高分子材料燒結成型研究

李 博

（華北水利水電大學 機械學院，河南 鄭州 450045）

1 高分子材料加工成型技術

（1）發展現狀。高分子材料是工業生產的主要參與者，是我國國民經濟的支柱，對高分子材料的成型工藝的研究，有利于促進我國科學技術的發展。隨著改革開放以來，高分子材料的成型加工工藝不斷進步，通過對其中所涉及的化學以及物理等工藝不斷探索和改革，高分子材料的成型技術不斷趨于完善。在現代化的國民建設中，航空、國防等一些尖端行業又對高分子材料的成型工藝提出了更多地要求。例如，對于汽車行業來說，現在的發展趨勢就是強調節能環保、美觀簡潔，為此，在相關行業以及汽車零部件的工藝加工上高分子材料的合成工藝的重要性就顯得尤為重要。在現階段的高分子成型方法中，存在擠出成型、注塑成型、塑料激光成型以及激光燒結成型，其中，激光燒結成型是一種非常有潛力的技術，可以有效節約生產成本，更加環保，憑借其在高分子材料成型上的優勢，在近幾年的使用中逐漸廣泛。

（2）發展趨勢。在高分子材料成型的發展趨勢上來看，呈現著以下兩種趨勢。一是聚合物動態反應加工，我國國內對聚合物及其相關材料的需求較大，但是現階段的加工設備在熱感傳播過程中都存在一定的問題，化學反應的程度難以控制，相關設備的投入量較大，噪音污染和光污染等都較為嚴重，而聚合物的動態反應對各項技術的要求都較高，通過對傳統成型方法的改進，可以解決設備上的缺陷，促進加工方式的完善。另外一個就是針對現階段信息存儲形式能量消耗周期性場以及在過程中極易受到污染等問題，迫切的需要發展信息存儲光盤技術，提高環境保護的有效性。由此可以看出，節能環保是高分子材料成型的必經之路，我國必須在各方面不斷地開發研究，掌握有效的高分子燒結成型技術，促進我國高分子材料成型事業的不斷發展。

2 激光燒結技術

（1）激光燒結技術的概念。激光燒結技術是一種重要的增材制造技術，是集CAD、CAM、數控技術與激光加工技術和材料科學等于一體的最新成果，以CO2激光器作為激光源，計算機再根據原型的切片模型控制激光束的二維掃描歸集，有選擇的對固體粉末進行燒結，一層一層的循環往復，最終形成一個三維零件。就具體的步驟來說，首先就是要建立被加工零件的CAD模型，將其轉化為STL格式，并運用分層的軟件將CAD模型進行切片處理，從而獲得每一個加工層面的數據信息。然后通過計算機技術對切片層信息的整理和分析，激光束對粉末層進行掃描燒結，在激光所能夠照射的范圍內，粉末熔化并凝固在一起，通過在其下方鋪設粉末，使得新舊粉末以自然燒結的狀態結合在一起，如此反復，最終形成所需要的三維實體。

（2）發展優勢。采用燒結成型的工藝可以快速將設計思想轉化成實物模型，可以將設計者、制造者以及使用者最大化的連接起來，對產品的生產過程及使用情況進行及時評價，便于產品信息的溝通，方便快速地對產品進行試驗和修改，縮短產品的開發周期，提高產品的競爭力。提高產品生產的準確性，為顧客提供更加具有品質的產品。

（3）影響因素。影響燒結成型的因素主要有兩個，一是熱塑性塑料本身的性能，如結晶性、比熱容、導熱系數、熔體粘度和激光吸收率等；二是成型工藝參數，包括撲粉厚度、預熱溫度以及激光功率和光斑直徑等。選擇性激光燒結要求粉體材料要具有合適的熔融溫度和良好的結合強度，良好的粉體流動性與失重的粒徑分布。由于這些因素的影響，只有深入了解塑料粉末的激光燒結特性，根據材料的特點選擇合適的工藝，才能最大化地提高高分子材料的激光燒結效果。

3 高分子材料燒結成型工藝研究

（1）聚苯乙烯。作為非結晶性高分子材料，其原子排列在三維空間不具有長程有序和周期性，并沒有一個固定的熔點。它受熱后可融化、黏結，冷卻后可以固化成型，且其材料具有收縮性校和吸濕率低等特點。在成型件浸樹脂后可以進一步提高強度，具體的其拉伸強度15MPa，彎曲強度33MPa，使其具備作為原型件或功能件的條件。但是，由于在進行脫模處理時，它必須要采用大于300°的高溫燃燒，很可能給環境造成污染。所以，在現階段的工藝中，一般會在其中加入助分解助劑，使其成為目前國內使用最為廣泛的一種成型材料。

（2）尼龍。尼龍屬于結晶性高分子基材料，在激光燒結的過程中具有一個固定的熔點，不受溫度變化的影響，在激光燒結過程中的成型效果較好。在分析了具體的制件精度的基礎后，可以通過添加無機填料、偶聯劑以及流動劑和光吸收劑等來提高燒結件的性能。現階段有四種被廣泛使用的尼龍材料：①標準的DTM尼龍，可以制作具有良好耐熱性能和耐腐蝕性能的模型；②DTM精細尼龍，可以制造精度較高、光滑程度高等具有概念性的模型；③DTM醫用級尼龍，可以經歷高溫蒸壓等測試；④原型復合材料，具有更好地加工性能和耐熱性、耐腐蝕性等特征。這些尼龍可以通過激光燒結技術被制成各種功能零件，充分發揮其自身的優勢，提高產品的強度和性能，使制造工藝更加具有實用性和美觀性，更好地符合市場的需求。

（3）石墨的燒結成型工藝舉例。我國是石墨資源儲量豐富，但是也一直處于出口元礦粉和進口深加工制成品的被動局面。作為一種典型的不容易被加工成型的礦產資源，鱗片石墨易碎且易粘，將其與金屬粉末、陶瓷粉末等樹脂混合在一起，運用激光燒結成型工藝對其進行深度的加工，可以最大化的控制石墨粉末的分布，促進產品的快速成型。以下就選取鱗片石墨混合粉末對激光成型的具體理論進行研究。

激光燒結屬于瞬態傳熱的過程，在這個過程中系統的溫度、熱流率以及熱邊界等都會有較為明顯的變化。為了更好的進行分析，需要對激光燒結過程中的主要影響因素建立相應的數學模型，可以做出以下假設來簡化數學模型：一是假設快速成型的激光加工部分是一個半封閉的環境，在預熱保溫的環境下，自由對流促成了熔池與外界的換熱，但是隨著燒結過程的不斷進行，溫度會不斷上升，熱量散失的強度越來越小，直到不會對對流換熱造成影響；二是假設激光器屬于二氧化碳氣體激光器，受波長的限制，穿透能力較差，粉床表面疏松使得激光在照射時受粉床表面反射與透射的影響較小；三是由于石墨的熔點偏高，粉末在激光掃描的過程中相變潛熱對燒結區域溫度場的影響較小，在實驗過程中可以忽略內熱源作用的存在。

其燒結成型機理如下：將天然鱗片石墨粉末和熱固性酚醛樹脂粉末按照一定的比例來進行混合，將天然鱗片石墨粉末的質量分數控制在62.5%左右，熱固性酚醛樹脂的比例為37.5%左右。在激光束的照射下，混合物料充分受熱，酚醛樹脂到一定溫度后就開始熔融固化，呈現出二維蜂窩狀態，促使天然鱗片與石墨粉末之間相互粘結，使之成為所需的3D打印材料。在這個過程中，借助熱重分析儀確定石墨與酚醛樹脂混合料的熱重分析，對其中的各個階段進行觀測。

4 結語

隨著快速成型技術的發展和廣泛應用，高分子材料的燒結成型技術已經被廣泛的運用到了新產品的研制當中，為降低成本、提高產品的競爭能力作出了巨大的貢獻，因此，要不斷加大科技研發力度，促進高分子材料燒結成型工藝的創新發展。

［1］華南理工大學.產學研合作推動高分子材料新型成型裝備產業化［J］.中國高校科技與產業化，2009，（1）：26-27.

［2］徐林.碳纖維/尼龍12復合粉末的制備與選擇性激光燒結成形［D］.武漢：華中科技大學，2009.