李小城，王鵬程

(1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖　241002；　2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特　010051)

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聚苯乙烯粉SLS成型件后處理實(shí)驗(yàn)研究

李小城1，王鵬程2

(1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖241002；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特010051)

摘要：針對(duì)激光選區(qū)成型件強(qiáng)度和表面質(zhì)量不高的問(wèn)題，選用聚苯乙烯粉料為實(shí)驗(yàn)材料，采用激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)燒結(jié)成型。分別采用浸蠟和滲樹(shù)脂兩種方法對(duì)成型件進(jìn)行后處理，通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)，得到原件和后處理件的力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)表明，浸蠟件的拉伸強(qiáng)度達(dá)到3.33 MPa，是原件的1.21倍；滲樹(shù)脂件的拉伸強(qiáng)度達(dá)到27.10 MPa，是原件的9.85倍。并且，兩種后處理件的表面質(zhì)量和光潔度與原件比有很大的改善，很好地滿(mǎn)足了使用要求。

關(guān)鍵詞：激光選區(qū)燒結(jié)；后處理；拉伸強(qiáng)度；表面質(zhì)量

激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)是快速成型技術(shù)中應(yīng)用較為廣泛的一種，采用離散/堆積的原理，以激光光束為能量將粉末材料逐層熔融、粘接成型，無(wú)需模具、夾具直接根據(jù)三維模型燒結(jié)成零件實(shí)體。[1]可用來(lái)成型的材料主要有高分子粉料、陶瓷粉、覆膜樹(shù)脂砂、覆膜金屬粉和金屬粉等，且材料利用率高，未燒結(jié)的粉料經(jīng)過(guò)篩分后可繼續(xù)使用,無(wú)需添加支撐，粉狀材料可支撐成型件防止變形。[2]其產(chǎn)品可以制作融模鑄造的“蠟?zāi)！?、快速模具、功能件等。[3]

高分子成型材料中主要有聚苯乙烯、聚碳酸酯和尼龍等粉末材料。激光選區(qū)燒結(jié)是無(wú)壓敞開(kāi)燒結(jié)，所以燒結(jié)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密性差、強(qiáng)度低，且由于是層層疊加成型，產(chǎn)品表面易形成臺(tái)階效應(yīng)，表面粗糙。[3-5]所以，SLS高分子成型件一般要經(jīng)過(guò)后處理才能滿(mǎn)足使用要求，針對(duì)此種情況，對(duì)聚苯乙烯粉料燒結(jié)件分別進(jìn)行滲蠟和滲樹(shù)脂后處理，觀察表面質(zhì)量，測(cè)試力學(xué)性能，研究其后處理件性能變化。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料。

北京隆源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的AFS-320型激光快速自動(dòng)成型機(jī)， CO2激光器，最大功率50W，最大成型尺寸320 mm×320 mm×440mm；深圳市新三思材料檢測(cè)有限公司生產(chǎn)的5KN MT型微機(jī)控制電子拉力試驗(yàn)機(jī)；北京隆源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的PS基高分子粉料。材料基本性能見(jiàn)表1。

表1　PS粉的基本性能[6]

1.2實(shí)驗(yàn)方法和步驟。

1.2.1樣件制備。

設(shè)計(jì)拉伸樣件，對(duì)樣件進(jìn)行3D建模、切片處理和格式轉(zhuǎn)化，在快速成型機(jī)上燒結(jié)成型樣件30個(gè)，采用的燒結(jié)工藝參數(shù)組合為[6]：激光功率22W,預(yù)熱溫度為100℃，切片厚度0.15mm，掃描速度1800 mm·s-1。

1.2.2滲樹(shù)脂強(qiáng)化處理。[7]

1.2.2.1燒結(jié)件清理。成型過(guò)程結(jié)束后，為了防止燒結(jié)件翹曲，不馬上取出，而是讓燒結(jié)件在成型缸內(nèi)與未燒結(jié)粉料一起冷卻至室溫取出。然后用毛刷清理未燒結(jié)粉末，再用牙刷輕輕清理燒結(jié)件表面浮粉，清理過(guò)程中注意力度，不要損壞樣件。

1.2.2.2燒結(jié)件預(yù)熱。為了使燒結(jié)件更好地吸收樹(shù)脂，清粉處理后，放入40℃干燥箱內(nèi)預(yù)熱30分鐘。

1.2.2.3后處理劑配制。按質(zhì)量比100:34將環(huán)氧樹(shù)脂E-1000(A) 與固化劑E-1000(B)混合，混合過(guò)程中一邊混合一邊用玻璃棒充分?jǐn)嚢杈鶆颍玫交旌先芤?，涂料質(zhì)量按與燒結(jié)件質(zhì)量4:5配制。

1.2.2.4刷涂樹(shù)脂。用毛刷在零件的表面反復(fù)將混合溶液均勻地刷涂，使零件完全浸透。刷樹(shù)脂時(shí)，從零件較厚的一側(cè)向較薄處逐漸按次序涂刷，且保證刷涂處充分吸收，防止內(nèi)部或較薄處樹(shù)脂固化影響樹(shù)脂的吸收。刷涂完畢，使零件表面無(wú)積液，保持潤(rùn)濕狀態(tài)。

1.2.2.5常溫固化及熱固化。刷涂后的零件，在室溫下放置6小時(shí)，先進(jìn)行常溫固化，然后將零件放在干燥箱內(nèi)恒溫加熱固化，溫度為50℃，熱固化時(shí)間8小時(shí)，使樹(shù)脂完全固化。

1.2.2.6表面處理。用砂紙對(duì)樹(shù)脂增強(qiáng)后的樣件進(jìn)行精整和表面拋光，將表面多余的樹(shù)脂去掉，使其與實(shí)際尺寸接近。

1.2.3浸蠟處理。[8]

1.2.3.1蠟的配制與化蠟。

選用一般工業(yè)石蠟與硬脂酸鈣按1：1比例配制使用，熔點(diǎn)范圍為55～60℃。將蠟塊打碎成小塊放入蠟池中加熱融化，將蠟液控制在65～70℃左右，保持蠟良好的流動(dòng)性。

1.2.3.2燒結(jié)件預(yù)熱。將成型件放入干燥箱，溫度設(shè)定為50℃左右，時(shí)間為30分鐘，進(jìn)行干燥預(yù)熱，防止浸蠟操作時(shí)燒結(jié)件由于溫差造成的開(kāi)裂。

1.2.3.3浸蠟。將已干燥、預(yù)熱好的燒結(jié)件放在網(wǎng)狀托盤(pán)上緩慢放入溫度設(shè)定好的蠟池中。浸蠟過(guò)程中成型件會(huì)因?yàn)楦×Φ淖饔枚荒芡耆珱](méi)入蠟池，可用玻璃棒小心的按壓、翻滾成型件，保證其浸蠟完全、均勻。浸蠟1～3分鐘后，待成型件表面基本沒(méi)有氣泡冒出，將浸好蠟的成型件取出，再將其放入60℃左右的蠟液中二次浸蠟，1分鐘后取出，使燒結(jié)件表面附著0.1～0.2mm的蠟?zāi)ぁ?/p>

1.2.3.4冷卻及后處理。將浸蠟件取出，保證孔洞、溝槽等向下，便于其中多余的蠟液流出。放置在空氣中或干燥箱中冷卻，待浸蠟件冷卻至室溫，再進(jìn)行精整處理，去除多余積存的蠟。

1.3拉伸實(shí)驗(yàn)。

在拉力驗(yàn)機(jī)上對(duì)SLS燒結(jié)件原件和兩種后處理件進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，每種樣件測(cè)試10件，因拉伸過(guò)程中考慮人為操作因素，將拉伸結(jié)果異常的去除掉，取5個(gè)合理結(jié)果，計(jì)算其平均值。

圖1　浸蠟件拉斷試樣

圖2　滲樹(shù)脂件拉斷試樣

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

剔除因操作不當(dāng)或其他因素引起的異常結(jié)果，分別計(jì)算原件、浸蠟件和滲樹(shù)脂件三種樣件的拉伸結(jié)果平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　原件及后處理件拉伸結(jié)果平均值

2.2結(jié)果分析。

2.2.1表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，未處理件的力學(xué)性能較差，拉伸強(qiáng)度只有2.75 MPa，拉伸伸長(zhǎng)率5.09%，燒結(jié)原件強(qiáng)度、韌性較差，由于成型狀態(tài)是顆粒狀粉料表面熔融粘接，可明顯觀察到原件的表面粗糙、光潔度差。

2.2.2浸蠟件力學(xué)性能變化不大，浸蠟處理后斷裂伸長(zhǎng)率是5.65%，是原件的1.11倍；拉伸強(qiáng)度是3.33 MPa，是原件的1.21倍。這是因?yàn)楹筇幚韯┫瀼?qiáng)度和韌性很低，所以浸蠟后性能變化不大。但浸蠟件的表面質(zhì)量與原件相比有很大改善，光潔度明顯提高，蠟感很強(qiáng)。經(jīng)第二次60℃蠟液的“低溫”浸蠟，使燒結(jié)件表面形成了0.1～0.2mm的蠟?zāi)ぃ珊附訚裁翱谙到y(tǒng)，如圖3所示。SLS燒結(jié)件由于其成型原理是分層疊加的“凈成型”方式，會(huì)使高度方向形成階梯狀效應(yīng)，表面粗糙。SLS浸蠟件主要用來(lái)代替熔模鑄造的蠟?zāi)?，浸蠟的目的是為了改善、修?fù)燒結(jié)件的表面缺陷。蠟液可浸透成型件，填補(bǔ)階梯間的空隙，使表面光潔，從而提高鑄件的表面質(zhì)量和焊接性能。

圖3　焊接澆冒口的浸蠟燒結(jié)件

2.2.3滲樹(shù)脂件的拉伸強(qiáng)度和拉斷力變化較大，拉伸強(qiáng)度達(dá)到了27.10 MPa，是原件的9.85倍，最大拉斷力是1083.78 N，是原件最大力的9.7倍；斷裂伸長(zhǎng)率是7.45%，是原件的1.46倍，相對(duì)變化較??；產(chǎn)品的外觀也有很大改善，光潔度有很大提高。原件中存在很大的空隙率，滲樹(shù)脂處理填充了原件中的空隙，后處及高溫固化后原件粉狀顆粒間通過(guò)樹(shù)脂連接起來(lái)，強(qiáng)度有很大提高。

3結(jié)論

燒結(jié)件經(jīng)過(guò)浸蠟后，強(qiáng)度有一定程度的提高，但與原件比相差不大；由于蠟液可滲透成型件，所以成型件的空隙和缺陷都得到了填補(bǔ)；浸蠟處理后，表面形成薄層“蠟?zāi)ぁ保尚图砻娌粫?huì)再有粉粒脫落，其表面質(zhì)量和焊接性能得到很大改善。燒結(jié)件經(jīng)過(guò)滲樹(shù)脂處理后，階梯狀的表面被樹(shù)脂填補(bǔ)，固化打磨后表面光潔，其表面質(zhì)量得到改善；抗拉強(qiáng)度是原件的9.85倍，強(qiáng)度有很大提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，原件通過(guò)兩種后處理后表面質(zhì)量均有很大改善，滲樹(shù)脂處理及高溫固化后力學(xué)性能也有很大提高，均能滿(mǎn)足使用要求。

參考文獻(xiàn)

[1]趙志國(guó).激光選區(qū)熔化成形技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及研究進(jìn)展[J].航空制造技術(shù),2014(19):46-49.

[2]史玉升，閆春澤，魏青松，等．選擇性激光燒結(jié) 3D 打印用高分子復(fù)合材料[J]．中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)，2015(2)：204-211．

[3]王偉，王璞璇，郭艷玲. 選擇性激光燒結(jié)后處理工藝技術(shù)研究現(xiàn)狀[J]. 森林工程， 2014，30(2)：101-103.

[4]吳小琴，熊聯(lián)明，李璐，等.SLS快速原型件后處理劑的制備與應(yīng)用[J].塑料工業(yè)，2006，34(3)：61-64.

[5]汪艷. 后處理工藝對(duì)聚碳酸酯激光燒結(jié)件性能的影響[J].中國(guó)塑料，2011,25(2):65-67.

[6]李小城.SLS高分子粉料成型工藝參數(shù)及成型質(zhì)量的比較研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007：20-24，33-42.

[7]許勤，張堅(jiān).選區(qū)激光燒結(jié)聚丙烯成型制件及增強(qiáng)的研究應(yīng)用激光[J].應(yīng)用激光，2014, 34(3):217-220.

[8]姜樂(lè)濤，白培康，趙 娜，等. 精鑄蠟粉SLS成形件后處理試驗(yàn)研究[J].鑄造，2015，64(6):573-580.

Class No.:TG249.5Document Mark：A

(責(zé)任編輯：宋瑞斌)

Study of the Post-treated Experiment of SLS Parts of PS Powders

Li Xiaocheng1, Wang Pengcheng2

(1.Anhui Technological College of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhu, Anhui 241002, China;2.School of Materials Science and Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot, Inner Mongolia 010051, China)

Abstract：Considering the low strength and poor surface quality of the prototype parts , the laser sintering technology, which choose polystyrene powder as material, is adopted in doing experiments. The infiltration with wax and penetrating resin to carry on post-processing through tensile test, the mechanical properties of the original and post-processing parts were obtained. The results show that the tensile strength of infiltrated-wax part is 3.33MPa, which is 1.21 times of the original one and the penetrating-resin part’s can reach 27.10MPa, 9.85 times of the origin. In addition, the surface and quality of the post-processing parts are improved a lot compared with the original, which could meet the requirements of use greatly.

Key words：selective laser sintering (SLS); post-treated; tensile strength; surface quality

中圖分類(lèi)號(hào)：TG249.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-6758(2016)04-0036-3

作者簡(jiǎn)介：李小城，碩士，講師，安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院。