PS/PET/GF三元復(fù)合材料SLS工藝參數(shù)耦合實驗研究

楊來俠，楊繁榮，陳夢瑤

(西安科技大學(xué)機械工程學(xué)院，西安 710054)

0 前言

選擇性激光燒結(jié)工藝(Selective Laser Sintering，SLS)是快速成型制造技術(shù)中發(fā)展較為成熟的一種加工方法，利用二氧化碳激光器作能量源，層層掃描燒結(jié)粉末材料[1]。SLS工藝具有高度的柔性，能夠突破傳統(tǒng)方法實現(xiàn)復(fù)雜的零件制造，并且是計算機技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)的綜合集成，生產(chǎn)周期短，效率高[2]。PS是常用的一種聚合物粉末材料，易加工，穩(wěn)定性好，但燒結(jié)件內(nèi)部存在很多孔隙，導(dǎo)致強度較差。GF機械強度高、耐熱性強，作為增強纖維改性高分子材料，可以提高燒結(jié)件的尺寸精度和彎曲強度[3]。PET剛性高，韌性好，力學(xué)性能與PS相近，通過添加PET后，拉伸強度和沖擊強度可提高至1倍以上[4]。成型件質(zhì)量的好壞不僅和材料有關(guān)，還和SLS工藝參數(shù)的選取有關(guān)。

本文通過增加GF/PET雙纖維粉末來混雜改性PS，制備出了高性能的復(fù)合材料[5]。通過前期的實驗總結(jié)，不僅材料改性可以提高燒結(jié)件的質(zhì)量，選取合適的工藝參數(shù)也是必要之舉。本次耦合實驗是在前期單因素實驗的基礎(chǔ)上選取合理的參數(shù)值，以尺寸精度和彎曲強度作為衡量指標，研究了各個工藝參數(shù)對燒結(jié)件質(zhì)量的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PS粉，GPPS-5500，平均粒徑120 μm，上海和晟塑膠微粉有限公司；

GF粉，XGFA9200，平均長度75 μm，抗拉強度為2.1～2.3 GPa，廣州富華納米新材料有限公司；

PET粉，XGFT9200，75 μm，山西富宏礦物制品有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

數(shù)顯游標卡尺，MNT-150T，SYNTEK公司；

高速混合機，SHR-10A，潮州龍河塑膠機械有限公司；

分析天平，SF-400，上海卓精電子科技有限公司；

激光快速成型機，SLS300，陜西恒通智能機器有限公司；

多功能靜力學(xué)試驗機，PLD-5kN， LETYR公司；

干燥箱，101-2AB，天津泰斯特儀器有限公司。

1.3 樣品制備

將備好的GF粉末用硅烷偶聯(lián)劑處理好后，用200目的篩子分別將PS、經(jīng)處理的GF以及PET粉末進行過濾，再將粉末材料放置在干燥箱中進行烘干處理，最后按質(zhì)量比為8∶1∶1把PS、PET和GF粉末在高速混合機中攪拌均勻，制備出足量的復(fù)合材料供實驗所用[6]；

基于ISO178:2010《塑料——彎曲性能的測定》，用SLS300設(shè)備燒結(jié)80 mm×10 mm×4 mm的彎曲強度測試件，為了減少因設(shè)備本身造成的誤差，每組工藝參數(shù)下同時燒結(jié)5個試樣件，如圖1所示，共燒結(jié)兩組；

圖1 PS/PET/GF復(fù)合材料彎曲試件Fig.1 Bending specimens of PS/PET/GF composites

采用SLS300激光快速成型設(shè)備在預(yù)熱溫度85 ℃，激光功率25 W，掃描方式設(shè)定為XYSTA[7]等工藝參數(shù)不變條件下，選取分層厚度(0.17、0.21、0.25 mm)、掃描速度(1 300、1 700、2 100 mm/s)、掃描間距(0.21、0.25、0.29 mm)等3因素3水平下成型如表1所示共計27組彎曲試樣件，來進行工藝參數(shù)耦合實驗，依次標記為1，2，…，27。

表1 不同工藝參數(shù)耦合表

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

尺寸測量：尋找每個試樣件x、y和z方向等間距的3個點，用數(shù)顯游標卡尺進行測量，求出平均值作為每個方向上的實際尺寸，并且通過式(1)計算出每個方向的尺寸誤差；

(1)

式中ζ——尺寸相對誤差， %

A0——標準尺寸，mm

A1——實際尺寸，mm

密度測試：用天平測量每組燒結(jié)試樣的質(zhì)量，取其5個試樣的平均值作為該組試樣的實際質(zhì)量，代入式(2)～(3)計算其密度ρ；

(2)

V=L×B×H

(3)

式中ρ——試件密度，g/cm3

M——試件質(zhì)量，g

V——試件體積，mm

L——試件長度，mm

B——試件寬度，mm

彎曲強度測試：按GB/T 9341—2008在靜力學(xué)試驗機上進行3點彎曲試驗，得到最大彎曲力，根據(jù)式(4)計算出強度值，取各組5個制件的平均強度值作為實際強度值；試驗速率為5 mm/min，實驗環(huán)境溫度23 ℃，相對濕度55 %。

(4)

式中σ——彎曲強度，MPa

F——制件所能承受的最大彎曲力，N

S——支撐跨距取64 mm

B——制件中心位置寬度平均值，mm

h——制件中心位置厚度平均值，mm

2 結(jié)果與討論

在前期進行基礎(chǔ)性實驗的過程當中，得出在掃描速度為1 300～2 100 mm/s時，試樣件x向尺寸精度變化范圍為-1.16 %～-1.85 %，y向尺寸精度變化范圍為-1.67 %～-3.78 %，z向尺寸精度變化范圍為5.75 %～13.46 %。在掃描間距為0.21～0.29 mm時，x向尺寸精度變化范圍為-1.31 %～-1.52 %，y向尺寸精度變化范圍為-1.86 %～-2.18 %，z向尺寸精度變化范圍為6.26 %～7.52 %。在分層厚度為0.17～0.25 mm時，x向尺寸精度變化范圍為-1.32 %～-2.03 %，y向尺寸精度變化范圍為-1.52 %～-4.16 %，z向尺寸精度變化范圍為0.88 %～18.4 %。發(fā)現(xiàn)在掃描間距變化的過程當中，x、y和z向尺寸精度變化范圍相對于掃描速度和分層厚度變化時較小，而彎曲強度受3個因素的影響較大。因此在后期尺寸精度和密度的研究過程當中，將掃描速度和分層厚度2個工藝因素作為主要的研究目標，而在研究彎曲強度時，掃描速度、分層厚度和掃描間距3個工藝因素均需研究。

2.1 工藝參數(shù)耦合與制件精度關(guān)系

工藝參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，改變其中一個都會影響PS/PET/GF三元復(fù)合材料燒結(jié)件的質(zhì)量，因此需要根據(jù)各個參數(shù)之間的關(guān)系進行調(diào)整，使其配合而獲得質(zhì)量良好的制件。工藝參數(shù)耦合分析是對2種或者2種以上工藝參數(shù)相互作用、彼此影響產(chǎn)生結(jié)果的分析。通過工藝參數(shù)耦合實驗，對27組數(shù)據(jù)進行分析總結(jié)，研究工藝參數(shù)耦合對燒結(jié)件質(zhì)量的影響[8]。

2.1.1x方向精度分析

選取掃描速度和分層厚度耦合情況下的9組PS/PET/GF復(fù)合材料彎曲試樣件，測得x方向尺寸長度，并計算出尺寸相對誤差，如表2所示，圖2為尺寸相對誤差的變化圖。

表2 x方向尺寸相對誤差

圖2 x方向尺寸相對誤差變化Fig.2 Change in x direction dimension relative error

由圖可知，X方向尺寸相對誤差均為負值且變化不大。主要因為基體材料PS接收到激光能量會發(fā)生相變收縮，但材料的收縮率較小，膨脹系數(shù)大，溫度變化還對收縮率有一定影響，受熱不均勻會產(chǎn)生溫致收縮[9]。另一方面是因為鋪粉輥子沿x方向運動，鋪粉過程會對x方向成型有誤差補償，因此燒結(jié)件的x方向尺寸相對誤差較小。

為了便于分析，以工藝參數(shù)耦合圖中黃色及綠色區(qū)域的分界線作為熔融區(qū)和微熔區(qū)的分界線[10]。熔融區(qū)內(nèi)，分層厚度和掃描速度的不斷增大會使x向尺寸精度越來越好，借助激光能量密度公式E=k·(P/vh)分析，PS/PET/GF復(fù)合材料粉末在此區(qū)域內(nèi)接收到的能量較高，最高時粉末會出現(xiàn)汽化分解現(xiàn)象，使x向精度較差。而隨著參數(shù)逐漸增大，粉末會互相粘結(jié)形成燒結(jié)頸，并且隨粉末材料物質(zhì)的流動遷移。而固體向孔隙位置的遷移會導(dǎo)致孔隙中的氣體向外運動，造成孔隙收縮，因而燒結(jié)件更加致密化，尺寸更為精確。在微熔區(qū)，掃描速度和分層厚度較大，燒結(jié)件尺寸相對誤差大于熔融區(qū)尺寸誤差，主要因為PS/PET/GF復(fù)合材料粉末接收到的能量有限，只能達到表面微熔，掉粉現(xiàn)象嚴重導(dǎo)致誤差增加，精度變差。

從單一變量角度出發(fā)，在熔融區(qū)內(nèi)，當掃描速度增大時，復(fù)合粉末為了獲取更多的能量就需要降低分層厚度[11]；同理，當分層厚度增大時，掃描速度就需減小，其中尺寸誤差主要來源于PS/PET/GF復(fù)合材料粉末受激光掃描照射時產(chǎn)生的收縮變形。

2.1.2y方向精度分析

對上述掃描速度和分層厚度耦合情況下的9組PS/PET/GF三元復(fù)合材料彎曲試件進行y方向尺寸相對誤差的分析總結(jié)，如表3、圖3所示。

表3 y方向尺寸相對誤差

圖3 y方向尺寸相對誤差變化Fig.3 Change in y direction dimension relative error

由圖3可知，試樣件寬度y方向的尺寸相對誤差全為負值。主要原因是粉末發(fā)生相變引起熔固收縮以及溫差引起收縮，與長度x方向尺寸相對誤差產(chǎn)生原因類似。x、y方向尺寸變化規(guī)律一致，但y方向尺寸相對誤差變化范圍較大，主要因為無尺寸補償，因此x方向精度高于y方向。

y方向尺寸相對誤差和x方向在工藝參數(shù)耦合下變化規(guī)律一致。在熔融區(qū)中，掃描速度和分層厚度相互牽制，這種條件下才能使y方向精度較高[12]。此區(qū)域內(nèi)粉末經(jīng)激光掃描燒結(jié)后充分熔融，密度增大，體積縮小，發(fā)生復(fù)合材料收縮現(xiàn)象。而在微熔區(qū)，掃描速度和分層厚度都比較大，復(fù)合材料接收到的能量不足以使其完全熔融，粉末表面微熔粘連，燒結(jié)件內(nèi)部空隙較大，燒結(jié)完成后粘結(jié)不牢的粉末會被清除掉。因此，y方向尺寸相對誤差變化較大。

2.1.3z方向精度分析

圖4 z方向尺寸相對誤差變化Fig.4 Change in z direction dimension relative error

對相同耦合情況下的PS/PET/GF復(fù)合材料彎曲試樣件，分析研究高度z方向的尺寸相對誤差及變化圖，如表4、圖4所示。由圖4可知，高度z向尺寸相對誤差不同于x、y方向，其中不僅有PS/PET/GF復(fù)合材料粉末因自身相變引起的熔固收縮，而且有因次級燒結(jié)引起的層數(shù)增多現(xiàn)象[13]。因為SLS工藝采用分層制造疊加原理，激光掃描過的區(qū)域溫度較高，熱能會由輻射或?qū)α鞯姆绞綌U散到空氣中，但在粉末中間及底部的熱量大多只能將熱傳導(dǎo)到周圍粉末中。在激光不斷掃描燒結(jié)中，這部分粉末不斷吸收能量，導(dǎo)致溫度持續(xù)上升，粉末顆粒之間粘連甚至結(jié)塊，最終致使z方向尺寸增大。

表4 z方向尺寸相對誤差

熔融區(qū)z向尺寸相對誤差最大，即精度最差。正是因為次級燒結(jié)的出現(xiàn)，造成z向尺寸出現(xiàn)正偏差。在此區(qū)域隨著工藝參數(shù)的增大，激光能量密度減小，次燒結(jié)現(xiàn)象變?nèi)酰叽缦鄬φ`差就越小。而在微熔區(qū)，掃描速度和分層厚度都比較大，激光能量密度較小，復(fù)合材料粉末微熔黏結(jié)，在后期清粉過程就會損失掉一部分，造成尺寸精度出現(xiàn)負偏差。并且隨著工藝參數(shù)增大，激光能量密度不足，尺寸相對誤差會越來越大。

2.2 工藝參數(shù)耦合與制件密度關(guān)系

密度越大說明成型件內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)排列得越緊密，制件在成型過程中接收到的熱量就越均勻。粉末的流動性高，因此燒結(jié)件翹曲變形現(xiàn)象就會減小，表面粗糙度也會降低，力學(xué)性能也有較大提高。通過探究不同工藝參數(shù)耦合對成型件密度的影響規(guī)律，能夠為研究燒結(jié)件的彎曲強度提供依據(jù)。如表5所示為在掃描速度和分層厚度耦合作用下的9組PS/PET/GF復(fù)合材料彎曲試件的密度，對應(yīng)的密度變化圖如圖5所示。

表5 不同工藝參數(shù)耦合密度表

圖5 分層厚度與掃描速度耦合下密度變化Fig.5 Density change under the coupling of thickness of layer and scanning velocity

由圖可知，在熔融區(qū)PS/PET/GF復(fù)合材料燒結(jié)件的密度大于微熔區(qū)燒結(jié)件密度。因為在熔融區(qū)域內(nèi)，掃描速度與分層厚度都較小，粉末接收到的激光能量密度較大，可使粉末充分熔融，形成大的燒結(jié)頸，孔隙逐漸減小，制件內(nèi)部更加密實，密度更大[14]。觀察單一變量，在同一分層厚度下，掃描速度越小，PS/PET/GF復(fù)合材料燒結(jié)件的密度越高；在掃描速度相同的條件下，分層厚度越小，燒結(jié)件的密度越高。而在微熔區(qū)，激光能量不足使得PS/PET/GF復(fù)合材料粉末只能依靠部分粉末表面微熔來互相粘結(jié)，導(dǎo)致燒結(jié)件內(nèi)部孔隙較大，密度小于熔融區(qū)的燒結(jié)件密度。

2.3 工藝參數(shù)耦合與制件強度關(guān)系

對表1中27組工藝參數(shù)耦合實驗的PS/PET/GF三元復(fù)合材料制件彎曲強度進行測算，表6為彎曲強度測算結(jié)果。

如圖6所示為掃描速度與掃描間距耦合情況下燒結(jié)件彎曲強度的變化圖，可以觀察到熔融區(qū)域的掃描速度與掃描間距都相對處于較小狀態(tài)，分界線呈隨著掃描速度的增大，掃描間距減小的趨勢。熔融區(qū)域的粉末接收到的能量比較充足，粉末充分熔融形成更大的燒結(jié)頸，密度增大，強度較高。在微熔區(qū)域，隨著掃描速度與掃面間距的增大，燒結(jié)件的彎曲強度呈遞減狀態(tài)，這是由于受到激光能量的限制，粉末表面微熔粘結(jié)，層與層之間粘結(jié)不牢，造成PS/PET/GF復(fù)合材料燒結(jié)件內(nèi)部空隙大，致密度較小，彎曲強度受到影響。

表6 彎曲強度結(jié)果

圖6 掃描速度與掃描間距耦合下彎曲強度變化Fig.6 Change of bending strength under the coupling of scanning velocity and scanning spacing

圖7 掃描速度與分層厚度耦合下彎曲強度變化Fig.7 Change of bending strength under the coupling of scanning velocity and thickness of slice

如圖7所示為掃描速度與分層厚度耦合情況下對彎曲強度的影響圖，結(jié)合此耦合情況下z向尺寸誤差圖4和密度圖5分析，在熔融區(qū)內(nèi)，彎曲強度較高，密度較大，z向尺寸誤差也最大，尺寸精度和彎曲強度呈現(xiàn)此消彼長的變化規(guī)律。這是因為在熔融區(qū)，激光能量密度大，粉末完全熔融，致密化程度高，導(dǎo)致彎曲強度大。但是能量的累積會使成型件底層的粉末也發(fā)生熔融粘結(jié)，出現(xiàn)次級燒結(jié)現(xiàn)象，造成z向尺寸增大。隨著掃描速度和分層厚度的增大，復(fù)合粉末接收到的激光能量逐漸減小，粉末由熔融態(tài)變?yōu)槲⑷蹱顟B(tài)，密度逐漸減小，彎曲強度值減小。能量密度減小的同時次級燒結(jié)現(xiàn)象也會慢慢消失，PS/PET/GF三元復(fù)合材料燒結(jié)件z向尺寸誤差也會相應(yīng)得減小。因此在尺寸精度與彎曲強度的研究中，兩者相互制約，需找到合適的工藝參數(shù)，能夠在保證所需強度的條件下盡可能地降低尺寸誤差。

如圖8所示為分層厚度與掃描間距耦合對彎曲強度的影響，掃描間距不變時，分層厚度越小，PS/PET/GF三元復(fù)合材料彎曲試件的彎曲強度就越大；當分層厚度不變時，彎曲強度隨掃描間距的減小而增大。

圖8 分層厚度與掃描間距耦合下彎曲強度變化Fig.8 Change of bending strength under the coupling of thickness of slice and spacing of scanning

與上述原因相同，PS/PET/GF復(fù)合材料對激光能量的吸收決定了彎曲試件的密度，從而決定彎曲強度。當掃描間距與分層厚度都較小時，因激光能量密度較大[15]，PS/PET/GF復(fù)合粉末充分熔融，致密化程度較高，造成彎曲強度較高。在掃描間距與分層厚度逐漸增大的過程中，激光掃描照射復(fù)合粉末的深度變大，掃描粉末的間距增大，致使復(fù)合粉末不能吸收足夠的能量，粉末只會微熔粘結(jié)，制件的內(nèi)部空隙較大，彎曲強度降低。

3 結(jié)論

(1)針對PS/PET/GF三元復(fù)合材料SLS燒結(jié)，其工藝參數(shù)可大致分為2個區(qū)域：熔融區(qū)與微熔區(qū)；根據(jù)激光能量密度的大小，熔融區(qū)與微熔區(qū)燒結(jié)件的尺寸精度和彎曲強度受工藝參數(shù)的變化影響較大；

(2)PS/PET/GF三元復(fù)合材料燒結(jié)件的水平方向，即x、y方向尺寸精度呈現(xiàn)負偏差，主要因為材料相變收縮和溫致收縮；而豎直方向，即z向尺寸精度主要呈現(xiàn)正偏差，主要因為次燒結(jié)現(xiàn)象；

(3)燒結(jié)件尺寸精度和彎曲強度呈此消彼長的變化規(guī)律，熔融區(qū)成型件的尺寸精度誤差和彎曲強度均大于微熔區(qū)，需要設(shè)計正交實驗，利用方差分析法對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，提高燒結(jié)件質(zhì)量。