基于選擇性激光燒結聚苯乙烯基復合材料的實驗研究

王凡

（寶雞合力叉車有限公司，陜西 寶雞 721001）

隨著現代制造工業技術的不斷發展，傳統的減材制造在某些領域中已經不能滿足其發展的需求，因此基于三維數據模型的增材制造技術在近年來得到了快速的發展與進步[1]。其中選擇性激光燒結技術（SLS）作為應用最為廣泛的增材制造技術之一，其利用高能激光束的作用在三維數據模型的驅動下進行選擇性的激光燒結可熔性的粉末材料，層層累加，從而完成相關零部件的制作[2]；在眾多的選用材料中，聚苯乙烯及聚苯乙烯基復合材料因其成本低廉、制備工藝簡單等優勢在一定程度上得到了廣泛的應用，例如常見的聚苯乙烯/碳纖維（PS/CF）、聚苯乙烯/玻璃纖維（PS/GF）、聚苯乙烯/芳綸纖維（PS/AF）、聚苯乙烯/聚乙烯（PS/PE）、聚苯乙烯/聚碳酸酯（PS/PC）等[3]；而基于SLS 工藝的快速熔模鑄造技術因其鑄造精度高、鑄件質量優以及材料利用率高等優勢在鑄造領域得到了廣泛的應用，但其對于鑄造模型的灼燒灰分殘余的要求相對較高，一般要求不高于0.6%，因此在使用SLS 工藝進行模型的制作時必須將其作為重要的衡量指標[4]。基于以上原因，本文基于SLS 工藝對聚苯乙烯及聚苯乙烯基復合材料的成型過程及成型質量進行了研究，最終得出適合于快速熔模鑄造的聚苯乙烯基復合材料。

1 實驗

1.1 實驗材料

在材料的選用方面主要涉及以下兩方面：首先是用來制備復合材料的基本材料的選用，該部分材料均為符合使用要求的基體材料與填料；其次是通過相關制備方式得到的均苯乙烯基復合材料。

1.1.1 基本材料

聚苯乙烯：粒徑75μm，3D 打印專用型，深圳特力新材料科技有限公司；玻璃纖維：短切長度0.5mm，杭州高科復合材料有限公司；碳纖維：短切長度0.5mm，東億揚（濟南）新型材料有限公司；芳綸纖維：短切長度0.5mm，深圳特力新材料科技有限公司；聚乙烯：粒徑75μm，美國杜邦公司；聚碳酸酯：粒徑75μm，嶅稞新材料科技(上海) 有限公司；硅烷偶聯劑：KH550 型，濃度為98%，廣州市中杰化工科技有限公司。

1.1.2 復合材料制備

采用機械混合制備的方式制備均苯乙烯基復合材料，制備時需注意以下幾點：首先制備前需對相關材料進行干燥處理，以防止水分的存在對其使用性能的影響，其次是為解決填料與聚苯乙烯基體材料之間極性相斥的問題，需使用一定量的硅烷偶聯劑對其進行處理；最后根據前期的基礎性試驗以及相關文獻的查詢，選定符合材料的材料配比通過高速混合的方式進行制備，在本實驗中PS/CF、PS/GF 根據其使用效果確定其中填料的含量為10%，PS/AF 中填料的含量為2.5%，PS/PE 以及PS/PC中填料的含量均為5%。

1.2 實驗設備

選擇性激光燒結設備：AFS-360，北京隆源自動成型系統有限公司；游標卡尺：11956 型，山東恒森國際貿易有限公司；多功能力學測試機：量程為0-250N，濟南美特斯測試技術有限公司；馬弗爐：SX2-2.5-10 型，紹興市蘇珀儀器有限公司；分析天平：JC-TP 型，量程為200g，青島精誠儀器儀表有限公司。

1.3 試驗結果表征

1.3.1 試驗樣件制備

本實驗中成型樣件的尺寸參考國家相關測試標準GB/T 1447-2005 進行制備，試驗樣件包括拉伸強度以及彎曲強度測試標準樣件；制備工藝為：掃描速度1800mm/s，掃描間距0.25mm，分層厚度0.2mm，激光功率30W，預熱溫度95℃；同時為排除其他次要因素對實驗結果的影響，在每組實驗中同時成型3 個試驗樣件，相關試驗結果為3 件測試樣件測試的平均值。

1.3.2 成型精度與強度測試

1.3.2.1 成型精度測試

在前期基礎性實驗以及相關文獻的查閱過程中發現，對于SLS 成型件的成型精度而言，其X 向和Y 向的成型精度值與成型工藝參數的選取有著密切的關系，受成型材料自身因素的影響程度相對較小，同時其受工藝參數影響的變化規律基本一致；但對于成型件的Z 向成型尺寸精度而言，其不僅受到工藝參數的影響，同時其與成型材料自身性能的關系更為密切，例如材料的粒徑、材料配方等，因此在本實驗中以成型件的Z 向成型尺寸偏差作為衡量成型精度的指標，同時該值越小表明成型件的成型精度越優良。

1.3.2.2 成型強度測試

在本實驗中結合成型樣件的實際使用環境及使用特點，選擇成型件的拉伸強度以及彎曲強度作為衡量聚苯乙烯及均苯乙烯基復合材料SLS 成型強度的重要衡量指標，測量方式為：使用多功能力學測試設備直接對其拉伸強度以及彎曲強度進行測試，在測試過程中力的加載速度選定為2mm/min。

1.3.3 成型件灰分殘余量測試

成型件的灰分殘余量的測試流程如下所示：首先使用分析天平稱取50g的成型樣件，其次在自然環境下將其放入灼燒干過中，使用高溫槍對其灼燒至充分碳化，再次將已碳化的成型件放入馬弗爐中在500℃的條件下進行高溫灼燒4h，當結束灼燒后將其放在馬弗爐中進行冷卻至室溫，最后將其殘余部分取出進行稱量，并通過公式（1）對其的灰分殘余量進行計算[5]。

式中：δ 為灰分殘余量，%；A 為灼燒后成型件的殘余量，g。

2 實驗結果分析與討論

2.1 各高分子粉末材料SLS 成型精度的對比

在上述成型工藝的前提下，分別選用PS、PS/CF、PS/GF、PS/AF、PS/PE 以及PS/CF 等聚苯乙烯基及其復合材料進行選擇性激光燒結試驗，對其成型件的成型尺寸精度進行測試，具體試驗結果如圖1 所示。

圖1 成型材料對成型尺寸精度的影響

從圖中可以看出，PS/CF與PS/GF 復合材料的成型尺寸精度最優，純PS的成型尺寸精度次之，PS/AF、PS/PE 以及PS/CF 復合材料的成型尺寸精度最差；這是因為在同等工藝條件下，因為PS/CF與PS/GF 復合材料中包含大量的導熱性能良好的短切無機纖維，其可以將激光所產生的的熱量均勻的分散到各PS粉末顆粒之間，使得聚苯乙烯熔化的更為充分且均勻，進而導致其SLS 成型件各粉末顆粒之間粘接的更為可靠和有效，從而在有效保證粉末材料燒結融合效果的同時可將過多的熱量分散到粉床上，從而保證了其成型件的成型質量達到最優；在對于PS/AF、PS/PE 以及PS/CF 復合材料而言，因其填料均為有機填料，其在受到熱量作用時并不會將過多的熱量分散到其它非燒結部位，進而導致其在燒結過程中在成型件的周邊粘附過多的非燒結材料，從而使其成型件的成型精度變差。

2.2 各高分子粉末材料SLS 成型強度的對比

通過SLS 成型實驗對其成型件強度進行測試，發現使用纖維類填料的復合材料其成型強度明顯高于純PS 和有機類填料的復合材料，這是因為纖維類填料在復合材料的燒結成型過程中可有效將相關可熔性粉末材料連接在一起，從而有效提高成型件中各粉末顆粒之間的粘接強度，從而在一定程度上有效提高了其成型件的強度；而對于純PS 和有機類填料的復合材料，純PS 成型件僅能通過個粉末顆粒之間的粘接效果對成型件的強度做出保證，有機類填料的復合材料中相關有機填料只能在熔化過程中因其熔點較低的優勢盡可能促進PS 粉末顆粒的粘接效果，并不能纖維材料一樣使得各粉末顆粒之間形成良好的連接效果，從而使其對于成型件強度的促進效果受到限制，從而使得纖維類填料的復合材料其成型強度明顯高于純PS 和有機類填料的復合材料，如圖2 所示。

圖2 成型材料對成型強度的影響

2.3 成型件熔模后灰分殘余量對比

分別選取上述成型件進行灼燒試驗對其灰分殘余量進行檢測，實驗結果如圖3 所示；從圖中可以看出，PS/CF與PS/GF 復合材料SLS 成型件的灰分殘余量明顯高于其它材料，這是因為CF 和GF 作為無機填料并不能在灼燒的過程中進行分解，從而使得在完成試驗后其存在大量的灰分殘留；而對于其它4 類材料而言其均能夠在高溫下進行分解，從而使其具有較低的灰分殘余，同時因AF 分子量遠高于其它有機填料，從而在灼燒的過程中可能會有極少部分的材料未被分解，從而使得PS/AF 復合材料SLS 成型件的灰分殘余量略高于純PS、PS/PE 以及PS/PC。

圖3 各復合材料成型件灰分殘余量的對比

3 結論

通過對相關聚苯乙烯及其復合材料進行的選擇性激光燒結實驗，以其成型精度、成型強度以及灰分殘余作為衡量指標，可以得出以下三點結論：

3.1 就成型精度而言，PS/CF與PS/GF 復合材料的成型尺寸精度最優，純PS的成型尺寸精度次之，PS/AF、PS/PE 以及PS/CF復合材料的成型尺寸精度最差；

3.2 就成型強度而言，使用纖維類填料的復合材料其成型強度明顯高于純PS 和有機類填料的復合材料；

3.3 就成型件的灰分殘余而言，PS/CF與PS/GF 復合材料SLS 成型件的灰分殘余量明顯高于其它有機材料。