高分子材料燒結(jié)成型研究

李 博

（華北水利水電大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450045）

1 高分子材料加工成型技術(shù)

（1）發(fā)展現(xiàn)狀。高分子材料是工業(yè)生產(chǎn)的主要參與者，是我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱，對高分子材料的成型工藝的研究，有利于促進(jìn)我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。隨著改革開放以來，高分子材料的成型加工工藝不斷進(jìn)步，通過對其中所涉及的化學(xué)以及物理等工藝不斷探索和改革，高分子材料的成型技術(shù)不斷趨于完善。在現(xiàn)代化的國民建設(shè)中，航空、國防等一些尖端行業(yè)又對高分子材料的成型工藝提出了更多地要求。例如，對于汽車行業(yè)來說，現(xiàn)在的發(fā)展趨勢就是強(qiáng)調(diào)節(jié)能環(huán)保、美觀簡潔，為此，在相關(guān)行業(yè)以及汽車零部件的工藝加工上高分子材料的合成工藝的重要性就顯得尤為重要。在現(xiàn)階段的高分子成型方法中，存在擠出成型、注塑成型、塑料激光成型以及激光燒結(jié)成型，其中，激光燒結(jié)成型是一種非常有潛力的技術(shù)，可以有效節(jié)約生產(chǎn)成本，更加環(huán)保，憑借其在高分子材料成型上的優(yōu)勢，在近幾年的使用中逐漸廣泛。

（2）發(fā)展趨勢。在高分子材料成型的發(fā)展趨勢上來看，呈現(xiàn)著以下兩種趨勢。一是聚合物動(dòng)態(tài)反應(yīng)加工，我國國內(nèi)對聚合物及其相關(guān)材料的需求較大，但是現(xiàn)階段的加工設(shè)備在熱感傳播過程中都存在一定的問題，化學(xué)反應(yīng)的程度難以控制，相關(guān)設(shè)備的投入量較大，噪音污染和光污染等都較為嚴(yán)重，而聚合物的動(dòng)態(tài)反應(yīng)對各項(xiàng)技術(shù)的要求都較高，通過對傳統(tǒng)成型方法的改進(jìn)，可以解決設(shè)備上的缺陷，促進(jìn)加工方式的完善。另外一個(gè)就是針對現(xiàn)階段信息存儲形式能量消耗周期性場以及在過程中極易受到污染等問題，迫切的需要發(fā)展信息存儲光盤技術(shù)，提高環(huán)境保護(hù)的有效性。由此可以看出，節(jié)能環(huán)保是高分子材料成型的必經(jīng)之路，我國必須在各方面不斷地開發(fā)研究，掌握有效的高分子燒結(jié)成型技術(shù)，促進(jìn)我國高分子材料成型事業(yè)的不斷發(fā)展。

2 激光燒結(jié)技術(shù)

（1）激光燒結(jié)技術(shù)的概念。激光燒結(jié)技術(shù)是一種重要的增材制造技術(shù)，是集CAD、CAM、數(shù)控技術(shù)與激光加工技術(shù)和材料科學(xué)等于一體的最新成果，以CO2激光器作為激光源，計(jì)算機(jī)再根據(jù)原型的切片模型控制激光束的二維掃描歸集，有選擇的對固體粉末進(jìn)行燒結(jié)，一層一層的循環(huán)往復(fù)，最終形成一個(gè)三維零件。就具體的步驟來說，首先就是要建立被加工零件的CAD模型，將其轉(zhuǎn)化為STL格式，并運(yùn)用分層的軟件將CAD模型進(jìn)行切片處理，從而獲得每一個(gè)加工層面的數(shù)據(jù)信息。然后通過計(jì)算機(jī)技術(shù)對切片層信息的整理和分析，激光束對粉末層進(jìn)行掃描燒結(jié)，在激光所能夠照射的范圍內(nèi)，粉末熔化并凝固在一起，通過在其下方鋪設(shè)粉末，使得新舊粉末以自然燒結(jié)的狀態(tài)結(jié)合在一起，如此反復(fù)，最終形成所需要的三維實(shí)體。

（2）發(fā)展優(yōu)勢。采用燒結(jié)成型的工藝可以快速將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化成實(shí)物模型，可以將設(shè)計(jì)者、制造者以及使用者最大化的連接起來，對產(chǎn)品的生產(chǎn)過程及使用情況進(jìn)行及時(shí)評價(jià)，便于產(chǎn)品信息的溝通，方便快速地對產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)和修改，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的競爭力。提高產(chǎn)品生產(chǎn)的準(zhǔn)確性，為顧客提供更加具有品質(zhì)的產(chǎn)品。

（3）影響因素。影響燒結(jié)成型的因素主要有兩個(gè)，一是熱塑性塑料本身的性能，如結(jié)晶性、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、熔體粘度和激光吸收率等；二是成型工藝參數(shù)，包括撲粉厚度、預(yù)熱溫度以及激光功率和光斑直徑等。選擇性激光燒結(jié)要求粉體材料要具有合適的熔融溫度和良好的結(jié)合強(qiáng)度，良好的粉體流動(dòng)性與失重的粒徑分布。由于這些因素的影響，只有深入了解塑料粉末的激光燒結(jié)特性，根據(jù)材料的特點(diǎn)選擇合適的工藝，才能最大化地提高高分子材料的激光燒結(jié)效果。

3 高分子材料燒結(jié)成型工藝研究

（1）聚苯乙烯。作為非結(jié)晶性高分子材料，其原子排列在三維空間不具有長程有序和周期性，并沒有一個(gè)固定的熔點(diǎn)。它受熱后可融化、黏結(jié)，冷卻后可以固化成型，且其材料具有收縮性校和吸濕率低等特點(diǎn)。在成型件浸樹脂后可以進(jìn)一步提高強(qiáng)度，具體的其拉伸強(qiáng)度15MPa，彎曲強(qiáng)度33MPa，使其具備作為原型件或功能件的條件。但是，由于在進(jìn)行脫模處理時(shí)，它必須要采用大于300°的高溫燃燒，很可能給環(huán)境造成污染。所以，在現(xiàn)階段的工藝中，一般會在其中加入助分解助劑，使其成為目前國內(nèi)使用最為廣泛的一種成型材料。

（2）尼龍。尼龍屬于結(jié)晶性高分子基材料，在激光燒結(jié)的過程中具有一個(gè)固定的熔點(diǎn)，不受溫度變化的影響，在激光燒結(jié)過程中的成型效果較好。在分析了具體的制件精度的基礎(chǔ)后，可以通過添加無機(jī)填料、偶聯(lián)劑以及流動(dòng)劑和光吸收劑等來提高燒結(jié)件的性能。現(xiàn)階段有四種被廣泛使用的尼龍材料：①標(biāo)準(zhǔn)的DTM尼龍，可以制作具有良好耐熱性能和耐腐蝕性能的模型；②DTM精細(xì)尼龍，可以制造精度較高、光滑程度高等具有概念性的模型；③DTM醫(yī)用級尼龍，可以經(jīng)歷高溫蒸壓等測試；④原型復(fù)合材料，具有更好地加工性能和耐熱性、耐腐蝕性等特征。這些尼龍可以通過激光燒結(jié)技術(shù)被制成各種功能零件，充分發(fā)揮其自身的優(yōu)勢，提高產(chǎn)品的強(qiáng)度和性能，使制造工藝更加具有實(shí)用性和美觀性，更好地符合市場的需求。

（3）石墨的燒結(jié)成型工藝舉例。我國是石墨資源儲量豐富，但是也一直處于出口元礦粉和進(jìn)口深加工制成品的被動(dòng)局面。作為一種典型的不容易被加工成型的礦產(chǎn)資源，鱗片石墨易碎且易粘，將其與金屬粉末、陶瓷粉末等樹脂混合在一起，運(yùn)用激光燒結(jié)成型工藝對其進(jìn)行深度的加工，可以最大化的控制石墨粉末的分布，促進(jìn)產(chǎn)品的快速成型。以下就選取鱗片石墨混合粉末對激光成型的具體理論進(jìn)行研究。

激光燒結(jié)屬于瞬態(tài)傳熱的過程，在這個(gè)過程中系統(tǒng)的溫度、熱流率以及熱邊界等都會有較為明顯的變化。為了更好的進(jìn)行分析，需要對激光燒結(jié)過程中的主要影響因素建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，可以做出以下假設(shè)來簡化數(shù)學(xué)模型：一是假設(shè)快速成型的激光加工部分是一個(gè)半封閉的環(huán)境，在預(yù)熱保溫的環(huán)境下，自由對流促成了熔池與外界的換熱，但是隨著燒結(jié)過程的不斷進(jìn)行，溫度會不斷上升，熱量散失的強(qiáng)度越來越小，直到不會對對流換熱造成影響；二是假設(shè)激光器屬于二氧化碳?xì)怏w激光器，受波長的限制，穿透能力較差，粉床表面疏松使得激光在照射時(shí)受粉床表面反射與透射的影響較??；三是由于石墨的熔點(diǎn)偏高，粉末在激光掃描的過程中相變潛熱對燒結(jié)區(qū)域溫度場的影響較小，在實(shí)驗(yàn)過程中可以忽略內(nèi)熱源作用的存在。

其燒結(jié)成型機(jī)理如下：將天然鱗片石墨粉末和熱固性酚醛樹脂粉末按照一定的比例來進(jìn)行混合，將天然鱗片石墨粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在62.5%左右，熱固性酚醛樹脂的比例為37.5%左右。在激光束的照射下，混合物料充分受熱，酚醛樹脂到一定溫度后就開始熔融固化，呈現(xiàn)出二維蜂窩狀態(tài)，促使天然鱗片與石墨粉末之間相互粘結(jié)，使之成為所需的3D打印材料。在這個(gè)過程中，借助熱重分析儀確定石墨與酚醛樹脂混合料的熱重分析，對其中的各個(gè)階段進(jìn)行觀測。

4 結(jié)語

隨著快速成型技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，高分子材料的燒結(jié)成型技術(shù)已經(jīng)被廣泛的運(yùn)用到了新產(chǎn)品的研制當(dāng)中，為降低成本、提高產(chǎn)品的競爭能力作出了巨大的貢獻(xiàn)，因此，要不斷加大科技研發(fā)力度，促進(jìn)高分子材料燒結(jié)成型工藝的創(chuàng)新發(fā)展。

［1］華南理工大學(xué).產(chǎn)學(xué)研合作推動(dòng)高分子材料新型成型裝備產(chǎn)業(yè)化［J］.中國高?？萍寂c產(chǎn)業(yè)化，2009，（1）：26-27.

［2］徐林.碳纖維/尼龍12復(fù)合粉末的制備與選擇性激光燒結(jié)成形［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2009.