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尼龍6及改性粉末的激光選區(qū)燒結的翹曲變形試驗研究

選區(qū)激光燒結(Selective Laser Sintering，SLS)技術是利用激光對粉末材料的連續(xù)選擇性掃描，使其局部熔融，并由線、面、體的熔接形成三維實體結構的制造技術。由于SLS技術在逐層制造成型過程中無需輔助支撐，成型材料廣泛(包括塑料、金屬以及陶瓷等)，成型物具有較高的綜合力學性能，使其受到面向工業(yè)應用領域的高度關注。

隨著工程塑料在工業(yè)領域的廣泛應用，工程塑料粉末與金屬和陶瓷材料相比，具有成型溫度低、燒結激光功率小等優(yōu)點，業(yè)已成為目前應用最多的SLS材料[1-3]。對于工程塑料之一的尼龍粉末，雖然其具有優(yōu)良的機械強度、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但由于選區(qū)激光燒結過程是激光光斑的局部加熱熔融和快速冷卻，即便在一個平面內的溫度場也非常不均勻，導致燒結過程中應力大而易發(fā)生變形。為此，國內外學者展開了多方面的研究，如通過激光燒結工藝參數(shù)的優(yōu)化來分析激光功率、掃描速度等對純尼龍材料收縮率的影響[4]；通過測量尼龍/聚乙烯復合粉末燒結樣品的翹曲程度來優(yōu)化工藝參數(shù)[5]；利用添加鋁粉減小尼龍12粉末燒結過程中產(chǎn)生的收縮[6]，或者添加空心玻璃微珠抑制尼龍12粉末結晶過程帶來的翹曲[7-9]等。

尼龍6材料為一種半結晶聚合物，在燒結過程中存在較大的熱收縮率；同時在選區(qū)激光燒結不均勻溫度場的聯(lián)合作用下，燒結成型過程會發(fā)生較大的翹曲變形，不僅影響燒結過程中的有效鋪粉、粉層均勻性以及多層燒結過程的持續(xù)，還將影響燒結件的成型精度。本文在燒結工藝參數(shù)優(yōu)化的基礎上，通過對PA6粉末和利用不同比例硅灰石改性的尼龍6/硅灰石復合粉末的燒結試驗進行對比分析，并結合產(chǎn)生燒結不均勻溫度場的激光掃描方式對變形影響的燒結試驗，來探討減小燒結過程中應力與翹曲變形的工藝措施，為實現(xiàn)三維實體結構的燒結成型提供技術基礎。

1 尼龍6/硅灰石復合粉末的燒結試驗和分析

1.1 尼龍6/硅灰石復合粉末的制備

本文所使用的工程塑料粉末為粒度為150目(平均粒徑約為100 μm)的尼龍6粉末。選用比待改性粉末粒徑小的無機粉末有利于實現(xiàn)填充改性，故擬用來改性的無機粉末為粒徑約為15 μm的硅灰石粉末。由于硅灰石和尼龍高分子表面性質差異過大，故應在乙醇溶液中添加硅烷偶聯(lián)劑KH550，制配得到濃度為2%的硅烷偶聯(lián)劑溶液；再稱取適量的硅灰石，緩緩倒入硅烷偶聯(lián)劑溶液并充分攪拌；然后在80 ℃的烘箱中烘烤6～8 h，烘干之后進行研磨和篩選；最后，將處理完成后的硅灰石與尼龍6粉末充分混合，即可獲得改性的尼龍6/硅灰石復合粉末。

1.2 工藝參數(shù)優(yōu)化

在SLS過程中，激光掃描熔融的線與線之間熔接情況直接影響燒結成型物的質量，因此，應對激光掃描的選區(qū)燒結工藝進行優(yōu)化。通常SLS成型的主要工藝參數(shù)有激光功率、掃描速度、激光掃描的行柵間距、粉末層厚度以及粉末的預熱和保溫溫度等。針對本試驗所用粒度為150目的PA6粉末，可選取可以實現(xiàn)有效均勻鋪粉的最小粉層厚度為0.2 mm；同時，為了便于有效觀察燒結過程中樣品的翹曲與變形，試驗研究在室溫下進行，即暫不考慮粉末的預熱和保溫的影響。本文采用正交試驗方法來進行燒結試驗工藝參數(shù)的優(yōu)化。

1)激光功率(P)和掃描速度(v)。激光功率和掃描速度決定了激光作用的能量密度，直接影響粉末的熔融情況。激光能量密度過大，粉末因溫度過高會發(fā)生嚴重的氧化及氣化；激光能量密度過小，粉末熔融不完全，燒結物強度太低。根據(jù)純尼龍的試驗結果可知[10]，若激光功率>15 W或者掃描速度<75 mm/s，燒結樣品因氧化作用嚴重呈現(xiàn)過燒的焦黃色趨勢；若激光功率<9 W或者掃描速度>145 mm/s，燒結樣品的聯(lián)接強度不夠，故激光功率選取3個水平(12、13.5和15 W)，掃描速度選取3個水平(105、125和145 mm/s)。

2)掃描間距(l)。燒結線之間能夠熔接，形成一個平面，取決于掃描間距l(xiāng)和激光光斑d的共同作用。在激光作用下，當掃描間距l(xiāng)<0.5d時，重復熔融區(qū)域大，不僅影響效率，而且重復熔融區(qū)的氧化和氣化情況嚴重；當掃描間距l(xiāng)過大，線與線間重疊的熱影響區(qū)域未達到粉末熔融溫度，將致使無法獲得有效的熔接成型物。本試驗用激光器光斑直徑為0.24 mm，初步試驗所得最大燒結間距為0.35 mm[11]，故掃描間距因子選取3個水平(0.2、0.25和0.3 mm)。

3)復合粉末硅灰石含量。尼龍/硅灰石復合粉末中的硅灰石含量不同，將使得復合粉末的熱物性參數(shù)不同，對燒結性能有直接影響，而硅灰石含量過高將嚴重影響燒結樣品的粘結成型和性能[12]。通過初步試驗可知，當復合粉末中的硅灰石含量>40%時，粉末之間的粘接力極弱，故復合粉末尼龍含量選取3個水平(90%、80%和70%)。

根據(jù)臺風登陸前72 h內的EC細網(wǎng)格08時、20時起報的產(chǎn)品,預報時效為12、24、48、72 h,對橋墩水庫站(120.3°E,27.47°N)進行插值,插值方法為:求距離站點最近的格點,以最近距離格點的預報值作為該站點的預報值。

綜上所述，正交試驗的水平因素表見表1。

表1 水平因素表

利用L9(34)正交表對不同含量硅灰石改性的復合粉末的正交試驗結果顯示，70%尼龍、80%尼龍和90%尼龍復合粉末各自的優(yōu)化燒結工藝參數(shù)分別為：1)70%尼龍粉末掃描間距為0.2 mm，激光功率為12 W，掃描速度為105 mm/s；2)80%尼龍粉末掃描間距為0.2 mm，激光功率為12 W，掃描速度為105 mm/s；3)90%尼龍粉末掃描間距為0.25 mm，激光功率為13.5 W，掃描速度為145 mm/s。

由此可知，硅灰石含量越高，最優(yōu)的掃描間距越小，燒結所需的能量密度也增大，說明了硅灰石粉末的含量越高，復合粉末的熱擴散率越小。

不同比例的尼龍/硅灰石復合粉末的燒結樣品如圖1所示。由燒結樣品的正面圖可知，雖然樣品的表面均顯示為較好的熔融狀態(tài)，但是圖1a所示的燒結樣品的表面顯示較為明顯的焦糊狀態(tài)，且樣品的聯(lián)接強度很差，容易破損。圖1a和圖1b所示的復合粉末在層疊燒結到6～7層時，就發(fā)生較為明顯的翹曲變形，而圖1c所示的復合粉末可層疊燒結到9層以上，且翹曲變形也很小。圖1d所示的樣品表面也顯示為較好的熔融狀態(tài)；但是，其在疊加燒結到8～9層時就呈現(xiàn)較大的變形，致使難以繼續(xù)有效鋪粉燒結。試驗結果表明，添加10%硅灰石粉末改性的尼龍復合粉末對燒結翹曲變形有著較好的改善效果。

圖1 不同比例改性尼龍粉末燒結樣品圖

2 掃描方式影響的試驗與分析

粉末燒結的三維成型是利用激光在一個平面內掃描燒結得到一個較薄的熔結平面，再通過在其上均勻鋪粉和再次掃描燒結，在形成一個熔結平面的同時，實現(xiàn)與下層已熔結平面的熔結。因此，上、下2層間掃描方式(行柵的掃描方向)和一個平面內的掃描方法將對燒結過程的溫度場和變形產(chǎn)生不同影響。

2.1 層疊方式的影響

連續(xù)2層之間燒結的層疊方式是指在激光掃描燒結過程中，上、下2個平面薄層在利用行柵掃描成形時，掃描方向異同(見圖2)。利用上述所得優(yōu)化工藝參數(shù)分別對未改性尼龍6和改性的90%尼龍復合粉末在室溫下進行試驗(見圖3和圖4)。

圖2 層疊方式不同的燒結樣品

圖3 未改性燒結樣品圖

圖4 改性燒結樣品圖

由圖3和圖4可以看出，樣品表面均顯示較好的熔融狀態(tài)。當掃描方向相同時，未改性樣品和改性樣品分別在疊加燒結到4～5層和8～9層時，顯示出有較大的翹曲變形；當掃描方向為90°交叉時，未改性樣品和改性樣品分別在疊加燒結到5～6層和9～10層時，開始有一定的變形。

由試驗結果可知，層間掃描方向不同，雖然會對連續(xù)層疊燒結過程的溫度場分布有所影響，(從宏觀上看，交叉90°行柵掃描方向有利于溫度場的均勻分布)，進而有不同的熱應力使得燒結件可能會產(chǎn)生不同程度的翹曲變形；但是，由于SLS的每個掃描線熱影響區(qū)的粉末燒熔和冷卻過程均是在很短的時間內完成，在較大幅面的掃描燒結過程中，上、下2層間的不同掃描方向對燒結樣品整體的溫度場分布的影響較小，因此，單純改變層間疊加方式，對燒結應力與變形的改善力度有限。

2.2 分區(qū)掃描的影響

分區(qū)掃描是指在一個單層燒結過程中，將所需熔結區(qū)域劃分為多個區(qū)域，再通過計算機控制激光光束對每個區(qū)域分別掃描來完成一個薄層平面燒結的掃描方式。一個正方形的燒結樣品可以選取不同的分區(qū)掃描方式。為了便于研究分析，對于本試驗研究的30 mm×30 mm正方形圖案，可以有如下3種不同分區(qū)方式(見圖5)：1)一個整體區(qū)域；2)劃分為4個小正方形區(qū)域；3)劃分為9個小正方形區(qū)域。區(qū)域過小將增加系統(tǒng)軟件處理和實際熔結接縫數(shù)量，而不利于快速燒結成形。綜合前期的試驗研究，在一個層面內分區(qū)燒結時，相鄰區(qū)域間采用不同的行柵掃描方向，將有利于平面的燒結溫度場均勻以及應力和變形的改善，因此，在4分區(qū)和9分區(qū)中，相鄰區(qū)域的行柵充填掃描方向不同。分區(qū)掃描燒結結果如圖6所示。

圖5 分區(qū)掃描不同區(qū)域劃分

圖6 分區(qū)掃描的燒結樣品(未改性尼龍粉末)

對于純尼龍粉末的矩形燒結樣品，在相同工藝參數(shù)條件下，未分區(qū)掃描的燒結層數(shù)為4～5層時有較為顯著的翹曲變形，4分區(qū)和9分區(qū)的掃描燒結，燒結層數(shù)均為5～6層時發(fā)生翹曲變形。試驗表明，平面內的分區(qū)域掃描方式，對收縮率較大的未改性尼龍6粉末的燒結翹曲變形改善效果較小。

90%尼龍6和10%硅灰石的復合粉末在不同分區(qū)掃描下的試驗結果如圖7所示。未分區(qū)掃描和4分區(qū)掃描燒結層數(shù)分別為8～9層和9～10層時出現(xiàn)翹曲變形；而9分區(qū)掃描燒結，可燒結層數(shù)為14～15層，且未見明顯的翹曲變形。

圖7 分區(qū)掃描的燒結樣品(90%尼龍)

綜上可知，在粉末燒結過程中，采用分區(qū)掃描，相鄰2條掃描線的間隔時間較短，掃描線的起點與末端的溫差減小，溫度場相對均勻，有利于減小燒結過程中的應力與變形；且對于在室溫下掃描燒結來說，較小的掃描區(qū)域在燒結過程中更有利于均勻溫度場的獲得。因此，針對本文改性的尼龍6復合粉末，30 mm×30 mm正方形樣品在9分區(qū)時能實現(xiàn)有效減小燒結樣品翹曲變形的目的。

對于較大的平面燒結來說，區(qū)域劃分后形成多個相對獨立的較小面積的掃描燒結子區(qū)，每個子區(qū)的掃描順序不同，在一個整體平面的溫度場分布將有所不同，相鄰區(qū)域的熔接情況可能會影響燒結樣品的整體應力和變形；因此，應在上述9區(qū)域劃分試驗的基礎上，對不同掃描順序的燒結情況進行試驗，并通過對未改性尼龍6粉末和添加10%硅灰石改性的尼龍復合粉末的燒結來進一步探討減小燒結樣品翹曲變形的有效措施。

4種不同掃描順序的原理示意圖如圖8所示。圖中數(shù)字的從小到大表示子區(qū)掃描的先后順序。

圖8 單層不同掃描順序

未改性尼龍6粉末的燒結樣品如圖9所示，不同掃描順序的燒結情況基本一致，在燒結至4～5層時均有顯著的翹曲變形。

圖9 未改性尼龍粉末不同掃描順序燒結樣品

改性的尼龍復合粉末燒結樣品如圖10所示。不同掃描順序的燒結情況非常接近，在連續(xù)燒結14～15層后均無明顯的翹曲變形。

圖10 改性的尼龍復合粉末不同掃描順序燒結樣品

由圖9和圖10的燒結樣品可以看到，未改性尼龍粉末在分區(qū)掃描燒結時，樣品的子區(qū)域之間存在較明顯的凸脊；而改性尼龍復合粉末燒結樣品的表面幾乎不存在子區(qū)域連接的痕跡。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是因為純尼龍粉末在燒結過程中存在較大的熱收縮，相鄰區(qū)域的邊緣處在不同時間的重復熔接過程中由于收縮不一致而產(chǎn)生明顯凸脊，影響平面燒結樣品的平整性。而改性的尼龍復合粉末，由于添加了硅灰石粉末，減小了燒結過程中尼龍粉末的收縮率，各子區(qū)域的變形很小，子區(qū)域之間有著較好的熔接和粘接，故能得到較好的燒結樣品。

針對未改性尼龍粉末和硅灰石改性的尼龍復合粉末，結合不同掃描方式的試驗和對比分析表明，基于硅灰石改性的尼龍復合粉末在適當分區(qū)掃描燒結時，可有效地減小燒結過程中的應力和變形。利用10%硅灰石改性的尼龍復合粉末燒結得到的三維實體樣品圖如圖11所示。由圖11可以看出，所得樣品具有較好的完整性。

圖11 燒結件的實物照片

3 結語

針對尼龍6粉末在選區(qū)激光燒結過程中收縮變形，本文通過添加無機粉末的硅灰石來改善其性能，并結合激光掃描方式，對燒結過程中溫度場均勻性影響進行了試驗研究。結果表明，添加硅灰石有助于改善尼龍6粉末燒結過程中產(chǎn)生的變形，且當硅灰石含量為10%時效果最好。適當?shù)臏p小掃描區(qū)域，能減小燒結變形；但是對于收縮率較大的尼龍粉末，會影響子區(qū)域的拼接平整性，而對于改性的尼龍/硅灰石復合粉末，則有著很好的改善效果，不僅可以有效減小多層疊加燒結過程中的翹曲變形，還可以燒結出具有較好完整性的三維結構。

[1] Yap C Y, Chua C K, Dong Z L, et al. Review of selective laser melting: Materials and applications[J]. Applied Physics Reviews, 2015, 2(4):041101.

[2] 金大元. 3D打印技術及其在軍事領域的應用[J]. 新技術新工藝, 2015(4):9-13.

[3] 周文曉, 王翔, 崔瑞, 等. 粉末薄層選區(qū)激光燒結溫度場數(shù)值模擬與實驗研究[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2012(5):12-16.[4] Singh S, Sharma V S, Sachdeva A. Optimization and analysis of shrinkage in selective laser sintered polyamide parts[J]. Materials and Manufacturing Processes, 2012, 27(6):707-714.

[5] Ren N F, Wang P, Luo Y, et al. Experimental study on warping height of PA12/HDPE specimen by selective laser sintering[J]. Applied Mechanics and Materials, 2011, 43:430-433.

[6] 徐林, 史玉升, 閆春澤, 等. 選擇性激光燒結鋁/尼龍復合粉末材料[J]. 復合材料學報, 2008, 25(3):25-30.

[7] 王建宏, 白培康, 劉斌. 復合尼龍粉末改性及激光燒結成形工藝試驗研究[J]. 中國機械工程, 2006(S1):239-241.

[8] 閆春澤, 史玉升, 楊勁松, 等. 尼龍12/銅復合粉末材料及其選擇性激光燒結成形[J]. 材料工程, 2007(12):48-51.

[9] 張堅, 陶磊, 徐志鋒, 等. 尼龍6/銅復合粉末選區(qū)激光燒結制件翹曲研究[J]. 新技術新工藝, 2010(5):72-74.

[10] Zhou W, Wang X, Hu J, et al. Melting process and mechanics on laser sintering of single layer polyamide 6 powder[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2013, 69(1-4):901-908.

[11] 胡江波, 武帥, 張俊, 等. PA6粉末選區(qū)激光燒結多層應力分析[J]. 機械研究與應用, 2014, 27(3):23-25.

[12] 王國全, 王秀芬. 聚合物改性[M]. 北京：中國輕工業(yè)出版社, 2000.

責任編輯 鄭練

張 俊，王 翔，賈亞龍

(中國科學技術大學 精密機械及精密儀器系，安徽 合肥 230027)

在選區(qū)激光燒結過程中，激光掃描帶來的不均勻溫度場和尼龍6粉末在燒結過程中產(chǎn)生較大的熱收縮，使得燒結件產(chǎn)生翹曲變形。通過添加硅灰石粉末對尼龍6聚合物粉末進行改性，研究含有不同比例硅灰石的PA6/硅灰石的復合材料粉末的燒結狀況，以及不同的激光束掃描方式對燒結樣品翹曲變形的影響。結果表明，添加10%硅灰石的改性尼龍6粉末和合理的分區(qū)域掃描方式，能有效減小燒結過程中產(chǎn)生的翹曲變形，從而為三維結構燒結成型提供了技術基礎。

選區(qū)激光燒結；翹曲變形；尼龍6/硅灰石混合粉末；掃描方式

Experimental Research on Warping Deformation in the Selective Laser Sintering of Polyamid 6 and its Modified Composite

ZHANG Jun, WANG Xiang, JIA Yalong

(Department of Precision Machinery and Precision Instrumentation, University of Science and Technology of China,

Hefei 230027, China)

In the selective laser sintering process, the non-uniform temperature gradient caused by laser scanning and the thermal shrinkage of PA 6 will lead to the warping deformation of the sintering samples. The wollastonite is chosen to realize the blending modification of PA 6. Experiments for the PA6/wollastonite powder of variable proportions have been carried out under different scanning method. The results show that PA6 composite modified by 10% of wollastonite and an optimized subarea scanning can effectively reduce the warping deformation in the sintering process, which lays the technical foundation for three dimensional structure sintering.

selective laser sintering, warping, PA6 composite powder, scan method

張俊(1992-)，男，碩士研究生，主要從事選區(qū)激光燒結成型技術等方面的研究。

2016-04-08

TB 44

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