【解析】尼龍芯盒激光燒結(jié)快速成型工藝與性能

激光燒結(jié)快速成型技術(shù)集成了CAD技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。原先由于通過該技術(shù)制作的原型件力學(xué)能比較差，所以一直停留在快速成型（RP）的領(lǐng)域，近幾年在材料技術(shù)上的飛速發(fā)展使得激光燒結(jié)快速成型技術(shù)已進(jìn)入快速制造（RM）領(lǐng)域，如用尼龍材料通過激光燒結(jié)成型方法來制造助聽器材、F1方程式賽車零部件和口腔外科上頜面等。

本文采用溶劑沉析法自行合成聚酰胺粉末作為復(fù)合尼龍粉末的基材，以物理共混的方式對(duì)基料進(jìn)行改性，制備出適合于選擇性激光燒結(jié)用高性能復(fù)合尼龍粉末，并進(jìn)行了激光燒結(jié)實(shí)驗(yàn)和性能考核。在此基礎(chǔ)上成功制作了砂型鑄造用尼龍芯盒，并達(dá)到使用要求。

1實(shí)驗(yàn)方法
1.1復(fù)合尼龍粉的制備與激光燒結(jié)
（1）將一定質(zhì)量比的較高溫度的11-CUA加氫產(chǎn)物（混合液，含12-ADA，自制）與結(jié)晶介質(zhì)（混合溶劑，也可采用來自粗品12-ADA重結(jié)晶的母液）混合，使12-ADA的含量在3%～6%,冷卻至0～ 30℃進(jìn)行初次結(jié)晶，然后過濾晶漿,得到濕晶體及 結(jié)晶母液，濕晶體干燥后得到粗品12-ADA。
（2）以乙醇（工業(yè)級(jí)，95%）為主溶劑，輔以其它助溶劑、助劑，在密封不銹鋼釜中將粗品12-A- DA油浴加熱至120～180℃，保溫1～2h后，劇烈 攪拌快速冷卻。通過真空抽濾和減壓回收，對(duì)已冷卻的粉末沉析液進(jìn)行固-液分離。所得固態(tài)物為尼龍12粉末的聚集體。
（3）對(duì)尼龍12粉末篩分（過160目篩），添加光吸收劑、流動(dòng)劑、偶聯(lián)劑、無機(jī)填料（玻璃微珠為主）等助劑在高速混合機(jī)中混合均勻，再次過篩，得到最終粉末平均粒徑在35～40μm之間。
（4）采用正交實(shí)驗(yàn)方法對(duì)改性后的PA12粉末進(jìn)行激光燒結(jié)工藝試驗(yàn)研究。根據(jù)對(duì)燒結(jié)成型性能主要影響因素的分析，選取表1所示的四因素三水平進(jìn)行L9(34)正交實(shí)驗(yàn)（表2）。在不同工藝參數(shù)組合下將復(fù)合尼龍粉末燒結(jié)成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣和彎曲試樣（試樣尺寸符合GB/T1040-1992），再在PDL-5000N電子拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)上測試其拉伸及彎曲性能，并用游標(biāo)卡尺測量各試樣尺寸精度，比較在不同工藝參數(shù)組合下試樣的強(qiáng)度和精度，以確定最優(yōu)工藝參數(shù)。

1.2尼龍芯盒激光燒結(jié)工藝實(shí)驗(yàn)
砂型鑄造用尼龍芯盒三維模型采用PRO-E進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將最終設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為激光燒結(jié)成型機(jī)能夠識(shí)別的STL格式，然后用MagicRp進(jìn)行分層切片處理，在北京北方恒利有限公司450× 450點(diǎn)掃描快速成型機(jī)上采用最優(yōu)工藝參數(shù)進(jìn)行 激光燒結(jié)。結(jié)束后設(shè)置冷卻曲線，逐步降溫。降到室溫后取出，清粉。

1.3尼龍芯盒后處理
由于快速成型的加工特點(diǎn)，在燒結(jié)原型表面會(huì)出現(xiàn)層狀臺(tái)階，極大的影響成型件表面的光潔度。后處理工藝能大幅提高表面光潔度。目前常用方法是先浸滲樹脂然后拋光打磨，即將成型件浸入配置好固化劑的環(huán)氧樹脂中，經(jīng)充分浸滲，樹脂通過毛細(xì)作用力滲入零件內(nèi)部，然后在空氣中固化晾干，再對(duì)其表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)貟伖獯蚰ァ?br />

2結(jié)果與討論
2.1復(fù)合尼龍粉SEM分析
圖1為改性后復(fù)合尼龍粉末SEM照片。改 性后復(fù)合尼龍粉末形狀規(guī)則，大多呈橢圓形和圓形，和玻璃珠級(jí)配合適。從圖中可看出，大量填料和其他助劑不規(guī)則分布在大顆粒的尼龍粉周圍。 其中從幾微米到幾十微米尺寸不等的圓球狀實(shí)心玻璃微珠很好的對(duì)不規(guī)則空隙進(jìn)行了填充。

2.2最佳燒結(jié)工藝參數(shù)及力學(xué)性能
通過正交實(shí)驗(yàn)，得到最佳燒結(jié)工藝為：激光功率13W，預(yù)熱溫度85℃，掃描速度1300mm/s，鋪粉厚度0.15mm。在該工藝參數(shù)條件下燒結(jié)試樣的力學(xué)性能為：拉伸強(qiáng)度44MPa，彎曲強(qiáng)度10 MPa，伸長率7%。 圖2為在最佳激光燒結(jié)工藝參數(shù)下制作的燒結(jié)件斷面SEM照片�？煽闯�，經(jīng)過激光燒結(jié)后并沒有發(fā)現(xiàn)大面積結(jié)晶和裂紋。燒結(jié)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較致密，但并沒有引起燒結(jié)件嚴(yán)重收縮。從圖2(a)中可清晰看出，燒結(jié)層間結(jié)合比較好，0.15mm的鋪粉層厚剛好使激光能量透過，與下一層形成連接。從圖2(b)中可看出，層內(nèi)粉末熔化比較徹底，燒結(jié)體是由以尼龍12為主體的晶相和以無機(jī)填料為主體的“玻璃相”互混形成，所以即使在單一方向上粉末的線性收縮也是非常有限的。

圖3是實(shí)驗(yàn)號(hào)為4的制件斷口微觀形貌�？煽闯�，大塊的不規(guī)則整體部分是粉末熔化后的自然狀態(tài)，分散顆粒狀為未熔化或部分熔化的粉末顆粒，此外在層間還有較大的空隙。這表明燒結(jié)提供的能量并不能夠使層間和層內(nèi)粉末完全熔化。這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致燒結(jié)件致密性差，力學(xué)性能低。這是由于4號(hào)實(shí)驗(yàn)鋪粉厚度達(dá)到0.2mm，在鋪粉過程中單層 密度下降。對(duì)于4號(hào)實(shí)驗(yàn)，激光功率小而鋪粉層厚度大，所以燒結(jié)過程能量輸入小和鋪粉密度低正是導(dǎo)致4號(hào)制件密度低力學(xué)性能差的原因。

圖4為實(shí)驗(yàn)號(hào)為9的制件斷口微觀形貌�？煽闯�，由于激光功率大，而鋪粉厚度小，導(dǎo)致過燒。粉末燒結(jié)后非常致密。正是這種致密導(dǎo)致了燒結(jié)后發(fā)生了很大的體積收縮，并且由于尼龍屬于晶態(tài)材料（結(jié)晶度達(dá)到50%～60%），從熔體到固體存在結(jié)晶相變，大分子鏈部分形成有序排列，鏈間的空隙減少，同時(shí)伴隨著較大的體積收縮，固化過程與結(jié)晶化兩方面的原因再加上表面張力的作用，使無壓的表面發(fā)生嚴(yán)重的翹曲變形，這種變形量在數(shù)層疊加后變的非常大，最終導(dǎo)致翹曲部分的高度大于鋪粉軸的水平高度，燒結(jié)件被鋪粉軸推移，燒結(jié)過程無法繼續(xù)進(jìn)行。

2.3芯盒浸樹脂后處理效果
圖5是經(jīng)過環(huán)氧樹脂固化體系處理后的成型 件斷面形貌�？煽闯觯瑯渲�通過毛細(xì)管作用浸入燒結(jié)件內(nèi)部，填充了層間空隙，成型件表面和內(nèi)部致密度均得到很大改善，成型件的力學(xué)性能也得到了提高。同時(shí)，表面樹脂涂層還可以使尼龍制件避免因吸水而引起的尺寸變化和力學(xué)性能降低。 經(jīng)過拋光打磨的尼龍芯盒如圖6所示，內(nèi)外表面粗糙度均可達(dá)Ra3μm，其內(nèi)腔尺寸偏差控制在±0.2mm范圍內(nèi)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。上下模配合嚴(yán)密，如圖5（b）所示。利用該芯盒采用PEPSET樹脂自硬砂打制砂芯，檢驗(yàn)芯盒的使用性能，結(jié)果表明，尼龍芯盒具有起模性好，不易變形，表面光潔，重量輕，耐磨耐蝕，芯子主要尺寸符合要求。

3結(jié)論
（1）所制備的適合于選擇性激光燒結(jié)成型技 術(shù)的復(fù)合尼龍粉末材料，其鋪粉性能良好，在最佳激光燒結(jié)工藝條件下收縮變形小。
（2）通過正交實(shí)驗(yàn)，得到復(fù)合尼龍粉激光燒結(jié)成型的最優(yōu)工藝參數(shù)為：激光功率13W，預(yù)熱溫度85℃，掃描速度1300mm/s，鋪粉厚度0.15mm。
（3）尼龍?jiān)�型件�?jīng)過浸滲樹脂結(jié)合拋光打磨的后處理工藝，表面光潔度顯著提高，加工芯盒的 精度滿足使用要求。該芯盒加工周期為5天，比傳統(tǒng)加工方法周期短一個(gè)月。
（4）所加工尼龍芯盒具有強(qiáng)度高、在潮濕環(huán)境下不變形的特點(diǎn)。

編輯：南極熊

作者：王建宏，白培康 （中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）