王凡

（寶雞合力叉車有限公司，陜西 寶雞 721001）

隨著現(xiàn)代制造工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的減材制造在某些領(lǐng)域中已經(jīng)不能滿足其發(fā)展的需求，因此基于三維數(shù)據(jù)模型的增材制造技術(shù)在近年來(lái)得到了快速的發(fā)展與進(jìn)步[1]。其中選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）作為應(yīng)用最為廣泛的增材制造技術(shù)之一，其利用高能激光束的作用在三維數(shù)據(jù)模型的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行選擇性的激光燒結(jié)可熔性的粉末材料，層層累加，從而完成相關(guān)零部件的制作[2]；在眾多的選用材料中，聚苯乙烯及聚苯乙烯基復(fù)合材料因其成本低廉、制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)在一定程度上得到了廣泛的應(yīng)用，例如常見(jiàn)的聚苯乙烯/碳纖維（PS/CF）、聚苯乙烯/玻璃纖維（PS/GF）、聚苯乙烯/芳綸纖維（PS/AF）、聚苯乙烯/聚乙烯（PS/PE）、聚苯乙烯/聚碳酸酯（PS/PC）等[3]；而基于SLS 工藝的快速熔模鑄造技術(shù)因其鑄造精度高、鑄件質(zhì)量?jī)?yōu)以及材料利用率高等優(yōu)勢(shì)在鑄造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但其對(duì)于鑄造模型的灼燒灰分殘余的要求相對(duì)較高，一般要求不高于0.6%，因此在使用SLS 工藝進(jìn)行模型的制作時(shí)必須將其作為重要的衡量指標(biāo)[4]?；谝陨显?，本文基于SLS 工藝對(duì)聚苯乙烯及聚苯乙烯基復(fù)合材料的成型過(guò)程及成型質(zhì)量進(jìn)行了研究，最終得出適合于快速熔模鑄造的聚苯乙烯基復(fù)合材料。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

在材料的選用方面主要涉及以下兩方面：首先是用來(lái)制備復(fù)合材料的基本材料的選用，該部分材料均為符合使用要求的基體材料與填料；其次是通過(guò)相關(guān)制備方式得到的均苯乙烯基復(fù)合材料。

1.1.1 基本材料

聚苯乙烯：粒徑75μm，3D 打印專用型，深圳特力新材料科技有限公司；玻璃纖維：短切長(zhǎng)度0.5mm，杭州高科復(fù)合材料有限公司；碳纖維：短切長(zhǎng)度0.5mm，東億揚(yáng)（濟(jì)南）新型材料有限公司；芳綸纖維：短切長(zhǎng)度0.5mm，深圳特力新材料科技有限公司；聚乙烯：粒徑75μm，美國(guó)杜邦公司；聚碳酸酯：粒徑75μm，嶅稞新材料科技(上海) 有限公司；硅烷偶聯(lián)劑：KH550 型，濃度為98%，廣州市中杰化工科技有限公司。

1.1.2 復(fù)合材料制備

采用機(jī)械混合制備的方式制備均苯乙烯基復(fù)合材料，制備時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：首先制備前需對(duì)相關(guān)材料進(jìn)行干燥處理，以防止水分的存在對(duì)其使用性能的影響，其次是為解決填料與聚苯乙烯基體材料之間極性相斥的問(wèn)題，需使用一定量的硅烷偶聯(lián)劑對(duì)其進(jìn)行處理；最后根據(jù)前期的基礎(chǔ)性試驗(yàn)以及相關(guān)文獻(xiàn)的查詢，選定符合材料的材料配比通過(guò)高速混合的方式進(jìn)行制備，在本實(shí)驗(yàn)中PS/CF、PS/GF 根據(jù)其使用效果確定其中填料的含量為10%，PS/AF 中填料的含量為2.5%，PS/PE 以及PS/PC中填料的含量均為5%。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

選擇性激光燒結(jié)設(shè)備：AFS-360，北京隆源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司；游標(biāo)卡尺：11956 型，山東恒森國(guó)際貿(mào)易有限公司；多功能力學(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；馬弗爐：SX2-2.5-10 型，紹興市蘇珀儀器有限公司；分析天平：JC-TP 型，量程為200g，青島精誠(chéng)儀器儀表有限公司。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果表征

1.3.1 試驗(yàn)樣件制備

本實(shí)驗(yàn)中成型樣件的尺寸參考國(guó)家相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1447-2005 進(jìn)行制備，試驗(yàn)樣件包括拉伸強(qiáng)度以及彎曲強(qiáng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)樣件；制備工藝為：掃描速度1800mm/s，掃描間距0.25mm，分層厚度0.2mm，激光功率30W，預(yù)熱溫度95℃；同時(shí)為排除其他次要因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，在每組實(shí)驗(yàn)中同時(shí)成型3 個(gè)試驗(yàn)樣件，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果為3 件測(cè)試樣件測(cè)試的平均值。

1.3.2 成型精度與強(qiáng)度測(cè)試

1.3.2.1 成型精度測(cè)試

在前期基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)以及相關(guān)文獻(xiàn)的查閱過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于SLS 成型件的成型精度而言，其X 向和Y 向的成型精度值與成型工藝參數(shù)的選取有著密切的關(guān)系，受成型材料自身因素的影響程度相對(duì)較小，同時(shí)其受工藝參數(shù)影響的變化規(guī)律基本一致；但對(duì)于成型件的Z 向成型尺寸精度而言，其不僅受到工藝參數(shù)的影響，同時(shí)其與成型材料自身性能的關(guān)系更為密切，例如材料的粒徑、材料配方等，因此在本實(shí)驗(yàn)中以成型件的Z 向成型尺寸偏差作為衡量成型精度的指標(biāo)，同時(shí)該值越小表明成型件的成型精度越優(yōu)良。

1.3.2.2 成型強(qiáng)度測(cè)試

在本實(shí)驗(yàn)中結(jié)合成型樣件的實(shí)際使用環(huán)境及使用特點(diǎn)，選擇成型件的拉伸強(qiáng)度以及彎曲強(qiáng)度作為衡量聚苯乙烯及均苯乙烯基復(fù)合材料SLS 成型強(qiáng)度的重要衡量指標(biāo)，測(cè)量方式為：使用多功能力學(xué)測(cè)試設(shè)備直接對(duì)其拉伸強(qiáng)度以及彎曲強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試過(guò)程中力的加載速度選定為2mm/min。

1.3.3 成型件灰分殘余量測(cè)試

成型件的灰分殘余量的測(cè)試流程如下所示：首先使用分析天平稱取50g的成型樣件，其次在自然環(huán)境下將其放入灼燒干過(guò)中，使用高溫槍對(duì)其灼燒至充分碳化，再次將已碳化的成型件放入馬弗爐中在500℃的條件下進(jìn)行高溫灼燒4h，當(dāng)結(jié)束灼燒后將其放在馬弗爐中進(jìn)行冷卻至室溫，最后將其殘余部分取出進(jìn)行稱量，并通過(guò)公式（1）對(duì)其的灰分殘余量進(jìn)行計(jì)算[5]。

式中：δ 為灰分殘余量，%；A 為灼燒后成型件的殘余量，g。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 各高分子粉末材料SLS 成型精度的對(duì)比

在上述成型工藝的前提下，分別選用PS、PS/CF、PS/GF、PS/AF、PS/PE 以及PS/CF 等聚苯乙烯基及其復(fù)合材料進(jìn)行選擇性激光燒結(jié)試驗(yàn)，對(duì)其成型件的成型尺寸精度進(jìn)行測(cè)試，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 成型材料對(duì)成型尺寸精度的影響

從圖中可以看出，PS/CF與PS/GF 復(fù)合材料的成型尺寸精度最優(yōu)，純PS的成型尺寸精度次之，PS/AF、PS/PE 以及PS/CF 復(fù)合材料的成型尺寸精度最差；這是因?yàn)樵谕裙に嚄l件下，因?yàn)镻S/CF與PS/GF 復(fù)合材料中包含大量的導(dǎo)熱性能良好的短切無(wú)機(jī)纖維，其可以將激光所產(chǎn)生的的熱量均勻的分散到各PS粉末顆粒之間，使得聚苯乙烯熔化的更為充分且均勻，進(jìn)而導(dǎo)致其SLS 成型件各粉末顆粒之間粘接的更為可靠和有效，從而在有效保證粉末材料燒結(jié)融合效果的同時(shí)可將過(guò)多的熱量分散到粉床上，從而保證了其成型件的成型質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)；在對(duì)于PS/AF、PS/PE 以及PS/CF 復(fù)合材料而言，因其填料均為有機(jī)填料，其在受到熱量作用時(shí)并不會(huì)將過(guò)多的熱量分散到其它非燒結(jié)部位，進(jìn)而導(dǎo)致其在燒結(jié)過(guò)程中在成型件的周邊粘附過(guò)多的非燒結(jié)材料，從而使其成型件的成型精度變差。

2.2 各高分子粉末材料SLS 成型強(qiáng)度的對(duì)比

通過(guò)SLS 成型實(shí)驗(yàn)對(duì)其成型件強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)使用纖維類填料的復(fù)合材料其成型強(qiáng)度明顯高于純PS 和有機(jī)類填料的復(fù)合材料，這是因?yàn)槔w維類填料在復(fù)合材料的燒結(jié)成型過(guò)程中可有效將相關(guān)可熔性粉末材料連接在一起，從而有效提高成型件中各粉末顆粒之間的粘接強(qiáng)度，從而在一定程度上有效提高了其成型件的強(qiáng)度；而對(duì)于純PS 和有機(jī)類填料的復(fù)合材料，純PS 成型件僅能通過(guò)個(gè)粉末顆粒之間的粘接效果對(duì)成型件的強(qiáng)度做出保證，有機(jī)類填料的復(fù)合材料中相關(guān)有機(jī)填料只能在熔化過(guò)程中因其熔點(diǎn)較低的優(yōu)勢(shì)盡可能促進(jìn)PS 粉末顆粒的粘接效果，并不能纖維材料一樣使得各粉末顆粒之間形成良好的連接效果，從而使其對(duì)于成型件強(qiáng)度的促進(jìn)效果受到限制，從而使得纖維類填料的復(fù)合材料其成型強(qiáng)度明顯高于純PS 和有機(jī)類填料的復(fù)合材料，如圖2 所示。

圖2 成型材料對(duì)成型強(qiáng)度的影響

2.3 成型件熔模后灰分殘余量對(duì)比

分別選取上述成型件進(jìn)行灼燒試驗(yàn)對(duì)其灰分殘余量進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示；從圖中可以看出，PS/CF與PS/GF 復(fù)合材料SLS 成型件的灰分殘余量明顯高于其它材料，這是因?yàn)镃F 和GF 作為無(wú)機(jī)填料并不能在灼燒的過(guò)程中進(jìn)行分解，從而使得在完成試驗(yàn)后其存在大量的灰分殘留；而對(duì)于其它4 類材料而言其均能夠在高溫下進(jìn)行分解，從而使其具有較低的灰分殘余，同時(shí)因AF 分子量遠(yuǎn)高于其它有機(jī)填料，從而在灼燒的過(guò)程中可能會(huì)有極少部分的材料未被分解，從而使得PS/AF 復(fù)合材料SLS 成型件的灰分殘余量略高于純PS、PS/PE 以及PS/PC。

圖3 各復(fù)合材料成型件灰分殘余量的對(duì)比

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)相關(guān)聚苯乙烯及其復(fù)合材料進(jìn)行的選擇性激光燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，以其成型精度、成型強(qiáng)度以及灰分殘余作為衡量指標(biāo)，可以得出以下三點(diǎn)結(jié)論：

3.1 就成型精度而言，PS/CF與PS/GF 復(fù)合材料的成型尺寸精度最優(yōu)，純PS的成型尺寸精度次之，PS/AF、PS/PE 以及PS/CF復(fù)合材料的成型尺寸精度最差；

3.2 就成型強(qiáng)度而言，使用纖維類填料的復(fù)合材料其成型強(qiáng)度明顯高于純PS 和有機(jī)類填料的復(fù)合材料；

3.3 就成型件的灰分殘余而言，PS/CF與PS/GF 復(fù)合材料SLS 成型件的灰分殘余量明顯高于其它有機(jī)材料。