聚苯乙烯粉SLS成型件后處理實驗研究

李小城，王鵬程

(1.安徽機電職業技術學院，安徽 蕪湖　241002；　2.內蒙古工業大學，內蒙古 呼和浩特　010051)

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聚苯乙烯粉SLS成型件后處理實驗研究

李小城1，王鵬程2

(1.安徽機電職業技術學院，安徽 蕪湖241002；2.內蒙古工業大學，內蒙古 呼和浩特010051)

摘要：針對激光選區成型件強度和表面質量不高的問題，選用聚苯乙烯粉料為實驗材料，采用激光選區燒結技術燒結成型。分別采用浸蠟和滲樹脂兩種方法對成型件進行后處理，通過拉伸實驗，得到原件和后處理件的力學性能。實驗表明，浸蠟件的拉伸強度達到3.33 MPa，是原件的1.21倍；滲樹脂件的拉伸強度達到27.10 MPa，是原件的9.85倍。并且，兩種后處理件的表面質量和光潔度與原件比有很大的改善，很好地滿足了使用要求。

關鍵詞：激光選區燒結；后處理；拉伸強度；表面質量

激光選區燒結技術是快速成型技術中應用較為廣泛的一種，采用離散/堆積的原理，以激光光束為能量將粉末材料逐層熔融、粘接成型，無需模具、夾具直接根據三維模型燒結成零件實體。[1]可用來成型的材料主要有高分子粉料、陶瓷粉、覆膜樹脂砂、覆膜金屬粉和金屬粉等，且材料利用率高，未燒結的粉料經過篩分后可繼續使用,無需添加支撐，粉狀材料可支撐成型件防止變形。[2]其產品可以制作融模鑄造的“蠟模”、快速模具、功能件等。[3]

高分子成型材料中主要有聚苯乙烯、聚碳酸酯和尼龍等粉末材料。激光選區燒結是無壓敞開燒結，所以燒結件內部結構致密性差、強度低，且由于是層層疊加成型，產品表面易形成臺階效應，表面粗糙。[3-5]所以，SLS高分子成型件一般要經過后處理才能滿足使用要求，針對此種情況，對聚苯乙烯粉料燒結件分別進行滲蠟和滲樹脂后處理，觀察表面質量，測試力學性能，研究其后處理件性能變化。

1實驗

1.1實驗設備和材料。

北京隆源自動成型系統有限公司生產的AFS-320型激光快速自動成型機， CO2激光器，最大功率50W，最大成型尺寸320 mm×320 mm×440mm；深圳市新三思材料檢測有限公司生產的5KN MT型微機控制電子拉力試驗機；北京隆源自動成型系統有限公司生產的PS基高分子粉料。材料基本性能見表1。

表1　PS粉的基本性能[6]

1.2實驗方法和步驟。

1.2.1樣件制備。

設計拉伸樣件，對樣件進行3D建模、切片處理和格式轉化，在快速成型機上燒結成型樣件30個，采用的燒結工藝參數組合為[6]：激光功率22W,預熱溫度為100℃，切片厚度0.15mm，掃描速度1800 mm·s-1。

1.2.2滲樹脂強化處理。[7]

1.2.2.1燒結件清理。成型過程結束后，為了防止燒結件翹曲，不馬上取出，而是讓燒結件在成型缸內與未燒結粉料一起冷卻至室溫取出。然后用毛刷清理未燒結粉末，再用牙刷輕輕清理燒結件表面浮粉，清理過程中注意力度，不要損壞樣件。

1.2.2.2燒結件預熱。為了使燒結件更好地吸收樹脂，清粉處理后，放入40℃干燥箱內預熱30分鐘。

1.2.2.3后處理劑配制。按質量比100:34將環氧樹脂E-1000(A) 與固化劑E-1000(B)混合，混合過程中一邊混合一邊用玻璃棒充分攪拌均勻，得到混合溶液，涂料質量按與燒結件質量4:5配制。

1.2.2.4刷涂樹脂。用毛刷在零件的表面反復將混合溶液均勻地刷涂，使零件完全浸透。刷樹脂時，從零件較厚的一側向較薄處逐漸按次序涂刷，且保證刷涂處充分吸收，防止內部或較薄處樹脂固化影響樹脂的吸收。刷涂完畢，使零件表面無積液，保持潤濕狀態。

1.2.2.5常溫固化及熱固化。刷涂后的零件，在室溫下放置6小時，先進行常溫固化，然后將零件放在干燥箱內恒溫加熱固化，溫度為50℃，熱固化時間8小時，使樹脂完全固化。

1.2.2.6表面處理。用砂紙對樹脂增強后的樣件進行精整和表面拋光，將表面多余的樹脂去掉，使其與實際尺寸接近。

1.2.3浸蠟處理。[8]

1.2.3.1蠟的配制與化蠟。

選用一般工業石蠟與硬脂酸鈣按1：1比例配制使用，熔點范圍為55～60℃。將蠟塊打碎成小塊放入蠟池中加熱融化，將蠟液控制在65～70℃左右，保持蠟良好的流動性。

1.2.3.2燒結件預熱。將成型件放入干燥箱，溫度設定為50℃左右，時間為30分鐘，進行干燥預熱，防止浸蠟操作時燒結件由于溫差造成的開裂。

1.2.3.3浸蠟。將已干燥、預熱好的燒結件放在網狀托盤上緩慢放入溫度設定好的蠟池中。浸蠟過程中成型件會因為浮力的作用而不能完全沒入蠟池，可用玻璃棒小心的按壓、翻滾成型件，保證其浸蠟完全、均勻。浸蠟1～3分鐘后，待成型件表面基本沒有氣泡冒出，將浸好蠟的成型件取出，再將其放入60℃左右的蠟液中二次浸蠟，1分鐘后取出，使燒結件表面附著0.1～0.2mm的蠟膜。

1.2.3.4冷卻及后處理。將浸蠟件取出，保證孔洞、溝槽等向下，便于其中多余的蠟液流出。放置在空氣中或干燥箱中冷卻，待浸蠟件冷卻至室溫，再進行精整處理，去除多余積存的蠟。

1.3拉伸實驗。

在拉力驗機上對SLS燒結件原件和兩種后處理件進行拉伸實驗，每種樣件測試10件，因拉伸過程中考慮人為操作因素，將拉伸結果異常的去除掉，取5個合理結果，計算其平均值。

圖1　浸蠟件拉斷試樣

圖2　滲樹脂件拉斷試樣

2實驗結果及分析

2.1實驗結果。

剔除因操作不當或其他因素引起的異常結果，分別計算原件、浸蠟件和滲樹脂件三種樣件的拉伸結果平均值，實驗結果見表2。

表2　原件及后處理件拉伸結果平均值

2.2結果分析。

2.2.1表2的實驗結果表明，未處理件的力學性能較差，拉伸強度只有2.75 MPa，拉伸伸長率5.09%，燒結原件強度、韌性較差，由于成型狀態是顆粒狀粉料表面熔融粘接，可明顯觀察到原件的表面粗糙、光潔度差。

2.2.2浸蠟件力學性能變化不大，浸蠟處理后斷裂伸長率是5.65%，是原件的1.11倍；拉伸強度是3.33 MPa，是原件的1.21倍。這是因為后處理劑蠟強度和韌性很低，所以浸蠟后性能變化不大。但浸蠟件的表面質量與原件相比有很大改善，光潔度明顯提高，蠟感很強。經第二次60℃蠟液的“低溫”浸蠟，使燒結件表面形成了0.1～0.2mm的蠟膜，可焊接澆冒口系統，如圖3所示。SLS燒結件由于其成型原理是分層疊加的“凈成型”方式，會使高度方向形成階梯狀效應，表面粗糙。SLS浸蠟件主要用來代替熔模鑄造的蠟模，浸蠟的目的是為了改善、修復燒結件的表面缺陷。蠟液可浸透成型件，填補階梯間的空隙，使表面光潔，從而提高鑄件的表面質量和焊接性能。

圖3　焊接澆冒口的浸蠟燒結件

2.2.3滲樹脂件的拉伸強度和拉斷力變化較大，拉伸強度達到了27.10 MPa，是原件的9.85倍，最大拉斷力是1083.78 N，是原件最大力的9.7倍；斷裂伸長率是7.45%，是原件的1.46倍，相對變化較小；產品的外觀也有很大改善，光潔度有很大提高。原件中存在很大的空隙率，滲樹脂處理填充了原件中的空隙，后處及高溫固化后原件粉狀顆粒間通過樹脂連接起來，強度有很大提高。

3結論

燒結件經過浸蠟后，強度有一定程度的提高，但與原件比相差不大；由于蠟液可滲透成型件，所以成型件的空隙和缺陷都得到了填補；浸蠟處理后，表面形成薄層“蠟膜”，成型件表面不會再有粉粒脫落，其表面質量和焊接性能得到很大改善。燒結件經過滲樹脂處理后，階梯狀的表面被樹脂填補，固化打磨后表面光潔，其表面質量得到改善；抗拉強度是原件的9.85倍，強度有很大提高。實驗結果表明，原件通過兩種后處理后表面質量均有很大改善，滲樹脂處理及高溫固化后力學性能也有很大提高，均能滿足使用要求。

參考文獻

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[2]史玉升，閆春澤，魏青松，等．選擇性激光燒結 3D 打印用高分子復合材料[J]．中國科學：信息科學，2015(2)：204-211．

[3]王偉，王璞璇，郭艷玲. 選擇性激光燒結后處理工藝技術研究現狀[J]. 森林工程， 2014，30(2)：101-103.

[4]吳小琴，熊聯明，李璐，等.SLS快速原型件后處理劑的制備與應用[J].塑料工業，2006，34(3)：61-64.

[5]汪艷. 后處理工藝對聚碳酸酯激光燒結件性能的影響[J].中國塑料，2011,25(2):65-67.

[6]李小城.SLS高分子粉料成型工藝參數及成型質量的比較研究[D].呼和浩特：內蒙古工業大學碩士學位論文，2007：20-24，33-42.

[7]許勤，張堅.選區激光燒結聚丙烯成型制件及增強的研究應用激光[J].應用激光，2014, 34(3):217-220.

[8]姜樂濤，白培康，趙 娜，等. 精鑄蠟粉SLS成形件后處理試驗研究[J].鑄造，2015，64(6):573-580.

Class No.:TG249.5Document Mark：A

(責任編輯：宋瑞斌)

Study of the Post-treated Experiment of SLS Parts of PS Powders

Li Xiaocheng1, Wang Pengcheng2

(1.Anhui Technological College of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhu, Anhui 241002, China;2.School of Materials Science and Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot, Inner Mongolia 010051, China)

Abstract：Considering the low strength and poor surface quality of the prototype parts , the laser sintering technology, which choose polystyrene powder as material, is adopted in doing experiments. The infiltration with wax and penetrating resin to carry on post-processing through tensile test, the mechanical properties of the original and post-processing parts were obtained. The results show that the tensile strength of infiltrated-wax part is 3.33MPa, which is 1.21 times of the original one and the penetrating-resin part’s can reach 27.10MPa, 9.85 times of the origin. In addition, the surface and quality of the post-processing parts are improved a lot compared with the original, which could meet the requirements of use greatly.

Key words：selective laser sintering (SLS); post-treated; tensile strength; surface quality

中圖分類號：TG249.5

文獻標識碼：A

文章編號：1672-6758(2016)04-0036-3

作者簡介：李小城，碩士，講師，安徽機電職業技術學院。