绥化蟹贤科技有限公司

????????選區激光燒結技術(shù)(SLS)是一種應用廣泛的增材制造技術(shù)，采用模型離散/材料堆積的原理，按照加工模型有效截面信息，由計算機操縱激光束按照特定的掃描路徑，燒結掃描區域內的粉末，去掉多余粉末即可成型[1]。在SLS成型過(guò)程中，粉末受熱熔化粘結，溫度下降，材料收縮并固化，燒結件的精度難以保證，因此控制成型件收縮率十分重要。在零件成型過(guò)程中，選取合理的工藝參數對減小成型件收縮率，提高精度起著(zhù)至關(guān)重要的作用。

????????目前，陶瓷、木塑、聚碳酸酯(PC)、石蠟和金屬等均可應用于SLS技術(shù)中。聚苯乙烯(PS)粉具有吸濕率小，粉末流動(dòng)性好等優(yōu)良性能，因此PS粉已經(jīng)被廣泛應用于SLS技術(shù)中，但PS成型件孔隙率高，收縮率大，精度差。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)具有精度高，價(jià)格低，韌性強，抗拉伸等優(yōu)點(diǎn)，且PMMA分子支鏈為短鏈，更好地填充了PS的空隙，減小了成型件的孔隙率。

????????西安科技大學(xué)以PS/PMMA復合粉末為原料，通過(guò)大量燒結實(shí)驗，研究影響燒結件收縮率的因素，并對結果進(jìn)行降噪處理和極差分析，獲得最優(yōu)工藝參數組合，在最優(yōu)組合下進(jìn)行燒結實(shí)驗，通過(guò)修正系數對模型修正補償精度，減小了零件收縮率。

????????以前期大量實(shí)驗數據為支撐，得到較為合適的工藝參數組合為：激光功率30 W，XYSTA掃描方式，預熱溫度100℃，掃描速度2400 mm/s，分層厚度0.25 mm，掃描間距0.30 mm。為了獲取單個(gè)工藝參數(預熱溫度、掃描速度、分層厚度、掃描間距)對PS/PMMA燒結件收縮率的影響規律，改變上述組合中的單一工藝參數進(jìn)行單因素實(shí)驗，測試燒結件精度計算收縮率。

????????預熱溫度對PS／PMMA燒結件收縮率的影響

????????SLS成型之前必不可缺的環(huán)節是對原料進(jìn)行一定時(shí)間的預熱。一定時(shí)間的預熱，工作缸內形成了穩定均勻的溫度場(chǎng)，避免了激光束直接照射粉末時(shí)，燒結區域粉末與周?chē)勰夭钶^大，成型件出現翹曲現象，同時(shí)減小了熔融所需能量。

????????經(jīng)研究得出，預熱溫度為94~106℃，隨著(zhù)溫度的上升，水平方向收縮率整體呈現下降趨勢，數據波動(dòng)較小，平均在2.57%左右。豎直方向的收縮率大幅上升。預熱溫度為94℃時(shí)，豎直方向收縮率為負值，此時(shí)預熱溫度較低，激光掃描區域粉末與未掃描區域粉末溫差梯度大，燒結件出現翹曲，燒結件實(shí)際尺寸大于理論尺寸。隨著(zhù)預熱溫度的不斷升高，層與層之間的溫度梯度逐漸下降，翹曲現象減少，制件精度變好。在103℃時(shí)接近PMMA的玻璃化轉變溫度(Tg) 105℃，成型件收縮率明顯上升，說(shuō)明粉末充分熔融。熱塑性材料的預熱溫度一般略低于Tg，且在97℃時(shí)制件實(shí)際尺寸最接近理論尺寸，因此選取97，100，103℃為正交實(shí)驗水平值。

????????掃描速度對PS／PMMA燒結件收縮率的影響

????????掃描速度不僅影響激光束在成型材料上掃描照射時(shí)間的長(cháng)短，而且影響著(zhù)成型效率。因此在合適范圍內選擇掃描速度。

????????選取的掃描速度范圍為1800~3000 mm/s。經(jīng)研究得出，隨掃描速度的增大，水平方向收縮率先上升后下降。豎直方向收縮率整體呈現上升趨勢。在1800~2000 mm/s時(shí)，收縮率為負值。此時(shí)掃描速度小，激光照射粉末時(shí)間變長(cháng)從而粉末接收能量大，次燒結現象出現，實(shí)際尺寸大于理論尺寸。當掃描速度大于3000 mm/s時(shí)，成型效率變快，但激光束照射粉末時(shí)間變短，粉末難以充分熔融，層與層之間粘結不足，粉末易被清除掉。因此選取2100，2400，2700 mm/s為正交實(shí)驗水平值。

????????分層厚度對PS／PMMA燒結件收縮率的影響

????????分層厚度體現為模型的切片厚度，即鋪粉厚度。粉末粒徑，成型效率等眾多因素共同確定分層厚度的大小。分層厚度過(guò)小，成型效率太低。分層厚度過(guò)大，“臺階效應”現象明顯，燒結件精度變差。

????????選取的分層厚度范圍為0.19~0.27 mm。經(jīng)研究得出，隨著(zhù)分層厚度的增加，水平方向收縮率緩慢上升，且都為正值。豎直方向收縮率明顯上升。分層厚度在0.19~0.21 mm時(shí)，豎直方向收縮率為負值，這是因為分層厚度太小，激光在粉末上穿透性強，掃描區域底部的粉末也被熔融粘結在制件上，導致燒結件的實(shí)際尺寸變大。分層厚度的逐步增加，激光的穿透性變弱，過(guò)燒結現象逐漸消失，燒結件精度提高。兼顧燒結件質(zhì)量與成型效率，選取0.23，0.25，0.27mm為正交實(shí)驗水平值。

????????掃描間距對PS／PMMA燒結件收縮率的影響

????????掃描間距是指相鄰兩條的激光束掃描線(xiàn)之間的垂直距離。掃描間距的取值一般與激光直徑有關(guān)。

????????選取的掃描間距范圍為0.24~0.32 mm。經(jīng)研究得出，掃描間距對水平方向收縮率影響程度小，數值在2.5%左右波動(dòng)。隨掃描間距的增大，豎直方向收縮率呈現上升趨勢。豎直方向收縮率在0.24~0.26 mm為負值，即實(shí)際尺寸大于理論尺寸。這是因為掃描間距過(guò)小時(shí)，相鄰激光束多次照射重疊區域，此區域的能量過(guò)高，部分能量向下延伸，形成過(guò)燒結現象，燒結件底部粘結現象嚴重，燒結件尺寸變大，精度變差。掃描間距過(guò)大時(shí)，未接收到能量的區域變大，部分粉末處于未熔狀態(tài)，容易被清粉時(shí)清掉。綜合考慮選取0.26,0.28，0.30 mm為正交實(shí)驗水平值。

????????經(jīng)測量計算，修正后的燒結件的水平方向收縮率為0.947%。豎直方向收縮率為1.015%。發(fā)現，燒結件無(wú)翹曲，卷邊，錯層等缺陷，燒結件質(zhì)量良好，為后續的研究奠定基礎。

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????????該研究項目是國家863計劃項目，項目編號是2015AA042503

????????該文章出自楊來(lái)俠，桂玉蓮，白祥，等寫(xiě)的 PS/PMMA復合材料選區激光燒結成型收縮率一文。該文發(fā)表在工程塑料應用2019年第47卷第4期的48–52轉79上