如何减少PS/PMMA复合材料选区激光烧结成型收缩率?

  • 发布:2019/4/30 9:48:12
  • 来源:工程塑料应用

选区激光烧结技术(SLS)是一种应用广泛的增材制造技术,采用模型离散/材料堆积的原理,按照加工模型有效截面信息,由计算机操纵激光束按照特定的扫描路径,烧结扫描区域内的粉末,去掉多余粉末即可成型[1]。在SLS成型过程中,粉末受热熔化粘结,温度下降,材料收缩并固化,烧结件的精度难以保证,因此控制成型件收缩率十分重要。在零件成型过程中,选取合理的工艺参数对减小成型件收缩率,提高精度起着至关重要的作用。

目前,陶瓷、木塑、聚碳酸酯(PC)、石蜡和金属等均可应用于SLS技术中。聚苯乙烯(PS)粉具有吸湿率小,粉末流动性好等优良性能,因此PS粉已经被广泛应用于SLS技术中,但PS成型件孔隙率高,收缩率大,精度差。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)具有精度高,价格低,韧性强,抗拉伸等优点,且PMMA分子支链为短链,更好地填充了PS的空隙,减小了成型件的孔隙率。

西安科技大学以PS/PMMA复合粉末为原料,通过大量烧结实验,研究影响烧结件收缩率的因素,并对结果进行降噪处理和极差分析,获得最优工艺参数组合,在最优组合下进行烧结实验,通过修正系数对模型修正补偿精度,减小了零件收缩率。

以前期大量实验数据为支撑,得到较为合适的工艺参数组合为:激光功率30 W,XYSTA扫描方式,预热温度100℃,扫描速度2400 mm/s,分层厚度0.25 mm,扫描间距0.30 mm。为了获取单个工艺参数(预热温度、扫描速度、分层厚度、扫描间距)对PS/PMMA烧结件收缩率的影响规律,改变上述组合中的单一工艺参数进行单因素实验,测试烧结件精度计算收缩率。

预热温度对PS/PMMA烧结件收缩率的影响

SLS成型之前必不可缺的环节是对原料进行一定时间的预热。一定时间的预热,工作缸内形成了稳定均匀的温度场,避免了激光束直接照射粉末时,烧结区域粉末与周围粉末温差较大,成型件出现翘曲现象,同时减小了熔融所需能量。

经研究得出,预热温度为94~106℃,随着温度的上升,水平方向收缩率整体呈现下降趋势,数据波动较小,平均在2.57%左右。竖直方向的收缩率大幅上升。预热温度为94℃时,竖直方向收缩率为负值,此时预热温度较低,激光扫描区域粉末与未扫描区域粉末温差梯度大,烧结件出现翘曲,烧结件实际尺寸大于理论尺寸。随着预热温度的不断升高,层与层之间的温度梯度逐渐下降,翘曲现象减少,制件精度变好。在103℃时接近PMMA的玻璃化转变温度(Tg) 105℃,成型件收缩率明显上升,说明粉末充分熔融。热塑性材料的预热温度一般略低于Tg,且在97℃时制件实际尺寸最接近理论尺寸,因此选取97,100,103℃为正交实验水平值。

扫描速度对PS/PMMA烧结件收缩率的影响

扫描速度不仅影响激光束在成型材料上扫描照射时间的长短,而且影响着成型效率。因此在合适范围内选择扫描速度。

选取的扫描速度范围为1800~3000 mm/s。经研究得出,随扫描速度的增大,水平方向收缩率先上升后下降。竖直方向收缩率整体呈现上升趋势。在1800~2000 mm/s时,收缩率为负值。此时扫描速度小,激光照射粉末时间变长从而粉末接收能量大,次烧结现象出现,实际尺寸大于理论尺寸。当扫描速度大于3000 mm/s时,成型效率变快,但激光束照射粉末时间变短,粉末难以充分熔融,层与层之间粘结不足,粉末易被清除掉。因此选取2100,2400,2700 mm/s为正交实验水平值。

分层厚度对PS/PMMA烧结件收缩率的影响

分层厚度体现为模型的切片厚度,即铺粉厚度。粉末粒径,成型效率等众多因素共同确定分层厚度的大小。分层厚度过小,成型效率太低。分层厚度过大,“台阶效应”现象明显,烧结件精度变差。

选取的分层厚度范围为0.19~0.27 mm。经研究得出,随着分层厚度的增加,水平方向收缩率缓慢上升,且都为正值。竖直方向收缩率明显上升。分层厚度在0.19~0.21 mm时,竖直方向收缩率为负值,这是因为分层厚度太小,激光在粉末上穿透性强,扫描区域底部的粉末也被熔融粘结在制件上,导致烧结件的实际尺寸变大。分层厚度的逐步增加,激光的穿透性变弱,过烧结现象逐渐消失,烧结件精度提高。兼顾烧结件质量与成型效率,选取0.23,0.25,0.27mm为正交实验水平值。

扫描间距对PS/PMMA烧结件收缩率的影响

扫描间距是指相邻两条的激光束扫描线之间的垂直距离。扫描间距的取值一般与激光直径有关。

选取的扫描间距范围为0.24~0.32 mm。经研究得出,扫描间距对水平方向收缩率影响程度小,数值在2.5%左右波动。随扫描间距的增大,竖直方向收缩率呈现上升趋势。竖直方向收缩率在0.24~0.26 mm为负值,即实际尺寸大于理论尺寸。这是因为扫描间距过小时,相邻激光束多次照射重叠区域,此区域的能量过高,部分能量向下延伸,形成过烧结现象,烧结件底部粘结现象严重,烧结件尺寸变大,精度变差。扫描间距过大时,未接收到能量的区域变大,部分粉末处于未熔状态,容易被清粉时清掉。综合考虑选取0.26,0.28,0.30 mm为正交实验水平值。

经测量计算,修正后的烧结件的水平方向收缩率为0.947%。竖直方向收缩率为1.015%。发现,烧结件无翘曲,卷边,错层等缺陷,烧结件质量良好,为后续的研究奠定基础。

 

该研究项目是国家863计划项目,项目编号是2015AA042503

该文章出自杨来侠,桂玉莲,白祥,等写的 PS/PMMA复合材料选区激光烧结成型收缩率一文。该文发表在工程塑料应用2019年第47卷第4期的48–52转79上

关键词:

PS/PMMA复合材料,激光烧结成型,收缩率

[责任编辑:张赞丽]

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