SLS新型復(fù)合蠟粉性能研究與比較

田芳

摘要：本文參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從實(shí)驗(yàn)檢測(cè)分析該復(fù)合蠟粉基本物理性能入手，結(jié)合SLS成型工藝，對(duì)燒結(jié)成型件的主要力學(xué)性能進(jìn)行了研究，并與PS產(chǎn)品進(jìn)行了比較，目的在于確認(rèn)該復(fù)合蠟粉SLS工藝是否可行，是否適用于熔模鑄造。

關(guān)鍵詞：SLS；新型復(fù)合蠟粉；性能測(cè)試

3D打印是制造業(yè)領(lǐng)域迅猛發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，主要是以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)軟件為基礎(chǔ)進(jìn)行分層離散，通過特定的設(shè)備將粉末材料、液體、絲化的固體材料進(jìn)行逐層堆積粘結(jié)，最終疊加成型出實(shí)體產(chǎn)品[1]。激光選區(qū)燒結(jié)（Selective Laser Sintering， SLS）是典型的3D打印技術(shù)之一，該方法制造工藝簡單，材料選擇范圍廣，成本較低，成型速度快，主要應(yīng)用于快速熔模制造和快速模具制造[2]。

1 材料

PS粉是目前市場(chǎng)上廣泛使用的一種SLS基體材料，其價(jià)格便宜，燒結(jié)制造出的原型件成型精度高，但在實(shí)際使用過程中，卻存在以下間題[3]：（1）將PS粉制作的模型用于熔模鑄造時(shí)，不能通過熔化流失，必須要經(jīng)過高溫?zé)?，這不僅產(chǎn)生大量有毒有害的煙塵，還會(huì)在型殼內(nèi)形成積炭等灰分殘留，引發(fā)脹裂型殼，造成鑄件的質(zhì)量間題；（2）PS粉尤其不適合鑄造欽合金；（3）PS本身為非結(jié)晶材料，燒結(jié)時(shí)致密度較低，空隙率也不高，導(dǎo)致PS燒結(jié)原型件輕度不夠，不能直接用作功能件；（4）為增強(qiáng)工件的強(qiáng)度和表面粗糙度，必須對(duì)PS粉燒結(jié)件進(jìn)行浸蠟處理，但浸蠟會(huì)使工件產(chǎn)生較大的變形，甚至開裂，嚴(yán)重影響了模具的尺寸和形狀精度。

為了滿足熔模精密鑄造蠟型的要求，可將鑄造蠟粉作為SLS的燒結(jié)材料。傳統(tǒng)的精鑄用蠟熔點(diǎn)較低，流動(dòng)性好，燒熔時(shí)間短，燒熔后沒有殘留物，對(duì)熔模鑄造適應(yīng)性好且成本低廉，但鑄造蠟粉在SLS燒結(jié)時(shí)存在以下間題[4]：（1）對(duì)溫度敏感且熔融流動(dòng)性大，SLS成型不易控制；（2）SLS成型精度差，表面粗糙；（3）粉末戮性強(qiáng)，不易得到較細(xì)粉末，使得粉末平鋪性不好。

針對(duì)上述問題，國內(nèi)外各個(gè)研究中心相繼研發(fā)了以傳統(tǒng)鑄造用蠟為原料的新型SLS基體材料，美國DTM公司研制了低熔點(diǎn)高分子蠟的復(fù)合材料，華北工學(xué)院采用化學(xué)合成法，開發(fā)了以氧化聚乙烯為主要成分的復(fù)合精鑄蠟粉[5]。本文所選用的試驗(yàn)材料是北京某研發(fā)中心研發(fā)的新型復(fù)合蠟粉。

2 性能測(cè)試與比較

本文結(jié)合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)新型復(fù)合蠟粉的基本物理性能進(jìn)行了測(cè)試，如熔點(diǎn)、密度、拉伸強(qiáng)度等[6]；其次結(jié)合熔模鑄造工藝要求，對(duì)蠟粉作為熔模鑄造模料的性能進(jìn)行測(cè)試，包括軟化點(diǎn)、熔融指數(shù)、熱變形、灰分以及蠟料分解時(shí)的熱失重曲線等[7]，由圖3可以看到，在氮?dú)鈿夥障录訜嵘郎貢r(shí)，蠟粉在200℃下幾乎不燒失和揮發(fā)，只發(fā)生材料的熔融；溫度繼續(xù)升高，模料開始分解，成為小分子氣體物質(zhì)開始逸出，材料急劇失重，當(dāng)溫度達(dá)到550℃，模料的分解完全結(jié)束；并由此可算出SLS模料在惰性氣氛下分解殘留分?jǐn)?shù)為0.35%，說明分解徹底。

為了充分考慮SLS燒結(jié)工藝對(duì)蠟粉的影響因素，我們將該蠟粉在最佳工藝參數(shù)下燒成制件，并進(jìn)行性能測(cè)試。結(jié)果表明：當(dāng)激光功率P為21.5W、掃描速度v1.8m/s時(shí)，試件的抗拉強(qiáng)度σb為4.28 MPa，斷面收縮率ψ為36.1%，蠟粉接近全熔，而熔模鑄造中的模料要求為σ≥14.MPa，說明試件的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到熔模鑄造的要求。此外，還對(duì)激光燒結(jié)制成的試件進(jìn)行了其它的性能測(cè)試，并與PS產(chǎn)品相比（見表1）。

通過對(duì)比，我們可以發(fā)現(xiàn)：（1）復(fù)合蠟粉燒結(jié)件的密度為0.94g/cm3，已達(dá)到PS模塑件密度的87%。表明燒結(jié)件中的孔隙率極少，接近于全密度。（2）該復(fù)合蠟粉的熔點(diǎn)為79.5℃，這與PS粉末的粘流溫度170℃相比，復(fù)合蠟料更容易熔化，且蠟粉的維卡軟化點(diǎn)和熱變形溫度比PS粉低，在失蠟過程中更容易發(fā)生軟化和流動(dòng)。（3）經(jīng)過熱失重曲線和灰分的測(cè)定，可以說明新型復(fù)合蠟粉具有很好的熱分解性能，受熱能夠迅速分解，幾乎沒有殘余物質(zhì)，且該復(fù)合蠟粉在N2氣氛中發(fā)生熱降解的起始溫度為300℃左右，降解活化性能很高，表明蠟粉有較好的熱穩(wěn)定性，適合于后續(xù)的鑄造工藝要求。

3 結(jié)論

由上可知，該新型復(fù)合蠟粉滿足SLS燒結(jié)工藝的要求，也可用于熔模鑄造，可以直接用作功能件的制造，且具有以下特點(diǎn)：

3.1 易脫蠟，涂掛性好，無積炭等灰分殘留

用該蠟粉燒結(jié)成型的蠟?zāi)?，?00℃以上即可脫蠟，完全適合熔模鑄造的工藝規(guī)程。經(jīng)過脫蠟以后的型殼在焙燒后沒有積炭等灰分殘留，不僅省去了PS粉工件燒失、除炭等特殊的處理工藝，而且工藝質(zhì)量和鑄件質(zhì)量都得到了保證。

3.2 模型強(qiáng)度高，韌性好，軟化點(diǎn)高

該蠟粉燒結(jié)成型時(shí)是在激光束的作用下，有選擇的將蠟粉熔融并層層疊加，最后凝固成實(shí)體蠟件的，而不像PS粉那樣，在燒結(jié)過程中顆粒軟化后彼此粘結(jié)，造成工件呈現(xiàn)多孔狀。因此，該蠟粉燒結(jié)成型的工件比PS件具有更強(qiáng)的燒結(jié)強(qiáng)度，且制作的蠟?zāi)?qiáng)度韌性都很好，在浸刷涂料和打磨拋光等后處理過程及精鑄工藝中都不易損壞和變形。

3.3 無污染，低能耗

該蠟粉制作的蠟?zāi)Ｔ谟糜谌勰ｈT造時(shí)，易脫蠟，不產(chǎn)生有毒、有害氣體，對(duì)環(huán)境無污染，而且在激光燒結(jié)成型時(shí)需要的激光功率和加熱溫度都比PS粉少很多，說明該復(fù)合蠟粉比PS更加符合SLS工藝和熔模鑄造的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]張渝.3D打印技術(shù)及其在快速鑄造成形中的應(yīng)用[J].2016.37（4）759-764.

[2]陳冰.我國熔模鑄造的可持續(xù)發(fā)展[J].特種鑄造及有色合金，2002（1）：24-27.

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[4]熊曉紅，史玉升，葉升平等.快速成型技術(shù)在精密鑄造中的應(yīng)用研究[J].新技術(shù)新工藝，2006，2：23-24.

[5]王世杰等.3D打印技術(shù)在熔模鑄造中的應(yīng)用[J].鑄造技術(shù)，2017，38（6）.1487-1489.

[6]王樂儀.熔模鑄造工藝學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1980.

[7]楊勁松，沈其文等.SLS模料特性及熔模鑄造工藝研究[J].特種鑄造及有色合金，2007（27）1：3-57.