選擇性激光燒結(jié)技術(shù)在汽車門飾板制造中應(yīng)用的試驗驗證

□ 周 旭 □ 岳雙成

廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院 廣州 510000

1 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)概述

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)是針對粉體材料的一種快速成形技術(shù),以激光作為熱源，逐層掃描粉體材料，進而固化成形為零件,這些零件可廣泛應(yīng)用于機械、電子、電器、交通等領(lǐng)域[1-3]。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)可成形的材料種類多,利用率高,不需要支撐,可直接制造金屬零件和模具[4]。根據(jù)不同的材料種類,可加工成形不同材質(zhì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件。目前,選擇性激光燒結(jié)技術(shù)可成形的材料包括高分子材料、陶瓷材料、復(fù)合材料等。其中,高分子材料研究早，應(yīng)用廣泛,尤其是在汽車行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛[5]。隨著汽車行業(yè)競爭的白熱化,各汽車生產(chǎn)企業(yè)為搶占市場不得不縮短新產(chǎn)品投放市場的周期，以滿足客戶的需求,這就進一步壓縮了車企開發(fā)車型的時間。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)可以快速加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件,縮短零件的試制周期,在一定程度上縮短了車型的開發(fā)周期。

2 汽車門飾板耐久試驗

2.1 試驗背景

在汽車研發(fā)的產(chǎn)品設(shè)計與驗證階段,需要對車身和車門等開閉件進行耐久試驗,以驗證是否滿足設(shè)計要求。涉及開閉件耐久試驗的零件,越接近量產(chǎn)狀態(tài),試驗的可靠程度越高。

在產(chǎn)品設(shè)計與驗證階段,與試驗相關(guān)的門飾板暫無確定的模具樣件,如果在缺失汽車門飾板的情況下進行試驗,會使汽車車門與門框之間存在間隙,導(dǎo)致關(guān)車門時膠條無法起到緩沖作用,還會因密封不嚴導(dǎo)致車內(nèi)氣壓與原設(shè)計要求有偏差,不滿足試驗要求。此外，還會造成汽車車門鈑金與車身有較大沖擊,使車身存在撕裂風(fēng)險,影響試驗準確性。

由于常規(guī)方法加工的汽車門飾板力學(xué)性能較差,因此采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)加工的汽車門飾板進行耐久性試驗。

2.2 試驗設(shè)備

試驗選用上海某公司生產(chǎn)的尼龍12粉末混合質(zhì)量百分數(shù)為30%的玻璃微珠，作為加工汽車門飾板的原料。采用中山某公司的激光燒結(jié)機對粉末顆粒進行燒結(jié)成形,采用C44.304E型萬能材料試驗機測量成形零件的拉伸強度及彎曲強度,采用HIT 25/50P型擺錘式懸臂梁沖擊試驗機測量成形零件的沖擊強度。

2.3 粉末制備

成形粉末的粒徑大小及分布對選擇性激光燒結(jié)成形零件的致密度、力學(xué)性能、尺寸精度及表面質(zhì)量等均會造成不同程度的影響[6-7]。粒徑越小,則層厚可設(shè)置得越小,有利于減小成形零件表面的臺階效應(yīng),提高成形零件的表面質(zhì)量。成形粉末粒徑大小分布合理,則有利于獲得較大的粉床密度,提高成形零件的致密度及力學(xué)性能。當(dāng)粉末粒徑小于10 μm時,由于摩擦產(chǎn)生的靜電使粉末吸附在鋪粉輥或刮刀上,因此不利于成形。有研究表明,平均粒徑為10～100 μm的粉末顆粒有利于選擇性激光燒結(jié)成形[8]。在加工汽車門飾板時,選用循環(huán)粉與新粉的混合粉,其粉末顆粒外形規(guī)則,球形度高,顆粒大小分布均勻。在粉末制備時,將循環(huán)使用的尼龍粉末顆粒過篩、干燥后加入新粉。按照循環(huán)粉與新料質(zhì)量百分比為4∶1放入不銹鋼混合粉桶,以60 r/min的速度轉(zhuǎn)動30 min,得到試驗所需粉末。

2.4 樣件制備

選擇性激光燒結(jié)的重要工藝參數(shù)主要包括預(yù)熱溫度、激光燒結(jié)功率、激光掃描速度、層厚及掃描間距等。影響工藝參數(shù)的因素較多,包括原材料類型、新材料比例及循環(huán)粉老化狀態(tài)等。通過前期對不同工藝參數(shù)的測試,設(shè)置預(yù)熱溫度為165 ℃，激光燒結(jié)功率為80 W，掃描速度為14 500 mm/s,層厚為0.12 mm,在激光燒結(jié)機上燒結(jié)成形試驗樣件,如圖1所示。

2.5 尺寸精度及力學(xué)性能檢測

通過測定成形試驗樣件的力學(xué)性能及尺寸精度，可以確定通過同等條件加工的汽車門飾板的力學(xué)性能及尺寸精度。參照GB/T 1040.2—2006《塑料 拉伸性能的測定 第2部分:模塑和擠塑塑料的試驗方法》的測試要求,對成形試驗樣件進行拉伸強度檢測,拉伸速度為1 mm/min。參照GB/T 9341—2008《塑料 彎曲性能的測定》的測試要求,對成形試驗樣件進行彎曲強度檢測,彎曲速度為2 mm/min。參照GB/T 1843—2008《塑料 懸臂梁沖擊強度的測定》的檢測要求,對成形試驗樣件進行沖擊強度測試。

▲圖1 成形試驗樣件

3 結(jié)果分析

3.1 尺寸精度

成形過程中，零件收縮是一個不可避免的問題,會影響成形零件的精度。對于尼龍12粉末等結(jié)晶型聚合物而言，零件的成形收縮由燒結(jié)收縮、溫致收縮及結(jié)晶收縮三部分組成[9]。燒結(jié)收縮由粉床中空隙減小所致,溫致收縮指熔體固化產(chǎn)生的體積收縮,結(jié)晶收縮主要指由于分子鏈的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而引起的體積收縮[9]。因此,需對這些收縮量進行合理補償。分別設(shè)置X向、Y向及Z向的收縮率，以保證最終零件的尺寸精度滿足設(shè)計要求。設(shè)定X向及Y向收縮率均為1.031,Z向收縮率為1.019。對X向、Y向及Z向成形的試驗樣件分別在長、寬、高三個方向上進行取點,然后進行測量,取平均值,得到成形試驗樣件尺寸，結(jié)果見表1。

表1 成形試驗樣件尺寸

在車門耐久試驗中,汽車門飾板的精度需達到MT3級。參照GB/T 14486—2008《塑料模塑件尺寸公差》中聚酰胺填充30%玻璃纖維的公差規(guī)定,部分模塑件尺寸公差等級要求見表2。表2中MT2為高精度，MT3為一般精度，MT5為未注公差尺寸要求。

由表1可知,在現(xiàn)有工藝參數(shù)下,沿X向、Y向及Z向成形的試驗樣件,其長、寬、高三個方向上的尺寸精度差異并不明顯。由表2可知,所有尺寸的精度均能達到一般精度要求,部分尺寸精度能達到高精度要求。因此,在現(xiàn)有工藝參數(shù)下成形的汽車門飾板，其精度能達到車門耐久試驗的要求。

表2 模塑件尺寸公差等級要求 mm

3.2 力學(xué)性能

車門耐久試驗要求汽車門飾板力學(xué)性能優(yōu)異,經(jīng)過10萬余次的車門開閉耐久試驗后不發(fā)生損壞。原材料中填料對尼龍12粉末的工藝性能影響很大,玻璃微珠在尼龍12粉末中容易分散,是一種較理想的填料[10-11]。沿X向、Y向及Z向激光燒結(jié)成形試驗樣件的力學(xué)性能見表3。由表3可以看出,成形試驗樣件的拉伸強度超過30 MPa,沖擊強度超過11 kJ/km2,完全能滿足車門耐久試驗中汽車門飾板的力學(xué)性能要求。此外,不同成形方向的試驗樣件，力學(xué)性能存在一定差異。沿X向、Y向的成形試驗樣件，各性能參數(shù)相差不大,而且所有性能參數(shù)均顯著優(yōu)于沿Z向的成形試驗樣件,其中斷裂伸長率高200%左右,拉伸強度高40%以上,彎曲強度高4.76%,沖擊強度高37%,各向異性表現(xiàn)明顯。

表3 成形試驗樣件力學(xué)性能

4 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)應(yīng)用的意義

在汽車研發(fā)過程中,需在不同階段進行車門耐久試驗，來驗證車身及車門等是否滿足設(shè)計要求。按照各類工況，總計完成10萬余次車門開閉耐久試驗。常規(guī)耐久循環(huán)試驗階段，以正常速度關(guān)閉車門。常規(guī)耐久循環(huán)試驗結(jié)束后，進行大力關(guān)閉試驗,關(guān)閉速度高達3 m/s。整個流程結(jié)束后,通過查看間隙、面差變化、磨損、開裂等判斷車身及車門等是否滿足設(shè)計要求。

在產(chǎn)品設(shè)計與驗證階段,與試驗相關(guān)的汽車門飾板暫無確定的模具樣件,試驗過程中如果不裝配門飾板,車門關(guān)閉時會導(dǎo)致車門鈑金直接與車身碰撞擠壓,尤其是在大力關(guān)閉階段,擠壓現(xiàn)象尤其突出。長時間、高頻次擠壓會導(dǎo)致車門在正常耐久變形外產(chǎn)生磨損甚至開裂,影響試驗的準確性。應(yīng)用選擇性激光燒結(jié)成形技術(shù)制造汽車門飾板,經(jīng)過多次試驗證明,零件性能及精度均能夠滿足試驗要求,可以有效提高試驗的準確性。

5 結(jié)束語

在現(xiàn)有工藝參數(shù)下,沿X向、Y向及Z向成形的試驗樣件，尺寸精度差異不明顯,達到一般精度要求,可見現(xiàn)有工藝參數(shù)下成形的汽車門飾板，其精度能達到試驗要求。選擇性激光燒結(jié)成形零件的力學(xué)性能優(yōu)異,滿足車門耐久試驗中汽車門飾板力學(xué)性能的要求,但各向異性明顯。沿X向及Y向成形的零件，各力學(xué)性能相差不大,且顯著高于沿Z向成形的零件的力學(xué)性能。

總體而言,應(yīng)用選擇性激光燒結(jié)成形技術(shù)制造的汽車門飾板，可以完全滿足車門耐久試驗的要求,激光燒結(jié)成形技術(shù)能夠助力汽車研發(fā)。