PS/PET/GF三元復合材料SLS工藝參數(shù)耦合實驗研究

楊來俠，楊繁榮，陳夢瑤

(西安科技大學機械工程學院，西安 710054)

0 前言

選擇性激光燒結工藝(Selective Laser Sintering，SLS)是快速成型制造技術中發(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)復雜的零件制造，并且是計算機技術、數(shù)控技術、激光技術和材料技術的綜合集成，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，但燒結件內部存在很多孔隙，導致強度較差。GF機械強度高、耐熱性強，作為增強纖維改性高分子材料，可以提高燒結件的尺寸精度和彎曲強度[3]。PET剛性高，韌性好，力學性能與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]。成型件質量的好壞不僅和材料有關，還和SLS工藝參數(shù)的選取有關。

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合材料[5]。通過前期的實驗總結，不僅材料改性可以提高燒結件的質量，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)對燒結件質量的影響。

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設備燒結80 mm×10 mm×4 mm的彎曲強度測試件，為了減少因設備本身造成的誤差，每組工藝參數(shù)下同時燒結5個試樣件，如圖1所示，共燒結兩組；

圖1 PS/PET/GF復合材料彎曲試件Fig.1 Bending specimens of PS/PET/GF composites

采用SLS300激光快速成型設備在預熱溫度85 ℃，激光功率25 W，掃描方式設定為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 性能測試與結構表征

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試樣的質量，取其5個試樣的平均值作為該組試樣的實際質量，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 結果與討論

在前期進行基礎性實驗的過程當中，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)耦合與制件精度關系

工藝參數(shù)相互關聯(lián)，改變其中一個都會影響PS/PET/GF三元復合材料燒結件的質量，因此需要根據(jù)各個參數(shù)之間的關系進行調整，使其配合而獲得質量良好的制件。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，研究工藝參數(shù)耦合對燒結件質量的影響[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，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復合材料粉末在此區(qū)域內接收到的能量較高，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，粉末會互相粘結形成燒結頸，并且隨粉末材料物質的流動遷移。而固體向孔隙位置的遷移會導致孔隙中的氣體向外運動，造成孔隙收縮，因而燒結件更加致密化，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，當掃描速度增大時，復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三元復合材料彎曲試件進行y方向尺寸相對誤差的分析總結，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)域內粉末經(jīng)激光掃描燒結后充分熔融，密度增大，體積縮小，發(fā)生復合材料收縮現(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，燒結件內部空隙較大，燒結完成后粘結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，熱能會由輻射或對流的方式擴散到空氣中，但在粉末中間及底部的熱量大多只能將熱傳導到周圍粉末中。在激光不斷掃描燒結中，這部分粉末不斷吸收能量，導致溫度持續(xù)上升，粉末顆粒之間粘連甚至結塊，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，次燒結現(xiàn)象變弱，尺寸相對誤差就越小。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，復合材料粉末微熔黏結，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)耦合與制件密度關系

密度越大說明成型件內部分子結構排列得越緊密，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，因此燒結件翹曲變形現(xiàn)象就會減小，表面粗糙度也會降低，力學性能也有較大提高。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復合材料彎曲試件的密度，對應的密度變化圖如圖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復合材料燒結件的密度大于微熔區(qū)燒結件密度。因為在熔融區(qū)域內，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，形成大的燒結頸，孔隙逐漸減小，制件內部更加密實，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復合材料燒結件的密度越高；在掃描速度相同的條件下，分層厚度越小，燒結件的密度越高。而在微熔區(qū)，激光能量不足使得PS/PET/GF復合材料粉末只能依靠部分粉末表面微熔來互相粘結，導致燒結件內部孔隙較大，密度小于熔融區(qū)的燒結件密度。

2.3 工藝參數(shù)耦合與制件強度關系

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

如圖6所示為掃描速度與掃描間距耦合情況下燒結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，層與層之間粘結不牢，造成PS/PET/GF復合材料燒結件內部空隙大，致密度較小，彎曲強度受到影響。

表6 彎曲強度結果

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，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，出現(xiàn)次級燒結現(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現(xiàn)象也會慢慢消失，PS/PET/GF三元復合材料燒結件z向尺寸誤差也會相應得減小。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，激光掃描照射復合粉末的深度變大，掃描粉末的間距增大，致使復合粉末不能吸收足夠的能量，粉末只會微熔粘結，制件的內部空隙較大，彎曲強度降低。

3 結論

(1)針對PS/PET/GF三元復合材料SLS燒結，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三元復合材料燒結件的水平方向，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，主要因為次燒結現(xiàn)象；

(3)燒結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，提高燒結件質量。