選擇性激光燒結后處理工藝技術研究現狀

王 偉，王璞璇，郭艷玲

(東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱 150040)

選擇性激光燒結(Selective Laser Sintering，SLS)技術是一種較成熟的快速原型制造(Rapid prototyping manufacturing，RPM)技術，它利用激光燒結粉末材料實現復雜形狀零件的快速制造，并與傳統工藝方法相結合，實現了快速鑄造和快速模具制造，為傳統制造方法注入新的活力，具有廣闊的應用前景[1-3]。選擇性激光燒結是基于離散和堆積原理的一種造技術，其根據產品的三維模型將其切片為模型輪廓的二維截面信息在計算機控制下層層燒結疊加而成成型件，理論上凡是受熱后能夠粘結的粉末都可以作為SLS燒結的原材料，正是由于SLS加工原理特點，原材料本身的限制以及加工工藝的不完善，使得燒結的成型件孔隙率較高、強度低，無法滿足商業化使用強度等問題，如需用作功能件使用需要通過后處理工藝進一步提高制件的機械性能和熱學性能[4-5]。在SLS整個加工過程中，后處理是必不可少的環節，研究后處理工藝對SLS進一步的發展與推廣起著重要的作用[6]。目前，國內外的后處理工藝的研究基本上已經成熟。本文綜述了SLS所用成型材料如金屬粉末、無機非金屬材料(簡稱高分子材料)、有機高分子材料的后處理工藝和研究現狀及方法，重點研究了SLS新型原材料木塑復合材料成型件后處理方法和性能變化情況。

1 SLS幾種材料成型件的后處理工藝

1.1 SLS金屬粉末材料成型件后處理工藝

目前，金屬粉末的SLS成型方法主要分為直接法和間接法[7]。直接法燒結金屬粉末一般為燒結單一金屬粉末，如Sn、Zn、Pb、Fe，直接燒結高熔點的金屬材料易出現球化現象，往往會產生空洞。目前，主要采用的后處理工藝方法為：①熔滲或浸漬；②熱等靜壓法。熔滲和浸漬都是應用毛細管原理，熔滲是將低熔點金屬或合金滲入到多孔燒結零件的空隙中，而浸漬采用的是液態非金屬物質浸入。熱等靜壓法是通過流體介質將高溫高壓同時作用在零件坯體表面上使零件固結消除內部空隙，來提高零件的密度和強度[8-10]。熱等靜壓后處理可使零件非常致密，但零件的收縮也比較大。美國Austin大學的Haase對鐵粉的選擇性激光燒結進行了試驗研究，燒結的零件經熱等靜壓處理后，相對密度高達90%以上[10]。

間接法燒結覆膜金屬粉，即采用低熔點金屬或有機粉末做粘結劑在激光加熱條件下將金屬粉末(基體材料)粘結起來。間接法成型的坯體(綠件)必須進行后處理去除粘結劑，才能形成致密的金屬功能件。間接法后處理工藝一般分為三步驟：①降解粘結劑；②高溫焙燒(二次燒結)；③熔滲金屬[7，11]。降解聚合物：通過加熱、保溫去除金屬粉粒間起聯結作用的聚合物。二次燒結是在第一步之后，將坯件加熱到更高的溫度，建立新的聯結，在加熱過程中需保持爐內的溫度分布均勻，否則會導致零件的各方向收縮不一致，引起翹曲變形。經高溫燒結后零件內部的孔隙率減少，強度增加，并為其后的金屬熔滲做好準備。熔滲金屬：熔點較低的金屬熔化后，在毛細力或重力的作用下，通過成型件內相互連通的孔隙，填滿成型件內的所有孔隙，使之成為致密的金屬件。

中北大學用間接法燒結覆膜鉬粉金屬零件，對燒結后的坯件進行脫脂預燒結，真空固相高溫燒結與還原氣氛二步燒結實驗。研究表明：固相高溫燒結提供坯件二步燒結的保形性，二步燒結后的制件抗拉強度達到200MPa，延伸率接近4%。再對二步燒結件進行滲銅處理，滲銅件的抗拉強度達到400MPa，延伸率為13%，沖擊功為140J[7]。南京航空航天大學對還原鐵粉和環氧樹脂以及少量的固化劑進行燒結，對燒結件進行二次燒結以及熔滲銅后，得到了致密的鐵銅二元金屬零件，可以作為EDM電極主體[12]。美國Harrisl Marcus等人對60Cu-40PMMA混合粉末成型件進行后處理，得到制件致密度達到84%～96%。可見制件通過后處理工藝，其機械性能得到了顯著提高。

1.2 復合材料成型件后處理工藝

1.2.1 SLS高分子材料及其復合材料

SLS 高分子原材料分為熱塑性和熱固性材料。目前，大多作為SLS粉料的是熱塑性材料。熱塑性塑料粉又可分為晶態和非晶態兩類，使用較多的燒結原材料為非晶態高分子粉料。例如國內的華中科技大學、中北大學、北京隆源自動成型有限公司等SLS技術研究單位開發的HB、PSB、PSC、STP1 等。現在已投入使用的結晶類成型粉料一般是尼龍(Nylon)及共聚尼龍粉料，由于結晶性聚合物的燒結件具有較高的強度和韌性，可以直接作為功能件使用，具有較大的發展潛力。熱固性塑料粉末成型機理是在激光的熱作用下分子間發生交聯反應使粉體顆粒彼此粘接。目前，最常用的熱固性材料是酚醛樹脂和環氧樹脂，但一般不可以單獨使用，可以作為復合材料粉末中粘結劑[13]。

高分子粉末及其復合材料的燒結件根據用途的不同后處理工藝分為兩大類：當其應用于功能測試件時，一般采用滲樹脂處理來提高制件的強度；當其應用于精密鑄造制造金屬零件的消失模時，主要是使用鑄造蠟處理，以提高制件表面光潔度[4]。

1.2.2 滲樹脂后處理工藝

在樹脂涂料中，環氧樹脂具有力學性能好，粘結性能優異，固化收縮率小，穩定性好的優點，浸滲后制件的強度高、變形度小，常被選用為后處理的基體材料。浸滲樹脂的工藝流程如下：①將附著在燒結件表面的粉末清理干凈； ②根據材料的不同，稱量環氧樹脂與稀釋劑以及固化劑，其比例需要通過實驗測得；③以手工涂刷的方式浸滲樹脂； ④涂刷完畢，用吸水紙將制件表面多余的樹脂吸凈，置于室溫下自然晾干，時間在4～6 h，再放置于60°C烘箱中進行固化，時間為5 h；⑤對制件進行打磨、拋光等處理工藝，滿足制件的使用功能要求[14-16]。

中北大學采用尼龍與鋁復合粉末燒結材料，經過浸樹脂后制件平均拉伸強度提高了43.5%[17]。方強等將ABS粉末SLS成型件浸滲環氧樹脂，浸滲后的制件拉伸強度、彎曲強度、彈性模量及沖擊強度都顯著地提高[18]。

1.2.3 滲蠟后處理工藝：

鑄造蠟具有硬度高、線收縮率小、穩定性好、可反復使用、提高制件的表面光潔度的優點。滲蠟工藝流程如下：①清理制件表面的浮粉；②防止制件長時間浸泡于蠟液中變軟變形，根據制件特征合理選擇蠟液溫度和滲蠟時間(見表1)。首先將原型件放入烘箱(設定60 ℃)中30 min，使制件受熱均勻。再將預熱好的原型件放入到一定溫度的蠟池中，等到原型件表面沒有氣泡冒出的時候，再將原型件用托盤提出蠟池。將滲蠟后的制件放在30°C的烘箱中冷卻30～60 min后，再放置到空氣中冷卻；③根據鑄件質量要求，對滲蠟制件進行相應的表面處理[14-16]。

表1 滲蠟溫度與制件特征關系

1.3 SLS陶瓷粉末材料成型件后處理工藝

1.3.1 SLS陶瓷材料

目前，研究的陶瓷材料主要有AL2O3、SiC、Si3N4及其復合材料。一般，國內生產的選擇性激光燒結設備功率比較低，目前，只能用間接成型的方法，將陶瓷粉末與一定量的低熔點粘結劑混合，激光加熱熔化粘結劑將陶瓷粉末顆粒粘結起來，從而制出陶瓷坯體[19-20]。

1.3.2 SLS陶瓷粉末成型件后處理工藝

在SLS陶瓷粉末成坯體后，后處理工藝一般分為3個階段：脫脂降解粘結劑、高溫燒結和熔滲或熱等靜壓燒結。脫脂降解是去除坯體中的粘結劑。高溫燒結是將去除粘結劑后的成型件放在溫控爐中高溫燒結，使得坯體內部的空隙率降低，密度和強度得到提高[21-22]。鄭州大學采用以鋁為粘結劑的AL2O3為燒結材料，討論了高溫無壓燒結和熔浸燒結對制件的影響，結果表明熔浸燒結可使密度達到2.2 g/cm3，抗彎強度達到57.5 MPa，遠遠達到商業使用強度[23]。

熔滲是將陶瓷坯體浸沒在低熔點的液態物質中，或將預滲物質放置于陶瓷坯體上進行加熱，在毛細管力作用下浸滲到坯體內部的孔隙，最終將其完全填充。IN S.L對SLS成型的氧化鋁坯體進行了氧化鋁溶膠、硅膠以及鉻酸的入滲處理研究，研究表明滲硅膠后的強度、致密度比滲鉻酸溶液好，入滲后通過高溫處理可得到高強度、高致密度的成型件。

熱等靜壓燒結是通過氣體介質將高溫和高壓同時作用于陶瓷坯體的表面，消除坯體內部的孔洞，以提高制件的密度和強度。南京航空航天鄧琦琳等人以為AL2O3例，采用熱等靜壓后處理方式，溫度為1 150～1 370 ℃，壓力為70～140 MPa，得到零件的相對密度為96%～99.8%，但工藝比較復雜，設備昂貴，零件收縮很大[24]。上海大學研究了AL2O3與NH4H2PO3的燒結過程，研究得出二次燒結后處理反應生成了ALPO4，它使AL2O3陶瓷零件的強度有了明顯的提高。

2 SLS木塑復合材料成型件后處理工藝

木塑復合材料(WPC)是用塑料和木纖維(或稻殼、麥秸、玉米稈、花生殼等天然纖維)加入少量的化學添加劑和填料，經過專用配混設備加工制成的一種低成本、綠色環保、可降解、可循環使用的成型材料[25]。熱壓成型件已在美國、加拿大、澳大利亞、德國、日本、韓國等國得到廣泛應用。東北林業大學郭艷玲教授等人提出采用木塑復合材料進行SLS快速原型制造[26]，在國內外尚屬首例。燒結成型實驗采用HRPS-Ш激光成型機，目前，已進行了楊木/PES、桉木/PES、稻殼粉/PES的SLS實驗[27-28]。如圖1所示獲得的成型件的力學強度較低，通過打磨、烘干、滲蠟等后處理之后形成的原型件已經可以達到一定的力學性能要求。研究結果表明，滲蠟件的拉伸強度、彎曲強度以及沖擊強度都有顯著地提高(見表2)，成型件表面密實，孔隙率為7%左右，相比于未經后處理的成型件，有了明顯提高[29]。目前，SLS木塑復合材料成型件主要用于模型測試件、工藝品以及消失模，可以用于熔模鑄造，得到金屬精密制件或模具。

圖1 SLS桉木/PES成型件及滲蠟件

表2 三種木塑燒結件的機械性能測試結果

3 結論與展望

與傳統制造方法相比，SLS采用分層燒結思想，能夠實現復雜形狀零件的快速制造，以及SLS后處理工藝相對簡單使其得到快速發展。因為成型材料不同，SLS后處理工藝不同，本文按照材料的分類：金屬粉末、高分子粉末、陶瓷粉末、木塑復合粉末以及復合粉末，論述了SLS成型件后處理工藝方法，得到如下結論：

(1)間接燒結法獲得的金屬材料成型件和陶瓷材料燒結件采用的后處理工藝較相似，高分子粉末與木塑復合粉末的SLS燒結件后處理工藝相同，通過后處理之后的制件密度、強度得到顯著地提高，可以達到使用強度要求，擴展了快速原型技術的使用范圍。

(2)通過后處理工藝，制件在用途上得到了更廣泛的應用。例如：高分子與木塑的SLS成型件在滲蠟后可以應用于模型測試件、工藝品以及精密鑄造制造金屬零件的消失模。

(3)相比較高分子粉末和木塑復合材料，金屬粉末與陶瓷粉末以及他們各自的復合粉末SLS成型件后處理工藝相對復雜，但是與傳統的制造金屬與陶瓷的方法更省時省力。

(4)SLS新型木塑復合材料具有低成本，綠色環保，可降解，可循環使用的優點，但其成型件強度低，經過后處理工藝之后力學性能和制件表面質量顯著提高，使得SLS技術有許多突破。目前，后處理工藝已經發展成熟，但還有待進一步提出新的方法與新的后處理劑，使得SLS技術得到更廣泛的發展。

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