田芳

摘要：本文參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從實(shí)驗(yàn)檢測(cè)分析該復(fù)合蠟粉基本物理性能入手，結(jié)合SLS成型工藝，對(duì)燒結(jié)成型件的主要力學(xué)性能進(jìn)行了研究，并與PS產(chǎn)品進(jìn)行了比較，目的在于確認(rèn)該復(fù)合蠟粉SLS工藝是否可行，是否適用于熔模鑄造。

關(guān)鍵詞：SLS；新型復(fù)合蠟粉；性能測(cè)試

3D打印是制造業(yè)領(lǐng)域迅猛發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，主要是以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)軟件為基礎(chǔ)進(jìn)行分層離散，通過(guò)特定的設(shè)備將粉末材料、液體、絲化的固體材料進(jìn)行逐層堆積粘結(jié)，最終疊加成型出實(shí)體產(chǎn)品[1]。激光選區(qū)燒結(jié)（Selective Laser Sintering， SLS）是典型的3D打印技術(shù)之一，該方法制造工藝簡(jiǎn)單，材料選擇范圍廣，成本較低，成型速度快，主要應(yīng)用于快速熔模制造和快速模具制造[2]。

1 材料

PS粉是目前市場(chǎng)上廣泛使用的一種SLS基體材料，其價(jià)格便宜，燒結(jié)制造出的原型件成型精度高，但在實(shí)際使用過(guò)程中，卻存在以下間題[3]：（1）將PS粉制作的模型用于熔模鑄造時(shí)，不能通過(guò)熔化流失，必須要經(jīng)過(guò)高溫?zé)В@不僅產(chǎn)生大量有毒有害的煙塵，還會(huì)在型殼內(nèi)形成積炭等灰分殘留，引發(fā)脹裂型殼，造成鑄件的質(zhì)量間題；（2）PS粉尤其不適合鑄造欽合金；（3）PS本身為非結(jié)晶材料，燒結(jié)時(shí)致密度較低，空隙率也不高，導(dǎo)致PS燒結(jié)原型件輕度不夠，不能直接用作功能件；（4）為增強(qiáng)工件的強(qiáng)度和表面粗糙度，必須對(duì)PS粉燒結(jié)件進(jìn)行浸蠟處理，但浸蠟會(huì)使工件產(chǎn)生較大的變形，甚至開(kāi)裂，嚴(yán)重影響了模具的尺寸和形狀精度。

為了滿足熔模精密鑄造蠟型的要求，可將鑄造蠟粉作為SLS的燒結(jié)材料。傳統(tǒng)的精鑄用蠟熔點(diǎn)較低，流動(dòng)性好，燒熔時(shí)間短，燒熔后沒(méi)有殘留物，對(duì)熔模鑄造適應(yīng)性好且成本低廉，但鑄造蠟粉在SLS燒結(jié)時(shí)存在以下間題[4]：（1）對(duì)溫度敏感且熔融流動(dòng)性大，SLS成型不易控制；（2）SLS成型精度差，表面粗糙；（3）粉末戮性強(qiáng)，不易得到較細(xì)粉末，使得粉末平鋪性不好。

針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外各個(gè)研究中心相繼研發(fā)了以傳統(tǒng)鑄造用蠟為原料的新型SLS基體材料，美國(guó)DTM公司研制了低熔點(diǎn)高分子蠟的復(fù)合材料，華北工學(xué)院采用化學(xué)合成法，開(kāi)發(fā)了以氧化聚乙烯為主要成分的復(fù)合精鑄蠟粉[5]。本文所選用的試驗(yàn)材料是北京某研發(fā)中心研發(fā)的新型復(fù)合蠟粉。

2 性能測(cè)試與比較

本文結(jié)合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)新型復(fù)合蠟粉的基本物理性能進(jìn)行了測(cè)試，如熔點(diǎn)、密度、拉伸強(qiáng)度等[6]；其次結(jié)合熔模鑄造工藝要求，對(duì)蠟粉作為熔模鑄造模料的性能進(jìn)行測(cè)試，包括軟化點(diǎn)、熔融指數(shù)、熱變形、灰分以及蠟料分解時(shí)的熱失重曲線等[7]，由圖3可以看到，在氮?dú)鈿夥障录訜嵘郎貢r(shí)，蠟粉在200℃下幾乎不燒失和揮發(fā)，只發(fā)生材料的熔融；溫度繼續(xù)升高，模料開(kāi)始分解，成為小分子氣體物質(zhì)開(kāi)始逸出，材料急劇失重，當(dāng)溫度達(dá)到550℃，模料的分解完全結(jié)束；并由此可算出SLS模料在惰性氣氛下分解殘留分?jǐn)?shù)為0.35%，說(shuō)明分解徹底。

為了充分考慮SLS燒結(jié)工藝對(duì)蠟粉的影響因素，我們將該蠟粉在最佳工藝參數(shù)下燒成制件，并進(jìn)行性能測(cè)試。結(jié)果表明：當(dāng)激光功率P為21.5W、掃描速度v1.8m/s時(shí)，試件的抗拉強(qiáng)度σb為4.28 MPa，斷面收縮率ψ為36.1%，蠟粉接近全熔，而熔模鑄造中的模料要求為σ≥14.MPa，說(shuō)明試件的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到熔模鑄造的要求。此外，還對(duì)激光燒結(jié)制成的試件進(jìn)行了其它的性能測(cè)試，并與PS產(chǎn)品相比（見(jiàn)表1）。

通過(guò)對(duì)比，我們可以發(fā)現(xiàn)：（1）復(fù)合蠟粉燒結(jié)件的密度為0.94g/cm3，已達(dá)到PS模塑件密度的87%。表明燒結(jié)件中的孔隙率極少，接近于全密度。（2）該復(fù)合蠟粉的熔點(diǎn)為79.5℃，這與PS粉末的粘流溫度170℃相比，復(fù)合蠟料更容易熔化，且蠟粉的維卡軟化點(diǎn)和熱變形溫度比PS粉低，在失蠟過(guò)程中更容易發(fā)生軟化和流動(dòng)。（3）經(jīng)過(guò)熱失重曲線和灰分的測(cè)定，可以說(shuō)明新型復(fù)合蠟粉具有很好的熱分解性能，受熱能夠迅速分解，幾乎沒(méi)有殘余物質(zhì)，且該復(fù)合蠟粉在N2氣氛中發(fā)生熱降解的起始溫度為300℃左右，降解活化性能很高，表明蠟粉有較好的熱穩(wěn)定性，適合于后續(xù)的鑄造工藝要求。

3 結(jié)論

由上可知，該新型復(fù)合蠟粉滿足SLS燒結(jié)工藝的要求，也可用于熔模鑄造，可以直接用作功能件的制造，且具有以下特點(diǎn)：

3.1 易脫蠟，涂掛性好，無(wú)積炭等灰分殘留

用該蠟粉燒結(jié)成型的蠟?zāi)?，?00℃以上即可脫蠟，完全適合熔模鑄造的工藝規(guī)程。經(jīng)過(guò)脫蠟以后的型殼在焙燒后沒(méi)有積炭等灰分殘留，不僅省去了PS粉工件燒失、除炭等特殊的處理工藝，而且工藝質(zhì)量和鑄件質(zhì)量都得到了保證。

3.2 模型強(qiáng)度高，韌性好，軟化點(diǎn)高

該蠟粉燒結(jié)成型時(shí)是在激光束的作用下，有選擇的將蠟粉熔融并層層疊加，最后凝固成實(shí)體蠟件的，而不像PS粉那樣，在燒結(jié)過(guò)程中顆粒軟化后彼此粘結(jié)，造成工件呈現(xiàn)多孔狀。因此，該蠟粉燒結(jié)成型的工件比PS件具有更強(qiáng)的燒結(jié)強(qiáng)度，且制作的蠟?zāi)?qiáng)度韌性都很好，在浸刷涂料和打磨拋光等后處理過(guò)程及精鑄工藝中都不易損壞和變形。

3.3 無(wú)污染，低能耗

該蠟粉制作的蠟?zāi)Ｔ谟糜谌勰ｈT造時(shí)，易脫蠟，不產(chǎn)生有毒、有害氣體，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，而且在激光燒結(jié)成型時(shí)需要的激光功率和加熱溫度都比PS粉少很多，說(shuō)明該復(fù)合蠟粉比PS更加符合SLS工藝和熔模鑄造的要求。

參考文獻(xiàn)：

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