選擇性激光燒結(jié)聚苯乙烯/玻璃纖維制件的工藝研究*

楊來俠，龔林，周文明，陳夢(mèng)瑤（西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710054）

選擇性激光燒結(jié)聚苯乙烯/玻璃纖維制件的工藝研究*

楊來俠，龔林，周文明，陳夢(mèng)瑤
（西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710054）

將聚苯乙烯（PS）粉與玻璃纖維（GF）粉通過機(jī)械混合制備復(fù)合粉料，利用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制備了PS /GF燒結(jié)制件，在激光功率25 W、預(yù)熱溫度75℃下研究了掃描速度、單層厚度和掃描間距對(duì)PS/GF制件彎曲強(qiáng)度和Z向尺寸的影響，并對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了正交優(yōu)化。結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)取值范圍內(nèi)，隨上述3種工藝參數(shù)值的增大，制件彎曲強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)，而Z向尺寸相對(duì)誤差由正值逐漸向負(fù)值發(fā)展。正交試驗(yàn)結(jié)果表明，掃描速度對(duì)制件的彎曲強(qiáng)度和尺寸精度影響最大，掃描間距影響次之，單層厚度影響最??；確定了掃描速度1 200 mm/s、單層厚度0.25 mm、掃描間距0.28 mm為最佳工藝參數(shù)，此時(shí)制件彎曲強(qiáng)度為10.41 MPa，Z向尺寸相對(duì)誤差為2.35%，基本滿足制件的應(yīng)用要求。

聚苯乙烯；玻璃纖維；選擇性激光燒結(jié)；彎曲強(qiáng)度；Z向尺寸

近年來快速成型技術(shù)在我國(guó)迅速發(fā)展，選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)就是其中重要的一種技術(shù)，它利用分層制造的思想，將固態(tài)粉末直接轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體［1］。SLS技術(shù)所用的粉末材料為熱塑性材料，主要有高分子粉料、金屬粉料、高分子復(fù)合粉料等。但是制件質(zhì)量（彎曲強(qiáng)度、Z向尺寸精度）不足是SLS技術(shù)普遍存在的問題之一，在很大程度上制約了其應(yīng)用范圍［2］。影響制件質(zhì)量的因素主要包括粉末的自身性能、工藝參數(shù)的設(shè)置、系統(tǒng)的穩(wěn)定性等，當(dāng)材料和設(shè)備確定的情況下，工藝參數(shù)對(duì)其影響最大［3］，鑒于此，筆者以聚苯乙烯（PS）/玻璃纖維（GF）粉為材料，采用激光快速成型機(jī)對(duì)PS/GF進(jìn)行SLS成型。預(yù)熱溫度的設(shè)置與材料的性質(zhì)相關(guān)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和初步實(shí)驗(yàn)將預(yù)熱溫度設(shè)置為75℃；綜合考慮彎曲強(qiáng)度和Z向尺寸精度，將激光功率設(shè)置在25 W。在此基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)掃描速度、單層厚度和掃描間距這幾個(gè)重要的SLS工藝參數(shù)，研究PS/ GF燒結(jié)制件的彎曲強(qiáng)度和Z向尺寸精度的變化規(guī)律并進(jìn)行了工藝參數(shù)優(yōu)化。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原材料

PS粉：上海和晟塑膠微粉有限公司；

硅烷偶聯(lián)劑KH-550：東莞昱信塑化有限公司；

GF粉：深圳市亞泰達(dá)科技有限公司；

無水乙醇：江蘇千里行化工有限公司。

1.2主要設(shè)備及儀器

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

新型密封式粉碎機(jī)：廣州市旭朗機(jī)械設(shè)備有限公司；

分析天平：AL104型，瑞士Metler公司；

生物力學(xué)疲勞試驗(yàn)機(jī)：PLD-5kN型，西安力創(chuàng)材料檢測(cè)技術(shù)有限公司；

游標(biāo)卡尺：FS-0601型，精度0.02 mm，香港五羊工具有限公司。

1.3粉料的制備

對(duì)GF粉進(jìn)行表面處理，將少量KH-550偶聯(lián)劑溶于無水乙醇中形成溶液，再加入定量的GF粉，均勻混合后于120℃烘干并經(jīng)粉碎機(jī)粉碎，篩選出約200目的GF粉［4］；篩選出100目的PS粉，采用機(jī)械混合方法將PS粉與GF粉混合均勻（GF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%），制備PS/GF復(fù)合粉料。

1.4燒結(jié)實(shí)驗(yàn)

利用激光快速成型機(jī)，根據(jù)前期的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，將預(yù)熱溫度設(shè)定為75℃，激光功率設(shè)定為25 W，分別調(diào)節(jié)掃描速度、單層厚度和掃描間距，改變其中一個(gè)因素進(jìn)行燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，每次制作5個(gè)制件，為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將5個(gè)制件模型進(jìn)行等距并排同時(shí)燒結(jié)，所有取值均為5個(gè)制件的平均值，燒結(jié)模型為80 mm×10 mm×4 mm的標(biāo)準(zhǔn)制件。

1.5性能測(cè)試

制件彎曲強(qiáng)度和Z向尺寸精度（相對(duì)誤差）按文獻(xiàn)［5］的方法進(jìn)行測(cè)試。

2　結(jié)果與分析

2.1掃描速度對(duì)制件質(zhì)量的影響

掃描速度與PS/GF制件彎曲強(qiáng)度和尺寸精度的關(guān)系如圖1所示。掃描速度是指激光對(duì)粉末進(jìn)行掃描照射的速度，它決定了激光光束對(duì)粉末掃描照射的時(shí)間。從圖1可以看出，掃描速度越高，制件的彎曲強(qiáng)度越低，這是由于激光能量一定的條件下，掃描速度越高，單位區(qū)域內(nèi)的粉末在單位時(shí)間內(nèi)接收到的能量會(huì)越低，使得融化的粉末會(huì)越少，多數(shù)粉末之間僅為輕微的粘結(jié)，因此制件的彎曲強(qiáng)度越低［6］。另外，隨著掃描速度增大，制件的Z向尺寸相對(duì)誤差逐漸減小，但當(dāng)掃描速度繼續(xù)增大時(shí)，其沿著負(fù)方向逐漸增大。這是由于當(dāng)掃描速度較低時(shí)，粉末接收到的能量較高會(huì)將過多的底部層已經(jīng)燒結(jié)成型的粉末再次燒結(jié)，燒結(jié)過度導(dǎo)致整個(gè)制件體積變形加大，其實(shí)際尺寸將高于設(shè)計(jì)尺寸，表現(xiàn)為Z向尺寸相對(duì)誤差為正值；當(dāng)掃描速度較高時(shí)，粉末接收到的能量較低，會(huì)出現(xiàn)粘結(jié)不牢的現(xiàn)象，在清理制件表面粉末時(shí)易將未牢固粘結(jié)的表層粉末清理掉，使實(shí)際尺寸低于設(shè)計(jì)尺寸，表現(xiàn)為Z向尺寸相對(duì)誤差為負(fù)值。

圖1　掃描速度與制件彎曲強(qiáng)度和尺寸精度的關(guān)系

2.2單層厚度對(duì)制件質(zhì)量的影響

單層厚度與PS/GF制件彎曲強(qiáng)度和尺寸精度的關(guān)系如圖2所示。單層厚度是指每次加工的層厚，它決定了激光能量需要透射的深度。從圖2可以看出，單層厚度越大，制件的彎曲強(qiáng)度越低，這是由于隨著單層厚度的增大，激光需要透射的深度越高，而激光的能量是恒定的，因此粉末所吸收的能量越低，使得層與層之間的粘接性能減弱，從而導(dǎo)致制件的彎曲強(qiáng)度越低［7］。同時(shí)還可看出，隨著單層厚度增加，Z向尺寸相對(duì)誤差逐漸由正值向負(fù)值變化。這是因?yàn)?，單層厚度較小時(shí)，對(duì)于單層粉末而言，單位區(qū)域內(nèi)的粉末接收到的能量較大，使得粉末層產(chǎn)生的體積變形較大，Z向相對(duì)誤差出現(xiàn)正值；隨著單層厚度增大，激光需要透射的高度相對(duì)較高，致使單位區(qū)域內(nèi)粉末接收到的能量較小，使得粉末燒結(jié)不充分易出現(xiàn)粘結(jié)不牢的掉粉現(xiàn)象，表現(xiàn)為Z向尺寸相對(duì)誤差為負(fù)值。2.3 掃描間距對(duì)制件質(zhì)量的影響

圖2　單層厚度與制件彎曲強(qiáng)度和尺寸精度的關(guān)系

掃描間距與PS/GF制件彎曲強(qiáng)度和尺寸精度的關(guān)系如圖3所示。掃描間距是指激光掃描照射粉末時(shí)相鄰掃描線之間的距離，它決定了掃描線之間的重合或者分離程度。從圖3可以看出，隨著掃描間距增大，制件的彎曲強(qiáng)度相應(yīng)降低，這是由于隨著掃描間距的增大，相鄰掃描線間重合的部分變小，粉末接收的激光能量較小，粉末之間的粘結(jié)性較差，從而造成彎曲強(qiáng)度變低［8］。同時(shí)也可以看出，隨著掃描間距增大，Z向尺寸相對(duì)誤差從正值逐漸向負(fù)值變化。掃描間距越小，相鄰掃描線重合部分則越多，使得越多的粉末存在二次燒結(jié)現(xiàn)象，體積變形加大使得整個(gè)燒結(jié)件表現(xiàn)為Z向尺寸相對(duì)誤差為正值；而掃描間距越大，相鄰掃描線分隔得越開，使得未接收到能量的粉末越多，粘結(jié)不牢的現(xiàn)象則越嚴(yán)重，表現(xiàn)為Z向尺寸相對(duì)誤差為負(fù)值。

圖3　掃描間距與制件彎曲強(qiáng)度和尺寸精度的關(guān)系

2.4工藝參數(shù)的優(yōu)化

為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)，減少實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，利用快速成型機(jī)對(duì)掃描速度、單層厚度和掃描間距等工藝參數(shù)進(jìn)行了正交試驗(yàn)，對(duì)PS/GF粉末進(jìn)行燒結(jié)，找出較為合理的工藝參數(shù)組合，設(shè)計(jì)三因素三水平的正交試驗(yàn)表，即L9（33），如表1所示，9組正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示［9］。

表1　三因素三水平表

通過極差分析法，即對(duì)同一因素同一水平的3個(gè)實(shí)驗(yàn)值相加（為方便分析，Z向尺寸相對(duì)誤差取絕對(duì)值）得到該因素的K1，K2，K3值，求得K1，K2，K3中最大值與最小值之差為該因素的極差R。所得的極差越大，說明該因素在實(shí)驗(yàn)過程中的影響越大，表3為彎曲強(qiáng)度極差分析表，表4為Z向尺寸相對(duì)誤差極差分析表。

表2　正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

表3　彎曲強(qiáng)度極差分析表　MPa

表4　Z向尺寸相對(duì)誤差極差分析表　%

圖4和圖5分別為彎曲強(qiáng)度和Z向尺寸相對(duì)誤差與各因素水平的關(guān)系圖。

圖4　彎曲強(qiáng)度與各因素水平的關(guān)系圖

圖5　Z向尺寸相對(duì)誤差與各因素水平的關(guān)系圖

從表3和表4可以看出，掃描速度對(duì)彎曲強(qiáng)度和Z向尺寸相對(duì)誤差影響最大、掃描間距次之、單層厚度最小。從圖4可以看出，對(duì)于彎曲強(qiáng)度而言，掃描間距應(yīng)選A1、掃描速度應(yīng)選B1、單層厚度應(yīng)選C2，則優(yōu)化工藝參數(shù)為A1B1C2；從圖5可以看出，對(duì)于Z向尺寸相對(duì)誤差而言，掃描間距應(yīng)選A3、掃描速度應(yīng)選B3、單層厚度應(yīng)選C2，則優(yōu)化工藝參數(shù)為A3B3C2。綜合兩者考慮還需對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，采用如下公式計(jì)算不同指標(biāo)值下某因素某一水平的K值變化率，由此來確定最優(yōu)的工藝參數(shù)組合［10］。

式中：Ki—某因素某i水平下的K值，i=1，2，3。

從彎曲強(qiáng)度指標(biāo)考慮選A1B1C2時(shí)，則Z向尺寸相對(duì)誤差下掃描間距A1和掃描速度B1的K值變化率分別為66.6%和35.8%；從Z向尺寸相對(duì)誤差指標(biāo)考慮選A3B3C2時(shí)，則彎曲強(qiáng)度下掃描間距A3和掃描速度B3的K值變化率分別為69.9%和78.0%。從K值變化率分析選A1B1C2時(shí)Z向尺寸相對(duì)誤差下的K值變化率相對(duì)較小，從而確定最終的優(yōu)化工藝參數(shù)為A1B1C2，即掃描間距0.28 mm、掃描速度1 200 mm/s，單層厚度0.25 mm。在此組工藝參數(shù)下燒結(jié)制件的彎曲強(qiáng)度為10.41 MPa，Z向尺寸相對(duì)誤差為2.35%，此時(shí)彎曲強(qiáng)度能基本滿足制件的應(yīng)用要求，而且尺寸精度也處于一個(gè)較高的范圍內(nèi)。

3　結(jié)論

（1）針對(duì)掃描速度、單層厚度和掃描間距3個(gè)工藝參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)取值范圍內(nèi)，PS/GF粉料燒結(jié)制件的彎曲強(qiáng)度均隨參數(shù)值的增大而降低，而其Z向尺寸相對(duì)誤差隨參數(shù)值的增大呈現(xiàn)由正值向負(fù)值的變化過程。

（2）掃描速度、單層厚度、掃描間距等工藝參數(shù)對(duì)PS/GF粉料制件彎曲強(qiáng)度和尺寸精度的影響各不相同，其中掃描速度的影響最大，掃描間距次之，單層厚度最小。

（3）在激光功率25 W、預(yù)熱溫度75℃、掃描間距0.28 mm、掃描速度1 200 mm/s、單層厚度0.25 mm下，PS/GF粉料制件的彎曲強(qiáng)度為10.41 MPa，Z向尺寸相對(duì)誤差為2.35%，能基本滿足制件的應(yīng)用要求。

［1］ 姜樂濤，白培康，趙娜，等. PS粉末SLS快速成型收縮率實(shí)驗(yàn)研究［J］.工程塑料應(yīng)用，2015，43（4）：41-45. Jiang Letao，Bai Peikang，Zhao Na，et al. Study on shrinkage rate of PS powders with selective laser sintering rapid prototyping experiment［J］. Engineering Plastics Application，2015，43（4）：41-45.

［2］ 王傳洋，陳瑤，董渠.選擇性激光燒結(jié)聚苯乙烯拉伸強(qiáng)度研究［J］.應(yīng)用激光，2014，34（5）：377-382. Wang Chuanyang，Chen Yao，Dong Qu. Research on tensile strength of selective laser sintering polystyrene［J］. Applied Laser，2014，34（5）：377-382.

［3］ 李小飛，朱東彬，董俊慧.激光選區(qū)燒結(jié)及其在精密制造業(yè)中的應(yīng)用［J］.光學(xué)精密工程，2013，21（5）：1 222-1 227. Li Xiaofei，Zhu Dongbin，Dong Junhui. Selective laser sintering and its application to precision casting process for ceramic models［J］. Optics and Precision Engineering，2013，21（5）：1 222-1 227.

［4］ 謝常慶.增強(qiáng)樹脂用玻璃纖維表面處理技術(shù)研究進(jìn)展［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2014，35（10）：125-127. Xie Changqing. Progress in research of the surface treatment technology of glass fiber for the reinforcement of resign［J］. Journal of Sichuan Ordnance，2014，35（10）：125-127.

［5］ 楊來俠，龔林.碳酸鈣改性聚苯乙烯的初步選擇性激光燒結(jié)實(shí)驗(yàn)［J］.工程塑料應(yīng)用，2016，44（3）：49-53. Yang Laixia，Gong Lin. The preliminary selective laser sintering experiment of modification of polystyrene with calcium carbonate［J］. Engineering Plastics Application，2016，44（3）：49-53.

［6］ 楊來俠，劉旭，張文明.聚苯乙烯粉選擇性激光燒結(jié)工藝參數(shù)優(yōu)化［J］.工程塑料應(yīng)用，2015，43（6）：44-49. Yang Laixia，Liu Xu，Zhang Wenming.Process parameters′ optimization of polystyrene powder based on selective laser sintering［J］. Engineering Plastics Application，2015，43（6）：44-49.

［7］ 馬金玲.制備聚苯乙烯微球的新方法探究研究及其在激光成型領(lǐng)域的應(yīng)用［D］.廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2012. Ma Jinling. A new method of preparation of polystyrene microspheres to explore research and its application in the field of laser forming［D］. Guangzhou：Guangdong University of Technology，2012.

［8］ 楊勁松.塑料功能件與復(fù)雜鑄件用選擇性激光燒結(jié)材料的研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2008. Yang Jinsong. Study on the selective laser sintering materials for plastic functional parts and complex castings［D］. Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2008.

［9］ 肖慧萍.尼龍-6/聚苯乙烯體系復(fù)合材料的選擇性激光燒結(jié)［J］.南昌航空大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，22（3）：85-89. Xiao Huiping. The selective laser sintering of nylon-6/polystyrene composite materials［J］. Journal of Nanchang Hangkong University：Natural Science Edition，2008，22（3）：85-89.

［10］ 楊來俠，劉旭.PS粉的選擇性激光燒結(jié)成型工藝實(shí)驗(yàn)［J］.塑料，2016，45（1）：100-103. Yang Laixia ，Liu Xu. Processing experiment of selective laser sintering for PS powder［J］. Plastics，2016，45（1）：100-103.

doi：10.3969/j.issn.1001-3539.2016.08.012

Technology Study of Polystyrene/Glass Fiber Parts Molded by Selective Laser Sintering

Yang Laixia， Gong lin， Zhou Wenming， Chen Mengyao
（College of Mechanical Engineering， Xi'an University of Science and Technology， Xi'an 710054， China）

Polystyrene （PS）/glass fiber （GF） composite powder was prepared by mechanical mixing，then PS/GF sintering parts were prepared by selective laser sintering technology. Under the laser power of 25 W and preheating temperature of 75℃，the effects of scanning speed，layer thickness and scanning interval on the bending strength and Z direction size of PS/GF parts were studied and the process parameters were optimized through orthogonal test. The results show that in the range of experimental value，with the increase of the three parameter values，the bending strength decreases and the relative error of Z direction size develops from positive value to negative value. The orthogonal test results indicate that scanning speed is one of the biggest influence factor on bending strength and size precision of the parts，the second is scanning interval，the third is layer thickness，and scanning speed of 1 200 mm/s，layer thickness of 0.25 mm and scanning interval of 0.28 mm is the best process parameters，at this time the bending strength of the parts is 10.41 MPa，and the relative error of Z direction size is 2.35%，which can meet the application requirements of the parts.

polystyrene；glass fiber；selective laser sintering；bending strength； Z direction size

TQ322.3

A

1001-3539（2016）08-0050-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.08.011

*國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目（2015AA042503）

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

2016-06-03