趙德金，郭艷玲 ，宋文龍(.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱50040，2.延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林延吉33002)

選擇性激光燒結(jié)(SLS)，由美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Dechard于1989年研制成功。SLS工藝是將粉末狀材料通過(guò)CO2激光器根據(jù)零件的分層信息有選擇地掃描CAD零件對(duì)應(yīng)的截面區(qū)域，將三維實(shí)體簡(jiǎn)化成二維的加工方式。一般首先將粉末材料加熱到略低于熔點(diǎn)的一定溫度，然后鋪一層粉，激光掃描CAD零件底層截面對(duì)應(yīng)區(qū)域，再在剛加工的層上鋪一層粉，激光束由計(jì)算機(jī)控制再掃描一層，如此重復(fù)性的加工，直到所有層都加工結(jié)束。粉末可以是金屬和陶瓷粉末或者非金屬熱塑性樹(shù)脂粉末。目前被廣泛研究的材料有尼龍12［1］、聚苯乙烯［2］、聚醚醚酮［3］以及添加增強(qiáng)填料的尼龍基粉末材料等［4－6］。東北林業(yè)大學(xué)郭艷玲對(duì)木塑和稻殼塑復(fù)合混粉激光燒結(jié)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明其彎曲強(qiáng)度較低［7－8］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，竹廢在竹制品企業(yè)中占竹材質(zhì)量的60%［9］。因此，竹廢的合理利用可提高林業(yè)資源利用率以及為社會(huì)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值。該試驗(yàn)研究了竹粉/PA復(fù)合混粉激光燒結(jié)制件的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 竹粉100目(自制)、低熔點(diǎn)聚酰胺(PA，市售)、復(fù)合偶聯(lián)劑、抗氧劑和潤(rùn)滑劑。

1.2 制備竹粉/PA復(fù)合混粉 該試驗(yàn)竹廢從某竹筷廠收集，利用竹粉粉碎機(jī)粉碎，使用振動(dòng)篩(新鄉(xiāng)華成機(jī)械生產(chǎn))篩分出粒徑小于100 μm的竹粉，然后利用自加熱和混合機(jī)使葉片和竹粉高速摩擦，產(chǎn)生熱量干燥，干燥溫度控制在100～120℃，干燥至濕度小于5%為止。竹粉微觀形態(tài)如圖1a所示，竹粉由不規(guī)則片狀顆粒組成。

聚酰胺是低熔點(diǎn)熱塑性樹(shù)脂粉末材料，電鏡掃描圖片如圖1b所示，聚酰胺由大小不一、不規(guī)則顆粒組成。聚酰胺特性見(jiàn)表1所示。

利用高速混合機(jī)按照質(zhì)量比30/70將竹粉和PA粉末在700～800 r/min速度下混合15 min，混合的同時(shí)加入少量復(fù)合偶聯(lián)劑、抗氧劑和潤(rùn)滑劑，溫度不能超過(guò)50℃。將竹粉/PA復(fù)合混粉塑封準(zhǔn)備激光燒結(jié)試驗(yàn)。

表1 聚酰胺物理特性

1.3 彎曲強(qiáng)度測(cè)試 彎曲強(qiáng)度按照ASTM D790－2004進(jìn)行彎曲測(cè)試，測(cè)試件尺寸80 mm×13 mm×4 mm，彎曲強(qiáng)度使用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試，測(cè)試速度為10 mm/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 粉末床表面能量輸入 激光燒結(jié)機(jī)粉末床能量輸入密度是一個(gè)關(guān)鍵的物流量，決定著粉末是否能夠融化結(jié)合形成實(shí)體。粉末床表面能量輸入(ED)由下列公式計(jì)算［10］:

式中:P是激光功率(W);v是激光掃描速度(mm/s);s是激光掃描間距(mm);l是鋪粉層厚(mm)。

2.2 粉末床預(yù)熱溫度 單層燒結(jié)法是檢驗(yàn)粉末床的預(yù)熱溫度和激光加工工藝參數(shù)是否匹配的一種有效的方法。單層燒結(jié)法就是將粉末床預(yù)熱到稍微低于材料的熔點(diǎn)溫度，然后采用適當(dāng)?shù)募す饧庸すに噮?shù)進(jìn)行單層燒結(jié)試驗(yàn)，看材料混粉受熱的變化，材料受熱表現(xiàn)為熱量不足不能成型、能成型但翹曲變形、成型質(zhì)量好和過(guò)熱材料炭化。合適的預(yù)熱溫度將改善材料激光加熱的翹曲變形［11］。在一定預(yù)熱溫度下，混粉材料能成型但翹曲變形的激光加工工藝參數(shù)容易找到，但要使其成型質(zhì)量好不發(fā)生翹曲變形就需要多次單層燒結(jié)法并且通過(guò)調(diào)整粉末床預(yù)熱溫度的試驗(yàn)方法來(lái)解決。竹粉為填料，PA作為復(fù)合混粉材料的基料，為了提高激光燒結(jié)成型質(zhì)量，防止材料在激光掃描過(guò)程中翹曲變形，應(yīng)合理確定材料的激光加工工藝參數(shù)和材料粉末床的預(yù)熱溫度。根據(jù)表1的聚酰胺材料軟化點(diǎn)的溫度范圍，首先將混粉材料預(yù)熱到80℃，當(dāng)激光掃描速度為2 000 mm/s、燒結(jié)間距為0.2 mm、鋪粉層厚為0.15 mm時(shí)，通過(guò)單層激光燒結(jié)法確定激光功率為10～13 W時(shí)，材料能成型，但加工時(shí)翹曲變形比較嚴(yán)重，得到表2激光加工工藝參數(shù)。按照表3將預(yù)熱溫度逐漸提升接近材料軟化點(diǎn)溫度的一系列單層燒結(jié)試驗(yàn)中，結(jié)果如表3所示，粉末床的預(yù)熱溫度在90℃左右時(shí)，復(fù)合混粉沒(méi)有發(fā)生變形，適合激光燒結(jié)加工。

表2 激光加工工藝參數(shù)

表3 不同預(yù)熱溫度下激光燒結(jié)效果

2.3 選擇性激光燒結(jié)和彎曲性能測(cè)試 采用表2激光加工參數(shù)進(jìn)行加工時(shí)，利用萬(wàn)能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)(CMT5504型，MTS系統(tǒng)公司)測(cè)試激光燒結(jié)彎曲測(cè)試件的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量(圖3、4)，當(dāng)粉末床表面激光輸入能量為0.22 J/mm3時(shí)，彎曲測(cè)試件的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別為15.1 MPa和219.7 MPa。比木塑和稻殼塑復(fù)合混粉的激光燒結(jié)制件的彎曲強(qiáng)度0.37 MPa 和0.475 MPa 有了顯著提高［7－8］。

2.4 激光燒結(jié)零件 薄壁葉輪CAD零件模型如圖5a所示，竹粉/PA復(fù)合混粉激光燒結(jié)葉輪制件如圖5b所示，說(shuō)明該材料能燒結(jié)復(fù)雜的零件。

3 結(jié)論

該試驗(yàn)成功利用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)使用制備的竹粉/PA復(fù)合混粉制造薄壁復(fù)雜葉輪零件，說(shuō)明該材料選擇性激光燒結(jié)具有較高成型特性，對(duì)激光燒結(jié)彎曲測(cè)試件進(jìn)行彎曲性能測(cè)試，彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別為15.1 MPa和219.7 MPa。

［1］DUPIN S，LAME O，BARR S C，et al.Microstructural origin of physical and mechanical properties of polyamide 12 processed by laser sintering［J］.European Polymer Journal，2012，48(9):1611 －1621.

［2］YANG J，SHI Y，SHEN Q，et al.Selective laser sintering of HIPS and investment casting technology［J］.Journal of Materials Processing Technology，2009，209(4):1901 －1908.

［3］SCHMIDT M，POHLE D，RECHTENWALD T.Selective laser sintering of PEEK［J］.CIRP Annals － Manufacturing Technology，2007，56(1):205－208.

［4］YANG J，SHI Y，YAN C.Selective laser sintering of polyamide 12/potassium titanium whisker composites［J］.Journal of Applied Polymer Science，2010，117(4):2196 －2204.

［5］GOODRIDGE R D，SHOFNER M L，HAGUE R J M，et al.Processing of a polyamide －12/carbon nanofibre composite by laser sintering［J］.Polymer Testing，2011，30(1):94 －100.

［6］SALMORIA G V，PAGGI R A，LAGO A，et al.Microstructural and mechanical characterization of PA12/MWCNTs nanocomposite manufactured by selective laser sintering［J］.Polymer Testing，2011，30(6):611 －615.

［7］GUO Y，ZENG W，JIANG K.Preparation and selective laser sintering of wood － plastic composite powers and post processing［J］.Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures，2011，6(3):1435 －1444.

［8］ZENG W，GUO Y，JIANG K，et al.Preparation and selective laser sintering of rice husk － plastic composite powder and post processing［J］.Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures，2012，7(3):1063 －1070.

［9］劉志坤.竹材加工剩余物綜合利用研究(一)［J］.竹子研究匯刊，2003(1):55－59.

［10］OLAKANMI E O.Direct selective laser sintering of aluminium alloy powders［D］.Leeds:University of Leeds，2008.

［11］史玉升，劉錦輝，閆春澤.粉末材料選擇性激光快速成形技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2012.