選擇性激光燒結(jié)覆膜砂成型實(shí)驗(yàn)研究

王凡

（寶雞合力叉車有限公司，陜西 寶雞 721001）

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）作為3D 打印領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的先進(jìn)制造技術(shù)之一，其使用可熔性粉末材料作為成型材料，在零件三維數(shù)據(jù)模型的驅(qū)動(dòng)下，根據(jù)零件的二維分層信息進(jìn)行選擇性的激光燒結(jié)使其完成燒結(jié)固化，層層累加從而完成零件的立體增材制造[1]；而熔模鑄造技術(shù)作為一種高精度、高質(zhì)量的鑄造技術(shù)，其利用鑄造零件的模型制造出高精度的型殼，同時(shí)結(jié)合金屬澆鑄技術(shù)完成零部件的制造，其與傳統(tǒng)鑄造工藝相比具有精度高、能耗低、鑄造質(zhì)量?jī)?yōu)的特點(diǎn)，因此在機(jī)械制造領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[2，3]?；谝陨显虮疚牟捎脽釕B(tài)制砂和冷態(tài)制砂工藝分別制備了用于SLS 成型的覆膜砂，在相同的成型工藝下對(duì)其進(jìn)行成型試驗(yàn)，并以成型件的成型精度和拉伸強(qiáng)度作為衡量指標(biāo)對(duì)兩種覆膜砂的成型質(zhì)量進(jìn)行了對(duì)比分析，最后使用SEM 技術(shù)從微觀角度對(duì)覆膜砂成型質(zhì)量的影響因素進(jìn)行了分析與探討。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

鋯砂：粒徑為75-130 目，SiO2含量高于90%，石家莊欣億礦產(chǎn)品有限公司；酚醛樹脂：Joncryl HPD 96-E MEA 型，巴斯夫（中國(guó)）有限公司；硅烷偶聯(lián)劑：KH550 型，南京羅恩硅材料有限公司；烏洛托品水溶液：自制水溶液，原材料來(lái)自河南龍諾化工有限公司；硬脂酸鈣溶液：自制水溶液，原材料來(lái)自天恩化工有限公司。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

選擇性激光燒結(jié)成型機(jī)：SLS300 型，陜西恒通智能機(jī)器有限公司；中速攪拌機(jī)：BLT-GS500 型，鄭州博萊特機(jī)械有限公司；真空干燥箱：DZF-6210 型，上海慕斯試驗(yàn)設(shè)備有（轉(zhuǎn)下頁(yè)）限公司；高速粉碎機(jī)：WF-30 型，常州市邦源干燥機(jī)械有限公司；振動(dòng)篩分機(jī)：FZ-XZS-1000 型，新鄉(xiāng)市福澤機(jī)械設(shè)備有限公司；數(shù)顯式游標(biāo)卡尺：量程為0-250mm，日本三豐量具；力學(xué)測(cè)試機(jī)：量程為0-250N，濟(jì)南美特斯測(cè)試技術(shù)有限公司。

1.3 覆膜砂制備

1.3.1 熱態(tài)制砂

熱態(tài)制砂工藝流程如下所示：首先根據(jù)試驗(yàn)需求選取適量的鋯砂放入真空干燥箱中進(jìn)行干燥處理30min，溫度為190℃，然后將經(jīng)過(guò)干燥處理的覆膜砂放入攪拌機(jī)中以120r/min 的轉(zhuǎn)速均勻攪拌2min，攪拌完成后加入適量的硅烷偶聯(lián)劑，同時(shí)保持轉(zhuǎn)速繼續(xù)進(jìn)行攪拌，當(dāng)砂溫度降至130℃時(shí)加入酚醛樹脂，當(dāng)溫度降至120℃后加入硬脂酸鈣水溶液，當(dāng)溫度降至90℃時(shí)加入適量的烏洛托品水溶液，然后持續(xù)進(jìn)行攪拌至溫度降至80℃左右取出混合砂，在自然環(huán)境中迅速將其進(jìn)行冷卻處理至室溫，再然后將上述混合物放入真空干燥箱中以60℃的溫度進(jìn)行恒溫干燥5h，然后將經(jīng)過(guò)干燥處理的混合砂放入高速粉碎機(jī)中進(jìn)行粉碎處理5min，最后將粉碎過(guò)的混合砂放入振動(dòng)篩分機(jī)中進(jìn)行篩分處理最終得到粒徑范圍在100 目左右的覆膜砂。

1.3.2 冷態(tài)制砂

冷態(tài)制砂工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，其主要工藝流程如下所示：首先將常溫的鋯砂倒入攪拌機(jī)中，以200r/min 的轉(zhuǎn)速進(jìn)行持續(xù)性的攪拌，在攪拌過(guò)程中隨即放入烏洛托品水溶液，當(dāng)鋯砂與水溶液之間充分混合后，將混合砂取出放入真空干燥箱中以60℃的溫度持續(xù)干燥處理5h 以上，然后將經(jīng)過(guò)干燥處理的混合砂放入高速粉碎機(jī)中進(jìn)行粉碎處理至不再有明顯的結(jié)塊出現(xiàn)，在粉碎處理的過(guò)程中加入酚醛樹脂和硬脂酸鈣水溶液，將其攪拌均勻，而后將上述混合砂放入振動(dòng)篩分機(jī)中進(jìn)行篩分處理，即可得到粒徑在100 目左右的覆膜砂。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果與表征

在快速熔模鑄造領(lǐng)域中，選擇性激光燒結(jié)覆膜砂成型件常作為其的鑄造模型，因此對(duì)于其成型精度以及拉伸強(qiáng)度具有較高的要求，因此在本文中以成型件的成型精度以及拉伸強(qiáng)度作為覆膜砂SLS 成型質(zhì)量的衡量指標(biāo)。在激光功率24W，掃描速度1400mm/s，掃描間距0.2mm，鋪粉層厚0.3mm，預(yù)熱溫度60℃的基礎(chǔ)上燒結(jié)如圖1 所示的試驗(yàn)樣件，同時(shí)為排除其他不利因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，在成型試驗(yàn)過(guò)程中同組實(shí)驗(yàn)同時(shí)燒結(jié)成型5 個(gè)樣件[4]。

圖1 覆膜砂SLS 成型試樣

使用游標(biāo)卡尺對(duì)其成型件的X 向（100）、Y 向（20）、Z 向（8）的成型尺寸進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)公式（1）對(duì)其成型精度進(jìn)行計(jì)算，該值越小表明成型精度更優(yōu)；其次通過(guò)多功能力學(xué)測(cè)試設(shè)備對(duì)成型件的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量[5]。

式中：δ 為成型精度，A1為成型件的成型尺寸，A0為成型件的建模尺寸。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 制備工藝對(duì)覆膜砂成型精度的影響

根據(jù)上述成型工藝分別使用冷態(tài)制砂和熱態(tài)制砂所制備的覆膜砂進(jìn)行SLS 成型研究，分別對(duì)成型件X 向、Y 向以及Z向的成型尺寸精度進(jìn)行測(cè)量，具體結(jié)果如圖2 所示。

圖2 覆膜砂制備工藝對(duì)成型件精度的影響

從圖中可以看出，對(duì)于覆膜砂SLS 成型件的X 向和Y 向成型精度而言，冷態(tài)制砂工藝所制得的覆膜砂其SLS 成型精度范圍分別為1.76%-2.41%和1.26%-1.51%，熱態(tài)制砂砂工藝所制得的覆膜砂其SLS 成型精度范圍分別為19.8%-2.31%和1.31%-1.68%，可以看出兩種制砂工藝對(duì)其SLS 成型件X 向和Y 向的成型精度影響并不明顯，主要影響其成型精度的指標(biāo)在于SLS成型工藝參數(shù)對(duì)其的影響。而在成型件Z 向的成型精度方面，冷態(tài)制砂和熱態(tài)制砂工藝所制得的覆膜砂其SLS 成型精度范圍分別為0.87%-1.13%和0.68%-0.88%，熱態(tài)制砂所制備的覆膜砂SLS 成型精度略高于冷態(tài)制砂，這是因?yàn)樵跓釕B(tài)制砂過(guò)程中砂體表面在一定溫度的保持下可將用于粘接作用的酚醛樹脂均勻包裹，從而使得在SLS 成型中經(jīng)過(guò)激光燒結(jié)的覆膜砂之間可有效粘接，從而實(shí)現(xiàn)在Z 方向上各燒結(jié)層能夠準(zhǔn)確、牢固的進(jìn)行粘接，從而使得成型件的Z 向成型尺寸精度相對(duì)較高。

2.2 制備工藝對(duì)覆膜砂成型強(qiáng)度的影響

對(duì)上樣件的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3 所示；從中可以看出冷態(tài)制砂工藝所制備的覆膜砂SLS 成型件拉伸強(qiáng)度為0.55Mpa-0.61Mpa，熱態(tài)制砂工藝所制備的覆膜砂SLS 成型件拉伸強(qiáng)度為0.65Mpa-0.75Mpa，熱態(tài)制砂所制備的覆膜砂其成型件拉伸強(qiáng)度約為冷態(tài)制砂的1.4 倍；這是因?yàn)樵诟材ど暗闹苽溥^(guò)程中，鋯砂本體在溫度的作用下會(huì)使得作為粘接劑的酚醛樹脂更均勻、更充分的包裹在砂體表面，同時(shí)在硅烷偶聯(lián)劑的作用下兩者之間的融合程度會(huì)更好，從使得在選擇性激光燒結(jié)的過(guò)程中各覆膜砂顆粒之間會(huì)形成良好的融合效果，覆膜砂顆粒之間以及燒結(jié)層與層之間均會(huì)形成良好的粘接效果，從而使得成型件的拉伸強(qiáng)度得到明顯的提升。

圖3 覆膜砂制備工藝對(duì)成型件拉伸強(qiáng)度的影響

2.3 成型件SEM 分析

為了進(jìn)一步分析覆膜砂制備工藝對(duì)其SLS 成型件成型質(zhì)量的影響，采用SEM 技術(shù)對(duì)成型件的內(nèi)部微觀組織進(jìn)行分析，首先在取樣的過(guò)程中需遵循“斷口隨機(jī)產(chǎn)生、不得存在雜物”的原則，其次在對(duì)其微觀組織進(jìn)行觀察之前需對(duì)其斷口處進(jìn)行噴金處理，最后在自然環(huán)境、加速電壓為2.5kv 的條件下對(duì)其斷口的微觀組織進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4 所示。

從圖4（a）中可以看出對(duì)于經(jīng)過(guò)冷態(tài)制砂工藝制備的覆膜砂其成型件內(nèi)部各覆膜砂顆粒之間雖然產(chǎn)生了一定的粘接效果，但進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)各覆膜砂顆粒之間形成的燒結(jié)頸斷口處存在明顯的光滑過(guò)度現(xiàn)象，這就表明其燒結(jié)頸并未產(chǎn)生穩(wěn)定的連接效果，從而極有可能使得其SLS 成型件會(huì)出現(xiàn)一定的脫砂、掉層現(xiàn)象，會(huì)使得其成型件不僅在成型精度方面受到明顯的不利影響，還會(huì)使得其成型強(qiáng)度在一定程度上出現(xiàn)下降的趨勢(shì)；而從圖4（b）中可以看出，熱態(tài)制砂工藝所制備的覆膜砂其SLS 成型件斷口中各覆膜砂顆粒之間的燒結(jié)頸斷口處出現(xiàn)明顯的斷裂現(xiàn)象，并無(wú)光滑過(guò)度邊緣的出現(xiàn)，從而可知該成型件各覆膜砂顆粒之間形成了良好的粘接效果，形成的燒結(jié)頸狀態(tài)穩(wěn)定且牢靠，從而在保證燒結(jié)件的成型精度以及拉升強(qiáng)度方面相較冷態(tài)制砂工藝而言均具有良好的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

3.1 冷態(tài)制砂和熱態(tài)制砂均能夠制備出符合選擇性激光燒結(jié)工藝的覆膜砂。

3.2 兩種工藝對(duì)覆膜砂在X、Y 向的成型精度方面的影響相對(duì)較小，在Z 向成型精度方面熱態(tài)制砂工藝制得的覆膜砂其成型精度明顯優(yōu)于冷態(tài)制砂；對(duì)于成型件的拉伸強(qiáng)度而言，通過(guò)熱態(tài)制砂所制備的覆膜砂其成型件拉伸強(qiáng)度約為冷態(tài)制砂的1.4 倍。

3.3 經(jīng)過(guò)SEM 分析可知，對(duì)于覆膜砂成型件質(zhì)量影響最為嚴(yán)重的因素為燒結(jié)后覆膜砂顆粒之間的燒結(jié)頸，熱態(tài)制砂所制備的覆膜砂其成型件所形成的燒結(jié)頸質(zhì)量明顯優(yōu)于冷態(tài)制砂。