聚苯乙烯粉選擇性激光燒結(jié)的支撐燒結(jié)研究*

楊來俠，陳夢瑤

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

聚苯乙烯粉選擇性激光燒結(jié)的支撐燒結(jié)研究*

楊來俠，陳夢瑤

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

為了解決聚苯乙烯（PS）粉選擇性激光燒結(jié)（SLS）成型工藝中制件成型缺陷問題，通過一系列燒結(jié)實驗，分析了缺陷的種類及原因，利用“二次燒結(jié)”現(xiàn)象，以試樣Z向尺寸高度和尺寸方差為評價指標(biāo)，在最優(yōu)燒結(jié)工藝參數(shù)支撐掃描速度4 500 mm/s，支撐掃描間隔為3 mm下對不同層數(shù)和類型的支撐掃描進(jìn)行了對比實驗。結(jié)果表明，支撐掃描可有效改善制件翹曲問題，當(dāng)支撐層數(shù)為8層，支撐類型為網(wǎng)格型時，制件質(zhì)量較好。

聚苯乙烯粉；選擇性激光燒結(jié)；二次燒結(jié)；支撐掃描燒結(jié)

選擇性激光燒結(jié)（SLS）工藝主要以激光為熱源，以粉末為原料，間接或直接快速成型零部件。其基本原理是借助精確引導(dǎo)的激光束使粉末材料燒結(jié)熔融后凝固形成三維原型或制件［1-3］。聚苯乙烯（PS）粉是現(xiàn)今廣泛使用的一種SLS基體材料，其吸濕率小，收縮率及其相對變化較小，是無定型聚合物，無明顯熔點，當(dāng)加熱至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）以上，PS轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)，且保持這種狀態(tài)在較寬的范圍內(nèi)，因此適合成型的溫度范圍寬，成型精度高，熔融時的熱穩(wěn)定性和流動性較好，其制得的原型件經(jīng)后處理后常用于熔模制造［4］。

然而由于PS粉自身受熱變形、激光的高斯光源分布性以及激光能量傳遞具有的階梯柱等因素影響，使得燒結(jié)試樣存在翹曲和變形等缺陷。為了提高試樣精度，通過燒結(jié)實驗，分析并掌握了PS粉制件翹曲變形規(guī)律，并通過對支撐燒結(jié)實驗的研究，提高了制件質(zhì)量。

1　實驗部分

1.1主要原材料

PS粉：粒徑150 μm，西安交通大學(xué)快速成型中心。

1.2主要儀器及設(shè)備

激光快速成型機(jī)：XJRPSLS300型，陜西恒通智能機(jī)器制造有限公司；數(shù)顯游標(biāo)卡尺：0～150 mm，SYNTEK公司；新型密封式粉碎機(jī)：XL-10B型，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)疲勞試驗機(jī)：PLD-5kN型，西安力創(chuàng)材料檢測技術(shù)有限公司。

1.3試樣制備

支撐層數(shù)實驗：實驗設(shè)計在激光功率25 W，分層厚度0.25 mm，掃描速度2 000 mm/s，掃描間隔0.32 mm，預(yù)熱溫度75℃條件下利用快速成型機(jī)（激光器類型為CO2激光器，激光束直徑0.3 mm，功率調(diào)節(jié)范圍0～60 W，最大成型尺寸300 mm×300 mm×275 mm），分別設(shè)定支撐層數(shù)（0，4，8，12，16層）進(jìn)行燒結(jié)實驗，試樣尺寸為100 mm×20 mm×10 mm，每組試樣10個。

支撐方式實驗：不同的支撐類型對于底部能量的積累速度與熱場均勻性有著重要影響，成型機(jī)可提供的支撐類型方式如圖1所示，主要有網(wǎng)格型、輪廓型、八邊形3種支撐方式。

為了選取較優(yōu)的支撐類型，實驗設(shè)計100 mm×20 mm×10 mm長方體試樣，在最優(yōu)工藝參數(shù)下，分別設(shè)定網(wǎng)格型、輪廓型、八邊形支撐方式，進(jìn)行燒結(jié)實驗，每組試樣10個。

圖1　支撐類型

1.4性能測試

用游標(biāo)卡尺對試樣中部和兩端進(jìn)行Z向尺寸測量，每個部位各測2次。根據(jù)PS粉SLS制件的成型特性，當(dāng)制件翹曲的現(xiàn)象不明顯時，其Z向高度在制件中部與兩端相差無幾，而在翹曲明顯時兩者相差較大，因此采用Z向尺寸與支撐層數(shù)關(guān)系以及中部與兩端Z向高度的方差值對燒結(jié)質(zhì)量進(jìn)行評價。

2　結(jié)果與討論

2.1翹曲與錯層

由于PS粉自身的熱特性（熱變形、熱沖擊、熱收縮），如果工藝參數(shù)不合適，就很容易出現(xiàn)成型缺陷問題，圖2為PS粉制件的兩種常見失效形式［5］。

圖2　常見失效形式

由圖2a可見，在薄片四邊出現(xiàn)嚴(yán)重凸起，向上卷曲現(xiàn)象，這主要是由于在燒結(jié)過程中PS粉受熱不均勻造成的，其影響因素主要有以下幾點：

（1） PS粉具有受熱變形的熱性質(zhì)。當(dāng)PS粉突然吸收高能激光時，產(chǎn)生高溫使粉末瞬間熔化，熱沖擊會引起材料的熱變形，并且未接收激光能量的粉末溫度較低，因此便產(chǎn)生了溫差，溫差引起收縮不均也會造成翹曲［6］。

（2）激光是高斯光源。高斯光源能量密度分布為正態(tài)分布，如圖3所示。其能量繞Z向?qū)ΨQ分布。激光光斑中心位置處能量密度最大，邊緣處能量密度最小。同等時間范圍內(nèi)，激光光斑中心處粉末獲得的能量最多，邊緣處粉末獲得的能量最少。當(dāng)激光作用到粉體表面時，光斑中心與邊緣處粉體材料的熔融深度和速度是不同的，中心處材料熔化深度最大，邊緣處熔化深度最小［2］。

圖3　激光能量密度分布

激光單點燒結(jié)深度圖如圖4所示。

圖4　激光單點燒結(jié)深度

由圖4可見，其整體結(jié)構(gòu)類似一個“螺釘”。圖中的LZ＞＞LXY，說明激光能量在粉體表面可沿X-Y方向傳導(dǎo)，也可沿Z向傳導(dǎo)，但傳導(dǎo)速度在Z向遠(yuǎn)大于X-Y向。當(dāng)能量沿Z向傳導(dǎo)時，隨著傳導(dǎo)深度的增加，能量不斷被吸收，而光斑中心處能量又大于邊緣處激光能量，因此隨著Z向深度的增加，底部逐漸表現(xiàn)為尖端，而非柱形。當(dāng)激光能量沿X-Y向傳導(dǎo)時，表現(xiàn)為光斑中心處傳導(dǎo)深度最大，邊緣處傳導(dǎo)深度最小的錐形，因此能量密度分布的不均會造成PS粉受熱不均進(jìn)一步發(fā)生變形。

（3）激光能量傳遞的階梯性。激光作用到粉體表面后，自上而下沿著粉體顆粒間的空隙進(jìn)行傳導(dǎo)。隨著熱傳導(dǎo)深度的增加，能量因不斷被吸收而減少，因此粉體下表面吸收的能量少，上表面吸收的能量多。而PS粉吸收的能量越多，熱變形引起的收縮就越嚴(yán)重，如此粉體上下表面之間產(chǎn)生收縮應(yīng)力，上表面趨于致密，而下表面趨于擴(kuò)張，呈現(xiàn)出中凹周凸現(xiàn)象［2］。

圖2b所示為制件錯層失效形式，在鋪粉過程中，當(dāng)翹曲量過大，超過分層厚度時，已成型部分就會受到鋪粉推力的作用而發(fā)生偏移，逐層的累積便形成錯層［7］。

隨著加工的進(jìn)行，翹曲現(xiàn)象表現(xiàn)出逐漸減小甚至消失的規(guī)律，這主要是因為激光能量的積累使得層間存在能量約束和補(bǔ)償。當(dāng)一層燒結(jié)后，在進(jìn)行下一燒結(jié)層鋪粉時就會造成鋪粉不均勻，中間部位由于上一層的凹陷，因此相對于邊緣部位，其鋪粉厚度較大。邊緣部位粉層薄，因此接收的能量比較均勻，冷卻后會在層間產(chǎn)生約束，而中間部位粉層較厚，粉料接收的平均能量就小，變形也就小。在同樣的工藝參數(shù)下，即使層間沒有約束，翹曲也會變小，原因是：隨著燒結(jié)過程的繼續(xù)，更多的能量積累于制件內(nèi)部，這樣上下層之間的溫差就會減小，翹曲現(xiàn)象就會逐漸不明顯［8-9］。

2.2二次燒結(jié)現(xiàn)象

在SLS成型工藝中，制件翹曲現(xiàn)象往往會隨著燒結(jié)過程的進(jìn)行而逐漸消失，因此表現(xiàn)出底部前幾層出現(xiàn)微翹曲，而頂部無翹曲現(xiàn)象的性質(zhì)。其翹曲模型如圖5所示。

圖5　二次燒結(jié)現(xiàn)象

在2.1中已對翹曲現(xiàn)象的原因進(jìn)行了解釋，主要是由于激光能量的高斯分布性和材料熱特性（熱變形與熱沖擊）造成材料粉體燒結(jié)區(qū)域與未燒結(jié)區(qū)域溫差較大，導(dǎo)致制件底部最初幾層表現(xiàn)為中部向底層凸，四周向上的翹曲現(xiàn)象。L1所示輪廓線為過渡弧角，隨著燒結(jié)的繼續(xù)進(jìn)行，底層熱量積累逐漸縮小與新燒結(jié)層的溫差，翹曲現(xiàn)象逐漸消失，輪廓線棱角分明，如L2所示。

在SLS燒結(jié)過程中，粉料底層能量的積累還常常導(dǎo)致出現(xiàn)“二次燒結(jié)”現(xiàn)象?！岸螣Y(jié)”現(xiàn)象是指在成型過程中，底層已成型部分的熱量在下一層燒結(jié)前未完全散失，因此就會與下一層的激光能量相結(jié)合，在加工最初幾層時，各層之間剩余能量積累到一定程度時，就會使過多的能量沿底部第一層向上滲透造成Z向的過深燒結(jié)，隨著燒結(jié)層數(shù)的增加，過多的能量往往不足以沿Z向滲透到最頂層，主要滲透到當(dāng)前燒結(jié)層附近，如此既可以使層與層之間的粘結(jié)更充分，也可以起到保溫作用，減小溫差［10］。

利用“二次燒結(jié)”現(xiàn)象，如果在第一層燒結(jié)之前，預(yù)先提供一定能量，便可有效減小第一燒結(jié)層與底部粉末的溫差，進(jìn)而產(chǎn)生的翹曲較小，燒結(jié)精度提高，而能量的提供可以通過掃描支撐的方法，即在第一層開始燒結(jié)之前，通過程序控制預(yù)先燒結(jié)一定層數(shù)和一定形狀的支撐層。

2.3支撐層數(shù)分析

支撐層數(shù)越多，相應(yīng)的在第一層燒結(jié)之前能量就積累得越多，但是由于二次燒結(jié)現(xiàn)象的存在，過多的能量積累會導(dǎo)致過燒現(xiàn)象，因此支撐層數(shù)的選取需要一定的合理值。在支撐燒結(jié)時，為了保證支撐與制件實體不粘結(jié)，因此支撐掃描速度的選取不宜過小，而又為了快速增加能量積累，減少支撐層數(shù)、同時減小能量散失，提高加工效率，支撐掃描速度又不易過大，因此支撐掃描速度存在臨界值。在其它工藝參數(shù)確定條件下，經(jīng)實驗確定此臨界值為4 500 mm/s，在此掃描速度下，支撐層并未熔化，不與制件實體粘結(jié)。支撐是由線條搭建的框架結(jié)構(gòu)，為了快速實現(xiàn)能量的積累過程，同時從機(jī)器壽命考慮，支撐掃描間隔為3 mm［11］。

Z向尺寸隨支撐層數(shù)的變化關(guān)系如圖6所示。

圖6　Z向尺寸與支撐層數(shù)關(guān)系

隨著支撐層數(shù)增加，Z向尺寸最大值逐漸增加，其原因是隨著支撐層數(shù)的增加，二次燒結(jié)現(xiàn)象的存在導(dǎo)致能量的累加，底層能量不斷地積累變大；加之在燒結(jié)過程中，激光作用到粉體表面后，自上而下沿著粉體顆粒間的空隙進(jìn)行傳導(dǎo)，隨著熱傳導(dǎo)深度的增加，能量因不斷被吸收而減少，因此粉體下表面吸收的能量少，上表面吸收的能量多，激光能量從頂層逐漸滲透，就會造成底層粉末能量過大而熔化變形，因而Z向尺寸逐漸增加，在8層支撐以后此現(xiàn)象更為明顯。

圖7為Z向尺寸方差與支撐層數(shù)關(guān)系圖。理論上隨著支撐層數(shù)的增加，底部積累的激光能量就越多，上下燒結(jié)層的溫差就越小，因而翹曲現(xiàn)象就越不明顯，在數(shù)值上表現(xiàn)為Z向尺寸方差越來越小，由圖7可知在8層支撐以前Z向尺寸方差符合此規(guī)律，但在8層以后Z向尺寸方差值反而增大。實際上，在無支撐時，燒結(jié)過程就可通過自身能量積累在頂部避免翹曲現(xiàn)象（圖8a所示），而在有支撐時，底部支承也可提供能量，由于激光能量施加的過程性和傳遞性，往往是燒結(jié)層中心部位溫度高，當(dāng)支撐能量適中時，就可更快地減小翹曲現(xiàn)象（圖8b所示）。當(dāng)支撐層數(shù)過多，積累能量過多時，底層中心部位能量過多，就會導(dǎo)致試樣發(fā)生二次燒結(jié)又產(chǎn)生明顯翹曲［12］（圖8c所示），Z向尺寸方差就會增大。

圖7　Z向尺寸方差與支撐層數(shù)關(guān)系

圖8　不同支撐層數(shù)下PS制件

2.4支撐方式分析

為了選取較優(yōu)的支撐類型，實驗設(shè)計100 mm×20 mm×10 mm長方體試樣，標(biāo)準(zhǔn)情況下Z向尺寸為10 mm。在最優(yōu)工藝參數(shù)下，分別設(shè)定網(wǎng)格型、輪廓型、八邊形支撐方式，進(jìn)行燒結(jié)實驗，每組試樣10個。Z向尺寸與支撐類型關(guān)系如圖9所示。由圖9可見，不同支撐類型下試樣的Z向尺寸中，網(wǎng)格型支撐試樣Z向尺寸最接近設(shè)計值，輪廓型支撐和八邊形支撐Z向尺寸值遠(yuǎn)大于設(shè)計值，因此網(wǎng)格型支撐類型可以保證較高的精度。

圖9 Z向尺寸與支撐類型關(guān)系

圖10為試樣Z向尺寸方差與支撐類型的關(guān)系圖，網(wǎng)格型支撐方差最小，表明該支撐方式下翹曲現(xiàn)象最小，各部位Z向尺寸值較為一致，而八邊形支撐方差值最大，翹曲現(xiàn)象尤為突出，無論從試樣Z向尺寸精度還是從制件各部位Z向尺寸穩(wěn)定性來講，網(wǎng)格型支撐都是最優(yōu)的支撐類型。

圖10　Z向尺寸方差與支撐類型關(guān)系

3　結(jié)論

（1） PS粉自身存在熱收縮變形性質(zhì)以及激光能量的高斯性和能量傳遞的階梯性，導(dǎo)致PS粉SLS成型過程中受熱不均，產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象，嚴(yán)重時發(fā)生錯層。

（2） PS粉在燒結(jié)過程中存在“二次燒結(jié)”現(xiàn)象，通過該燒結(jié)特性可逐漸緩解翹曲變形問題。

（3）支撐掃描可合理預(yù)置能量，采用8層網(wǎng)格型支撐方式可有效地改善制件的質(zhì)量。

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CHINAPLAS 2017國際橡塑展更“智能”、“創(chuàng)新”、“環(huán)保”

“CHINAPLAS 2017 國際橡塑展”（第三十一屆中國國際塑料橡膠工業(yè)展覽會）將于2017年5月16至19日重臨廣州琶洲中國進(jìn)出口商品交易會展館舉行，預(yù)計展覽面積超過250 000 m2，展商數(shù)目突破3 300家，為各行業(yè)展示一系列環(huán)繞“智能制造”、“高新材料”及“環(huán)?？萍肌钡娜轿粦?yīng)用方案。

（1）科研帶動廣東及全國制造業(yè)未來發(fā)展。

創(chuàng)新驅(qū)動一直被視為企業(yè)升級轉(zhuǎn)型的核心引擎，現(xiàn)在我國已成為僅次于美國的世界第二大研發(fā)經(jīng)費投人國家。

在各項政策及計劃的支持下，廣東企業(yè)對于新材料、新技術(shù)的需求將大大提升。2017年“CHINAPLAS 國際橡塑展”座落廣州，面向我國，輻射全球，勢將成為全球橡塑技術(shù)供應(yīng)商展示高新材料、智能制造及環(huán)?？萍嫉闹匾脚_。

（2）橡塑新技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品新思維。

隨著科技進(jìn)步，橡塑材料的應(yīng)用不止于廣更在于深，能滿足更專業(yè)的產(chǎn)品要求，為各行業(yè)提供更多可能性。以汽車為例，車用塑料扮演著輕量化的重要角色，除在車身及配件上發(fā)揮減重的作用外，其拉伸強(qiáng)度大可適用于制作汽車的非承載件和安全承載結(jié)構(gòu)。其中新能源汽車，作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，發(fā)展?jié)摿薮?，塑料在電池、電機(jī)外殼上也提供保護(hù)及絕緣的功效。在醫(yī)療行業(yè)中塑料的應(yīng)用越來越廣泛，醫(yī)2006. Cui Jianfang. Study on technology for casting core box based on laser rapid prototyping manufacuring［D］. Taiyuan：North University of China，2006.

［9］ 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.

［10］ Prashant K，Jain P M，Pandey P V，et al. Effect of delay time on part strength in selective laser sintering［J］. Advanced Manufacturing Technology，2009，43（1/2）：117-126.

［11］ 楊來俠，劉旭.基于選區(qū)激光燒結(jié)的聚苯乙烯成型工藝及改性研究［D］.西安：西安科技大學(xué)，2016. Yang Laixia，Liu Xu. Research on molding process and modification of polystyrene based on Selective Laser Sintering［D］. Xi’an：Xi’an University of Science and Technology，2016.

［12］ Athreya S R，Kalaitzidou K，Das S，et al. Mechanical and microstructural properties of nylon-12/carbon black composites：Selective laser sinteringversus melt compounding and injection molding［J］. Composites Science and Technology，2011，71（4）：506-510.療級的聚合物、人工合成的生物相容物料在治療過程中均對人體無害，而且橡塑加工技術(shù)的進(jìn)步也為醫(yī)療行業(yè)帶來突破，3D打印的人體器官就是其中一個例子。高端包裝材料方面，輕量化包裝及對環(huán)境友好成為發(fā)展趨勢，同時包裝容器也追求便攜性及設(shè)計感，塑料包裝種類眾多，可以多方面滿足不同用戶的要求。

橡塑材料作為新興基礎(chǔ)材料之一，其材料性能及技術(shù)應(yīng)用助力產(chǎn)品創(chuàng)新，讓生產(chǎn)商制造出更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。

（3）市場熱點技術(shù)匯聚亞洲第一橡塑展。

“CHINAPLAS 2017國際橡塑展”緊貼國家政策及行業(yè)發(fā)展趨勢，并獲得德國、奧地利、意大利、瑞士、日本、韓國、美國等12個國家組織陣容龐大的展團(tuán)參與，展示全球最前沿的橡塑科技及原材料，并助力供應(yīng)商進(jìn)一步拓展我國和亞洲市場。

明年展會設(shè)立的主題專區(qū)多達(dá)16個，包括：注塑、擠出、吹塑、薄膜及橡膠機(jī)械專區(qū)；自動化、回收再生科技專區(qū)；輔助及測試儀器專區(qū)、模具專區(qū)、中國出口機(jī)械及原材料館；以及化工及原材料專區(qū)、復(fù)合及特種材料、生物塑料、添加劑、顏料及色母粒專區(qū)及半制成品專區(qū)。

其中要特別介紹的是近年增設(shè)的“自動化科技專區(qū)”、“回收再生科技專區(qū)”及“復(fù)合及特種材料專區(qū)”。

（工程塑料網(wǎng)）

The Support Scanning Sintering Study on PS Powder Based on Selective Laser Sintering

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

In order to solve the problem with the polystyrene powders sintered parts drawback by the selective laser sintering（SLS）， the types and causes of defects were analysed through a series of sintering experiments， using the“secondary sintering”phenomenon，make Z dimension height and size variance as evaluation index， the compared experiment on different types and layers of support scanning was conducted with the optimum process parameters，the support scanning interval is 3 mm and scanning speed is 4 500 mm/s. The results show that the formation quality is improved effectively through the support scanning. When the support layer is 8 layer and the type of support is the grid type， good quality parts is obtained.

polystyrene powder； selective laser sintering； secondary sintering；support scanning sintering

TG439.4

A

1001-3539（2016）10-0041-05

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.10.009

* 863計劃項目（2015AA042503）

聯(lián)系人：楊來俠，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事快速成型與模具制造的研究

2016-08-02