比純PS粉提高2.88倍；彎曲強(qiáng)度隨掃描速度和層厚的增大而減小，隨預(yù)熱溫度的增加而增大；PS／CF復(fù)合粉末的最優(yōu)工藝參數(shù)為掃描速度1 800 mm／s，預(yù)熱溫度85℃，層厚0.18 mm。

關(guān)鍵詞：聚苯乙烯；碳纖維；激光選區(qū)燒結(jié)；彎曲強(qiáng)度

聯(lián)系人：楊來俠，博士，教授，主要從事塑料快速成型與模具制造技術(shù)研究

激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）快速成型技術(shù)是增材制造中發(fā)展較成熟的一種先進(jìn)制造技術(shù)。目前，適用于SLS的粉末材料主要有以下幾大類：金屬粉末、陶瓷粉末、覆膜砂、聚合物粉末等［1］。與金屬和陶瓷粉末相比，聚合物粉末SLS工藝過程具有成型溫度低、激光功率小等優(yōu)點(diǎn)，因此，聚合物粉末是迄今為止應(yīng)用最為廣泛的SLS材料。用聚合物粉末材料制作塑料功能件以及與鑄造技術(shù)相結(jié)合的快速模具制造是SLS的兩個(gè)重要發(fā)展方向，應(yīng)用前景廣闊。常用的聚合物粉末有聚苯乙烯（PS），尼龍（PA），聚碳酸酯（PC）等［2］。PS粉末激光燒結(jié)性能較好，但原型件為多孔結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能較差，彎曲強(qiáng)度低于3 MPa，故需要對其做增強(qiáng)處理才能滿足大型功能件的要求［3–5］。

為了提高PS粉末燒結(jié)件的強(qiáng)度，以滿足塑料功能件對強(qiáng)度的要求，選擇CF粉末作為增強(qiáng)材料。CF是一種含碳量在95%以上，具有高強(qiáng)度、高模量、低密度及良好導(dǎo)電性的新型纖維材料，并且形狀細(xì)小、表面純凈、比表面積大。將CF與PS粉末充分混合后燒結(jié)，使得作用在PS上的力通過兩種材料界面上的連接作用傳導(dǎo)到CF上，CF的強(qiáng)度被充分利用，從而達(dá)到增強(qiáng)PS的目的［6–8］。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1原材料

CF粉：平均粒徑75 μm，滄州中麗新材料科技有限公司；

PS：平均粒徑150 μm，西安交通大學(xué)快速成型中心。

1.2儀器及設(shè)備

激光快速成型機(jī)：XJRPSLS300 型，激光類型為CO2激光器，功率范圍為0～60 W，光斑直徑0.3 mm，最大成型尺寸為300 mm × 300 mm×275 mm，陜西恒通智能機(jī)器有限公司；

分析天平：AL104 型，奧然科技有限公司；

數(shù)顯卡尺：FS–0601型，香港五羊工具有限公司；

生物力學(xué)疲勞試驗(yàn)機(jī)：PLD–5KN型，LETYR公司；

掃描電子顯微鏡（SEM）：S–4800型，日本Hitachi公司。

1.3試樣制備

將PS粉與CF粉按照質(zhì)量比為9∶1的比例機(jī)械混合，得到本實(shí)驗(yàn)用的粉末原料。

利用快速成型機(jī)制備試樣。制備過程為：向供粉缸加入足量PS／CF復(fù)合粉末，啟動(dòng)鋪粉裝置，使粉末原料均勻鋪滿成型缸的成型區(qū)域；準(zhǔn)備工作就緒后，導(dǎo)入經(jīng)切片軟件Magics 9.55處理的成型試樣的模型，啟動(dòng)自動(dòng)成型系統(tǒng)。加工時(shí)，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下供粉缸上升一個(gè)層厚，成型缸下降一個(gè)層厚，鋪粉裝置完成一層鋪粉，激光依照當(dāng)前截面形狀按一定的掃描路徑進(jìn)行掃描，粉末材料在激光照射下表面發(fā)生微熔，相互粘結(jié)在一起，形成試樣的一層。當(dāng)前層制作完成后，供粉缸再上升一層，成型缸下降一層，鋪粉，激光掃描，形成新的一層，并在激光透射作用下與上一層粘為一個(gè)整體，如此循環(huán)往復(fù)，直到最后一層成型，整個(gè)試樣制備完畢，待其在成型室自然冷卻至室溫后，取樣、編號、封裝。

不同的工藝參數(shù)對燒結(jié)件的力學(xué)性能和尺寸精度影響各異。激光束掃描速度的大小決定粉層接收激光能量的多少，掃描速度大，激光停留在粉層的時(shí)間短，粉末吸收的能量就少，粉末顆粒表面熔融的程度就低；相反，掃描速度小，粉末吸收的能量多，熔融程度高。預(yù)熱溫度主要影響制件的尺寸精度，對熱塑性塑料，預(yù)熱溫度需略低于材料本身的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，預(yù)熱溫度過高，粉末會發(fā)生粘結(jié)，不利于鋪粉；預(yù)熱溫度過低，成型時(shí)會發(fā)生嚴(yán)重翹曲，無法成型。層厚的大小不僅影響粉層吸收能量的多少，還關(guān)系到鋪粉是否均勻致密。為尋找一組較優(yōu)的工藝參數(shù)，保持激光功率25 W，掃描間距0.32 mm不變，選擇掃描速度（A）、預(yù)熱溫度（B）和層厚（C）3個(gè)因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，每個(gè)因素選3個(gè)水平。表1為正交實(shí)驗(yàn)表［9］。按照實(shí)驗(yàn)編號順序共制備9組45個(gè)彎曲試樣。

1. 4 性能測試

彎曲試樣尺寸測量：用數(shù)顯卡尺測量每組彎曲試樣的寬度b和高度h，并計(jì)算每組試樣寬度b、高度h的平均值。

表1　正交實(shí)驗(yàn)表

彎曲強(qiáng)度按照GB／T 1446–2005測試，對9組共45個(gè)彎曲試樣進(jìn)行3點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，彎曲實(shí)驗(yàn)的跨距為64 mm，實(shí)驗(yàn)速度為2 mm／min。把條形試樣放在生物力學(xué)疲勞試驗(yàn)機(jī)的支架上，用壓頭由上向下施加負(fù)荷，記錄試樣斷裂時(shí)的應(yīng)力值。

SEM分析：取4組的一個(gè)試樣，制成SEM分析試樣，采用SEM觀察試樣斷面形貌并拍照。

2　結(jié)果與分析

2.1彎曲強(qiáng)度正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析

為分析不同工藝參數(shù)對燒結(jié)試樣彎曲強(qiáng)度的影響程度，采用極差分析法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。表2為9組試樣的彎曲強(qiáng)度，表3為彎曲強(qiáng)度極差分析。

表2　試樣彎曲強(qiáng)度 MPa

表3　彎曲強(qiáng)度極差分析

由表2得出，復(fù)合粉末燒結(jié)試樣彎曲強(qiáng)度的范圍為2.78～7.49 MPa，比純PS粉提高1.07～2.88倍。3#組試樣增強(qiáng)效果最好，這與理論分析結(jié)果相吻合。從理論上講，激光掃描速度越小，停留在粉末表面的時(shí)間越長，粉末吸收的能量越多，燒結(jié)得越充分；層厚越小，層與層之間的粘結(jié)也越牢固。

表3中Rj代表第j列因素的極差，即第j列因素各水平下平均指標(biāo)的最大值和最小值之差。

Rj反映了第j列因素的水平變動(dòng)時(shí)，試驗(yàn)指標(biāo)的變動(dòng)幅度。Rj越大，說明該因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，因此也越重要。據(jù)此得出本實(shí)驗(yàn)中3個(gè)因素對試樣彎曲強(qiáng)度的影響程度由大到小依次為：掃描速度、預(yù)熱溫度、層厚。

Kmj代表第j列因素第m水平所對應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)的均值，由Kmj的大小可以判斷j因素的最優(yōu)水平組合。本實(shí)驗(yàn)的指標(biāo)彎曲強(qiáng)度越大越好，由表3得出，最優(yōu)水平組合為A1B3C3，即掃描速度為1 800 mm／s，預(yù)熱溫度為85℃，層厚0.18 mm?？梢园l(fā)現(xiàn)，最優(yōu)組合正好在所做的9組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，即實(shí)驗(yàn)3#，極差分析所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)一致。圖1為彎曲強(qiáng)度的均值隨各因素不同水平的變化趨勢圖，由圖1可知，PS／CF復(fù)合粉末燒結(jié)試樣的彎曲強(qiáng)度隨掃描速度的增大而減小，隨預(yù)熱溫度的增大而增大，隨層厚的減小而增大。

圖1　不同因素的試樣彎曲強(qiáng)度均值水平趨勢圖

2.2燒結(jié)件斷面SEM分析

圖2為4#組試樣斷面的放大倍數(shù)為500倍的SEM照片。照片展示了斷面的總體形貌和各成分的分布情況。從圖2能夠觀察到碳纖維分散較為均勻，取向隨機(jī)，在PS基體中主要呈現(xiàn)3種狀態(tài)：狀態(tài)1，沿碳纖維軸向鑲嵌在PS表面；狀態(tài)2，沿碳纖維徑向鑲嵌于PS中；狀態(tài)3，搭接于PS粉末顆粒之間。但是，CF粉與PS粉之間只有少量粘結(jié)，PS粉末顆粒表面僅僅發(fā)生了微熔，顆粒之間存在大量空隙，考慮是燒結(jié)程度較低所致。圖3為純PS粉的燒結(jié)件斷面的SEM照片［6］，對比可以看出，純PS粉燒結(jié)件的粉末之間粘結(jié)較好。后期實(shí)驗(yàn)需擴(kuò)大工藝參數(shù)范圍，進(jìn)一步確定適合復(fù)合粉末的最佳工藝參數(shù)。

圖2　復(fù)合粉末燒結(jié)件斷面SEM照片

圖3　純PS燒結(jié)件斷面SEM照片

3　結(jié)論

采用機(jī)械混合的方法制備了CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的PS／CF復(fù)合粉末，運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)方法研究了不同工藝參數(shù)對PS／CF復(fù)合粉末SLS燒結(jié)件彎曲強(qiáng)度的影響。用SEM照片分析了燒結(jié)件斷面形貌特征，通過實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)論。

（1） CF粉末提高了PS粉末燒結(jié)件的彎曲強(qiáng)度，復(fù)合粉末彎曲強(qiáng)度最大值為7.49 MPa，比純PS粉提高2.88倍。

（2）掃描速度、預(yù)熱溫度和層厚對試樣彎曲強(qiáng)度的影響程度由大到小依次為：掃描速度、預(yù)熱溫度、層厚。

（3）激光功率25 W，掃描間距0.32 mm的條件下，使PS／CF復(fù)合粉末燒結(jié)件彎曲強(qiáng)度最大的工藝參數(shù)為掃描速度1 800 mm／s，預(yù)熱溫度85℃，層厚0.18 mm。

（4） PS／CF復(fù)合粉末燒結(jié)件的彎曲強(qiáng)度隨掃描速度的增大而減小，隨預(yù)熱溫度的增大而增大，隨層厚的減小而增大。

參 考 文 獻(xiàn)

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Study on Process of PS／CF Composite Powders Based on Selective Laser Sintering

Yang Laixia， Zhao Zhenhui
（College of Mechanical Engineering， Xi’an University of Science and Technology， Xi’an 710054， China）

Abstract：To improve the bending strength of polystyrene powders sintered specimens，a kind of PS／CF composite powders were prepared. The effect of some important factors on bending strength of the selective laser sintered specimens were analyzed by using the method of orthogonal test. The optimum process parameters were obtained. The results show that the maximum bending strength of the composite powders specimens can reach 7.49 MPa and is increased by 2.88 times than that of PS powder. The bending strength decreases with the increase of laser scanning speed and powder layer thickness，while increases with the increasing of preheating temperature. The optimum process parameters show that laser scanning speed is 1 800 mm／s， preheating temperature is 85℃and powder layer thickness is 0.18 mm.

Keywords：polystyrene；carbon fiber；selective laser sintering；bending strength

中圖分類號：TH145.4+2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-3539（2016）05-0043-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.05.011

收稿日期：2016-02-15

*國家863 計(jì)劃項(xiàng)目（2015AA042503）