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如何減少PS／PMMA復(fù)合材料選區(qū)激光燒結(jié)成型收縮率？
????????選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)(SLS)是一種應(yīng)用廣泛的增材制造技術(shù)，采用模型離散/材料堆積的原理，按照加工模型有效截面信息，由計(jì)算機(jī)操縱激光束按照特定的掃描路徑，燒結(jié)掃描區(qū)域內(nèi)的粉末，去掉多余粉末即可成型[1]。在SLS成型過(guò)程中，粉末受熱熔化粘結(jié)，溫度下降，材料收縮并固化，燒結(jié)件的精度難以保證，因此控制成型件收縮率十分重要。在零件成型過(guò)程中，選取合理的工藝參數(shù)對(duì)減小成型件收縮率，提高精度起著至關(guān)重要的作用。
????????目前，陶瓷、木塑、聚碳酸酯(PC)、石蠟和金屬等均可應(yīng)用于SLS技術(shù)中。聚苯乙烯(PS)粉具有吸濕率小，粉末流動(dòng)性好等優(yōu)良性能，因此PS粉已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于SLS技術(shù)中，但PS成型件孔隙率高，收縮率大，精度差。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)具有精度高，價(jià)格低，韌性強(qiáng)，抗拉伸等優(yōu)點(diǎn)，且PMMA分子支鏈為短鏈，更好地填充了PS的空隙，減小了成型件的孔隙率。
????????西安科技大學(xué)以PS/PMMA復(fù)合粉末為原料，通過(guò)大量燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，研究影響燒結(jié)件收縮率的因素，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行降噪處理和極差分析，獲得最優(yōu)工藝參數(shù)組合，在最優(yōu)組合下進(jìn)行燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)修正系數(shù)對(duì)模型修正補(bǔ)償精度，減小了零件收縮率。
????????以前期大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為支撐，得到較為合適的工藝參數(shù)組合為：激光功率30 W，XYSTA掃描方式，預(yù)熱溫度100℃，掃描速度2400 mm/s，分層厚度0.25 mm，掃描間距0.30 mm。為了獲取單個(gè)工藝參數(shù)(預(yù)熱溫度、掃描速度、分層厚度、掃描間距)對(duì)PS/PMMA燒結(jié)件收縮率的影響規(guī)律，改變上述組合中的單一工藝參數(shù)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，測(cè)試燒結(jié)件精度計(jì)算收縮率。
????????預(yù)熱溫度對(duì)PS／PMMA燒結(jié)件收縮率的影響
????????SLS成型之前必不可缺的環(huán)節(jié)是對(duì)原料進(jìn)行一定時(shí)間的預(yù)熱。一定時(shí)間的預(yù)熱，工作缸內(nèi)形成了穩(wěn)定均勻的溫度場(chǎng)，避免了激光束直接照射粉末時(shí)，燒結(jié)區(qū)域粉末與周?chē)勰夭钶^大，成型件出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象，同時(shí)減小了熔融所需能量。
????????經(jīng)研究得出，預(yù)熱溫度為94~106℃，隨著溫度的上升，水平方向收縮率整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，平均在2.57%左右。豎直方向的收縮率大幅上升。預(yù)熱溫度為94℃時(shí)，豎直方向收縮率為負(fù)值，此時(shí)預(yù)熱溫度較低，激光掃描區(qū)域粉末與未掃描區(qū)域粉末溫差梯度大，燒結(jié)件出現(xiàn)翹曲，燒結(jié)件實(shí)際尺寸大于理論尺寸。隨著預(yù)熱溫度的不斷升高，層與層之間的溫度梯度逐漸下降，翹曲現(xiàn)象減少，制件精度變好。在103℃時(shí)接近PMMA的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg) 105℃，成型件收縮率明顯上升，說(shuō)明粉末充分熔融。熱塑性材料的預(yù)熱溫度一般略低于Tg，且在97℃時(shí)制件實(shí)際尺寸最接近理論尺寸，因此選取97，100，103℃為正交實(shí)驗(yàn)水平值。
????????掃描速度對(duì)PS／PMMA燒結(jié)件收縮率的影響
????????掃描速度不僅影響激光束在成型材料上掃描照射時(shí)間的長(zhǎng)短，而且影響著成型效率。因此在合適范圍內(nèi)選擇掃描速度。
????????選取的掃描速度范圍為1800~3000 mm/s。經(jīng)研究得出，隨掃描速度的增大，水平方向收縮率先上升后下降。豎直方向收縮率整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在1800~2000 mm/s時(shí)，收縮率為負(fù)值。此時(shí)掃描速度小，激光照射粉末時(shí)間變長(zhǎng)從而粉末接收能量大，次燒結(jié)現(xiàn)象出現(xiàn)，實(shí)際尺寸大于理論尺寸。當(dāng)掃描速度大于3000 mm/s時(shí)，成型效率變快，但激光束照射粉末時(shí)間變短，粉末難以充分熔融，層與層之間粘結(jié)不足，粉末易被清除掉。因此選取2100，2400，2700 mm/s為正交實(shí)驗(yàn)水平值。
????????分層厚度對(duì)PS／PMMA燒結(jié)件收縮率的影響
????????分層厚度體現(xiàn)為模型的切片厚度，即鋪粉厚度。粉末粒徑，成型效率等眾多因素共同確定分層厚度的大小。分層厚度過(guò)小，成型效率太低。分層厚度過(guò)大，“臺(tái)階效應(yīng)”現(xiàn)象明顯，燒結(jié)件精度變差。
????????選取的分層厚度范圍為0.19~0.27 mm。經(jīng)研究得出，隨著分層厚度的增加，水平方向收縮率緩慢上升，且都為正值。豎直方向收縮率明顯上升。分層厚度在0.19~0.21 mm時(shí)，豎直方向收縮率為負(fù)值，這是因?yàn)榉謱雍穸忍?，激光在粉末上穿透性?qiáng)，掃描區(qū)域底部的粉末也被熔融粘結(jié)在制件上，導(dǎo)致燒結(jié)件的實(shí)際尺寸變大。分層厚度的逐步增加，激光的穿透性變?nèi)酰^(guò)燒結(jié)現(xiàn)象逐漸消失，燒結(jié)件精度提高。兼顧燒結(jié)件質(zhì)量與成型效率，選取0.23，0.25，0.27mm為正交實(shí)驗(yàn)水平值。
????????掃描間距對(duì)PS／PMMA燒結(jié)件收縮率的影響
????????掃描間距是指相鄰兩條的激光束掃描線之間的垂直距離。掃描間距的取值一般與激光直徑有關(guān)。
????????選取的掃描間距范圍為0.24~0.32 mm。經(jīng)研究得出，掃描間距對(duì)水平方向收縮率影響程度小，數(shù)值在2.5%左右波動(dòng)。隨掃描間距的增大，豎直方向收縮率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。豎直方向收縮率在0.24~0.26 mm為負(fù)值，即實(shí)際尺寸大于理論尺寸。這是因?yàn)閽呙栝g距過(guò)小時(shí)，相鄰激光束多次照射重疊區(qū)域，此區(qū)域的能量過(guò)高，部分能量向下延伸，形成過(guò)燒結(jié)現(xiàn)象，燒結(jié)件底部粘結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重，燒結(jié)件尺寸變大，精度變差。掃描間距過(guò)大時(shí)，未接收到能量的區(qū)域變大，部分粉末處于未熔狀態(tài)，容易被清粉時(shí)清掉。綜合考慮選取0.26,0.28，0.30 mm為正交實(shí)驗(yàn)水平值。
????????經(jīng)測(cè)量計(jì)算，修正后的燒結(jié)件的水平方向收縮率為0.947%。豎直方向收縮率為1.015%。發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)件無(wú)翹曲，卷邊，錯(cuò)層等缺陷，燒結(jié)件質(zhì)量良好，為后續(xù)的研究奠定基礎(chǔ)。
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????????該研究項(xiàng)目是國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)是2015AA042503
????????該文章出自楊來(lái)俠，桂玉蓮，白祥，等寫(xiě)的 PS/PMMA復(fù)合材料選區(qū)激光燒結(jié)成型收縮率一文。該文發(fā)表在工程塑料應(yīng)用2019年第47卷第4期的48–52轉(zhuǎn)79上
