劉 凱,付 婷,曾良才,王海均

(1. 武漢科技大學(xué)機(jī)械自動化學(xué)院,湖北 武漢,430081; 2. 武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢,430074)

選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering,SLS)已成為3D打印的主流技術(shù),在燒結(jié)過程中,激光功率、掃描間距、掃描速率、預(yù)熱溫度和打印層厚等工藝參數(shù)會影響成形件的尺寸精度和力學(xué)性能[1-3],所以工藝參數(shù)的合理設(shè)置至關(guān)重要。3D打印的常見基體材料有聚酰胺(PA,又稱尼龍)、聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PU)、聚丙烯(PP)等高分子聚合物,不同基體材料的成形工藝參數(shù)優(yōu)化是相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。薄夫祥等[4]采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)法(DOE)得到PS 粉末的SLS最優(yōu)工藝參數(shù)及各參數(shù)的影響重要度。宋娟等[5]針對PS粉末SLS成形件強(qiáng)度較低的問題,采用機(jī)械混合法制備PS/苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)/納米CaCO3復(fù)合粉末,通過單因素試驗(yàn)分析了SLS 工藝參數(shù)對成形件彎曲強(qiáng)度的影響。張紅兵等[6]對PS/GF復(fù)合粉末SLS成形件的彎曲強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究,采用正交試驗(yàn)和方差分析法優(yōu)化分層厚度、掃描間距和掃描速度等工藝參數(shù)。楊來俠等[7]對PS/PET/GF復(fù)合粉末進(jìn)行SLS工藝參數(shù)優(yōu)化,得到了分層厚度、掃描間距和掃描速度的最優(yōu)組合。鄢然等[8]采用響應(yīng)面法優(yōu)化PS粉末SLS成形工藝參數(shù),考察激光功率、掃描間距、單層厚度、掃描速度以及它們的交互作用對成形精度的影響。羅兵等[9]研究了激光功率對選擇性激光燒結(jié)PA12的密度和絕緣性能的影響。師平等[10]、李曉茸等[11]研究了激光功率、掃描速度、分層厚度和預(yù)熱溫度對PA6成形件拉伸性能的影響規(guī)律。朱飛等[12]分析了粉末老化對PA2200選擇性激光燒結(jié)成形件拉伸性能的影響。

PA2200材料因其熔融黏度低、熱性能好以及機(jī)械性能優(yōu)良等特性,常應(yīng)用于高強(qiáng)度零件、承重零部件等,是SLS的典型成形材料,也是采用SLS技術(shù)打印功能件的最優(yōu)材料之一,但目前對PA2200粉末SLS工藝參數(shù)優(yōu)化的研究相對不足,評價指標(biāo)缺少依據(jù)?；诖?本文以PA2200粉末為研究對象進(jìn)行激光燒結(jié)試驗(yàn),探討激光功率、掃描間距和掃描速率對成形件尺寸精度及彈性模量的影響,利用全面試驗(yàn)設(shè)計(jì)法得出最優(yōu)的工藝參數(shù)組合,以期為PA2200材料SLS工藝參數(shù)的選擇提供依據(jù)并為聚酰胺復(fù)合新材料的開發(fā)提供參考。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)材料選用平均粒徑為60 μm 的PA2200粉末,購自德國易歐司光電技術(shù)有限公司(EOS),其外觀呈白色粉末狀,試驗(yàn)中新粉和回用粉末的混合比例為1∶1。試驗(yàn)設(shè)備為EOS P396選擇性激光燒結(jié)快速成形機(jī)。根據(jù)《塑料拉伸性能的測定》(GB/T 1040—2006),采用標(biāo)準(zhǔn)型1B型試樣,如圖1所示。

圖1 試樣結(jié)構(gòu)及尺寸(單位:mm)

激光燒結(jié)快速成形工藝參數(shù):預(yù)熱溫度168 ℃,打印層厚0.12 mm,激光功率選擇30、40、50 W3個等級,掃描間距選擇0.3、0.4、0.5、0.6 mm4個等級,掃描速率選擇3000、4000、5000 mm/s3個等級。針對激光功率、掃描間距和掃描速率的優(yōu)化,采用全面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,因此一共有3×4×3=36組參數(shù)配置,每組打印5個樣件。

尺寸精度測試:采用數(shù)顯游標(biāo)卡尺對成形件的總長(L=150 mm)、端部寬度(W=20 mm)和厚度(d=4 mm)進(jìn)行測量,每組試驗(yàn)的5個試樣取平均值,通過相對偏差φ來評價成形件的尺寸精度,如下式:

(1)

式中:A和A0分別為成形件的實(shí)際尺寸和理論尺寸,mm。

彈性模量測試:在電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上對每組試驗(yàn)的5個成形件分別進(jìn)行彈性模量測試,結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 激光功率對成形件尺寸精度和彈性模量的影響

激光功率影響粉末吸收能量的多少。一般來說,激光功率較小時,粉末吸收能量不足,成形件比較松散、致密性較差,導(dǎo)致其尺寸偏差較大、力學(xué)性能差;激光功率增加時,粉末吸收能量增加,成形件致密性提高、尺寸偏差減小,但是過高的激光功率容易導(dǎo)致成形件發(fā)黃、發(fā)硬,加工成本也比較高。

1)激光功率對成形件尺寸精度的影響

圖2所示為掃描間距和掃描速率一定的條件下,激光功率的變化對PA2200粉末成形件X(總長)、Y(端部寬度)、Z(厚度)3個方向上尺寸精度的影響。

(a)X向尺寸精度

(b)Y向尺寸精度

(c)Z向尺寸精度

從圖2(a)可以看出,X向尺寸相對偏差均為負(fù)值。在12組試件中,當(dāng)激光功率由30 W增至40 W時,6組(占50%)試件的X向尺寸相對偏差向零點(diǎn)趨近;當(dāng)激光功率由40 W增至50 W時,9組(占75%)試件的X向尺寸相對偏差遠(yuǎn)離零點(diǎn)。激光功率40 W是影響X向尺寸精度的一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

從圖2(b)可以看出,Y向尺寸相對偏差有正有負(fù),但負(fù)值較多。當(dāng)激光功率由30 W增至40 W時,8組(占66.7%)試件的Y向尺寸相對偏差向零點(diǎn)趨近;當(dāng)激光功率由40 W增至50 W時,所有試件的Y向尺寸相對偏差均由負(fù)值向零點(diǎn)趨近,其中6組(占50%)試件的Y向尺寸相對偏差繼續(xù)增大而遠(yuǎn)離零點(diǎn)?？梢酝浦?激光功率在40～50 W之間會有一個最佳值。

從圖2(c)可以看出,Z向尺寸相對偏差大多為正值。當(dāng)激光功率由30 W增至40 W時,有10組(占83.3%)試件的Z向尺寸相對偏差向零點(diǎn)趨近;當(dāng)激光功率由40 W增至50 W時,只有3組(占25%)試件的Z向尺寸相對偏差向零點(diǎn)趨近,所以從Z向尺寸精度的角度出發(fā),激光功率的最優(yōu)值在40 W附近。

另外,由圖2可以看出,成形件X、Y向尺寸精度明顯高于Z向尺寸精度,這是因?yàn)樵跓Y(jié)成形過程中鋪粉輥是沿著工作臺面的X向往復(fù)運(yùn)動的,故在X、Y向會產(chǎn)生定向補(bǔ)償收縮。成形件Z向尺寸相對偏差較大,對其精度有明顯影響,這是由于燒結(jié)過程中PA粉末內(nèi)部會不斷累積熱量從而增加燒結(jié)層深度值,使得Z向尺寸偏差波動較大。

綜合分析X、Y和Z向尺寸相對偏差的變化趨勢可知,激光功率在40 W左右時,PA2200粉末吸收能量的效果較好,成形件尺寸精度較高。

2)激光功率對成形件彈性模量的影響

圖3所示為掃描間距和掃描速率一定的條件下,激光功率的變化對PA2200粉末成形件彈性模量的影響。從圖3可知,在12組試件中,當(dāng)激光功率由30 W增至40 W時,9組(占75.0%)試件的彈性模量增大;當(dāng)功率由40 W增至50W時,7組(占58.3%)試件的彈性模量仍在增大;總體上,激光功率在30～40 W之間變化時的彈性模量增幅要高于40～50 W之間的增幅。從彈性模量的增幅來看,轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在40 W附近,此時成形件彈性模量可達(dá)1500 MPa以上,成形件彈性變形較難、剛性強(qiáng),具有較優(yōu)的力學(xué)性能。

圖3 激光功率對試件彈性模量的影響

2.2 掃描間距對成形件尺寸精度和彈性模量的影響

掃描間距是指相鄰兩條激光掃描線中心之間的距離。掃描間距決定了相鄰兩條激光線的重合度即“搭接率”。當(dāng)掃描間距較大時,兩個相鄰激光掃描區(qū)域中間重疊部分較小或者沒有, “搭接率”較低,材料不能較好地熔化并黏接,導(dǎo)致成形件出現(xiàn)“掉粉”、“脫層”、線間強(qiáng)度不夠等現(xiàn)象;當(dāng)掃描間距較小時,兩個相鄰激光掃描區(qū)域中間重疊部分較多, “搭接率”較高,容易產(chǎn)生“過燒結(jié)”、“熱應(yīng)力集中”等缺陷,會對成形質(zhì)量產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。

1)掃描間距對成形件尺寸精度的影響

圖4所示為激光功率和掃描速率一定的條件下,掃描間距的變化對PA2200粉末成形件X、Y、Z方向上尺寸精度的影響。

從圖4(a)可以看出,X向尺寸相對偏差均為負(fù)值。在9組試件中,當(dāng)掃描間距由0.3 mm增至0.4 mm時,7組(占77.8%)試件的X向尺寸相對偏差遠(yuǎn)離零點(diǎn);當(dāng)掃描間距由0.4 mm增至0.5 mm時,7組(占77.8%)試件的X向尺寸相對偏差趨近零點(diǎn);當(dāng)掃描間距由0.5 mm增至0.6 mm時,6組(占66.7%)試件的X向尺寸相對偏差趨近零點(diǎn)?？梢缘贸?當(dāng)掃描間距大于0.4 mm時,試件的X向尺寸相對偏差絕對值總體上隨掃描間距的增大而減小。

從圖4(b)可以看出,Y向尺寸相對偏差有正有負(fù),當(dāng)掃描間距由0.3 mm增至0.4 mm時,5組(占55.6%)試件的Y向尺寸相對偏差趨近零點(diǎn);當(dāng)掃描間距由0.4 mm增大至0.5 mm時,7組(占77.8%)試件的Y向尺寸相對偏差趨近零點(diǎn);當(dāng)掃描間距由0.5 mm增至0.6 mm時,只有1組(占11.1%)試件的Y向尺寸相對偏差趨近零點(diǎn)?？梢缘贸?掃描間距在0.4～0.5 mm之間會有一個最佳值。

從圖4(c)中可以看出,Z向尺寸相對偏差均為正值。當(dāng)掃描間距由0.3 mm增至0.4 mm時,5組(占55.6%)試件的Z向尺寸相對偏差趨近零點(diǎn);當(dāng)掃描間距由0.4 mm增至0.5 mm時,7組(占77.8%)試件的Z向尺寸相對偏差趨近零點(diǎn);當(dāng)掃描間距由0.5 mm增至0.6 mm時,5組(占55.6%)試件的Z向尺寸相對偏差趨近零點(diǎn)。

(a)X向尺寸精度

(b)Y向尺寸精度

(c)Z向尺寸精度

綜合分析X、Y和Z向尺寸相對偏差的變化趨勢可推知,當(dāng)掃描間距在0.4～0.5 mm之間會有一個最佳值。

2)掃描間距對成形件彈性模量的影響

圖5為掃描間距對成形件彈性模量的影響,可以看到,彈性模量隨著掃描間距的增大而減小。對于大部分試件,掃描間距從0.3 mm增至0.4 mm時,彈性模量小幅減小,掃描間距從0.4 mm增至0.6 mm時,彈性模量減小幅度較大。從而得出,掃描間距為0.3～0.4 mm時,成形件的力學(xué)性能較好。

本研究中燒結(jié)設(shè)備激光器直徑為0.5 mm,為了保證相鄰兩條激光掃描線的充分接合,理論上掃描間距應(yīng)該小于0.5 mm。在快速成形工藝中最佳的“搭接率”為20%～35%,所以掃描間距不宜過大。根據(jù)所分析的尺寸精度和力學(xué)性能變化趨勢可知,掃描間距在0.4 mm時,相鄰兩條激光掃描線重合部分比較合理,即“搭接率”較適宜,能量分布均勻,粉末吸收能量效果較好,成形件質(zhì)量較高。

圖5 掃描間距對試件彈性模量的影響

2.3 掃描速率對成形件尺寸精度和彈性模量的影響

掃描速率決定了激光對粉末掃描和加熱的時間,也決定了工件成形的時間。掃描速率較高時,粉末熔融燒結(jié)成形時間不足,成形件的致密性差;掃描速率較低時,粉末熔融燒結(jié)成形致密性好,尺寸精度高,但成形時間長。

1)掃描速率對成形件尺寸精度的影響

圖6所示為不同掃描速率下成形件X、Y、Z3個方向上的尺寸精度。從圖6(a)可以看出,X向尺寸相對偏差均為負(fù)值。當(dāng)掃描速率由3000 mm/s增至4000 mm/s時,8組(占66.7%)試件的X向尺寸相對偏差遠(yuǎn)離零點(diǎn);當(dāng)掃描速率由4000 mm/s增至5000 mm/s時,9組(占75%)試件的X向尺寸相對偏差趨近零點(diǎn)。也就是說,當(dāng)掃描速率增大時,X向尺寸精度先降低后提高,且掃描速率在3000 mm/s或5000 mm/s左右時,X向尺寸誤差較小。

從圖6(b)可以看出,Y向尺寸相對偏差值有正有負(fù)。當(dāng)掃描速率由3000 mm/s增至4000 mm/s時,只有3組(占25%)試件的Y向尺寸相對偏差趨近零點(diǎn);當(dāng)掃描速率由4000 mm/s增至5000 mm/s時,只有4組(占33.3%)試件的Y向尺寸相對偏差趨近零點(diǎn)。所以,當(dāng)掃描速率增大時,Y向尺寸精度逐漸降低,總體上掃描速率為3000～4000 mm/s時Y向尺寸偏差較小。

從圖6(c)可以看出,Z向尺寸相對偏差均為正值。當(dāng)掃描速率由3000 mm/s增至4000 mm/s時,7組(占58.3%)試件的Z向尺寸相對偏差遠(yuǎn)離零點(diǎn);當(dāng)掃描速率由4000 mm/s增至5000 mm/s時,8組(占66.7%)試件的Z向尺寸相對偏差趨向零點(diǎn)。所以,當(dāng)掃描速率增大時,Z向尺寸精度先降低后提高,且掃描速率在3000 mm/s或5000 mm/s左右時,Z向尺寸偏差值較小。

(a)X向尺寸精度

(b)Y向尺寸精度

(c)Z向尺寸精度

根據(jù)圖6結(jié)果可知,與Z向尺寸精度相比,成形件X、Y向的尺寸精度較高且掃描速率對其影響不大。掃描速率對Z向尺寸精度影響較大,這是因?yàn)楫?dāng)掃描速率較低時,粉末燒結(jié)時間增加,粉末由于吸收過多能量而引起“次級燒結(jié)”現(xiàn)象;當(dāng)掃描速率過高時,成形效率提高,但粉末燒結(jié)時間減少,粉末在燒結(jié)過程中由于吸收能量較少而出現(xiàn)“欠燒結(jié)”現(xiàn)象。綜合考慮3個方向的尺寸相對偏差,掃描速率在3000 mm/s左右時成形件的尺寸精度較高。

2)掃描速率對成形件彈性模量的影響

圖7所示為掃描速率對成形件彈性模量的影響?？梢钥吹?彈性模量隨著掃描速率的增大而減小,則最優(yōu)的掃描速率為3000 mm/s,此時粉末吸收能量的時間充足,成形件力學(xué)性能較好。

圖7 掃描速率對成形件彈性模量的影響

根據(jù)本文全面試驗(yàn)方法的研究結(jié)果,綜合考慮成形件的尺寸精度和彈性模量,最優(yōu)工藝參數(shù)組合為激光功率40 W、掃描速率3000 mm/s、掃描間距0.4 mm。

3 燒結(jié)試驗(yàn)對比分析

分別采用最優(yōu)參數(shù)組(激光功率40 W、掃描速率3000 mm/s、掃描間距0.4 mm)和抽取一組非最優(yōu)參數(shù)組(激光功率30 W、掃描速率5000 mm/s、掃描間距0.6 mm)進(jìn)行燒結(jié)試驗(yàn)對比,以GB/T1040—2006中標(biāo)準(zhǔn)型1B型(圖1)為打印模型,利用超景深顯微鏡對成形零件表面微觀形貌進(jìn)行觀察,如圖8所示,發(fā)現(xiàn)最優(yōu)工藝參數(shù)組較非最優(yōu)工藝參數(shù)組的成形件表面熔化更均勻,粉末顆粒之間的黏接效果較好,孔隙較小,致密性較優(yōu)。

(a)非最優(yōu)工藝參數(shù)組 (b)最優(yōu)工藝參數(shù)組

4 結(jié)語

選擇性激光燒結(jié)工藝參數(shù)的設(shè)定直接影響到成形件的尺寸精度和力學(xué)性能。本文采用全面試驗(yàn)方法,研究了激光功率、掃描間距和掃描速率3個因素對PA2200粉末SLS成形件的尺寸精度和彈性模量的影響,得出最優(yōu)工藝參數(shù)組合為:激光功率40 W、掃描速率3000 mm/s、掃描間距0.4 mm。該工藝條件下的成形件尺寸精度為:X向尺寸相對偏差-0.5%、Y向尺寸相對偏差-0.5%、Z向尺寸相對偏差1.2%,成形件的彈性模量為1589.61 MPa,并且材料熔化均勻,粉末顆粒黏接效果較好,零件的致密度較高。本文研究成果可以為PA2000的SLS工藝優(yōu)化以及聚酰胺復(fù)合新材料的開發(fā)提供參考。