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    如何減少PS/PMMA復合材料選區激光燒結成型收縮率?

    放大字體  縮小字體 發布日期:2019-05-06  來源:工程塑料應用  瀏覽次數:133
    核心提示:選區激光燒結技術(SLS)是一種應用廣泛的增材制造技術,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
           選區激光燒結技術(SLS)是一種應用廣泛的增材制造技術,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,提高精度起著至關重要的作用。
     
           目前,陶瓷、木塑、聚碳酸酯(PC)、石蠟和金屬等均可應用于SLS技術中。聚苯乙烯(PS)粉具有吸濕率小,粉末流動性好等優良性能,因此PS粉已經被廣泛應用于SLS技術中,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,價格低,韌性強,抗拉伸等優點,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。
     
           西安科技大學以PS/PMMA復合粉末為原料,通過大量燒結實驗,研究影響燒結件收縮率的因素,并對結果進行降噪處理和極差分析,獲得最優工藝參數組合,在最優組合下進行燒結實驗,通過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行單因素實驗,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節是對原料進行一定時間的預熱。一定時間的預熱,工作缸內形成了穩定均勻的溫度場,避免了激光束直接照射粉末時,燒結區域粉末與周圍粉末溫差較大,成型件出現翹曲現象,同時減小了熔融所需能量。
     
           經研究得出,預熱溫度為94~106℃,隨著溫度的上升,水平方向收縮率整體呈現下降趨勢,數據波動較小,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,豎直方向收縮率為負值,此時預熱溫度較低,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,燒結件實際尺寸大于理論尺寸。隨著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℃時接近PMMA的玻璃化轉變溫度(Tg) 105℃,成型件收縮率明顯上升,說明粉末充分熔融。熱塑性材料的預熱溫度一般略低于Tg,且在97℃時制件實際尺寸最接近理論尺寸,因此選取97,100,103℃為正交實驗水平值。
     
           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間的長短,而且影響著成型效率。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,收縮率為負值。此時掃描速度小,激光照射粉末時間變長從而粉末接收能量大,次燒結現象出現,實際尺寸大于理論尺寸。當掃描速度大于3000 mm/s時,成型效率變快,但激光束照射粉末時間變短,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。分層厚度過小,成型效率太低。分層厚度過大,“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。經研究得出,隨著分層厚度的增加,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,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,導致燒結件的實際尺寸變大。分層厚度的逐步增加,激光的穿透性變弱,過燒結現象逐漸消失,燒結件精度提高。兼顧燒結件質量與成型效率,選取0.23,0.25,0.27mm為正交實驗水平值。
     
    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之間的垂直距離。掃描間距的取值一般與激光直徑有關。
     
           選取的掃描間距范圍為0.24~0.32 mm。經研究得出,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。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,即實際尺寸大于理論尺寸。這是因為掃描間距過小時,相鄰激光束多次照射重疊區域,此區域的能量過高,部分能量向下延伸,形成過燒結現象,燒結件底部粘結現象嚴重,燒結件尺寸變大,精度變差。掃描間距過大時,未接收到能量的區域變大,部分粉末處于未熔狀態,容易被清粉時清掉。綜合考慮選取0.26,0.28,0.30 mm為正交實驗水平值。
     
           經測量計算,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%。發現,燒結件無翹曲,卷邊,錯層等缺陷,燒結件質量良好,為后續的研究奠定基礎。
     
     
    關鍵詞: 復合材料
     
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