（机械电子工程专业论文）木塑复合材料选择性激光烧结实验与后处理研究.pdf

摘要 摘要 选择性激光烧结技术是快速原型方法中较为成熟的一种先进制造技术，集计算机控 制、c a d c a m 、精密伺服驱动、激光技术、新材料技术于一身，因其原材料取材范围 广、制造柔性高、加工过程无需支持等优点得到了广泛的关注。但原材料成本高，不可 循环使用是制约激光烧结快速原型技术发展及推广的瓶颈。 在综述了选择性激光烧结技术原材料发展现状及趋势的基础上，提出了以一种成本 较低的木塑复合材料作为选择性激光烧结的成型材料，并且该材料是一种绿色环保、可 降解、可循环使用的复合材料。本文针对选择性激光烧结技术进行材料设计，采用正交 实验设计的方法，分析了木粉碱化、降粘剂等添加剂的相关作用，得到了一种新的可作 为激光烧结原材料的木塑复合材料的成份配方。阐述了粉末烧结的成型机理，通过成型 实验、强度测试以及利用扫描电镜进行微观观察，研究了预热温度、激光功率、扫描速 度、扫描间距及分层厚度等不同工艺参数对于粉末烧结过程以及成型件性能的影响。得 到一组适合于木塑复合材料选择性激光烧结的优化工艺参数。 最后针对于成型件孔隙率较大、强度不高的缺点进行了相关后处理研究，选取了成 本较低且应用较简单的石蜡作为后处理材料。分析了木塑复合材料渗蜡处理的作用机 理，设计了合适的后处理工艺流程，分析了渗蜡后处理对于制件精度的影响。通过对后 处理件进行性能测试并与处理前的原型件对比，得知经过后处理的原型件在机械性能及 表面质量上有了大幅度提高。 关键词木塑复合材料；选择性激光烧结；后处理 a b s t m c t a b s t r a c t s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ( s l s ) i sap r o v e na d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo ft h e r a p i dp r o t o t y p i n g ( r p ) m e t h o d s i ti n c l u d e sc o m p u t e rc o n t r o l ，c a d c a m ，p r e c i s i o ns e l w o d r i v e ，l a s e rt e c h n i q u ea n dn e w m a t e r i a lt e c h n o l o g y n o wi ta t t r a c t se x t e n s i v ea t t e n t i o nb e c a u s e o ft h ea b u n d a n tr a wm a t e r i a l s ，h i g hm a n u f a c t u r i n gf l e x i b i l i t ya n dn os u p p o r t i n gd u r i n gt h e p r o c e s s b u tt h eh i 曲p r i c eo ft h er a wm a t e r i a l sa n dn o r e c y c l i n gr e s t r i c ti t sd e v e l o p i n ga n d p o p u l a r i z i n g b a s e do nh a v i n gr e v i e w e dt h ed e v e l o p m e n ts t a t u sa n dt r e n d t h i sp a p e rp r o p o s e dak i n do f c h e a pw o o d p l a s t i cc o m p o s i t e ( w p c ) a st h e r a wm a t e r i a lo fs l s ，w h i c hi sg r e e n e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , d e g r a d a b l ea n dr e c y c l a b l e t h i sp a p e rd i dt h em a t e r i a ld e s i g nf o r s l sa n do b t a i n e dan e wf o r m u l ao fw p cw h i c hc o u l db eu s e di ns l s ，t h r o u g ho r t h o g o n a l e x p e r i m e n t a ld e s i g n ；i ta n a l y z e dt h e e f f e c to ft h ea l k a l i z a t i o no ft h ew o o d f l o u r , t h i n n e r v i s b r e a k e ra n dt h eo t h e ra d d i t i v e s a l s oi td i s c u s s e dt h ep o w d e rs i n t e r i n gm e c h a n i s m b ym o l d i n ge x p e r i m e n t ，s t r e n g t ht e s ta n dm i c r o s c o p i co b s e r v a t i o n 诵t hs e m ，t h i sp a p e r s t u d i e dt h ei m p a c to fd i f f e r e n tt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r so nt h es i n t e r i n gp r o c e s s i n ga n dt h e m o l d i n gp r o p e r t i e s ，i n c l u d i n gp r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e ，l a s e rp o w e r , s c a n n i n gs p e e da n di n t e r v a l a n dt h i c k n e s so fs t r a t u m i tg o tas e to fo p t i m i z e dp a r a m e t e r s ，w h i c hc a nb eu s e di ns l sf o r w p c a tl a s t ，b e c a u s eo ft h el a r g ep o r o s i t ya n dt h el o ws t r e n g t h ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h ep o s t p r o c e s s i n g i ts e l e c t e dt h ew a xa st h em a t e r i a lo ft h ep o s tp r o c e s s i n g a l s oi ta n a l y z e dt h e m e c h a n i s mo ft h ew a xi n f i l t r a t e do ft h ew p c ，d e s i g n e dt h es u i t a b l et e c h n o l o g i c a lp r o c e s s ，a n d a n a l y z e di t si m p a c to nt h ep a r tp r e c i s i o n b yt h et e s t i n go ft h ep a r t sb e f o r ea n da f t e rp o s t p r o c e s s i n g ，i tg o tt h a tt h ep o s tp r o c e s s i n gc o u l di m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n ds u r f a c e q u a l i t yg r e a t l y k e y w o r d s w o o d p l a s t i cc o m p o s i t e ；s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ；p o s tp r o c e s s i n g 1 绪论 1 绪论 1 1 快速原型制造技术概述 计算机及其相关辅助设计与制造技术( c a d c a m ) 的迅猛发展，大大的改变了产 品从设计造型到制造的过程，而且产品的设计、加工、更新换代周期越来越短，企业的 发展战略己经从过去的提高产量、降低成本、改善质量发展到了今天的提高效率。 随着市场环境的不断变更，消费者需求逐渐成为了当今市场的主体，并变得个性化 和多样化。能否以最短的交货期、最好的质量、最低的成本、最佳的服务来响应多变和 多样化的市场需求，成为制造业赖以生存的关键。快速响应市场需求，给制造业提出了 新的要求。 为此，许多国家为了加速工业化进程，一直都在全力地对先进的制造技术进行开发 和研究，随着现代信息与现代化企业管理技术发展日新月异，逐渐地诞生了许多更新、 更好的加工制造技术和模式，制造技术( 制造工程与科学) 有了突破性的进展【l 】。 快速原型制造技术，也可称快速成型制造技术( r a p i dp r o t o t y p i n g & m a n u f a c t u r i n g ， r p & m ) 的产生正响应了这种市场需求。该项技术产生并发展于2 0 世纪8 0 年代末，是 汇集了c a d 、c a m 、c n c 、精密伺服驱动、新材料等先进技术的一种先进制造技术。 它是先进制造技术中比较重要的一种，无论是制造思想还是实现方法都完全摆脱了 传统加工“去除材料的加- r n 造模式，快速成型技术有利于对产品设计进行迅速评 价、修改，并自动快速地将设计转化为具有相应结构和功能的原型产品或直接制造出零 件，有效地缩短了新产品的开发周期，从而降低产品整体的开发成本【2 】，以此加快企业 的市场需求响应速度，从而提高在动态多变的市场中的适应力和竞争力。 1 1 1 快速原型制造的原理 快速成型( r a p i dp r o t o t y p i n g ) 又称自由制造( f r e e f o r i nf a b r i c a t i o n ) 、添加成型 ( a d d i t i v ef a b r i c a t i o n ) 、桌面制造( d e s k t o pm a n u f a c t u r i n g ) 或三维打印( 3 d p r i n t i n g ) 等【3 】。快速成型是以“增长”的形式制造零件，即添加成型，更确切地说，快 速成型的主要过程就是离散与堆积。 快速原型制造在成型原理上与传统制造有本质的区别，它采用一种全新的制造思维 模式，即通过计算机的辅助设计获取零件的相关信息，包括几何形状、结构和材料等组 合信息，利用相关的软件( 如p o w e rr p ) 对已建立的模型进行分层切片处理，获得各 层的平面轮廓信息，计算机将所得到的数据发送到控制系统，从而驱动激光器或喷头有 选择性地固化或烧结一层一层的液态、熔融态或粉末等材料，形成各个截面薄片，并在 高度方向上逐层叠加，最终形成三维实体( 又称“绿件g r e e np a r t ) ，再经过必要的 后置处理，使其在各个方面均达到设计要求，并满足使用要求，快速准确地制造原型实 际零件或部伴删。其原理如图1 1 所示。 东北林业大学硕l ：学位论文 图1 - 1 快速成型技术原理 1 1 1 1 快速原型制造的成型过程 从产品的概念设计到快速原型制造出零件要经过以下几个过程： ( 1 ) 建立三维模型。快速原型制造不需要编制其它的程序，可由三维模型直接驱 动，因此首先要建立所要加工工件的三维c a d 模型。该三维模型可以通过p r o e 、 s o l i dw o r k s 、u g 等计算机辅助设计软件进行构建，或对产品实体进行激光或c t 断层 扫描，通过反求工程间接构造三维模型。 ( 2 ) 三维模型的近似处理。由于快速原型制造多用于加工复杂零件，而复杂零件 中的一些不规则的自由曲面会给后续的数据处理工作带来很大困难，因此加工前要对模 型进行近似处理，即将原文件转换为s t l 格式文件。s t l 文件格式简单、实用，它采 用拼接一系列小三角形平面的方式来逼近原来的模型，以坐标和法向量来描述每个小三 角形，而预期达到的精度则决定着三角形大小的选择。目前也因其实用性与高效性成为 了快速原型制造领域的标准接口文件，一般的建模软件都可以直接输出三维模型的s t l l 绪论 格式文件。 ( 3 ) 切片处理。在进行切片处理之前，首先要选择合适的加工方向，这需要参照 所设计三维模型的特征，然后在成型高度方向上用一系列具有一定间隔距离的平面切割 经过近似处理后的模型，从而提取每一层截面的轮廓信息。较小的切面间隔可以提高成 型精度，但会增加成型时间，降低了加工效率，反之则精度低，但效率高。间隔一般取 常用值0 1 m m 。 ( 4 ) 成型加工。计算机根据由切片处理获得的截面轮廓信息，控制激光头或喷头 按各截面轮廓信息进行扫描，从而固化或粘接一层层的材料，逐层叠加最终得到原型产 品。 ( 5 ) 后置处理。这是成型后对制件进行的提高强度以及降低表面粗糙度的处理。 例如s l s 工艺的后处理工艺是指烧结的原型件从s l s 成型系统中取出，先进行清理， 以清除敷粉，获得干净的成型件，再对原型件进行渗树脂、渗蜡或二次烧结后进行固 化、修补、打磨、抛光等工序r 丌，这样可以进一步提高其强度。 1 1 1 2 快速原型制造技术特点 ( 1 ) 可以加工任意形状几何实体。由于采用“分层制造”的成型原理，将复杂的 三维制造过程转变为简单的二维制造，不受传统加工刀具无法到达某些形面的限制，从 而实现对复杂型腔、复杂型面等任意复杂形状零件的加工，这也充分体现了r p 技术的 优越性及其巨大的加工能力【引。 ( 2 ) 快速性。r p 技术只需将设计好的三维模型导入r p 系统，其后续的分析、加 工制造便可以自动完成，在短时间内完成c a d 模型的修改或重组、获取加工信息、完 成加工制造，这是快速原型制造的一个突出特点。 ( 3 ) 高度柔性。整个加工过程无需支撑，无需任何专用夹具或工具，加工制造均 采用计算机数字控制，无需或只需少量人工干预，体现其高柔性的特点。 ( 4 ) 快速成型技术实现了多学科的交叉，集众多领域大成于一身，实现了设计与 制造、机与电的一体化。 1 1 2 快速原型制造技术的分类 到目前为止，已有十几种不同的成型方法和工艺，相对较为流行的是： ( 1 ) 立体光刻造型( s l a ，s t e r e o - l i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ) 。s l a 工艺是c h a r l e sh u l 1 9 8 4 年获得的美国专利，1 9 8 8 年美国3 ds y s t e m 公司推出商品化样机s l a i 嘲。s l a 技术利用了液态光敏树脂在激光或紫外光作用下发生聚合的工作原理，根据系统获得的 逐层轮廓信息，以扫描的方式有选择、有规律的固化一层一层的液态树脂，通过工作台 的下降，完成层层叠加，最终形成三维实体。 s l a 工艺成型精度较高，加工精度一般可达到0 1 m m ，加工过程中不会产生废料， 原材料利用率较高。这种方法自身的局限性在于需要支撑、树脂收缩可能会导致精度下 降，并且光固化树脂具有一定的毒性。 东北林业大学硕卜学位论文 ( 2 ) 分层实体制造( l o m ，l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r e ) 。l o m 工艺是美国 h e l i s y s 公司的m i c h a e lf e y g i n 于1 9 8 6 年研制成功的【1 0 】。它采用激光或刀具切割一层一 层的箔材而获得每个层面。具体的说，首先按照分层信息切割出工艺边框和原型的边缘 轮廓线，然后将不属于原型件的材料切割成网格状，通过升降平台的下移和箔材的送 给，可以完成新层片的切割，再由加热滚使其与原有的层片粘接在一起。最后去除原型 件以外的其余材料，最终获得所需的三维实体。常用的箔材有涂覆纸( 涂有粘接剂覆层 的纸) ，涂覆陶瓷箔、金属箔或其他材质基的箔材。 l o m 工艺只需按截面轮廓在片材上进行切割，而不用扫描整个截面，因此对于成 型厚壁零件显示出了独特的速度优势；成型过程是单纯的物理变化，不存在材料的相 变，可避免较高的翘曲率；并且加工过程无需支撑。它的缺点是材料浪费严重，表面质 量相对较差。 ( 3 ) 选择性激光烧结( s l s ，s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ) 。选择性激光烧结( s l s ) 由 美国德克萨斯大学奥斯汀分校的c r d e c h a r d 于1 9 8 9 年研制成功【l l 】。它采用激光器作 能源，使用各种粉末材料作为成型的原材料。其工作过程为：首先使用三维软件构造零 件的三维模型，并获取s t l 文件，然后对所设计的模型进行分层切片处理，获得每一 加工层面的轮廓信息，通过系统的转换变为电信号来控制激光扫描系统。铺粉辊筒将成 型粉末均匀地铺在工作台上，由计算机控制激光束按照零件分层轮廓信息有选择地进行 烧结，被激光束照射的粉末熔化并在随后的冷却过程中粘结在一起【1 2 1 ，这就完成了一个 层面的加工。逐层铺粉，逐层扫描烧结，直到完成最后一层的加工，制造出三维实体模 型。烧结结束后取出成型件，清除多余粉末，再进行打磨、烘干、渗蜡等后处理便可获 得满足一定要求的零件。 s l s 工艺的最主要的特点是原材料选材广泛，可以根具不同的需要制造塑料零件、 陶瓷零件，特别是可以直接使用的金属零件，并且s l s 工艺无需支撑，因此不需专用模 具，加之材料利用率较高，使得s l s 工艺极具吸引力并得到广泛认可。 ( 4 ) 熔融沉积制造( f d m ，f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ) 。f d m 工艺是由美国学者 s c o t tc r u m p 于1 9 8 8 年研制成功的【l3 1 。它将热熔性材料( a b s 、尼龙或蜡) 通过加热器熔 化，挤压喷出并堆积一个层面，然后将下一个层面用同样的方法制造，并与前一个层面 熔结在一起，如此层层堆积而获得一个三维实体。 ( 5 ) 三维打印工艺( 3 d p ，t h r e ed i m e n s i o np r i n t i n g ) 。三维打印工艺首先由美国麻 省理工学院e m a n u a ls a c h s 等人提出并研制成功b 4 。三维打印采用喷墨打印机的原理， 通过控制喷头按指定路径将液态粘结剂( 如硅胶) 喷在预先铺好的粉层或薄层的特定区 域上，实现层内材料的粘结，逐层叠加后形成三维实体。也可以直接逐层喷涂熔融态的 陶瓷或其他材料粉浆，逐层叠加后经硬化获得成型件。 1 绪论 1 1 3 快速成型制造技术的国内外研究现状及发展趋势 1 1 3 1 快速成型制造技术的国内外研究现状 通过近2 0 年的发展，采用离散堆积加工方式的快速成型制造技术已成为一种全新 的制造行业。对于快速成型制造技术的研究工作，美国、欧洲和日本较早开始。2 0 世纪 8 0 年代初，日本名古屋工业研究所以及美国的3 m 公司和u v p 公司分别提出了将光敏 聚合物作为原材料制造三维物体的快速成型概念，随后u v p 公司开发了光固化快速成 型系统( s t e r e o l i t h o g r a p h ya p p r a t u s ) ，于1 9 8 6 年将该技术申请了专利，并建立了3 d s y s t e m 公司，1 9 8 7 年，第一套应用光固化技术的设备s l a 成功问市。其他r p 制造商 还有美国的h e l i s y s 公司提供l o m 工艺，美国d t m 公司提供s l s 工艺快速成型设备， 美国z 公司提供3 d p 工艺快速成型设备，日本的旭电化公司，瑞士的c i b a - g c i g y 公 司，三洋化公司等。 各国政府逐渐地看到了r p 技术的巨大优势及其发展速度，对其高度重视，并纷纷 确立了一些r p 重点研究项目进行资助。 为了推动r p 学术研究与应用开发研究，美国国家自然科学基金委员会a r p a ( a d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ) 和其他联邦委员会都向一些大学、公司提供资助和 贷款等。例如，许多大学的r p 研究课题均得到n s f 的资助；a r p a 还资助一些公司和 研究机构深入研究如何应用r p 方法较经济地制造无污染的陶瓷成型零件技术；m i t 研 究3 d - p 技术的课题组也得到了相应资助。 欧共体也设立过多个针对r p 的项目计划以扩大和深化r p 技术在欧洲的研究、开 发和应用。如，受欧共体支持的e a r p ( e u r o p e a na c t i o no nr a p i dp r o t o t y p i n g ) 的宗旨就是 鼓励和促进其成员间进行技术信息共享和在r p t ( r a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ) 领域 r & d 合作，其中的“w o r k a r e a ，m e d e a r p ”就是专门支持r p 在医学上应用的项目。 国外许多科研机构也对快速成型制造技术进行了研究。如麻省理工学院进行了3 d p 工艺的研究，d a y t o n 大学进行了l o m 工艺的研究，密西根州立大学进行了金属直接成 型技术研究，其他如日本东京大学、挪威技术学院等高校都进行了各种成型工艺的研 究，成效显著。 2 0 世纪9 0 年代初，我国也开始了快速成型制造技术的研究，并取得了丰硕的成 果。针对s l a 、l o m 、f d m 等多种成型工艺的研究工作由清华大学开展，同时开发了 多功能快速成型机；西安交通大学开展了s l a 工艺的研究，成功开发了l p s 系列和 c p s 系列的快速成型机；华中理工大学进行了l o m 工艺的研究，研制了z i p p y 快速成 型系统：北京隆源公司开发了基于s l s 工艺的a f s 快速成型机，并且成功开发了成本 低廉、性能优越的光敏树脂；南京航空航天大学也展开了对于s l s 工艺及设备的研究工 作。其他如上海交通大学、浙江大学、重庆大学、东北林业大学、大连理工大学都在进 行快速成型工艺的相关研究。 我国对于快速成型技术方面的研究也是从引进并吸收国外技术开始的，随着对该技 术的不断了解与掌握，少部分大学和科研机构开始了相关的创新研究，在国家8 6 3 计划 东北林业大学硕 = 学位论文 的支持下，中国科学院沈阳自动化研究所快速成型实验室开展了纳米晶陶瓷材料、金属 材料、异质材料( 复合材料和功能梯度材料等) 等快速成型技术的研究工作，取得了一定 的成果。 1 1 3 2 快速成型制造技术的发展趋势 快速成型制造技术的发展趋势主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 金属及陶瓷材料等高强度材料的研究。从2 0 世纪8 0 年代快速成型制造技术 产生以来，所进行的成型工艺研究主要是围绕树脂、塑料、纸、蜡等较易成型的材料， 但因为成型材料各自的局限性，使其进一步扩展变得困难。目前，直接使用金属、陶瓷 等原材料制造功能零件成为快速成型制造技术的研究重点。， ( 2 ) 提高成型精度。数学建模误差、工艺误差以及材料相关误差是影响成型件精 度的三个主要因素，进一步优化相关参数，减少误差，可以得到高精度的成型件。 ( 3 ) 开发新型材料。成型件性能不理想，必须通过后置处理或进行二次加工提高 其性能和强度，满足使用要求，这是目前大部分快速成型原材料的弱点之一。另外，原 材料价格高增加了生产成本也是制约该技术发展的主要因素。所以，在成型设备发展相 对完善的今天，研发经济实用，即低成本，且具有较好成型性能的新型材料是目前快速 成型制造技术能否展业化生产的主导因素。 ( 4 ) 成型设备小型化。当前，制造高精度、高性能零件的工业化大型系统是快速 成型技术的主要研究内容，并主要用于汽车行业，提高制造业的竞争能力，进而增加经 济效益。在这方面，日本东京大学做出了卓有成效的努力，我国清华大学也研发出世界 之最：成型尺寸1 6 0 0 h m 8 0 0 m m 7 5 0 m m 的大型快速成型设掣”】。 为了使该技术得到更广泛的发展，成型设备小型化是当下快速成型制造技术的又一 发展方向，主要开发实现制造概念原型的具有打印机体积的概念模型机或台式机，从而 可进行快速加工制造测试件、展示模型或教学模型。这样的小型快速成型制造设备目前 已经走入发达国家教育单位、科研机构( 如i b m 公司) 及部分学校，并极有可能被设计人 员或普通家庭所拥有，满足不同的需求。 1 2 选择性激光烧结成型技术的研究现状 选择性激光烧结( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ) 作为快速成型制造方法中的一种，因其成 型原材料选择广、加工设备为计算机控制的通用机床、无需支撑、并且可使用不同材料 制造不同用途的零件，己经受到越来越多的国内外r p m 工艺研究单位的广泛关注，加 快了该技术的发展进程。 目前，可以应用于选择性激光烧结成型加工作为原材料的主要有：金属粉末、金属 覆膜粉末、高分子粉末、陶瓷粉末以及蜡粉等。该项加工技术可以在短时间内将三维 c a d 模型直接转化为实体零件，并且加工过程几乎不需人工干预，自动化程度高。 1 2 1 选择性激光烧结成型过程 选择性激光烧结( s l s ) 成型的主要原理如图1 2 所示。其主要组成部分有：激光 1 绪论 器、振镜、铺粉辊筒、左右供粉缸、中间工作区。其工艺过程二 三要分为三个过程： 图1 2s l s 成型系统原理图 ( 1 ) 前置信息离散处理过程。首先将已建好的c a d 三维模型转换成s t l 格式文 件。再用离散( 切片) 软件( 如p o w e rr p ) 对s t l 文件进行离散，得出一系列具有确定 厚度的仃序片层，或者直接从c a d 文件进行切片，得到每加：i ：层面的相关信息，并 将其转换为电信号从而用于控制激光扫描系统。将这些离散的片层按次序累积叠加起来 仍可复原所设计的零件模型 i6 l 。然后，通过计算机将所获得的片层信息传送到成型系统 巾，进而可以控制激光器f j j 规律地进行逐层扫描。 ( 2 ) 叠加成型加工过程。成型系统的主体结构是舀l 个封闭的成型审。 j 安装自3 个缸体活塞机构，两侧用于供粉，中问的是成型的加1 1 - 1 区。激光器作能源，首先铺粉辊 筒在工作台上均匀铺上一层很薄的加工材料粉末，激光器在计算机控制下发出激光束， 按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，被照射的加工材料粉末瞬间熔化并在随后的冷 却过程中粘结在一起，这就完成了一个层面的加b 逐层铺粉，逐层扫描烧结，直到完 成最后一层的加工，制造出三维实体模型。 1 2 2 国内外选择性激光烧结用原材料的研究进展 1 - 2 - 2 1 国外发展的现状 由于s l s 技术的种种优l i ，日外许多机构正争棚的进行研究和开发。刁i i j 的材料对 应着不同的加j 丁工艺，目前，成型材料j 成型j ：艺仍然是罔外的两个t 要研究领域。在 材料方面，d t m 公司一直处于领先地位，其研发的d u r af o r mg f 材料可用于生产高精 该小节本人曾发表于材料开发 j 应用， 2 0 1 0 ，2 5 ( 5 ) ：7 8 8 l ，题目为选择性激光烧结用原 材料研究进展。 东北林业人学硕f 与位论文 度、高表面质量的制件：s o m o s 2 0 1 足最新开发的耐高温、抗腐蚀的原型材料，属于弹 性聚合物，与橡胶类似，町用于制造柔性零件，如汽车卜的蛇型管、密封挚和门封等， 达到防泄露的目的：r a p i dt o o l2 0 是一种不锈钢粉末，常用于制造的模具可生产1 0 力 件注塑件【1 7 ，烧结该材料的制件，其收缩率仅仪为o 2 ，且具有较高的成型精度，表 i 丽质量可以达到儿乎不需后续抛光处理工序的程度。d t m 的另一种材料为 p o l y c a r b o n a t e 铜尼龙混合粉末，主要【j 以用于制作小批量的注塑模。e o s 公司开发了 一种新的类似于d t m 的d u r af o r mg f 的尼龙粉末材料p a 3 2 0 0 g f ，用这种材料制作的 零件也可以达到比较理想的精度和表面质量】。 1 - 2 - 2 2 国内发展状况 在9 0 年代中期国内开始着眼于s l s 技术，并从激光烧结成型设备与成型材料两个 方面展丌了相关的研究。主要的单位有：华中科技大学、中北大学、北京隆源公司等。 由于发展的时间比较短，与国外相比，在成型材料与成型工艺的研究方面还有很大的提 升空问。 在材料方面，同前主要有以下几种： 表1 1 国内主要s l s 技术研发单何材料开发情况 ( 1 ) 金属材料 目前应用于选拌性激光烧结的金属材料主要有：单一金属粉末：金属与低熔点 金属粘结剂的混合粉未；金属i j1 , j 机粘结剂的混合粉末【似】。山丁单一金属性能单， 激光烧结以后不能够达到所要求的指标，故在研究中通常采用后两种形式的混合金属粉 末。 图1 3 激光烧结方法制造的钼铜合金和彳i 锈铡零件【1 9 1 上海海事大学对于f e c 粉末进行了激光烧结实验，发现对1 ：f e 含量9 9 6 、c 含 1 绪论 量o 4 的f e c 混合粉末，激光功率4 7 5w 、扫描速度0 3m s 、扫描问距0 1m m 、切 片层厚0 2 5m m 可以烧结出具有定精度、致密度的复杂金属零件。根据烧结过程产生 的液相黾及致密化引起的成型增长方向的收缩，推导了f e c 烧结件的相对密度模型， 该模型反映了烧结二 艺参数与烧结致密度的关系引。 中北大学使用m o c u 会属粉末进行了激光烧结实验，在成形过程中，选择了 1 5 0 w 的激光功率、1 0 0 0 m m s 的扫描速度、0 1 m m 的扫描问隔等加工参数得到了烧结 密度为6 5 1 9 c m 3 、翘曲变形为0 0 2 8 r a m 的毛坯件，毛坯件经过脱脂、高温烧结以及溶 渗三次后处理后，合金密度可达9 7 6 9 e r a 3 ，拉伸强度超过了4 8 0 m p a ”，2 0 1 。 金属材料的使用，现在已经接近商业化【2 1 1 ，但是目前仍无法满足使用要求，加之该 材料的成本与制备费用价格昂贵，因此获得最佳的加工参数和后处理方案是f i 前研究的 方向【2 2 1 。 ( 2 ) 聚合物材料 全世界对于聚合物的研究主要集中在聚苯乙烯( p s ) 、聚碳酸酯( p c ) 、尼龙 ( p a ) 以及：_ i ：程塑料( a b s ) 、聚丙烯( p p ) 等4 个方面【2 3 ，2 4 1 。目前，对于纯的p s 粉 末进行烧结得到的原型件变形率较大【25 1 ，因此现在所使用的均为p s 的混合粉末( p s 、 滑石粉、氧化铝、碳酸钙) ，这样的混合粉末进行激光烧结，试样在长、宽、高方向收 缩率分别为0 、0 、0 1 ，翘曲率为0 1 ，孔隙率为2 8 ，达到了所需要的质量【2 6 | 。 尼龙因其有固定的熔点，适当的分子量并且有较高的强度，成为国际上研究的热点 之一。日前，使用p a l 2 进行s l s 所得的原型件，强度可达6 0 m p a ，但是它的收缩变形 较大，这也是当今研究的一个重点。所以，华中科技火学使用了聚苯乙烯聚酰胺2 1 2 合金( p s + p a l 2 ) 进行s l s 试验，所得的原型件虽然强度有所下降，但是变形量却很 小，成形精度比p a l 2 高。 图1 4 激光烧结制造的p p 复杂f ，l ：和尼龙金属零f l ：【2 7 k lb 仃对于二p p 的研究4 i 是很“泛，华中科技大学、北京隆源、哈尔滨理工大学对f 此种材料的烧结进行了相关的研究，原型件的变形量较小，翘曲量为0 1 2 2 m m ，长宽尺 寸相对误差分别为2 1 5 3 和2 1 9 7 。强度较低，原型件也只能作为展示和教学之用 【2 7 】 o 东北林业大学硕i j 学位论义 ( 3 ) 陶瓷材料 常用的陶瓷材料主要有s i c 和a i ，o ，。由于烧结温度很高，所以不能够用激光直接 烧结，需要加入粘结剂，从而制成陶瓷生坯，然后通过后处理去除粘结剂，最后得到最 终陶瓷原型件。国外t f r i e d e l 等对s i c 与有机聚合物的混合粉末进行了烧结研究【2 引。 国内的南京航空航天大学、大连理工大学、上海交通大学研究了a 1 ，o ，与n h 。h ，p o 。 的激光烧结，经过二次烧结后处理，可以得到强度较高，密度分布均匀的原型件【29 1 。南 昌航空工业学院对a i ，o ，p s 复合材料进行了研究，原型件的翘曲变形量不大于 0 3 m m ，体积密度不小于o 9 6 9 c m3 。缺【_ l 冲击韧性的提高幅度大约为2 0 - - - 5 0 ，最 大缺口抗击强度达到1 0 5 k j m2 ，并且韧性也有所提高【3 0 3 l j 。 图1 - 5 激光烧结金属陶瓷制造的零件 1 2 1 3 选择性激光烧结技术的发展趋势 选择性激光烧结技术经过十几年的不断发展和完善，已经在原材料的研究上取得一 定的成绩，拓展了该技术的材料家族。同前已有少数s l s 材料达到了商品化程度，但仍 有一部分材料在成茸! 件精度、强度、耐久性和成小等方面还不能达到一定的要求，从而 制约了s l s 技术的进一+ 步推一并最终达到，垃业化。因此对于s l s 技术仍然需要不断的 研究和探索，特别是研发新型材料迫在眉捷。原材料选择广泛是s l s 主要的特点之一。 当下已有许多成功用于成型加工的材料，并可以获得性能较好的成型零件。但是价格一 般都比较昂贵，就日前作为选择性激光烧结原材料的金属、陶瓷、高分子等，其中用于 制作模型件及消失模的聚丙烯( p p ) 粉价格最低，为1 2 0 元k g ，高昂的生产成本直接影响 s l s 被更好的应用，因此，推广s l s 技术，研发容易成型、小变形、高强度、无污染、 特别是低成本的新型材料势在必行。作为本文所研究的木塑复合材料，其丰要原料有木 粉、热熔胶p e s ，木粉价格为0 9 ) t ：k g 、热熔胶粉p e s 价格为2 8 元k g ，按1 ：4 的比例 混合后得到的复合材料价格约为2 2 6 元k g ，加上一t ：n , t 费，最终获得的原材料成本价格 在3 0 ；无k g 左右，相比于p p 粉，其牛产成本有了明显的降低。 1 3 项目研究的目的意义 如前所述，目前，选择性激光烧结所使用的原材料成本高成为制约其更加广泛应j 玎 i 绪论 的瓶颈，降低材料成本一直以来都是本领域的研究热点。 木塑复合材料是绿色环保的生物材料，力学性能好，硬度高，抗老化、尺寸稳定性 好，容易着色，具有木材的质感，成本低廉，而且材料可循环利用。本文提出以木塑为 快速成形原材料，将降低快速原型制造的生产成本，解决快速原型制造设备买得起，用 不起的问题，成为现有快速原型制造原材料的补充，为快速原型制造材料家族增加新成 员。同时，使其应用领域得到扩展，从贵族走向平民化，使普通企业、中小型企业科研 和教学单位及个人用户也能享受快速原型制造带来的便捷，加大开发新产品的速度，为 科技创新提供手段，实现“所想即所得”。 木塑快速原型件可以作为概念模型和测试模型；可作为原型制成所需零件的凹模； 也可处理后直接作为木模、拉延模具、注塑模具和功能零件使用。因而可广泛用于与制 造相关的各个领域和从初级到高级的各层次教育领域，使得低成本的原料能用于高附加 值的先进制造技术中。 1 4 项目来源 该研究得到了国家自然科学基金项目：基于木塑复合材料的选择性激光烧结成型机 理与多场耦合作用( 5 1 0 7 5 0 6 7 ) 、黑龙江省科技攻关项目：基于木粉的快速原型制造工 艺及关键技术研究( g c 0 7 a 5 1 0 ) 、博士后基金以及东北林业大学研究生论文资助项目的 资助。 1 5 本文研究的主要内容 本文主要研究以下几个内容： ( 1 ) 研究用于快速原型制造的木塑复合材料的成份与配比，通过优化实验设计的 方法进行实验研究，通过对比，分析各成份作用，最终获得具有一定强度，可以满足一 定力学要求的成型件。 ( 2 ) 研究木塑复合材料在激光照射下的成型过程，研究激光照射下，胶粉颗粒达 到热熔状态，液相流动，渗入到木纤维周围将其包裹，继续融化填补空隙，流入下层空 隙，凝结的过程：研究加工参数( 包括激光强度、预热温度、扫描速度、扫描间距、扫 描轨迹等) 、加工条件( 包括分层厚度、材料种类、主辅料几何尺度、成份配比等) ，对 成型过程以及成型精度、成型件强度的影响。 ( 3 ) 研究提高成型件力学性能和形状精度的后处理工艺方法。研究后处理中加工 条件和加工参数对成形精度、表面质量、强度和韧性等性能的影响。对于成件型进行微 观观察，并检测其强度，韧性等力学性能以及表面粗糙度，通过数据的对比，获得适用 于木塑复合材料选择性激光烧结成型件后处理的材料及工艺流程，使成型件可以满足一 定的应用要求。 东北林业大学硕七学位论文 2 选择性激光烧结用木塑复合材料的设计与制备 2 。1 选择性激光烧结对于材料的要求 离散堆积是选择性激光烧结快速成型技术的基本原理，所谓离散是指对三维模型 进行前期的“分层切片 处理从而获得每一层的轮廓信息并作为系统的控制信息；而堆 积则是指粉末材料在红外波段激光的作用下彼此粘结，逐层叠加，最终形成三维实体的 过程。用于成型的材料在该技术中占有举足轻重的地位。 选择性激光烧结是以激光作为热源加热成型材料，所以原则上任何可以在加热作用 下融化粘结的粉末材料( 高分子材料、陶瓷、金属及其复合材料等) 均可作为成型材 料。这也正是选择性激光烧结成型s l s 的最显著的特点，即成型材料广泛p 2 3 3 l 。 2 1 1 适用于选择性激光烧结的材料性质 粉末材料作为选择性激光烧结的关键组成部分，其性能影响着整个烧结工艺过程、 成型件的精度以及机械强度。真正适合于选择性激光烧结的材料需要具有以下性质： ( 1 ) 良好的润湿性。针对于复合材料粉末，最少由两种成份混合而成，其中一种 熔点相对较低，另一种相对较高或没有熔点，在激光烧结过程中，便存在着固相和液相 两种形式，由于激光的作用时间相对较短，液相物质需要能够迅速地浸润固相物质、将 其包裹并彼此粘结形成一体。为了获得高密度、高强度的成型件，两种物质的润湿性显 得尤为重要，同时也需要控制激光扫描速度以及预热温度来提高这种性能。 ( 2 ) 热吸收性。选择性激光烧结所采用的是c o ，激光器，其波长为1 0 6 脚，因 此要求材料对于此波段激光有较强的吸收性，这样才能使粉体在较高的扫描速度下迅速 熔化和烧结。 ( 3 ) 粘度。由于粘度是控制材料收缩率和溶渗率的重要参数，因此应用于选择性 激光烧结复合材料中的低熔点组成物质需要有相对较低的粘度，这样在加热的过程中， 可以很好的流动，将固相物质包裹，并有易于彼此的粘结。 另外要求粉末材料具有良好的热塑( 固) 性，并有一定的导热性，这样可以很好地传 递热量，粉末经烧结后得到的成型件要有足够的粘结强度；粉末的粒度不宜过大，否则 会降低烧结成型件的质量，一般要求小于0 0 5 m m 0 1 5 m m 【3 4 】；同时s l s 材料“软化固 化 温度范围不易过大，会影响制件精度。 2 1 2 木塑复合材料选择性激光烧结的特点 由于设备、烧结工艺的限制，大多数高分子粉末材料的烧结件具有较高的孔隙度， 大大降低了烧结件的强度，因此不能作为塑料功能件直接使用，需要经过后置处理工艺 来提高强度。本文所设计的木塑复合材料主要由热熔胶聚醚砜p e s 和木粉及其它添加剂 组成。同时对其激光烧结成型件的成型工艺进行研究。 2 选择性激光烧结用木塑复合材料的设计j 制备 不同于金属粉末烧结，在烧结过程中，烧结成型区在预热和激光加热的作用，木塑 复合材料以点面接触的粉末颗粒彼此粘结。热和激光的作用使得热熔胶粉末部分熔 化，发生粘性流动，将木粉颗粒包围，从而实现粉末粒子间的聚结。由于是部分的熔 化，这使得由木塑复合材料烧结的原型件能够保持尺寸一定的精度。因此，凡是影响到 材料粉末熔点、烧结室温度、结晶度、粘度、分子量、结晶速度、粉末粒子粒径的因 素，都会对木塑复合材料成型件的质量产生重要的影响。加之木粉颗粒容易发生彼此粘 连聚集现象，从而影响了铺粉的均匀性，所以降低木粉之间的粘连性也是需要解决的问 题。 2 2 木塑复合材料的制备 2 2 - 1 材料的选择 木塑复合材料作为绿色环保且可循环利用的生物材料，其主要成份为碱化的8 0 1 0 0 目的杨木木粉和1 2 0 1 8 0 目的热熔胶p e s 粉末。另外，为了得到更适合于激光烧结且可 获得高精度，高强度成型件的原材料，需要加入适当的添加剂对其性能进行改进，主要 包括：降粘剂、偶联剂、引发剂、光稳定剂和有机填料。 2 2 1 1 木粉原料 木粉是木材经过精细粉碎而得来的粒度较小的粉末材料。它由无数不同形态、不同 大小、不同排列方式的细胞所组成。木材细胞的细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质 素3 种成份组成【3 5 】，其中呈微纤丝束状存在且不溶于