選擇性激光燒結技術在汽車空調試驗領域的應用

周旭 岳雙成

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州510000）

1 前言

選擇性激光燒結技術是針對粉體材料的1種快速成型技術（SLS）[1]，它是基于離散堆積制造原理，將零件三維實體模型文件沿Z向分層切片，經過激光束選擇性地進行燒結成型后，去掉多余的粉未，再進行打磨、烘干等后處理，最終成型出零件原型或功能零件[2]。SLS技術原材料選擇范圍廣，材料利用率高，無需支撐[3]，非常適用于原型或功能零件的制造，尤其適用于傳統加工方法難以實現的復雜形狀零件的快速成型[4]。目前可成型的材料包括高分子、陶瓷、復合材料等，其中高分子材料是研究得最早、應用最廣泛的1種，目前在汽車行業有著廣泛的應用[5]。因為尼龍材料機械強度高、耐磨性好[6]，在溫度達到熔點以上時熔融粘度非常低，可以實現非常高的燒結速率，同時高致密度保證了成型件良好的力學性能[7]，因此對SLS技術成型的尼龍零件的應用推廣一直是該領域工程技術人員研究的熱點，由于其可以快速加工復雜結構零件，縮短零件的制作周期，在一定程度上縮短了車型的開發周期，因此汽車行業是其應用推廣非常重要的領域。

2 空調試驗

在汽車研發的產品設計與驗證階段，需要對空調系統進行臺架及整車試驗，包括環境模擬標定及道路標定等，以驗證其是否滿足設計要求。本次空調試驗中的空調風道選用上海某公司生產的尼龍12粉末顆粒激光燒結而成，其中添加了質量分數為30%的玻璃微珠，激光燒結設備為中山某公司生產，零件的尺寸精度通過掃描儀檢測，拉伸強度及彎曲強度使用C44.304E型萬能材料試驗機檢測，沖擊強度使用HIT 25/50P型擺錘式懸臂梁沖擊試驗機檢測，試驗步驟如下。

2.1 粉末制備

粉末粒徑大小分布合理有利于獲得較大的粉床密度，提高成型零件的致密度及力學性能[8]。當粉末粒徑＜10 μm時，由于摩擦產生的靜電使粉末吸附在鋪粉輥或刮刀上而不利于成型。有研究表明，平均粒徑為10～100 μm的粉末顆粒有利于選擇性激光燒結成型[9]。本次激光燒結成型使用的原材料平均粒徑為50 μm，是循環使用的粉末顆粒與全新尼龍粉的混合粉，其中循環使用的粉末顆粒在混合前要先過篩和干燥，全新尼龍粉添加了質量分數為30%的玻璃微珠，按照質量分數（循環粉∶新粉）4∶1的比例放入混合機，以60 r/min的轉速轉動30 min即得成型所需粉末。

2.2 激光燒結成型零件的制備

本次成型的工藝參數設定預熱溫度為165℃、激光燒結功率為80 W、掃描速度為14 500 mm/s、層厚為0.12 mm。在激光燒結設備上按該工藝加工用于測定力學性能及尺寸精度的零件。用于測定力學性能的標準測試樣條按照GB/T 1040.2—2006《塑料拉伸性能的測定第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗條件》[10]、GB/T 9341—2008《塑料 彎曲性能的測定》[11]、GB/T 1843—2008《塑料 懸臂梁沖擊強度的測定》[12]、GB/T 1634.2—2019《塑料 負荷變形溫度的測定 第2部分：塑料和硬橡膠》[13]的要求進行加工，尺寸精度的測定選用空調風道的出風口進行檢測。

2.3 精度及力學性能的檢測標準

參照GB/T 1040.2—2006[10]進行拉伸強度檢測，拉伸速度為1 mm/min，參照GB/T 9341—2008[11]進行彎曲強度檢測，彎曲速度為2 mm/min，參照GB/T 1843—2008[12]進行沖擊強度測試。選用空調風道的出風口作為尺寸精度的檢測對象，使用掃描儀先掃描出零件的點云信息，然后通過原始數據與點云信息進行匹配核對，得到整個零件所有型面的偏差情況。

3 精度及力學性能討論

3.1 選擇性激光燒結成型零件的尺寸精度

空調試驗要求空調風道具備高精度以保證密封性能良好不漏氣，但選擇性激光燒結成型過程中零件收縮是不可避免的問題，會顯著影響零件的精度，而對于尼龍材料等結晶型聚合物而言成型收縮主要由燒結收縮、溫致收縮及結晶收縮3部分組成[14]。為了對這些收縮量進行補償，保證零件的最終加工精度，需要在各個方向分別設置合理的比例放大系數，剛好抵消在成型過程中導致的燒結收縮、溫致收縮及結晶收縮，從而保證零件的最終加工精度達到預期。通過前期多次測試，本次加工X、Y、Z方向所使用的比例放大系數分別為1.031、1.031、1.019。出風口長、寬、高3個方向的尺寸分別為180 mm、70 mm、60 mm，先用掃描儀掃描出風口的外表面點云信息，然后將原始數據與點云信息進行匹配核對，得到整個出風口的所有型面的偏差情況，隨機均勻取點結果如表1所示。

如表1所示，曲面點1-17為帶撥片一側，負偏差區域及正偏差區域大致相等，通過取點處的具體數值可知，正偏差集中在0～0.157 mm范圍內，負偏差集中在-0.199～0 mm范圍內；曲面點18-32為背面一側，主要以正偏差為主，其中正偏差集中在0～0.164 mm范圍內，負偏差集中在-0.111～0 mm范圍內。對比所有的取點處數值可知，在現有工藝參數下，該出風口所有的偏差均處于±0.2 mm范圍。

表1 掃描檢測結果 mm

參照GB/T 14486—2008《塑料模塑件尺寸公差》[15]中聚酰胺填充玻璃纖維質量分數30%的公差規定，各公差等級的尺寸要求見表2。

表2 模塑件尺寸公差表（部分） mm

根據表2模塑件尺寸公差表可知出風口的長、寬、高分別為180 mm、70 mm、60 mm所對應的公差值，按基本尺寸上下偏差取均值，該零件的各類尺寸均能達到高精度級別的公差要求，完全能滿足汽車空調標定試驗中空調風道的精度要求。

3.2 選擇性激光燒結成型零件的力學性能

空調試驗不僅要求空調風道為設計狀態，還需要其力學性能優異，在各種常規道路工況下不發生斷裂，保證正常功能。表3給出了激光燒結混合質量分數為30%玻璃微珠的尼龍12粉末一體成型零件的力學性能以及經過熱熔拼接的零件的力學性能。

表3 SLS一體成型零件及拼接零件的力學性能

從表中可以看出，一體成型零件的拉伸強度達到25 MPa，拉伸彈性模量達到1 800 MPa，斷裂伸長率達到7.1%，彎曲強度為39 MPa，彎曲模量達到1 800 MPa，沖擊強度為15.1 kJ/m2。分塊加工的零件經過熱熔拼接后力學性能有明顯衰減，塑性及韌性均有不同程度的降低，其中拉伸強度衰減70%至7.1 MPa，拉伸彈性模量衰減48%至920 MPa，斷裂伸長率衰減77%至1.6%，彎曲強度衰減52%至18.6 MPa，彎曲模量衰減44%至1 009 MPa，沖擊強度衰減76%至3.5 kJ/m2。由于空調風道整個零件較大，無論是選擇性激光燒結加工還是常規方法加工，均無法一次成型，需要分段加工后進行拼接，這樣會在拼接處形成薄弱區。同時空調風道為中空結構，傳統加工方法很難進行一體成型，需要分塊加工后進行拼接，顯著增加了拼接縫數量，對零件強度造成很大的影響，而選擇性激光燒結技術無需支撐，可一體成型復雜結構的零部件，對于加工空腔類的空調風道而言具有顯著的優勢，一體成型后進行簡單清粉及噴砂處理即可獲得空腔類空調風道。

熱變形溫度如表3所示，在0.45 MPa負載的條件下，選擇性激光燒結成型零件熱變形溫度為154℃，在1.8 MPa負載的條件下，選擇性激光燒結成型零件熱變形溫度為67℃，而空調通風管道為無負載條件，熱變形溫度要求遠低于154℃，可以完全滿足試驗試驗要求。

3.3 選擇性激光燒結技術在汽車研發中的應用情況

涉及到空調試驗的相關零件包括鼓風機、空調風道等，在產品設計與驗證階段，空調風道無設計狀態的模具件，而空調風道樣件的狀態與試驗結果緊密相關，因此為了保證空調臺架及整車試驗結果可靠，不僅要求空調風道為設計狀態的樣件，還需要其高精度、變形少以保證良好的密封性能，不產生漏氣的情況，同時具備一定的力學性能，要求在各種常規道路工況下不發生斷裂，保證正常功能，在制熱模式下，熱風會使風道溫度超過50℃，最高達60℃，因此要求風道具備一定的耐高溫性能，60℃條件下不發生軟化。使用激光燒結技術加工的空調風道如圖1，將其分別裝入臺架及實車，效果分別如圖2、圖3所示，經實車及臺架安裝確認，整套空調風管安裝過程無任何異常，所有安裝位均能匹配，精度完全滿足設計要求。臺架試驗表明，管道連接處按量產方案進行海綿填充處理后，氣密性良好，無明顯漏氣現象出現，力學性能滿足試驗需求，且在制熱模式下，風道也未現軟化現象，均能滿足試驗要求。整車試驗表明，整個試驗階段空調管道系統性能穩定，未出現異常，可滿足整車搭載試驗。

圖1 激光選擇性燒結通風管道

圖2 空調臺架試驗

圖3 空調管道整車裝配（局部儀表管道）

4 結論

a.在現有工藝參數下，出風口的所有偏差均處于±0.2 mm范圍，達到高精度級別的公差要求，完全能滿足汽車空調試驗中空調管道零件的精度要求；

b.選擇性激光燒結一體成型的零件力學性能顯著高于分塊成型后熱熔拼接零件的力學性能，一體成型可顯著減少拼接縫數量，有助于提高整體力學性能，同時熱變形溫度高達154℃，可完全滿足空調管道零件的耐熱要求；

c.選擇性激光燒結成型空調管道零件可滿足空調試驗的需求，激光燒結成型技術可助力汽車研發。