一種消費級選區激光燒結尼龍12材料的拉伸性能及應用探究

喬一倫+鄒迪升+劉建嶼+李宗睿

摘 要：為了確認一種消費級選區激光燒結尼龍12復合材料的拉伸性能，我們采用GB/T 1040.2-2006標準對其進行拉伸實驗得到其拉伸強度數值，并將其與已知的選區激光燒結尼龍12拉伸強度進行對比。發現該消費級材料拉伸強度相較于實驗室制備的尼龍12試件總體相近但是略低，不適合于拉伸強度要求較高的工作環境。但鑒于其消費級定位，可作為快速模型制造手段為教育和設計提供一種材料選擇。

關鍵詞：選區激光燒結；拉伸強度；材料

中圖分類號：TB332 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）01-0008-02

Abstract： In order to confirm the tensile properties of a consumption-level selective laser sintered nylon 12 composite， the tensile strength value of the composite was obtained by GB/T 1040.2-2006 standard. The tensile strength of Nylon 12 was compared with that of selective laser sintered nylon 12. It was found that the tensile strength of the consumption-level material was similar but slightly lower than that of the Nylon 12 specimen prepared in the laboratory， so it was not suitable for the working environment with higher tensile strength. However， in view of its consumption level positioning， it can be used as a rapid model manufacturing means to provide a material choice for education and design.

Keywords： selective laser sintering； tensile strength； material

選區激光燒結（Selective Laser Sintering，SLS）是由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R. Deckard于1989年研制成功的一種快速成型（Rapid Prototyping，RP）技術[1]。隨著技術的逐漸完善，現在選區激光燒結技術已經成為一種成熟并被廣泛應用的材料成型加工技術，國內外也涌現了眾多針對此工藝的商用公司，但是選區激光燒結作為一種相對高速與高精度的快速成型技術其成本也長期居高不下，這限制了它的應用主要集中于工業生產加工領域。

本文針對一種投入市場的消費級選區激光燒結的尼龍12材料拉伸性能進行研究，并探究了其可能應用的領域。

1 SLS尼龍12（PA12）粉末原理

選區激光燒結的原理如圖1所示，選區激光燒結尼龍12粉末應用了“分層制造，逐層累加”的思想[2]。尼龍12固體粉末被均勻平鋪在工作平面上，激光束在粉末層上移動并使得其溫度達到熔點之上進行燒結，同時與上一層（或工作平面）實現粘結。當上一層截面燒結完成后工作平面下降一個微小高度，鋪料輥又在上面鋪上一層均勻密實的粉末，之后重復燒結，最終完成整個零件實體[3]。

在燒結過程中，由于燒結是按照零件的輪廓分層進行，因此加工前應當對零件實體沿一定方向進行切片處理以獲得零件的切片輪廓，之后輸出給燒結設備進行加工。值得注意的是，隨著燒結的進行，零件可能出現懸空部分甚至暫時完全與零件主體隔開的部分，但是由于原料粉末對已燒結部分能起到支撐的作用，加工時并不需要單獨考慮零件支撐，這也簡化了加工步驟。此外，當實體構建完成并在原型部分充分冷卻后，其余殘留的粉末可刷去或者用壓縮空氣去除以增加原料利用率。

2 實驗

2.1 實驗設備

試樣制造委托廠商使用 EOS P800系列-SLS尼龍3D打印機，德國EOS公司制造。激光發射器類型：二氧化碳，激光功率：50W，激光掃描速度6000mm/s最大成型空間：700mm（長）×380mm（寬）×560mm（高）[4]，精度：±0.1mm拉伸試驗采用PDL-5000N電子拉力試驗機（表1）。

2.2 實驗樣品

實驗樣品尺寸采用標準GB/T1040.1-2006塑料 拉伸性能的測定 第1部分：總則，詳細如下（表2）。

2.3 實驗方案

實驗的方案采用標準為GB/T1040.2-2006，拉伸速度為20mm/min。

3 實驗結果與分析

不同組別的選區激光燒結尼龍12材料拉伸強度如圖2所示，由圖可以看出實驗組尼龍12試件和對照組尼龍12試件拉伸強度相差0.9MPa，實驗組數值較低。考慮到尼龍12粉末壓實度，尼龍12粉末粒徑不一致等因素所可能帶來的影響，我們基本可以認為實驗組與對照組選區激光燒結尼龍12材料拉伸性能是一致的。

4 結束語

選區激光燒結作為一種發展成熟的快速成型技術，在高精度模具制造、工業設計、教育領域以其相對于傳統開模注塑、CNC加工具有時間短、成本低、設計易于修改、產品表面光潔度高以及成型精度好的特點。再加上類似于本文所探討的消費級選區激光燒結用尼龍12粉末材料，其應用前景廣闊。就本文而言，實驗組試件從設計定型到打印再到成品全程用時僅兩天，總成本千元不到。若使用傳統開模注塑加工方法則需萬元以上，且一旦設計修改則上次模具完全報廢，需要重新開模，前期模具制造成本則變成沉沒成本[5]。

而對于選區激光燒結而言其推廣的阻礙無疑是較高的終端配置與使用成本。首先，由于制造技術本身不同于傳統制造方式的特殊性，必須使用專用的尼龍粉末或者其他類型材料的粉末。顆粒的粒徑范圍、壓實度會對制造效果產生很大的影響[6]。但是本次實驗所使用的消費級尼龍12粉末完全來自零售渠道并且其價格經過和商家了解其價格還有進一步降低空間，這對于選區激光燒結的推廣無疑是有利的。

其次，高精度的選區激光燒結設備價格居高不下也是阻礙其推廣應用的主要原因之一。這一點目前暫時沒有相對較好的解決辦法，但是可以通過將加工外包給專門的選區激光燒結加工廠商來降低一部分使用成本。

參考文獻：

[1]趙云龍.先進制造工藝[M].西安：西安電子科技大學出版社，2006.

[2]鄭利文.Object Geometries公司推出多種復合材料3D打印機

[J].模具工業，2008（2）：73.

[3]賈禮賓，王修春，王小軍，等.選擇性激光燒結技術研究與應用進展[J].信息技術與信息化，2015（11）：172.

[4]Electro Optical Systems.EOSINT P 800-Additive Manufacturing System for processing high performance polymers[EB/OL]. https：//www.eos.info/systems_solutions/plastic/systems_equipment/eosint_p_8

00.

[5]吳家杰，李國偉.快速成型技術在模具制造中的應用分析[J].低碳世界，2017（25）：293.

[6]徐超，楊家林，王洋.尼龍材料的選區激光燒結性能試驗研究[J].新技術新工藝，2005（1）：41.endprint