高分子材料SLS中次级烧结实验_闫春泽

制件, 其致密度即相对密度
Qr = Q/ Q0 ,
( 2)
式中: Qr 为烧结件的致密度; Q为烧结件的密度; Q0
为聚合物材料的本体密度. Q的测量方法为: 用排 液法测量其体积, 用分析天平测量其质量, 从而计
算得到密度值, 每组 4 个试样, 结果取平均值. Q0
为材料本体密度, P S, PA12 及 GF PA12 的本体密 度分别 为: 1. 05 g/ cm3, 1. 01 g/ cm3 及 1. 47 g/ cm3 .
闫春泽 史玉升 杨劲松 黄树槐 ( 华中科技大学 材料成形与模具技术国家重点实验室, 湖北 武汉 430074)
摘要: 针对选择性激光烧结 ( SL S) 成形 中次 级烧结 严重 影响成 形件 精度 的问题, 分 析了次 级烧 结的 形成 原 因, 通过聚苯乙烯、尼龙 12 及玻璃微珠填充尼龙 12 三 种典型 的烧结 材料, 对 SL S 成形过 程中影响 次级烧 结 的因素进行了实验研究. 结果表明/ 次级烧结是由于已烧结部分向其周围的松散粉末传热, 使其达到结块温度 而引起的, 主要表现在烧结件轮廓模糊和尺寸变 大. 提高预热温度和激光能量密度都会增大次级烧结, 而通过 添加高熔点的无机填料可以降低次级烧结, 半结 晶性高分子材料由 于存在熔 融潜热, 次级烧结 明显低于 非结 晶性高分子材料. 关 键 词: 快速成形; 选择性激光烧结; 高分子材料; 次级烧结; 实验研究 中图分类号: T B324 文献标识码: A 文章编号: 1671- 4512( 2008) 05- 0086- 04
定温度以使烧结产生的收缩应力尽快松弛, 从而 减小烧结件的翘曲变形, 这个温度称为预热温度 tb. 图 2( a) 为 PA 12 和 G F PA 12 烧结件的翘曲角 A随预热温度的变化曲线, 图 2( b) 为 PS 烧结件 的翘曲角随预热温度的变化曲线. 可以看出, 3 种
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华 中 科 技 大 学 学 报( 自然科学版)
2. 5 烧结件翘曲变形的表征 通过测量烧结件的翘曲角, 来考察烧结过程
中翘曲变形. 翘曲角的示意图及计算方法参照文
献[ 9] . 翘 曲角的变 化范围为 0~ 90b, 翘 曲角越
小, 表示烧结件的翘曲变形越大.
3 结果与讨论
3. 1 预热温度对次级烧结的影响 在 SLS 过程中, 工作缸中的粉末被加热到一
perim ent al research
高分子材料选择性激光烧结( SLS) 成形件的 精度问题一直是该领域的研究重点. 影响高分子
SLS 成形件精度的因素很多, 而目前国内外多数 研究都集中在机器误差、软件误差、阶梯效应、成
收稿日期: 2007- 06- 15. 作者简介: 闫春泽( 1975- ) , 男, 博士研究生; 武汉, 华中科技大学材料成形与模具技术国 家重点实验室 ( 430074) . E- mail: yesoar @ 163. co m 基金项目: 国家科技型中小企业创新基 金资助项目 ( 05C262142011059) ; 聚合物 成型加 工工程教 育部重 点实验 室
3( b) 为 PS 烧结件在 X 轴方向上的尺寸精度随
预热温度的变化曲线. 可以看出, 这 3 种材料烧结
( a) PA 12 及 G FPA 12
( b) PS
图 3 材料烧 结件在 X 方向上的尺寸精度
随预热 温度的变化曲线
件的尺寸精度随预热温度变化过程大致可以分为
3 个阶段. 首先, 当预热温度较低 时, 烧结件尺寸
mm @ 10 mm , 由 SL S 成形尺寸精度测试件, 用游
标卡尺测量其尺寸, 并计算尺寸精度
A
=
D1 - D0 D0
@
100 % ,
( 1)
式中: A 为尺寸精度; D 0 为设计尺寸; D 1 为 SL S
成形测试件的实际尺寸. 2. 4 烧结件致密度的测定
通常, 聚合物材料的 SL S 烧结件属于多孔性
2 实验研究
2. 1 主要原料 聚苯乙烯 ( PS) 粒料, 玻璃化 温度 ( t g ) 为 96
e , 台湾奇美实业股份有限公司. 尼龙 12( P A12)
粒料, 熔融温度( tm ) 为 178 e , 德国 Degussa 公司
产品. PS 及 PA12 粒料均由深冷粉碎法制成平均
粒径约为 200 目的粉末材料. 玻璃微珠由永清兴 化玻璃珠有限公司生产, 粒度为 200~ 250 目, 采
Secondary sintering of selective laser sintering polymeric materials
Yan Chunz e Shi Yusheng Yang J ingsun H uang Shuhuai
( Stat e K ey L abor ator y of M ateria l Pr ocessing and Die and M ould T echno lo gy , H uazhong U niversity o f Science and T echno lo gy , W uhan 430074, China)
第36百度文库 第5期 2008年 5月
华 中 科 技 大 学 学 报 ( 自然科学版) J. Huazho ng U niv. of Sci. & T ech. ( Natur al Science Editio n)
V ol. 36 N o. 5 M ay 2008
高分子材料 SL S 中次级烧结实验
开放课题资助项目 ( 20061006) .
第5期
闫春泽等: 高分子材料 SLS 中次级烧结 实验
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形收缩、翘曲变形等问题上[ 1~ 7] , 而另一个在 SL S 成形 中 广泛 存在 并 严重 影 响成 形 件精 度 的问 题 ) ) ) 次级烧结现象却鲜有文献进行专门研究, 文献[ 8] 提出次级烧结对聚碳酸酯( P C) SL S 烧结 件的尺寸精度产生影响, 但未对其成因及影响因 素进行论述.
第 36 卷
材料烧结件的翘曲角 都随预热温度 的升高而增 大, 即翘曲变形随预热温度的升高而降低.
X= P/ (H v ),
( 3)
式中: P 为激光功率; v 为激光扫描速率; H 为扫
描间距. 将 v 设为 2 000 m m/ s; H 设为 0. 1 m m; P
设定范围 4~ 20 W; X 的变化范围为 0. 02~ 0. 10
J/ m m2; 单层厚度设为 0. 1 m m.
图 4 为 PA12, GF PA12 及 PS 烧结件的致密
( a) PA 12 及 G FPA 12
( b) PS
图 2 材料烧结件的曲角随预热温度的变化 曲线
图 3( a) 为 PA12 和 GFPA 12 烧结件在 X 轴
方向上的尺寸精度 A 随预热温度的变化曲线, 图
Abstract: Secondary sintering w idely ex ist s in t he pro cessing of select ive laser sint ering ( SL S) , w hich seriously aff ect s t he dimensional accuracy of sintered part s. T he cause of secondary sintering w as anal yzed. By st udying t he sint ering charact erist ics of t hree t ypical SL S mat erials, poly st yrene pow der, ny lon 12 and g lass beam reinf orced nylo n12 pow er, the f act ors af f ecting secondary sint ering w ere inv est ig ated. T he r esult s show : because o f t he temper at ure gradient betw een t he sint ered part and loo se pow der aro und it , heat t ransfer causes t he t emper at ure o f t he lo ose po w der rising t o its caking temperat ure, t hen secondary sintering happens; t he ext ent o f secondary sintering increases wit h increasing part bed t em perature and laser energy densit y; the ext ent o f secondary sint er ing of ino rganic f iller reinf orced polym ers pow der is sm aller than that of neat polym er s pow der; in SL S process, secondary sintering of amor phous poly mers is easier t o happen t han t hat of sem-i cry st alline poly mers. It gave impo rt ant g uidance t o co nt rol seco ndary sint ering and im pr ove t he dimensional accuracy of sint ered part s. Key words: rapid prot ot yping; select ive laser sint ering; po lymer mat erials; secondary sintering; ex-
图 1 次级烧结成形示意图
使得这些粉末温度升高, 当其温度达到结块温度 ( 非结晶性高分子为玻璃化温度, 半结晶性高分子 为熔融温度) 时, 粉末颗粒间就会发生粘接、结块, 从而在烧结件表面粘接一层非理想烧结层, 这种 现象称为次级烧结, 非理想烧结层称为次级烧结 层, 如图 1( b) 所示. 因此, SL S 烧结件通常需要通 过后处理将多余的次级烧结层清除, 如果次级烧 结层的致密度较低, 通过刷子或高压空气处理基 本上就能将次级烧结层去掉, 不会影响烧结件的 精度; 然而, 当次级烧结层致密度及厚度较大时, 就很难用上述后处理方法将其清除, 造成烧结件 轮廓不清晰, 尺寸变大, 尤其在一些细小部位, 如 狭逢、小孔等次级烧结更加严重, 使得这些细小部 位很难分辨出来, 从而严重影响了烧结件的精度, 使得 SL S 在制造某些结构精细复杂的零件中受 到限制.
本研究分析了次级烧结的形成原因, 并针对 3 种典型的 SL S 烧结材料对其影响因素进行了实 验研究, 对控制高分子 SLS 成形过程中的次级烧 结, 提高 SL S 成形件精度具有参考价值.
1 次级烧结的形成原因
在 SLS 过程 中, 由于 已烧结 部分 的温 度较 高, 因而热量由烧结体的上表面以辐射和对流的 方式散失到其上方环境中( 图 1( a) 中 Qsg ) , 而埋 在粉末中的侧表面及底面, 热量大部分通过传导 等方式传向其周围的松散粉末 ( 图 1( a) 中 Q ss ) ,
用机械混合方法将其与尼龙 12 粉末混合均匀( 玻
璃微珠质量分数为 50 % ) , 制得尼龙 12/ 玻璃微
珠复合粉末( GF PA12) . 2. 2 SL S 成形设备
使用 华 中科 技 大 学 快 速 制 造中 心 研 制 的
H RP S- Ó型激光烧结系统对 高分子粉末 进行烧
结成形.
2. 3 尺寸精度分析 尺寸 精度 测 试 件 模型 设 计 为 80 mm @ 10
精度均为负偏差, 且负偏差会随预热温度升高而 增大. 这是由于这一阶段次级烧结不发生或程度