精鑄蠟粉激光燒結(jié)成型工藝試驗(yàn)研究

王建宏，夏建強(qiáng)，張國偉，白培康，程 軍

（中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030051）

快速成型技術(shù)（RPT）的基本原理是材料累加法，因此成型材料在RPT中有舉足輕重的地位。選擇性激光燒結(jié)（Selected Laser Sintering簡稱SLS）成型的基本原理是從零件的CAD模型出發(fā)，將其“切”成設(shè)定厚度的一系列片層（這些片層按順序累加起來仍是所設(shè)計零件的形狀）。然后，將上述每一片層的形狀數(shù)據(jù)輸入成型機(jī)中，據(jù)此信息，激光束作用于在選定區(qū)域上的粉末，燒結(jié)出當(dāng)前層，并同時連接到前一層，最終堆積成實(shí)體。

將RPT與精密鑄造相結(jié)合，能將模型快速有效地轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘倭慵Ｋ粌H將過去小批量、難設(shè)計、周期長、費(fèi)用高的鑄件生產(chǎn)得以實(shí)施，而且將傳統(tǒng)的分散化、多工序的鑄造工藝集成化、自動化和簡單化。

為了通過RPT得到高質(zhì)量的熔模，成型材料應(yīng)具有良好的性能。與目前比較普遍使用的成型材料PS粉相比，由中北大學(xué)鑄造中心自主開發(fā)的精鑄蠟粉具有良好的力學(xué)性能和工藝性能，其熔模鑄造適應(yīng)性好、熔模燒失的時間短、熔模不變形且燒失后無任何殘留物，鑄件表面質(zhì)量較好。并且由于精鑄蠟粉有較低的熔點(diǎn)（一般在85℃～95℃），在熔模鑄造中可以直接用蒸汽脫蠟，因此降低了工藝要求，減少了環(huán)境污染。

1 精鑄蠟粉研制

為了制得高質(zhì)量的熔模，成型所用精鑄蠟粉必須具有良好的熱物理性能、力學(xué)性能和工藝性能。經(jīng)過長期的試驗(yàn)研究，開發(fā)出成型性能優(yōu)良，對精密鑄造適應(yīng)性好的精鑄蠟粉，其主要制備工藝如下：

1）基料合成

利用化學(xué)合成法制備低相對分子量蠟粉。將得到的產(chǎn)品添加表面活性劑和脫模劑。表面活性劑為陰離子性表面活性劑，如磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉等。

2）改性

將表面處理后的產(chǎn)品中添加各種輔料，主要包括：光吸收劑，增強(qiáng)粉末對激光的吸收；防靜電劑，減少粉末靜電吸附；降黏劑，提高粉末流動性；增強(qiáng)增韌劑，提高成型件的強(qiáng)度和韌性；有機(jī)和無機(jī)填料，減小燒結(jié)過程中的收縮變形。

3）混勻

將粉料放入高速行星式混合機(jī)中混合攪拌（轉(zhuǎn)速為1000r/min-1200r/min），使粉末均勻流動，促進(jìn)表面改性。

4）機(jī)械篩分

對上述合成粉料放在旋振篩中進(jìn)行機(jī)械篩分，得到合適粒度的精鑄蠟粉（PCP1），如圖1所示。

其主要性能如表1。

圖1 精鑄蠟粉

表1 PCP1主要性能指標(biāo)

2 燒結(jié)成型工藝實(shí)驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用設(shè)備為中北大學(xué)自行研制的點(diǎn)掃描成型機(jī)。

點(diǎn)掃描快速成型機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下：

1）最大成型尺寸：450mm×450mm；

2）激光輸出：30wSynrad CO2；

3）激光束最大掃描速度：2500mm/s；

4）輸入文件格式：STL；

5）成型機(jī)體積：1.8 m×1.2 m×1.9 m.

2.2 正交試驗(yàn)及結(jié)果

在原有實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上得出激光功率、激光掃描速度、鋪粉厚度、預(yù)熱溫度是影響激光燒結(jié)成型性能的主要因素。根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在一定的鋪粉條件下，燒結(jié)成型性能的影響因素可以用如下公式表達(dá)：

式中：ds——燒結(jié)成型性能；

p——激光功率，W；

v1——激光掃描速度，mm·s-1；

t——鋪粉厚度，mm；s為預(yù)熱溫度，℃.

正交試驗(yàn)設(shè)計以上述四個主要成型工藝參數(shù)作為試驗(yàn)因子，根據(jù)試驗(yàn)要求結(jié)合試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，選取了四因素三水平的正交表，即L9（34）。因素水平表如表2所示。

表2 因素水平表

通過正交試驗(yàn)的方差分析方法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，根據(jù)方差分析的計算方法，可得各因素方差平方和排序?yàn)椋?/p>

可見，在影響激光燒結(jié)成型性能的四個因素中，重要性次序?yàn)椋杭す夤β省㈩A(yù)熱溫度、激光掃描速度、鋪粉厚度。由此得到的最佳燒結(jié)工藝條件為A3B1C2D2，即激光功率25 W、預(yù)熱溫度65℃、激光掃描速度 1400mm/s、鋪粉厚度 0.15mm.

采用優(yōu)化工藝條件燒結(jié)，得到合格的燒結(jié)成型件，如圖2所示。

圖2 精鑄蠟粉燒結(jié)成型件

3 后處理工藝

由于SLS成型是通過零件二維平面的燒結(jié)固化，并逐層疊加為三維實(shí)體結(jié)構(gòu)，因此，其層間并非連續(xù)過渡，而是每層之間存在一個很小的臺階，這種現(xiàn)象稱為臺階效應(yīng)。臺階的大小與鋪粉層厚和每層截面積變化情況有關(guān)。臺階效應(yīng)會影響燒結(jié)件的尺寸精度和表面光潔度，消除這種影響只有通過浸蠟后處理工藝來實(shí)現(xiàn)。具體工藝步驟如下：

1）對燒結(jié)蠟件進(jìn)行表面清理，去除表面虛粉；

2）為提高表面光潔度，消除臺階效應(yīng)，需對成型件進(jìn)行浸蠟處理，在熔蠟爐中進(jìn)行兩次處理（高溫和中溫）；

3）用細(xì)砂紙對浸蠟后的蠟件表面打磨處理；

4）用稀釋液擦拭蠟件表面，降低表面粗糙度；

5）精鑄蠟?zāi)＝Y(jié)合精鑄工藝得到合格的精鑄件，如圖3所示。

圖3 熔模及其精鑄件

4 結(jié) 論

1）實(shí)驗(yàn)證明自主開發(fā)的精鑄蠟粉具有良好的燒結(jié)性能，有變形小，強(qiáng)度高，鋪粉性能優(yōu)良等特點(diǎn)；

2）通過正交實(shí)驗(yàn)方法，得到最佳燒結(jié)成型工藝參數(shù)；

3）燒結(jié)成型件的尺寸精度高于0.2mm，經(jīng)后處理后表面光潔度高，滿足精鑄要求。

［1］梁紅英.選擇性激光燒結(jié)成型技術(shù)在華北工學(xué)院［J］.華北工學(xué)院學(xué)報，2002（3）：193-195.

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［3］趙國平.敏捷鑄造中的快速原型技術(shù).鑄造設(shè)備研究［J］.1999（6）：4-7.

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