選擇性激光燒結(jié)技術(shù)在汽車空調(diào)試驗(yàn)領(lǐng)域的應(yīng)用

周旭 岳雙成

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州510000）

1 前言

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)是針對粉體材料的1種快速成型技術(shù)（SLS）[1]，它是基于離散堆積制造原理，將零件三維實(shí)體模型文件沿Z向分層切片，經(jīng)過激光束選擇性地進(jìn)行燒結(jié)成型后，去掉多余的粉未，再進(jìn)行打磨、烘干等后處理，最終成型出零件原型或功能零件[2]。SLS技術(shù)原材料選擇范圍廣，材料利用率高，無需支撐[3]，非常適用于原型或功能零件的制造，尤其適用于傳統(tǒng)加工方法難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜形狀零件的快速成型[4]。目前可成型的材料包括高分子、陶瓷、復(fù)合材料等，其中高分子材料是研究得最早、應(yīng)用最廣泛的1種，目前在汽車行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用[5]。因?yàn)槟猃埐牧蠙C(jī)械強(qiáng)度高、耐磨性好[6]，在溫度達(dá)到熔點(diǎn)以上時(shí)熔融粘度非常低，可以實(shí)現(xiàn)非常高的燒結(jié)速率，同時(shí)高致密度保證了成型件良好的力學(xué)性能[7]，因此對SLS技術(shù)成型的尼龍零件的應(yīng)用推廣一直是該領(lǐng)域工程技術(shù)人員研究的熱點(diǎn)，由于其可以快速加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，縮短零件的制作周期，在一定程度上縮短了車型的開發(fā)周期，因此汽車行業(yè)是其應(yīng)用推廣非常重要的領(lǐng)域。

2 空調(diào)試驗(yàn)

在汽車研發(fā)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與驗(yàn)證階段，需要對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行臺架及整車試驗(yàn)，包括環(huán)境模擬標(biāo)定及道路標(biāo)定等，以驗(yàn)證其是否滿足設(shè)計(jì)要求。本次空調(diào)試驗(yàn)中的空調(diào)風(fēng)道選用上海某公司生產(chǎn)的尼龍12粉末顆粒激光燒結(jié)而成，其中添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的玻璃微珠，激光燒結(jié)設(shè)備為中山某公司生產(chǎn)，零件的尺寸精度通過掃描儀檢測，拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度使用C44.304E型萬能材料試驗(yàn)機(jī)檢測，沖擊強(qiáng)度使用HIT 25/50P型擺錘式懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)檢測，試驗(yàn)步驟如下。

2.1 粉末制備

粉末粒徑大小分布合理有利于獲得較大的粉床密度，提高成型零件的致密度及力學(xué)性能[8]。當(dāng)粉末粒徑＜10 μm時(shí)，由于摩擦產(chǎn)生的靜電使粉末吸附在鋪粉輥或刮刀上而不利于成型。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)成型[9]。本次激光燒結(jié)成型使用的原材料平均粒徑為50 μm，是循環(huán)使用的粉末顆粒與全新尼龍粉的混合粉，其中循環(huán)使用的粉末顆粒在混合前要先過篩和干燥，全新尼龍粉添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的玻璃微珠，按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)（循環(huán)粉∶新粉）4∶1的比例放入混合機(jī)，以60 r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動30 min即得成型所需粉末。

2.2 激光燒結(jié)成型零件的制備

本次成型的工藝參數(shù)設(shè)定預(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)設(shè)備上按該工藝加工用于測定力學(xué)性能及尺寸精度的零件。用于測定力學(xué)性能的標(biāo)準(zhǔn)測試樣條按照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(yàn)條件》[10]、GB/T 9341—2008《塑料 彎曲性能的測定》[11]、GB/T 1843—2008《塑料 懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測定》[12]、GB/T 1634.2—2019《塑料 負(fù)荷變形溫度的測定 第2部分：塑料和硬橡膠》[13]的要求進(jìn)行加工，尺寸精度的測定選用空調(diào)風(fēng)道的出風(fēng)口進(jìn)行檢測。

2.3 精度及力學(xué)性能的檢測標(biāo)準(zhǔn)

參照GB/T 1040.2—2006[10]進(jìn)行拉伸強(qiáng)度檢測，拉伸速度為1 mm/min，參照GB/T 9341—2008[11]進(jìn)行彎曲強(qiáng)度檢測，彎曲速度為2 mm/min，參照GB/T 1843—2008[12]進(jìn)行沖擊強(qiáng)度測試。選用空調(diào)風(fēng)道的出風(fēng)口作為尺寸精度的檢測對象，使用掃描儀先掃描出零件的點(diǎn)云信息，然后通過原始數(shù)據(jù)與點(diǎn)云信息進(jìn)行匹配核對，得到整個(gè)零件所有型面的偏差情況。

3 精度及力學(xué)性能討論

3.1 選擇性激光燒結(jié)成型零件的尺寸精度

空調(diào)試驗(yàn)要求空調(diào)風(fēng)道具備高精度以保證密封性能良好不漏氣，但選擇性激光燒結(jié)成型過程中零件收縮是不可避免的問題，會顯著影響零件的精度，而對于尼龍材料等結(jié)晶型聚合物而言成型收縮主要由燒結(jié)收縮、溫致收縮及結(jié)晶收縮3部分組成[14]。為了對這些收縮量進(jìn)行補(bǔ)償，保證零件的最終加工精度，需要在各個(gè)方向分別設(shè)置合理的比例放大系數(shù)，剛好抵消在成型過程中導(dǎo)致的燒結(jié)收縮、溫致收縮及結(jié)晶收縮，從而保證零件的最終加工精度達(dá)到預(yù)期。通過前期多次測試，本次加工X、Y、Z方向所使用的比例放大系數(shù)分別為1.031、1.031、1.019。出風(fēng)口長、寬、高3個(gè)方向的尺寸分別為180 mm、70 mm、60 mm，先用掃描儀掃描出風(fēng)口的外表面點(diǎn)云信息，然后將原始數(shù)據(jù)與點(diǎn)云信息進(jìn)行匹配核對，得到整個(gè)出風(fēng)口的所有型面的偏差情況，隨機(jī)均勻取點(diǎn)結(jié)果如表1所示。

如表1所示，曲面點(diǎn)1-17為帶撥片一側(cè)，負(fù)偏差區(qū)域及正偏差區(qū)域大致相等，通過取點(diǎn)處的具體數(shù)值可知，正偏差集中在0～0.157 mm范圍內(nèi)，負(fù)偏差集中在-0.199～0 mm范圍內(nèi)；曲面點(diǎn)18-32為背面一側(cè)，主要以正偏差為主，其中正偏差集中在0～0.164 mm范圍內(nèi)，負(fù)偏差集中在-0.111～0 mm范圍內(nèi)。對比所有的取點(diǎn)處數(shù)值可知，在現(xiàn)有工藝參數(shù)下，該出風(fēng)口所有的偏差均處于±0.2 mm范圍。

表1 掃描檢測結(jié)果 mm

參照GB/T 14486—2008《塑料模塑件尺寸公差》[15]中聚酰胺填充玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的公差規(guī)定，各公差等級的尺寸要求見表2。

表2 模塑件尺寸公差表（部分） mm

根據(jù)表2模塑件尺寸公差表可知出風(fēng)口的長、寬、高分別為180 mm、70 mm、60 mm所對應(yīng)的公差值，按基本尺寸上下偏差取均值，該零件的各類尺寸均能達(dá)到高精度級別的公差要求，完全能滿足汽車空調(diào)標(biāo)定試驗(yàn)中空調(diào)風(fēng)道的精度要求。

3.2 選擇性激光燒結(jié)成型零件的力學(xué)性能

空調(diào)試驗(yàn)不僅要求空調(diào)風(fēng)道為設(shè)計(jì)狀態(tài)，還需要其力學(xué)性能優(yōu)異，在各種常規(guī)道路工況下不發(fā)生斷裂，保證正常功能。表3給出了激光燒結(jié)混合質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%玻璃微珠的尼龍12粉末一體成型零件的力學(xué)性能以及經(jīng)過熱熔拼接的零件的力學(xué)性能。

表3 SLS一體成型零件及拼接零件的力學(xué)性能

從表中可以看出，一體成型零件的拉伸強(qiáng)度達(dá)到25 MPa，拉伸彈性模量達(dá)到1 800 MPa，斷裂伸長率達(dá)到7.1%，彎曲強(qiáng)度為39 MPa，彎曲模量達(dá)到1 800 MPa，沖擊強(qiáng)度為15.1 kJ/m2。分塊加工的零件經(jīng)過熱熔拼接后力學(xué)性能有明顯衰減，塑性及韌性均有不同程度的降低，其中拉伸強(qiáng)度衰減70%至7.1 MPa，拉伸彈性模量衰減48%至920 MPa，斷裂伸長率衰減77%至1.6%，彎曲強(qiáng)度衰減52%至18.6 MPa，彎曲模量衰減44%至1 009 MPa，沖擊強(qiáng)度衰減76%至3.5 kJ/m2。由于空調(diào)風(fēng)道整個(gè)零件較大，無論是選擇性激光燒結(jié)加工還是常規(guī)方法加工，均無法一次成型，需要分段加工后進(jìn)行拼接，這樣會在拼接處形成薄弱區(qū)。同時(shí)空調(diào)風(fēng)道為中空結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)加工方法很難進(jìn)行一體成型，需要分塊加工后進(jìn)行拼接，顯著增加了拼接縫數(shù)量，對零件強(qiáng)度造成很大的影響，而選擇性激光燒結(jié)技術(shù)無需支撐，可一體成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件，對于加工空腔類的空調(diào)風(fēng)道而言具有顯著的優(yōu)勢，一體成型后進(jìn)行簡單清粉及噴砂處理即可獲得空腔類空調(diào)風(fēng)道。

熱變形溫度如表3所示，在0.45 MPa負(fù)載的條件下，選擇性激光燒結(jié)成型零件熱變形溫度為154℃，在1.8 MPa負(fù)載的條件下，選擇性激光燒結(jié)成型零件熱變形溫度為67℃，而空調(diào)通風(fēng)管道為無負(fù)載條件，熱變形溫度要求遠(yuǎn)低于154℃，可以完全滿足試驗(yàn)試驗(yàn)要求。

3.3 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)在汽車研發(fā)中的應(yīng)用情況

涉及到空調(diào)試驗(yàn)的相關(guān)零件包括鼓風(fēng)機(jī)、空調(diào)風(fēng)道等，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與驗(yàn)證階段，空調(diào)風(fēng)道無設(shè)計(jì)狀態(tài)的模具件，而空調(diào)風(fēng)道樣件的狀態(tài)與試驗(yàn)結(jié)果緊密相關(guān)，因此為了保證空調(diào)臺架及整車試驗(yàn)結(jié)果可靠，不僅要求空調(diào)風(fēng)道為設(shè)計(jì)狀態(tài)的樣件，還需要其高精度、變形少以保證良好的密封性能，不產(chǎn)生漏氣的情況，同時(shí)具備一定的力學(xué)性能，要求在各種常規(guī)道路工況下不發(fā)生斷裂，保證正常功能，在制熱模式下，熱風(fēng)會使風(fēng)道溫度超過50℃，最高達(dá)60℃，因此要求風(fēng)道具備一定的耐高溫性能，60℃條件下不發(fā)生軟化。使用激光燒結(jié)技術(shù)加工的空調(diào)風(fēng)道如圖1，將其分別裝入臺架及實(shí)車，效果分別如圖2、圖3所示，經(jīng)實(shí)車及臺架安裝確認(rèn)，整套空調(diào)風(fēng)管安裝過程無任何異常，所有安裝位均能匹配，精度完全滿足設(shè)計(jì)要求。臺架試驗(yàn)表明，管道連接處按量產(chǎn)方案進(jìn)行海綿填充處理后，氣密性良好，無明顯漏氣現(xiàn)象出現(xiàn)，力學(xué)性能滿足試驗(yàn)需求，且在制熱模式下，風(fēng)道也未現(xiàn)軟化現(xiàn)象，均能滿足試驗(yàn)要求。整車試驗(yàn)表明，整個(gè)試驗(yàn)階段空調(diào)管道系統(tǒng)性能穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常，可滿足整車搭載試驗(yàn)。

圖1 激光選擇性燒結(jié)通風(fēng)管道

圖2 空調(diào)臺架試驗(yàn)

圖3 空調(diào)管道整車裝配（局部儀表管道）

4 結(jié)論

a.在現(xiàn)有工藝參數(shù)下，出風(fēng)口的所有偏差均處于±0.2 mm范圍，達(dá)到高精度級別的公差要求，完全能滿足汽車空調(diào)試驗(yàn)中空調(diào)管道零件的精度要求；

b.選擇性激光燒結(jié)一體成型的零件力學(xué)性能顯著高于分塊成型后熱熔拼接零件的力學(xué)性能，一體成型可顯著減少拼接縫數(shù)量，有助于提高整體力學(xué)性能，同時(shí)熱變形溫度高達(dá)154℃，可完全滿足空調(diào)管道零件的耐熱要求；

c.選擇性激光燒結(jié)成型空調(diào)管道零件可滿足空調(diào)試驗(yàn)的需求，激光燒結(jié)成型技術(shù)可助力汽車研發(fā)。