趙德金 郭艷玲 宋文龍 姜凱譯

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

選擇性激光燒結是增材制造技術的一種，也叫分層制造技術，該技術主要利用STL 格式零件模型的分層信息，用計算機控制激光對該零件進行一層一層的加工。這項技術已經(jīng)被廣泛應用成品金屬件加工和使用熱塑性樹脂加工的熔模鑄造用模型、樣機、工藝品及功能性零件［1-2］。目前被廣泛研究的激光燒結熱塑性樹脂材料一般都是尼龍11、尼龍12、聚丙烯以及聚醚醚酮等材料［3-6］。大多數(shù)學者基本都是研究尼龍基復合材料力學特性、激光燒結參數(shù)，以及添加增強填料對材料綜合性能的影響［7-10］，有關天然植物纖維粉末熱塑性樹脂，有學者研究過木粉/聚醚砜(PES)熱熔膠和稻殼粉/Co-PES 熱熔膠粉復合材料激光燒結特性，得出其拉伸強度分別為1．21、1．47 MPa［11-12］。竹粉也是天然植物纖維，竹材具有良好的力學性能，材料脆性大，易于加工粉碎，竹制品產(chǎn)生的廢棄物占竹材料質量的60%［13］。竹子生長周期短，成材快，隨著木材資源的匱乏，竹材在應用上將成為木材的替代品。那么隨著竹制品企業(yè)的發(fā)展，這部分竹材廢棄物的利用將成為一個重要問題。本實驗研究了竹粉/共聚酰胺復合材料的激光燒結以及其成型特性。

1 材料與方法

1．1 材料及設備

竹粉，自制，120 目。共聚酰胺，復合偶聯(lián)劑，抗氧劑和潤滑劑。

振動篩(新鄉(xiāng)華成機械設備有限公司)、帶加熱功能高速混合機(張家港市宏基機械有限公司)、萬能拉伸實驗臺(MTS 系統(tǒng)公司)，差示掃描量熱分析儀(Perkin Elmer Diamond DSC，美國)和電子掃描顯微鏡(FEI Quanta 200，荷蘭)。

1．2 竹粉/共聚酯復合材料的制備

本實驗竹材廢棄物從某竹筷廠收集，并用粉碎機將其進一步粉碎，利用振動篩使用標準120 目篩網(wǎng)將粉碎的竹粉進行篩分，獲得粒徑小于120 μm 的竹粉;然后利用張家港弘基機械廠生產(chǎn)的具有加熱功能的高速混合機對竹粉進行烘干處理。利用混合機自加熱和混合機葉片和竹粉高速摩擦產(chǎn)生的熱量使竹粉迅速升溫，通過控制混合機的轉速以及加熱溫度將竹粉的干燥溫度控制在100 ～120 ℃。利用高速混合機干燥，高速混合機的葉片不斷地攪拌竹粉，水蒸氣可快速地通過混合機的排氣孔排出，對竹粉的干燥均勻且快速，一般干燥5 ～6 h，竹粉的含水率小于5%。干燥后的竹粉堆積密度為0．35 g/cm3，電鏡掃描圖片如圖1a 所示，觀察圖片發(fā)現(xiàn)竹粉有大量短竹纖維和不規(guī)則片狀顆粒組成。

共聚酯是一種白色無毒無味的環(huán)境友好型熱塑性樹脂粉末材料，電鏡掃描圖片如圖1b 所示，共聚酰胺由大量不規(guī)則塊狀顆粒組成。

按m(竹粉)∶m(共聚酰胺)= 1 ∶3 配比，同時加入少量復合偶聯(lián)劑、抗氧劑和潤滑劑利用高速混合機在50 ℃以下700～800 r/min 混合15 min。將竹粉/共聚酰復合材料塑封保存。由于竹粉相對于礦物填料具有質量輕和質地柔軟的特點，在竹粉/共聚酰復合材料制備和加工過程中對設備的磨損小，并且機械阻力小。

圖1 粉末電鏡掃描圖片(×500)

1．3 選擇型激光燒結

拉伸測試件采用華中科技大學HRPS-ⅢA 型激光燒結機燒結，采用波長為10．6 μm、光斑為(2．6±0．4)mm、功率為55W 的CO2激光器，拉伸測試按照ISO527-1 進行拉伸測試，其零件尺寸165 mm×13 mm×4 mm。

1．4 拉伸測試和電鏡掃描

采用萬能拉伸試驗臺進行拉伸測試，拉伸速度為5 mm/min。零件的激光燒結表面和斷面采用電子掃描顯微鏡進行掃描。

1．5 DSC 測試

使用差示掃描量熱分析儀對共聚酰胺做DSC分析。DSC 分析測試時，取樣品5 mg 左右，升溫速率為10 ℃/min，溫度范圍為40 ～180 ℃;降溫5 ℃/min，溫度范圍40 ～180 ℃。采用氮氣保護，流速為20 mL/min。

圖2 共聚酰胺DSC 曲線

表1 粉床預熱溫度對竹粉/共聚酰胺復合材料單層激光加工的影響

2 結果與分析

2．1 DSC 曲線分析

共聚酰胺作為竹粉的黏合劑，恰當?shù)姆鄞差A熱溫度將減少竹粉/共聚酰胺復合材料在激光燒結加工過程中翹曲變形，保證加工的順利進行。從圖2 可以看出，共聚酰胺升溫曲線有兩個放熱峰，說明該共聚酰胺有兩種材料復合而成，降溫曲線沒有明顯的吸熱峰，說明該材料在40 ～180 ℃發(fā)生固化，沒有較大的吸熱現(xiàn)象。通過實驗來確定粉床的預熱溫度，將粉床的預熱溫度設定為43、70、80、90、105 ℃等5 個溫度進行單層激光燒結實驗，效果如表1 所示。結果表明，預熱溫度為90 ℃比較理想。

2．2 選擇性激光燒結

激光燒結加工零件的主要參數(shù)有激光功率(P)、激光掃描間距(s)、激光掃描速度(v)和鋪粉層厚(l)4 個參數(shù)，而激光燒結加工的能量密度(DE)可由以下公式計算［14］:

本實驗研究了當激光功率為10 W、激光掃描速度為2 000 mm/s、鋪粉厚度為0．1 mm，以及掃描間距為0．1、0．15 和0．2 激光燒結拉伸測試件的力學特性，拉伸強度平均值如圖3 所示，拉伸件的應力應變曲線如圖4 所示。從圖3 可以看出，當激光功率10 W、掃描速度2 000 mm/s、鋪粉層厚0．1 mm 和激光掃描間距為0．1 mm 時，拉伸強度為8．3 MPa。拉伸件的力學強度隨著激光掃描間距增加而減小，根據(jù)公式(1)可知，激光掃描間距增加，則能量密度數(shù)值降低，推測共聚酰胺對竹粉的粘結效果降低，最終導致力學強度降低。

圖3 掃描間距對拉伸強度的影響

圖4 拉伸件的力位移曲線

拉伸測試件的標距為l0=50 mm，l1為拉伸測試件標距變形后的斷裂長度值，斷裂伸長率由下列公式計算:

從圖4 可以看出，拉伸過程中，拉伸測試件具有明顯的線性階段，斷裂伸長率較大，通過公式(2)計算分別為:當掃描間距為0．1 mm 時，斷裂伸長率為30%;掃描間距為0．15 mm 時，斷裂伸長率為26%;掃描間距為0．2 mm 時，斷裂伸長率為38%。

2．3 激光燒結零件微觀形貌

膠接理論是研究膠接力的形成機理，對于竹粉而言，它是一種表面不規(guī)則、多孔性材料，含有大量的纖維素(60%)及木質素(32%)，并且它的微纖絲角(2°～10°)［15］，竹粉/共聚酰胺復合材料在激光燒結過程中就可以用膠接理論中的化學鍵理論和機械結合理論來解釋。竹粉中纖維素和木質素含有大量的羥基，復合偶聯(lián)劑即可與膠黏劑形成化學鍵又可與纖維素和木質素的羥基發(fā)生化學反應形成化學鍵［16］。從激光燒結測試件表面和斷面可以看出共聚酰胺與竹粉膠合效果顯著，說明共聚酰胺在偶聯(lián)劑的作用下通過激光瞬間加熱速溶對竹粉的浸潤效果良好，從圖5(a)、5(b)放大圖片可以看出，竹粉顆粒被共聚酰胺包裹，并與共聚酰胺形成連續(xù)的復合材料基體。這種結構可以用機械結合理論解釋，由于竹粉中含有竹纖維和片狀粉末顆粒，他們在激光燒結件中充當錨桿，對復合材料起到增強效果，并且表面粗糙存在不規(guī)則形狀微孔。這些微孔主要是因為竹粉表面粗糙及共聚酰胺粉末形狀不規(guī)則，鋪粉過程中形成具有空隙的粉末層。當激光燒結時，共聚酰胺聚合粘結竹粉顆粒形成微孔。

圖5 燒結件電鏡掃描圖片

3 結論

本實驗制備了一種適合選擇性激光燒結的竹塑復合材料，并采用選擇性激光燒結制造了結構復雜的零件。通過電鏡掃描圖片，結合膠接機理的化學鍵理論和機械結合理論分析了竹粉/共聚酰胺復合材料的成型機理。通過實驗發(fā)現(xiàn)材料的拉伸強度達到8．3 MPa，與木塑復合材料和稻殼塑料復合材料激光燒結拉伸強度相比有了較大提高。

粉床的預熱溫度對材料的成型影響很大，通過DSC 曲線分析可知，當材料預熱溫度過低，材料變形嚴重，當材料預熱溫度超過融化溫度的起點，材料結塊，無法順利進行激光燒結加工。

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