第3章 选区激光烧结工艺及材料

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科学技术创新2021.30基于选择性激光烧结聚苯乙烯基复合材料的实验研究

王凡（宝鸡合力叉车有限公司，陕西宝鸡721001）

随着现代制造工业技术的不断发展，传统的减材制造在某些领域中已经不能满足其发展的需求，因此基于三维数据模型的增材制造技术在近年来得到了快速的发展与进步[1]。其中选择性激光烧结技术（SLS）作为应用最为广泛的增材制造技术之一，其利用高能激光束的作用在三维数据模型的驱动下进行选择性的激光烧结可熔性的粉末材料，层层累加，从而完成相关零部件的制作[2]；在众多的选用材料中，聚苯乙烯及聚苯乙烯基复合材料因其成本低廉、制备工艺简单等优势在一定程度上得到了广泛的应用，例如常见的聚苯乙烯/碳纤维（PS/CF）、聚苯乙烯/玻璃纤维（PS/GF）、聚苯乙烯/芳纶纤维（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工艺的快速熔模铸造技术因其铸造精度高、铸件质量优以及材料利用率高等优势在铸造领域得到了广泛的应用，但其对于铸造模型的灼烧灰分残余的要求相对较高，一般要求不高于0.6%，因此在使用SLS工艺进行模型的制作时必须将其作为重要的衡量指标[4]。基于以上原因，本文基于SLS工艺对聚苯乙烯及聚苯乙烯基复合材料的成型过程及成型质量进行了研究，最终得出适合于快速熔模铸造的聚苯乙烯基复合材料。1实验1.1实验材料在材料的选用方面主要涉及以下两方面：首先是用来制备复合材料的基本材料的选用，该部分材料均为符合使用要求的基体材料与填料；其次是通过相关制备方式得到的均苯乙烯基复合材料。1.1.1基本材料聚苯乙烯：粒径75μm，3D打印专用型，深圳特

摘要：为了进一步探究选择性激光烧结工艺在快速熔模铸造领域中的应用前景，本文基于选择性激光烧结技术（SLS），以成型件的成型精度和成型强度作为衡量指标，对于聚苯乙烯基复合材料的SLS成型性能进行了研究，同时通过高温烧灼对各材料成型件的灰分残余量进行了测试。结果表明，在众多的聚苯乙烯基复合材料中PS/GF、PS/CF复合材料的成型精度最为优良，PS/AF复合材料的成型强度最为优良，而对于成型件的烧灼灰分残余而言，PS、PS/PE、PS/PC三种复合材料基本相当。

激光烧结技术的打印原理激光烧结技术是一种高精度、高效率的三维打印技术，其打印原理是利用激光器将粉末材料烧结在一起，形成一个3D物体。

该技术的主要特点是能够制造出复杂的形状和精细的结构，同时无需使用支撑结构，可以大大提高打印效率和产品准确度。

激光烧结技术的打印原理主要是通过激光束对烧结粉末进行加热和熔化，将粉末熔化成固体的形状，然后通过粉末层之间的粘结力将它们与下面的层结合在一起，从而形成一个三维物体。

这个过程可以让人们在不使用支撑结构的情况下打印复杂的形状和结构。

激光烧结技术的打印过程分为三个步骤：建模、准备和打印。

第一步是建模。

将3D CAD文件转换为可供激光烧结机使用的STL文件。

这个过程包括重新进行建模，以确保文件是可打印的。

第二步是准备过程。

这个过程主要包括准备烧结装备和烧结粉末。

烧结装备包括激光烧结机、激光头、平台和热源等部件。

而烧结粉末则包括聚合物、金属、陶瓷等多种类型的材料，可以根据不同的需求进行选择。

第三步是打印过程。

在这个过程中，激光头会按照CAD文件中的指令进行运动，并在所需位置进行激光照射。

当激光照射到粉末上时，粉末将会被加热并融化，形成一个薄层。

这个过程会重复进行多次，每一层的厚度可以根据需要进行设置。

每个烧结粉末的颗粒都会接触并粘在下面的烧结粉末上，这样便可以形成一个坚实的物体。

当打印完成后，需要进行后续处理，如去除多余的粉末和加热物体以确保其完全烧结。

激光烧结技术在制造业中具有广泛的应用，可用于汽车和医学设备的制造及航空航天等领域。

其高精度和高效率使其成为当今最流行的3D打印技术之一。

选择性激光烧结技术的研究现状与展望【摘要】选择『生激光加工是20世纪80年代末出现的一种新的快速成型工艺，它利用激光束烧结粉末材料制造原型，具有原料广泛、制作工艺简单、周期短等特点，在诸多领域得到了广泛的应用。

介绍了选择性激光烧结技术的原理、特点及实际应用，综述了选择}生激光烧结技术发展状况、存在的问题及研究热点。

键词：快速成形；选择性激光烧结；综述1引言20世纪90年代开始，随着世界经济竞争的日益激烈化和全球化，产品制造商们越来越需要以最短的时间制造出符合人们消费需求的新产品来抢占市场。

20世纪80年代末出现的快速成型(Rapid Prototyping，简称RP)就是在这样的背景下提出并逐步得以发展的。

RP技术是一种逐层零件制造工艺，它突破传统的材料变形成型和去除材料成型的工艺方法，使用近乎全自动化的工艺从CAD文件直接生产所需要的模型或模具，可以显著减少产品原型的开发时间和成本，极大的提高产品的质量，另外，RP制造过程中不需要任何传统意义上的工装夹具、刀具或模具即可制造出任何复杂形状的零部件。

因此。

RP技术在现代制造业巾越来越具有竞争力，有望成为21世纪的的主流制造技术。

目前典型的快速成型的方法有：光固化立体造型SLA(StereoLithography Apparatus)、分层物件制作LOM(Laminated ObjectManufacturing)、选择性激光烧结SIS(Selective LArSintering)和熔融沉积造型FDM(Fused Deposition Modeling)等。

各种RP方法具有其自身的特点和适用范围。

由于SIS工艺具有粉末选材广泛、适用性广、制造工艺比较简单、成形精度高、无需支撑结构、可直接烧结零件等诸多优点，在现代制造业得到越来越广泛的重视。

主要综述SIS技术的工艺原理、实际应用、发展历程和现状。

2 SLS技术的原理选择性激光加工(SLS)又称选区激光烧结是以C02激光器为能源，利用计算机控制红外激光束对非金属粉末、金属粉末或复合物的粉末薄层，以一定的速度和能龟密度按分层面的二维数据进行扣描烧结，层层堆积，最后形成成形件。

激光选区烧结技术的研究现状及应用进展文世峰;季羡泰【摘要】激光选区烧结作为3D打印技术的一种,具有操作简单、成形材料广泛、成形精度高等优点,被广泛应用于航空航天、生物医疗等领域的快速成形与制造.本研究简要介绍激光选区烧结技术的原理与特点,分析近年来在设备、材料与应用等方面的发展现状及发展趋势.【期刊名称】《苏州市职业大学学报》【年(卷),期】2018(029)001【总页数】7页(P26-31,71)【关键词】增材制造;3D打印;激光选区烧结;高分子材料【作者】文世峰;季羡泰【作者单位】华中科技大学材料科学与工程学院,湖北武汉 430074;华中科技大学材料科学与工程学院,湖北武汉 430074【正文语种】中文【中图分类】TP29增材制造(additive manufacturing，AM)技术又称3D打印，是一种集成了材料、数控加工、计算机等多种技术的先进制造工艺，是基于“离散—累积”的方式逐层成形零件。

与传统加工方式相比，3D打印不需要工装夹具，可加工任意复杂形状的零件，零件的设计不再受加工方法和装夹的限制[1-2]。

因此，3D打印被广泛应用于汽车、航空、航天、生物医疗、能源动力等领域。

激光选区烧结(selective laser sintering，SLS)，又称选择性激光烧结、粉末材料选择性激光烧结，作为3D打印技术的一种，与其他3D打印技术相比，具有工艺简单、用材广泛、制造成本低等特点[3]。

本文将重点介绍激光选区烧结技术的研究现状，包括设备、材料和应用等方面，最后对其研究趋势进行展望。

1 激光选区烧结技术原理及特点激光选区烧结技术(SLS)起源于20世纪80年代，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Deckard首次提出。

其工作原理如图1所示。

首先通过专用软件对零件的三维CAD模型进行分层切片处理，生成STL文件，文件中保存着各层截面的轮廓信息。

然后采用铺粉装置将粉末材料平铺在工作台上，再利用激光束的热作用，根据轮廓数据对目标区域内的粉末进行烧结，使其层层粘接堆积。

选择性激光烧结技术
佚名
【期刊名称】《军民两用技术与产品》
【年(卷),期】2014(0)5
【摘要】一、项目概述湖南华曙高科技有限责任公司（简称＂华曙高科＂）开发的选择性激光烧结（SLS）工艺成型过程是：将材料粉末铺洒在已成型零件的上表面,并刮平;用高强度CO2激光器在铺洒的新层上扫描出零件截面;材料粉末在高强度激光照射下烧结在一起,得到零件的截面,并与下面已成型部分粘接;当一层截面烧结完成后,再铺上新的一层材料粉末,选择性地烧结下层截面。

其原理是预先在工作台上铺洒粉末材料,激光在计算机控制下,按照界面轮廓信息,对粉末进行选择性烧结,然后不断循环,层层堆积成型。

【总页数】1页(P26-26)
【关键词】选择性激光烧结技术;粉末材料;成型零件;CO2激光器;计算机控制;选择性烧结;成型过程;激光照射
【正文语种】中文
【中图分类】TS65
【相关文献】
1.选择性激光烧结技术原材料及技术发展研究 [J], 杨洁;王庆顺;关鹤
2.选择性激光烧结技术在汽车空调试验领域的应用 [J], 周旭;岳双成
3.问：激光选择性烧结的特点是什么？应用激光选择性烧结技术对纳米粉末进行烧结其效果如何？ [J], 艾华
4.选择性激光烧结技术的应用及其烧结件后处理研究进展 [J], 吴芬;邹义冬;林文松
5.间接选择性激光烧结与选择性激光熔化对比研究 [J], 鲁中良;史玉升;刘锦辉;陈英;黄树槐
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华南理工大学学报(自然科学版)第35卷第3期Journa l o f South C hina U niversity o f Techno l o g yV o.l 35 N o.32007年3月(N atura l Science Editi o n)M arch 2007文章编号:1000-565X (2007)03-0022-06收稿日期:2006-02-20*基金项目:广东省科技攻关项目(2004A 10403004) 作者简介:吴伟辉(1979-),男,博士生,主要从事材料激光成型及合成研究.E-m a i:l wuw ei hui_068@163.co m选区激光熔化快速成型过程分析*吴伟辉 杨永强 来克娴(华南理工大学机械工程学院,广东广州510640)摘 要:分析了选区激光熔化的成型过程及成型机理,归纳了该工艺的技术特征,推导了温升与加工参数间的解析关系式,并据此优化了选区激光熔化快速成型的工艺.采用Cu -P 合金对成型工艺进行了实验验证,分析了扫描速度及激光功率对成型质量的影响,探讨了球化的成因及消除方法.结果表明,通过合理配置扫描速度、扫描间距、激光功率等加工参数,可以直接成型具有高致密性的金属零件.关键词:选区激光熔化;快速成型;金属零件;成型过程中图分类号:TG 665 文献标识码:A当前,快速成型技术正向直接制造金属零件的方向发展[1-2].选区激光熔化便是新出现的一种能直接成型高致密、高精度金属零件的快速成型技术.相对于目前常用来成型金属件的选区激光烧结技术,选区激光熔化技术克服了选区激光烧结技术不能采用纯金属粉末、成型致密性及力学性能差、后处理工艺复杂的缺点,采用的材料能扩展到多种纯金属或合金材料(如不锈钢、工具钢、钛合金等),成型件相对密度接近或达到100%,总体力学性能比采用铸造方法制成的金属件更为优异,尺寸精度及表面粗糙度好,仅需或无需简单后处理(如喷砂、抛光等)即可直接投入实际使用[3-7].目前,该技术在国外已得到了广泛重视,德国、日本、美国等国在这项技术上已取得了重大突破.但在我国,该技术的研究仍处于起步阶段[2,5,7].有鉴于此,文中分析了选区激光熔化快速成型的机理,归纳了其技术特征,并针对该技术中的难点展开了试验研究.1 选区激光熔化快速成型的工作原理选区激光熔化的工作原理[8-10]如图1所示.将所设计的三维模型进行切片离散及扫描路径规划,得到可控制激光束扫描的切片轮廓信息.随后,计算机逐层调入切片轮廓信息,通过扫描振镜,控制激光束选择性地熔化金属粉末,逐层堆积成与模型相同的三维实体.由于金属材料在熔化过程中易发生氧化,造成成型失败,因此,选区激光熔化过程在通有保护气体的密封成型室中进行.图1 选区激光熔化快速成型系统示意图F i g .1 Schem ati c diag ram o f rapi d proto typ i ng syste m w it h se -lecti v e lase r m elti ng2 选区激光熔化快速成型过程分析2.1 成型过程中的温升及影响温升的参数为得到致密的组织,选区激光熔化快速成型过程中,要求完全熔化选区内的金属粉末.金属粉末熔化与否取决于金属粉末的温升$T.为方便讨论,文中进行了以下假设:(1)聚焦后的光斑形状为圆形,且功率分布均匀;(2)如图2所示,以图中最大的、面积为A 的圆表示激光斑点的大小,光斑内平行于x 轴的直线上有一与激光光斑圆边相切的面积为d A (d A <<A )的区域,设激光照射到该区域上的能量全部被吸收,并全部用来使垂直于该区域的、深度为E 的小圆柱升温.图2 扫描过程中激光光斑的移动F ig .2 M ovem ent o f l aser spo t during t he scann i ng若激光扫描方向平行于x 轴,则面积为d A 的区域受激光照射的时间为t =D cos Hv, 0[H [180b .照射到面积为d A 的区域的能量为Q =4P pD2@d A @D cos H v =4P d A cos H pD v .以面积为d A 的区域为上表面,则深度为E 的小圆柱的平均温升可近似表示为$T =Q d m c p =Q Q d Vc p =4P d A cos HpDv Q d A E c p =4P cos HpDv Q E c p(1)式中,D 为激光聚焦光斑直径,v 为激光光斑扫描速度,P 为激光功率,c p 为材料比定压热容,Q 为粉末密度,m 为小圆柱的质量.由于激光光斑以速度v 向右扫描,当d A 趋近于无穷小时,可认为d A 代表了激光扫描经过的粉末区的任何一个点.因此,根据式(1)可以得到激光扫描经过任一点的温升与加工参数的关系.在成型过程中,激光光斑不断移动,要使粉末层上某一点达到熔点,粉末必须在激光作用时间内快速升温.由式(1)可知,可采取以下途径:(1)提高激光功率P;(2)降低扫描速度v ;(3)减小激光聚焦光斑直径D.在成型过程中,随粉末温升的不同,会相继出现固相烧结、液相烧结、熔化、汽化和等离子化等工作阶段[11-12].选区激光熔化快速成型过程可能发生熔化、汽化和等离子化3个成型阶段,成型中要求必须熔化扫描经过的金属粉末.2.2 成型难点分析选区激光熔化快速成型工艺的实现十分困难,其主要原因在于:(1)大多数金属的熔点都很高,要在选区内完全熔化金属材料,必须在成型过程中提供足够的能量,这要求激光束必须有足够高的功率密度;(2)金属材料在成型过程中,容易因液态金属表面张力而产生球化现象,导致表面凹凸不平,甚至无法成型;(3)金属材料的热传导率高,在成型过程中易产生大的温度梯度,使液态金属凝固后产生大的残余应力,导致成型件变形、断裂.2.3 成型工艺优化为在激光扫描过程中完全熔化选区内的金属粉末,要求扫描过程能使扫描所经过的金属粉末迅速升温并达到熔点以上的温度.如上所述,要快速升温,可采取提高激光功率、降低扫描速度和减小激光聚焦光斑直径3种方法.提高激光功率虽然可以使粉末快速升温,但热影响区也会相应增大,使成型件的变形量增大,不利于提高成型精度,甚至可能使成型件发生断裂,导致成型失败.降低扫描速度也不可行.这是因为,扫描速度过低会导致扫描的热影响区增大,不利于提高成型精度,而且过低的扫描速度(如每秒几十毫米)会使成型效率大大降低,从而失去了该技术的商业价值.有鉴于此,研究中采用减小激光聚焦光斑的方法来使粉末快速升温.同时,为提高成型精度和成型效率,还采用了功率不大于200W 的中低功率激光器,以快速扫描的方式成型.激光聚焦光斑直径的大小主要取决于激光的光束质量.光束质量越好(即光束质量因子越接近1),光束的聚焦性能就越好.选区激光熔化快速成型中要求选用具有良好光束质量的激光器[13].3 实验验证3.1 成型设备与实验条件采用以华南理工大学为主研制的激光选区熔化快速成型样机DM i eta l 240作为工艺试验平台.该设备的技术指标见表1.23第3期吴伟辉等:选区激光熔化快速成型过程分析表1 快速成型样机的技术指标T able 1 T echn i ca l i ndex es of rap i d proto t yp i ng m ach i ne名称指标激光器类型连续式半导体泵浦Nd :YAG 激光器激光器光束质量因子约等于2激光器平均输出功率100W 激光器最大输出功率200W 激光波长1.06L m 聚焦透镜焦距500mm 最大成型速度3m /s 激光聚焦光斑直径100L m额定成型尺寸80mm @80mm @50mm实验材料为铜磷合金,颗粒大小为75L m,呈球形分布.成型过程中采用氩气进行局部保护.在进行扫描速度、扫描功率对比实验时,采用在粉末上直接成型一层的方法.三维金属实体堆积成型在A3钢基板上进行,成型后的组织采用200倍显微镜观察.3.2 单层熔化成型实验3.2.1 扫描速度对成型质量的影响图3是不同扫描速度下的单层熔化成型试样.由图3可见,在低的扫描速度下,试样表面相当粗糙,熔池沿扫描方向分裂成多个椭圆形长条,扫描速度越低,分裂越严重.图3 扫描速度对球化的影响F i g.3Infl uence o f scann i ng speed on balli ng激光功率:100W;材料:C u -P 合金分析认为,金属在从熔化到凝固的过程中发生了球化.球化是由于熔化的金属材料不能润湿下层的基础,液体上的表面张力试图将金属材料变成球体而引起的.如图4(a)如示,如果液体材料与固体材料不能完全润湿,则刚开始时,固-液-气三界面处于不平衡状态,液面将会作相应调整,最终与固体表面以一个接触角H c 相交(如图4(b)所示).图4 选区激光熔化过程中发生球化的示意图F i g .4 Ske tch of ba lli ng in se l ective l ase r m elting pro cess角H c 的大小符合杨氏方程,但是杨氏方程所表述的是平衡状态下的熔池状态,实际熔池从初态到终态的变化由界面间所做的粘附功决定[14].以C sl、C sv 和C lv 分别表示固-液、固-气和液-气界面的表面张力,若粘附功$G =C sl -C sv >0,则液体不能润湿固体,液态金属出现向球形收缩、使表面积达到最小的趋势,这时就发生了球化现象.粘附功越大,发生球化的趋势越明显,当$G =C sl +C lv -C sv >0时,液态金属就会完全收缩成一个球.球化过程需要一定的时间,如果金属的冷却速度大于球化速度,则会大大消除球化现象.基于这一思路,文中考察了不同扫描速度下的球化情况.由图3(b)、3(c)和3(d)可以看出,随着扫描速度的提高,球化现象大大减少.分析认为:当扫描速度增幅不大时,球化程度的降低主要是由熔化量的减少引起的;当扫描速度增加到较大值时,冷却速度渐24华南理工大学学报(自然科学版)第35卷渐赶上球化速度,熔池来不及完成球化过程就凝固了下来,使球化现象进一步减少.当扫描速度达到1m /s 时,球化对成型表面质量的影响就变得很微弱了.图3(a)表明,沿激光扫描方向发生的球化最为明显,试样表面形成了很多凹坑,而在水平方向几乎看不出球化.这是由于激光扫过粉末时,铺粉厚度相当于无穷大,扫描速度又低,使激光束在某点粉末上停留的时间过久,金属粉末吸收的能量过大,将该点周边的粉末相继吸进熔池,熔液受表面张力作用收缩成椭圆状.当激光束移动到下一个位置时,该处粉末量不足,就形成凹坑[15].在水平方向,由于相邻两扫描线间会发生部分重熔,因此在该方向几乎看不到球化现象(如图4(d)所示).但如果重熔量过多,会有部分熔液填补到凹坑中,形成网状凝固区域(见图3(a)中间部分).在相同激光功率下,采用很高的扫描速度,由于激光聚焦光斑直径很小,若扫描间距太大,会使相邻扫描线间无法连接.因此,成型过程中扫描速度与扫描间距要合理搭配.在分析扫描速度对成型的影响时,分别采用了011和0105mm 的扫描间距.图5所示为扫描速度对熔化深度的影响.由图5可知,随着扫描速度的增大,熔化深度以近似二次曲线的方式减小.在扫描速度相同的情况下,扫描间距小时熔化深度反而大.这是因为,在小的扫描间距下,相同面积区域激光经过的次数更多,使得热影响区更大,因此熔化深度也更大.图5 扫描速度与熔化深度的关系F i g.5 R elati onship bet w een scann i ng speed and m e lti ng dep t h激光功率:100W;材料:C u -P 合金在确定的激光功率与扫描间距下,一定的扫描速度对应着一定的熔化深度.因此,在成型过程中,设置铺粉厚度时要考虑扫描速度与扫描间距的配合,这样才能保证扫描过程不会出现因熔化深度不够而导致的断层现象.上述熔化深度是在粉层上实验所得到的数据.如果进行多层成型,由于粉末会铺在已成型好的实体上,而熔化固体比熔化粉末要消耗更多的能量,因此熔化深度会比直接在粉末上成型时小.3.2.2 激光功率对成型质量的影响图6所示为激光功率对成型质量的影响.由图6可知,当激光功率较低时,试样表面平滑,球化痕迹不明显.随着激光功率的增加,各道扫描熔化线凝固后渐渐收缩成一串串的球化珠,且功率越大球化珠直径越大,扫描熔化线断裂数越多.分析认为:激光功率增加会增大熔化的金属量,使得熔池表面积增大,这一方面使冷却凝固时间更长,有更充足的时间形成球化珠,另一方面,大的熔池固-液界面的表面张力C sl (见图4)也相对较大,使得熔液球化的趋势更明显.因此,出现了球化现象随激光功率增大而加剧的情况.图6 激光功率对成型质量的影响F i g .6Infl uence o f l ase r po w er on m olding qua lity扫描速度:015m /s ;扫描间距:0104mm;材料:Cu -P 合金由图6(c)和6(d)也可知,若激光功率太大,熔池表面积增大且冷却时间减慢,使球化更为严重,球化形成的不平坦表面也使熔液在未冷却前四处流淌,凝固后形成了很不规则的粗糙表面.因此,在不改变扫描速度的情况下,表面球化现象随激光功率的增加而更趋严重,表面质量更差.这不但会降低成型的精度,而且成型表面的凹凸不平在成型件中造成了大量的孔洞,使得成型件的致密性降低.因此,采用不改变扫描速度仅增加激光功率25第3期吴伟辉等:选区激光熔化快速成型过程分析的办法是不能得到良好的成型质量的.对比图3和图6还可发现,改变激光功率所引起的球化现象不如改变扫描速度的显著.因此,消除球化现象主要靠在成型过程中调整扫描速度来实现.3.3 三维致密金属零件堆积实验根据上述分析结果,对加工参数进行合理调配,按表2所列基本参数成型了一个三维金属零件.表2 加工参数表T ab l e 2 P rocessi ng para m ete rs参数名称参数值首层扫描速度0.2m /s 首层激光功率120W 第2~25层扫描速度0.7m /s 第2~25层激光功率75W 扫描间距0.05mm 铺粉厚度0.25mm 聚焦光斑直径约100L m由于基板为A3钢,与成型材料不是同种材料,且成型过程没有预热,因此,在成型首层时,采用了120W 的激光功率,以012m /s 的扫描速度成型,以保证首层与基板牢固结合,为后续各层的成型打下稳固的基础.为减小热影响区,后续各层采用的激光功率减小到75W.图7(a)为所成型零件的外观图.对比零件尺寸与模型尺寸发现,尺寸精度控制在?015mm 范围内,且零件形状完好,没有发生变形、断裂等现象.但由于铺粉厚度较大,为保证熔化深度,扫描速度未能达到上述分析的理想值,零件表面仍有少许球化现象.图7(b)为所成型零件的多层断面显微照片.该照片显示了多个图层,相邻两层间完全冶金结合,除有少许气孔和因夹渣而形成的孔隙外,绝大部分区域组织致密.通过估算孔洞面积占整体面积的比例,确定零件的相对密度为95%.4 结论(1)选区激光熔化快速成型过程中,应采用具有良好光束质量的中低功率激光器,以减小激光光斑的直径,实现快速升温.(2)单层熔化成型实验表明,提高扫描速度可以有效克服球化现象,但扫描速度太快会降低熔化深度.此外,小的扫描间距也有利于提高熔化深度.因此,在选区激光熔化过程中应当合理配置扫描速度和扫描间距.图7 所成型的致密金属零件F i g.7 H i gh -density m eta l pa rt fabricated by SLM材料:C u -P 合金(3)在单层熔化成型过程中,增加激光功率会使球化现象加剧,降低成型的致密性,但改变激光功率不如改变扫描速度引起的球化现象显著.(4)采用75W (首层为120W )的激光功率、以017m /s(首层为012m /s)的扫描速度成型了一个三维金属实体.分析发现,该实体相对密度达95%,相邻两层完全冶金结合,尺寸精度控制在?015mm 范围内.表明选区激光熔化工艺可直接成型出具有高致密性的金属零件.参考文献:[1] 王广春,赵国群.快速成型与快速模具制造技术及其应用[M ].北京:机械工业出版社,2004:1-10.[2] 冯涛.李志刚.快速成型与快速制模技术的最新发展)))Euro M o l d .2003考察报告[J].模具工业,2004,278(4):3-5.Feng T ao ,L i Zh-i gang .The 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Eng i neering ,South Chi na U niv .o f T ech .,Guangzhou 510640,G uangdong ,Chi na)Abst ract :The process and m ec hanis m of a rapid prototyping m ethod ,na m e l y ,se lective laser m e lting ,were ana -l y zed .The characteristics of th is m ethod w ere then su mm ed up and a m at h e m atica l expressi o n w as deduced to descr i b e the relationsh i p bet w een the te m perature rise and the processi n g para m eters .M oreover ,the proposed ex -pressi o n w as used to op ti m ize the rap i d prototyping process .Experi m entsw ere fina lly conducted to verify the proto -typing process w ith Cu -P alloy as the m ateria,l by w hich the i n fl u ences o f the scann i n g speed and t h e l a ser po w er on the m o l d i n g qua lity ,the reasons fo r m eta l ba lli n g and the m ethods to avo i d balli n g w ere discussed.The results i n dica te tha,t by reasonab l y ad j u sting the pr ocessi n g para m eters ,such as the scanning speed ,the scanning space and the laser po w er ,m etal parts w ith high density can be directly fabricated .K ey w ords :selective laser m e lti n g ;rapid pro totyp i n g ;m eta l par;t prototyping process27第3期吴伟辉等:选区激光熔化快速成型过程分析。

第 54 卷第 9 期2023 年 9 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.54 No.9Sep. 2023聚酰胺12/玻璃纤维复合材料选区激光烧结力学性能研究韦苑，李军超，赵泽，姚丁柔(重庆大学 材料科学与工程学院，重庆，400044)摘要：基于选区激光烧结工艺(SLS)，研究玻璃纤维(GF)含量变化对聚酰胺12(PA12)/GF 复合材料制件力学性能的影响。

首先制备具有不同GF 质量分数(10%~30%)的PA12/GF 复合材料试样，然后，基于力学性能测试和微观组织表征，系统分析GF 质量分数对烧结件力学性能与界面微观特征的影响规律。

研究结果表明：在相同工艺参数条件下(扫描速度为5 000 mm/s 、激光功率为37.7 W 、扫描间距为0.12 mm)，随着GF 质量分数增加，弯曲强度不断增大，拉伸强度先增加再减少，而冲击韧性却呈现单调递减的趋势。

GF 质量分数为10%的烧结制件综合力学性能最优，其拉伸强度和弯曲强度分别为48.65 MPa 和53.54 MPa ，相比于纯PA12分别提高了2.6%和12.0%，而冲击韧性则略有下降，为64.01 kJ/m 2；当GF 质量分数较高时，纤维拔出成为PA12/GF 界面破坏的主要机制，该机制会导致冲击韧性的降低，这一点与力学性能冲击韧性测试结果相符；GF 质量分数为10%时有助于提升材料结晶度，使得烧结试样在既保留聚酰胺基体相优势的条件下，又拥有GF 增强相的特点，同时，发挥聚酰胺基体相和GF 增强相的优势，从而呈现出良好的综合力学性能。

关键词：选区激光烧结；玻璃纤维；聚酰胺12；力学性能；界面中图分类号：TQ327 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2023）09-3444-09Selective laser sintering mechanical properties study of polyamide12/glass fiber compositesWEI Yuan, LI Junchao, ZHAO Ze, YAO Dingrou(College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)Abstract: The effect of variation of glass fiber(GF) content on the mechanical properties of the fabricated polyamide 12 (PA12)/GF composites was investigated based on the selected laser sintering process. Firstly, PA12/GF composites with different GF mass fractions(10%−30%) were prepared. Then, based on mechanical property testing and microstructure characterization, the influence of GF mass fraction on the mechanical properties and interfacial microscopic characteristics of sintered parts was systematically analyzed. The results show that at the same process parameters(scanning speed of 5 000 mm/s, laser power of 37.7 W, scan pitch of 0.12 mm),the收稿日期： 2022 −11 −13； 修回日期： 2022 −12 −28基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51775069) (Project(51775069) supported by the National Natural ScienceFoundation of China)通信作者：李军超，博士，副教授，从事增材制造装备及工艺研究；E-mail ：***************DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2023.09.006引用格式： 韦苑, 李军超, 赵泽, 等. 聚酰胺12/玻璃纤维复合材料选区激光烧结力学性能研究[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2023, 54(9): 3444−3452.Citation: WEI Yuan, LI Junchao, ZHAO Ze, et al. Selective laser sintering mechanical properties study of polyamide 12/glass fiber composites[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2023, 54(9): 3444−3452.第 9 期韦苑，等：聚酰胺12/玻璃纤维复合材料选区激光烧结力学性能研究bending strength increases continuously with the increase of GF mass fraction, the tensile strength increases and then decreases, while the impact toughness shows a monotonic decreasing trend. The overall mechanical properties of the sintered parts with GF mass fraction of 10% are optimal, with tensile and flexural strengths of48.65 MPa and 53.54 MPa, respectively, which are 2.6% and 12.0% higher than those of pure PA12, while theimpact toughness is slightly lower at 64.01 kJ/m2. The fiber pull-out becomes main mechanism of PA12/GF interface damage when the GF mass fraction is high, and this mechanism leads to a reduction in impact toughness, which is consistent with the mechanical properties impact toughness test results. The addition of 10% GF helps to enhance the crystallinity of the material, making the sintered specimens possess the characteristics of the GF reinforced phase while retaining the advantages of the polyamide matrix phase, and taking advantage of both the polyamide matrix phase and the GF reinforced phase, thus presenting good comprehensive mechanical properties.Key words: selective laser sintering; glass fiber; polyamide 12; mechanical properties; interface三维(3D)打印是固体自由形状的制造方法之一，它使塑造复杂的复合材料部件成为可能，这是传统的粉末成形技术无法实现的[1−3]。

激光选区熔化成形技术特点及零件特性分析摘要:本文通过对金属3D打印技术与铸造方法的差异分析，介绍了常见的四种金属3D打印技术方法，分析了激光选区熔化成形技术的相关特征及其优缺点，展望了激光选区熔化成形技术的发展方向。

关键词：3D打印技术；熔化成形；技术特点；特性分析1 概述现代3D打印技术问世于上世纪80年代。

该技术以数字化模型文件为基础，基于离散堆积原理，采用离散材料（液体、粉末、丝等），通过逐层累加的方式来制造任意形状的零件或物体。

从生产特征上来说，金属3D打印技术与传统的去除材料的机械加工方法截然不同，其最大差异在于“增材制造[1]”，但金属3D打印技术与铸造方法虽然生产特征也不同，但却非常接近，二者都是采用熔化的合金“堆积”来形成零件，只不过铸造“堆积”的是经过熔炼的均匀合金液且堆积材料连续并整体一致，而金属3D打印则是以瞬间熔化的合金液逐滴、逐条、逐层堆积，最后熔合在一起形成零件。

简单对比就可看出，金属3D打印零件的堆积方式不同于铸造，金属3D打印是逐滴、逐条、逐层堆积，是离散堆积，而铸造是连续堆积。

堆积方式不同必然对材料组织的形成产生影响，材料组织不同必将对应不同的性能特点，不同的性能特点则意味着不同的用途以及使用领域。

如何科学的评价这两种组织之间的差异以及给出金属3D打印零件是否可以替代之前采用的铸件对于普通零件设计者来说是一件相对复杂的工作。

但无论如何，分析金属3D打印零件的相关特征并给出其优缺点，无疑将对科学的选择和应用金属3D打印技术，并对金属3D打印技术的发展产生积极地意义。

2 常见金属3D打印技术简介常见的金属3D打印技术主要有电子束选区熔化成形、激光熔融沉积成形、电子束熔丝沉积成形、激光选区熔化成形[2]四种。

电子束选区熔化成形是在真空环境下以电子束为热源，以金属粉末为成形材料，通过不断在粉床上铺展金属粉末然后用电子束熔化，使一个个小小的熔池相互熔合并凝固，这样不断进行最后形成完整的零件实体。

5.1 SLS技术的发展概述选择性激光烧结（SLS）技术是由美国Texas大学的研究生Carl Deckard于1986年发明的。

美国Texas大学于1988年研制成功第一台SLS样机,并获得这一技术的发明专利,于1992年授权美国DTM公司(现已并入美国3Dsystems公司)将SLS系统商业化。

目前,德国EOS公司和美国3Dsystems公司是世界上SLS系统及其成形材料的主要提供商。

1994年在美国德克萨斯大学奥斯汀分校留学的宗贵升博士将美国的SLS技术引入中国。

与美国桑尼通材料有限公司联合成立了北京隆源自动成形系统有限公司，专门生产基于SLS装备。

华中科技大学从上世纪九十年末开始研发具有自主知识产权的SLS装备与工艺，生产出了HRPS 系列的SLS 成形机。

这两家单位的SLS成形设备及材料均已实现产业化。

国内研究SLS技术的还有南京航空航天大学、西北工业大学和华北工学院等单位。

同其它快速成形技术一样，SLS 技术采用离散/堆积成形的原理，借助于计算机辅助设计与制造，将固体粉末材料直接成形为三维实体零件，不受成形零件形状复杂程度的限制，不需任何工装模具。

5.2 SLS技术的成形原理SLS技术的基本结构和工作原理如图所示。

SLS技术基于离散堆积制造原理，首先将零件三维实体稳健沿Z向分层切片，并将零件实体的截面信息储存与STL 文件中；然后利用激光的热作用，根据零件的各层截面信息，将固体粉末材料层层粘结堆积，最终成形出零件原型或功能零件。

由此，SLS 技术制造零件的基本过程为：（1）设计建造零件CAD模型；（2）将模型转化为STL文件（即将零件模型以一系列三角形来拟合）；（3）将STL文件进行横截面切片分割；（4）激光热粘结分层制造零件原型；（5）对原型进行清粉等处理；其中，步骤（1）可以通过两种途径获取，一是在没有模板零件实体的情况下，并且在CAD 软件的设计能力允许的条件下，通过ProE 、UG 等CAD 软件来直接设计构建零件模型；另一则是存在模板零件的前提下，通过逆向工程（Reverse Engineering ，RE ）来反求获得零件的轮廓信息，并同时生成CAD 模型文件，步骤（2）的三维STL 文件可以由上述CAD 模型文件转换得到。

第１期郑洪连ꎬ等:几种地板产品表面耐磨性能测试方法的比较分析研究与设计选择性激光烧结中铺粉过程离散元模拟杨㊀来(东北林业大学机电工程学院ꎬ黑龙江哈尔滨１５００４０)摘㊀要:铺粉过程是选择性面激光烧结中重要的工艺过程之一ꎬ为研究铺粉过程中不同工艺参数对粉末床铺粉质量的影响ꎬ研究并设计了一种辊子－刮板式的铺粉结构ꎬ以ＰＥＳ为烧结粉末材料ꎬ通过ＥＤＥＭ软件对铺粉过程进行离散元仿真ꎮ模拟分析了辊子－刮板的移动速度Ｖ和刮板端部倾斜角度α对粉末床铺粉质量的影响ꎮ结果表明:辊子－刮板的移动速度Ｖ越大ꎬ铺粉质量越差ꎻ刮板端部倾斜角度α对粉末床铺粉质量影响很小ꎮ关键词:选择性激光烧结ꎻ离散元模拟ꎻ粉末床质量ꎻＰＥＳ中图分类号:ＴＰ３３４.８㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀文章编号:２０９５－２９５３(２０２４)０１－００３３－０６ＤｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｐｏｗｄｅｒｌａｙｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｎｓｅｌｅｃｔｉｖｅｓｕｒｆａｃｅｌａｓｅｒｓｉｎｔｅｒｉｎｇＹＡＮＧＬａｉ(ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＮｏｒｔｈｅａｓｔＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＨａｒｂｉｎＨｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ１５００４０ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｐｏｗｄｅｒｌａｙｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｃｅｓｓｅｓｉｎｓｅｌｅｃｔｉｖｅｓｕｒｆａｃｅｌａｓｅｒｓｉｎｔｅｒｉｎｇ.Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｐｏｗｄｅｒｂｅｄｐｏｗｄｅｒｄｕｒｉｎｇｐｏｗｄｅｒｌａｙｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓꎬａｒｏｌｌｅｒａｎｄｓｃｒａｐｉｎｇｐｏｗｄｅｒｌａｙｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｓｔｕｄｉｅｄａｎｄｄｅｓｉｇｎｅｄ.ＰＥＳｗａｓｕｓｅｄａｓｓｉｎｔｅｒｅｄｐｏｗｄｅｒｍａｔｅｒｉａｌꎬａｎｄｔｈｅｐｏｗｄｅｒｌａｙｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇＥＤＥＭｓｏｆｔｗａｒｅ.ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｍｏｖｉｎｇｓｐｅｅｄＶｏｆｔｈｅｒｏｌｌｅｒａｎｄｔｈｅＡｎｇｌｅαｏｆｔｈｅｓｃｒａｐｅｒｅｎｄｏｎｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｐｏｗｄｅｒｂｅｄｐｏｗｄｅｒｗｅｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄａｎ￣ａｌｙｚｅｄ.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｈｉｇｈｅｒｔｈｅｍｏｖｉｎｇｓｐｅｅｄＶｏｆｒｏｌｌｅｒａｎｄｓｃｒａｐｅｒꎬｔｈｅｗｏｒｓｅｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｌａｙｉｎｇｐｏｗｄｅｒꎻＴｈｅｔｉｌｔＡｎｇｌｅｏｆｔｈｅｓｃｒａｐｅｒｅｎｄαｈａｓｌｉｔｔｌｅｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｐｏｗｄｅｒｂｅｄｐｏｗｄｅｒ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｓｕｒｆａｃｅｌａｓｅｒｓｉｎｔｅｒｉｎｇꎻｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎻｐｏｗｄｅｒｂｅｄｑｕａｌｉｔｙꎻＰＥＳ㊀㊀收稿日期:２０２３－１０－７作者简介:杨来ꎬ硕士研究生ꎬ主要从事３Ｄ打印设备的研究ꎬＥ－ｍａｉｌ:２９９８５９４４＠ｑｑ.ｃｏｍꎮ选择性激光烧结技术(ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＬａｓｅｒＳｉｎｔｅｒｉｎｇꎬＳＬＳ)是目前３Ｄ打印技术中较为流行的增材技术之一ꎮ铺粉装置是ＳＬＳ设备中关键的组成部分ꎬ现在使用比较普遍的铺粉装置形式主要有三类:辊子式㊁刮板式和移动料斗式[１－２]ꎮ铺粉装置在铺粉过程中将供粉箱内上升的粉末推移至成型箱的成型平面上ꎬ从而形成需要烧结的粉末床[３]ꎬ它的基本工作原理如图１所示ꎮ铺出均匀㊁致密度高的粉末床对烧结出高质量的烧结件至关重要ꎬ一般来说烧结件的密度要求达到全密度的９８％ꎬ而成型箱内粉末床的密度要求达到全密度的７０％左右ꎮ均匀致密的粉末床利于形成连续并且稳定的熔池轨道ꎬ减少烧结件表面的粗糙度和孔隙率ꎬ提高烧结件的力学性能ꎬ减少变形收缩ꎮ影响铺粉质量的因素有很多ꎬ对于辊子式铺粉３３林业机械与木工设备第５２卷图１㊀ＳＬＳ基本工作原理机构来说包含辊子的直径㊁转速和移动速度等ꎻ对于刮板式铺粉机构影响因素有刮板的移动速度等ꎮＢｕｄｄｉｎｇＡ等[４]研究了刮板㊁旋转铺粉辊和二者相结合的粉末床的压实方法ꎬ得出直径为２２ｍｍ的旋转铺粉辊可获得高堆积密度和高表面质量的粉末床ꎬ旋转铺粉辊和刮板相结合的方法也可获得质量较好的粉末床ꎻＹｕＹ等[５]在核桃壳/Ｃｏ－ＰＥＳ生物质复合粉末增材增材制造中的铺粉过程研究中同样发现ꎬ辊子式的铺粉效果要好于刮板式的铺粉结构ꎮ这是因为在铺粉过程中ꎬ辊子与粉末床颗粒的有效接触面积要大于刮板与粉末床颗粒的接触面积ꎬ越大的有效接触面积ꎬ越有利于颗粒的重新排列ꎬ而刮板移动时可能会拖动粉末颗粒ꎬ导致粉末床表面粗糙ꎮＨａｅｒｉＳ等[６]研究得出降低平移速度可以优化粉末床的质量ꎬ同时还得出铺粉辊与粉末接触面积越大ꎬ铺粉效果也越好ꎮ在本研究中ꎬ以铺粉辊和铺粉刮板组成的铺粉装置为研究对象ꎬ使粉床上的聚醚砜树脂(ＰＥＳ)粉末颗粒先经过刮板预铺粉㊁再经过辊子压实铺平ꎬ形成更为致密的粉末床ꎮ通过建立铺粉过程的离散元仿真过程ꎬ分别研究整个铺粉机构在不同移动速度㊁不同刮板端部倾斜角度等工艺参数对粉末床密度及其均匀性的影响ꎬ进一步揭示铺粉过程中颗粒动力学与所铺成粉末层的形成机制ꎮ１㊀铺粉装置设计和工作原理铺粉辊直径是影响铺粉质量的主要因素之一ꎬ根据现有研究计算要求辊子直径大于０.０７６６ｍｍ即可[７]ꎮ为加工与安装便捷ꎬ实际将粉辊直径设置为４０ｍｍꎬ长度为２１０ｍｍꎮ刮板结构简单ꎬ但是对于粉末床的粉末压实作用较小ꎬ为改变这种情况ꎬ可将刮板可以设计成具有刀具形式的铺粉刮板ꎬ铺粉刮板与粉末床接触处的两侧角度为αꎬ长度为２１０ｍｍꎬ高度４０ｍｍꎬ刮板截面图及整体铺粉装置如图２和图３所示ꎮ㊀㊀图２㊀刮板截面图㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀图３㊀铺粉装置三维示意图２㊀仿真模型的建立在ＤＥＭ仿真模拟中ꎬ每个颗粒可以看成独立的单元ꎬ通过分析每个粒子的状态信息得到整个物体的运动状态ꎬ在此研究中ꎬ铺粉过程通常使用软球ＤＥＭ方法ꎬ软球ＤＥＭ法中的颗粒被认为是弹性体ꎬ允许一定的变形ꎬ这种的方法的优点是可以对多个粒子同时碰撞进行建模ꎬ模拟颗粒之间的弹塑性接触力㊁摩擦力和范德华力[８]ꎮ２.１㊀建立简化模型在实际的ＳＬＳ设备中ꎬ成型箱和供粉箱的实际尺寸为２００ｍｍˑ２００ｍｍˑ２００ｍｍꎬ在仿真过程中如果按照实际尺寸仿真会生成数以亿计的粉末颗粒ꎬ４３第１期杨㊀来ꎬ等:选择性激光烧结中铺粉过程离散元模拟网格数量也将十分庞大ꎬ加大计算时间与计算难度ꎬ因此为降低计算难度ꎬ缩小成型箱和供粉箱内粉末床的尺寸分别为５ｍｍˑ５ｍｍˑ０.５ｍｍꎬ并将整体模型进行简化ꎬ简化模型如图４所示ꎮ图４㊀简化模型２.２㊀颗粒间的控制方程和计算颗粒ｊ和颗粒ｉ的力示意图如图５所示ꎬ作为离散相ꎬ颗粒的运动可以分为平移运动和旋转运动ꎬ可用牛顿第二定律来表示:图５㊀颗粒ｉꎬｊ的力示意图ｍｉｄｖｉｄｔ＝ðｊ(Ｆｎｉｊ＋Ｆｔｉｊ)＋Ｇｉ(１)Ｉｉｄωｉｄｔ＝ðｊ(Ｔｓｉｊ＋Ｔｒｉｊ)(２)式中ꎬｖｉ为颗粒ｉ的平移速度ꎬｍ/ｓꎻωｉ为颗粒ｉ角速度ꎬｒａｄ/ｓꎻＩｉ为颗粒ｉ的惯性矩ꎬｍ４ꎻＦｎｉｊ为颗粒ｉ和颗粒ｊ相互碰撞作用在颗粒ｉ上的法向接触力ꎬＮꎻＦｔｉｊ为颗粒ｉ和颗粒ｊ之间的切向接触力ꎬＮꎻＴｔｉｊ为切向接触力Ｆｔｉｊ引起的扭矩ꎬＮ ｍꎻＴｒｉｊ为颗粒ｉ和颗粒ｊ之间的滚动摩擦作用在颗粒ｉ上的力矩ꎬＮ ｍꎮ对于粉末材料内部之间存在内聚力ꎬ常常还需要考虑Ｈｅｒｔｚ－ＭｉｎｄｌｉｎｗｉｔｈＪＫＲ模型ꎬ该模型考虑了范德华力的影响ꎬ通过推理得出法向接触力表示为:ＦＪＫＲ＝－４πγＥ∗ａ３/２＋４Ｅ∗３Ｒ∗ａ３(３)δ＝ａ２Ｒ－４πγａＥ∗(４)式中ꎬγ为颗粒间粘附表面能ꎬｍＪ/ｍ２ꎻＥ∗为当量杨氏模量ꎬＰａꎻａ为接触半径ꎬｍꎻＲ∗为当量半径ꎬｍꎻδ为法向重叠量ꎬｍꎮ２.３㊀颗粒材料性能参数本文所采用的粉末颗粒为聚醚砜树脂(ＰＥＳ)ꎬＰＥＳ呈白色细粉末状ꎬ形状为近椭球形ꎬ具有优良的物理机械性能和尺寸稳定性[９]ꎮ在离散元数值模拟中ꎬ粉末物性参数和接触参数对仿真结果有重要影响ꎬ可通过实验测量和相关论文得到ꎬ包括颗粒的粒径㊁密度㊁剪切模量㊁颗粒与颗粒的摩擦系数和颗粒与颗粒之间的碰撞恢复系数等ꎬ各参数如表１所示ꎮ表１㊀ＰＥＳ粉末颗粒参数颗粒直径/μｍ颗粒密度/ｇ ｃｍ－３泊松比碰撞恢复系数静摩擦系数滚动摩擦系数表面能/ｍＪ ｍ－２６００.７０.３５０.６５０.５５０.０１０.１５㊀㊀除了设置好粉末之间的相关参数之外ꎬ还需要设置颗粒与接触几何体之间的参数ꎮ在仿真过程中ꎬ辊子与刮板的表面尽量光滑ꎬ所以将ＰＥＳ粉末颗粒与辊子㊁刮板的摩擦系数设置得小一点ꎬ如表２所示ꎮ表２㊀ＰＥＳ粉末颗粒与辊子㊁刮板的相互作用参数碰撞恢复系数静摩擦系数滚动摩擦系数０.５０.５０.００８２.４㊀颗粒模型建立及粉末床建立对于ＰＥＳ颗粒的形状ꎬ在ＥＤＥＭ软件中对非球形/不规则形状的建模方法主要有椭球粒子法㊁多边形法㊁超二次曲面和超二次曲面法和多球法[１０]ꎮ在本研究中通过多球法将ＰＥＳ粉末颗粒设置为重叠的球单元ꎬ再经布尔运算得到ＰＥＳ粉末颗粒的质量ꎮ设置好粉末颗粒相关参数后可进行粉末床的生成ꎮ在所建大小为５ｍｍˑ５ｍｍˑ０.５ｍｍ的粉末床内ꎬ粉５３林业机械与木工设备第５２卷末生成方式为动态颗粒生成方式ꎬ所产生粉末颗粒总数量为４９３２１ꎬ粉末床如图６所示ꎮ根据实际铺粉与铺粉仿真时粉末材料和几何体材料设定的相关参数ꎬ颗粒与颗粒之间的接触模型采用Ｈｅｒｔｚ－ＭｉｎｄｌｉｎｗｉｔｈＪＫＲ模型ꎮ图６㊀动态颗粒生成粉末床２.５㊀粉末床质量表征表征粉末床质量的指标包含粉末床的密度㊁粉末床致密度和粉末床均匀性ꎬ实际实验测量粉末床致密度和粉末床密度均匀性这两个指标有很大的困难ꎬ为定量表征粉末床铺粉的质量ꎬ可通过数学统计方法ꎬ即粉末床的平均堆积分数φ－和堆积分数标准偏差Ｓꎮ将成型箱内的粉末床划分为Ｎ个区域网格ꎬ要求网格尺寸Ｌｘ和Ｌｙ均大于２倍的粉末颗粒直径ꎮ粉末床的密度可以表示为粉末床的颗粒总质量与颗粒总体积之比:ρ＝ðｎｉｍｉðｎｉｖｉ(５)式中ꎬｍｉ为栅格ｉ内颗粒的质量ꎬｇꎻＶｉ为栅格ｉ的体积ꎬｃｍ３ꎮ第ｉ个栅格内的粉末床的密度堆积分数φｉ为:φｉ＝ðｎｉ４３πＲ３ｉＬｘＬｙＬｚ(６)式中ꎬＬｘ为第ｉ个栅格的Ｘ方向的尺寸ꎬｍꎻＬｙ为第ｉ个栅格的Ｙ方向的尺寸ꎬｍꎻＬｚ为粉末层的厚度ꎬｍꎮ㊀㊀粉末层的平均堆积分数φ－可以表示为:φ－＝ðＮｉ＝１φｉＮ(７)式中ꎬＮ为栅格的数量ꎮ第ｉ个栅格内的粉末床堆积分数标准偏差Ｓ为:Ｓ＝ðＮｉ＝１φｉ－φ－()２Ｎ－１(８)３㊀结果和讨论３.１㊀粉末流动形态根据粉末流动的速度和法向受力状况可分为三部分ꎬ粉末床分区示意图如图７所示:(１)粉末颗粒自动流动区:粉末颗粒在重力和辊子－刮板外力作用下加速滑落ꎬ粒子运动速度较高ꎬ落在成型平面上形成粉末床ꎮ(２)粉末床压缩区:粉末床经过辊子－刮板压缩变形ꎬ辊子－刮板下方的粉末颗粒被挤压在该区域ꎮ(３)粉层区:经过辊子－刮板作用后形成的稳定区域ꎮ图７㊀粉末床分区示意图３.２㊀辊子－刮板移动速度对粉末床质量的影响在不改变其它铺粉工艺参数的情况下ꎬ研究辊子－刮板移动速度对粉末床质量的影响ꎬ速度变化范围如表３所示ꎮ表３㊀速度变化范围辊子转动速度ω/ｒａｄ ｓ－１刮板端部倾斜角α/ʎ辊子－刮板移动速度Ｖ/ｍｍ ｓ－１２π９８０/１００/１２０/１４０/１６０/１８０/２００㊀㊀仿真结果显示ꎬ当辊子－刮板移动速度在１６０~２００ｍｍ/ｓ时ꎬ粉末颗粒会向上飞扬ꎬ如图８所示ꎬ飞溅的粉末颗粒会使成型室内弥漫大量的粉尘颗粒ꎬ影响光学元件的透光率和铺粉装置的运动平稳性ꎬ６３第１期杨㊀来ꎬ等:选择性激光烧结中铺粉过程离散元模拟飞溅的粉末颗粒如图所示ꎮ并且经过辊子－刮板铺粉后ꎬ成型箱内的粉末床铺粉质量都比较差ꎬ在速度为２００ｍｍ/ｓ时ꎬ在成型箱左侧边上缺失较多的粉末颗粒ꎬ随着辊子－刮板移动速度的逐渐减小缺失粉末颗粒的区域也逐渐减少ꎬ直至达到移动速度为１４０ｍｍ/ｓ时ꎬ基本没有粉末颗粒的缺失区域ꎬ图９为不同移动速度Ｖ下粉末床形貌的俯视图ꎮ图８㊀粉末颗粒飞扬图９㊀不同移动速度下粉末床质量㊀㊀为了进一步分析移动速度Ｖ对粉末床质量的影响ꎬ利用ＥＤＥＭ软件的探测功能对成型箱内的粉末床的密度进行测量ꎮ从图１０可以看出ꎬ当辊子－刮板移动速度Ｖ从８０ｍｍ/ｓ增加至２００ｍｍ/ｓ时ꎬ成型箱内的粉末床密度从０.３８２ｇ/ｃｍ３减少至０.２５９ｇ/ｃｍ３ꎬ大约减少了３２％ꎮ当辊子－刮板移动速度增大的时候ꎬ粉末颗粒自动流动区和粉末床压缩区的粉末颗粒速度也随之增大ꎬ粉末颗粒没有得到充分的压实ꎬ也有一部分粉末颗粒在速度较高的辊子－刮板带动下被推移至废粉箱ꎮ图１０㊀移动速度Ｖ－粉末床密度ρ通过数学统计方法可计算出粉末床的平均堆积分数φ－和堆积分数标准偏差Ｓꎮ从图１１可以看出ꎬ随着辊子－刮板移动速度Ｖ的增大ꎬ铺粉过后的粉末床平均堆积分数φ－呈现线性减小ꎬ由０.６５２下降至０.５５ꎮ从图１２可以看出ꎬ堆积分数标准偏差Ｓ随着图１１㊀移动速度Ｖ－平均堆积分数图１２㊀移动速度Ｖ－堆积分数标准偏差Ｓ辊子－刮板移动速度Ｖ的增大而线性增大ꎬ由０.０４５增加至０.１４ꎮ通过上述仿真结果ꎬ减小辊子－刮板移动速度Ｖ可增大粉末床致密度ꎬ使得粉末床更加均匀ꎬ但是过小的辊子－刮板移动Ｖ不满足铺粉的效率要求ꎬ综合考虑粉末床铺粉质量和效率可将Ｖ设置为１４０ｍｍ/ｓꎮ７３林业机械与木工设备第５２卷３.３㊀刮板端部倾斜角度对粉末床质量的影响当辊子－刮板移动速度Ｖ为１４０ｍｍ/ｓꎬ辊子的转动速度ω为２πｒａｄ/ｓ时ꎬ改变刮板端部倾斜角α并探究对粉末床质量的影响ꎬ辊子转动速度ω㊁辊子－刮板移动速度Ｖ㊁刮板端部倾斜角α参数设置如表４表示ꎮ仿真结果如图１３和图１４所示ꎬ随着角度α的增大ꎬ平均堆积分数φ－由０.６减少至０.５９２ꎬ减少约１３％ꎬ堆积分数标准偏差Ｓ由０.０９增大至０.１１ꎮ可见ꎬ刮板端部倾斜角度α为０ʎꎬ即刮板与铺粉平面垂直时ꎬ粉末床致密度较高㊁粉末床均匀性较好ꎬ随着刮板端部倾斜角度α增大时ꎬ粉末床质量略有降低ꎮ总体来看ꎬ改变刮板端部倾斜角度α对粉末床致密度及粉末床均匀性的影响显著性并不高ꎮ表４㊀刮板端部倾斜角度α变化辊子转动速度ω/ｒａｄ ｓ－１辊子－刮板移动速度Ｖ/ｍｍ ｓ－１刮板端部倾斜角α/ʎ２π１４００/３/６/９/１２/１５/１８㊀图１３㊀角度α－平均堆积分数㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀图１４㊀角度α－堆积分数标准偏差Ｓ４㊀结论本研究利用ＥＤＥＭ软件对铺粉过程进行离散元仿真ꎬ改变辊子－刮板的移动速度Ｖ和刮板端部倾斜角度αꎬ探究了这两个因素对粉末床铺粉质量的影响ꎮ随着辊子－刮板移动速度Ｖ的增大ꎬ成型箱内粉末床的密度ρ㊁平均堆积分数φ－逐渐减少ꎬ堆积分数标准偏差Ｓ逐渐增大ꎬ粉末床的成形质量逐渐变差ꎮ辊子－刮板的移动速度Ｖ大于１６０ｍｍ/ｓ时ꎬ粉末床粉末出现缺失ꎮ为兼顾铺粉效率ꎬ辊子－刮板移动速度Ｖ可以选择１４０ｍｍ/ｓꎮ刮板端部倾斜角度α对粉末床质量的影响不显著ꎬα为０ʎꎬ即刮板与铺粉平面垂直时ꎬ粉末床致密度较高㊁粉末床均匀性较好ꎬ铺粉质量最好ꎮ参考文献:[１]㊀梁朝罡ꎬ邓琦林.激光熔覆制造致密金属零件送料方式的分析和比较[Ｊ].电加工与模具ꎬ２００３(５):２６－２８＋５.[２]㊀姚纯ꎬ胡进ꎬ史建军ꎬ等.改进刮板式送粉器用于激光直接金属沉积成形[Ｊ].机械制造ꎬ２００６(８):２６－２８.[３]㊀孔祥忠.ＳＬＳ成型技术工艺原理及应用[Ｊ].中国新技术新产品ꎬ２０２１(１):６４－６６.[４]㊀ＢｕｄｄｉｎｇＡꎬＶａｎｅｋｅｒＴＨＪ.Ｎｅｗｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｆｏｒｐｏｗｄｅｒｃｏｍｐａｃｔｉｏｎｉｎｐｏｗｄｅｒ－ｂａｓｅｄｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ[Ｊ].ＰｒｏｃｅｄｉａＣＩＲＰꎬ２０１３ꎬ６:５２７－５３２.[５]㊀ＹｕＹꎬＭａＴꎬＷａｎｇＳꎬｅｔａｌ.ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＰｏｗｄｅｒ－ＳｐｒｅａｄｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓｏｆＷａｌｎｕｔＳｈｅｌｌ/Ｃｏ－ＰＥＳＢｉｏｍａｓｓＣｏｍｐｏｓｉｔｅＰｏｗｄｅｒｉｎＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ[Ｊ].Ｍａｔｅｒｉａｌｓꎬ２０２３ꎬ１６(１２):４２９５.[６]㊀ＨａｅｒｉＳꎬＷａｎｇＹꎬＧｈｉｔａＯꎬｅｔａｌ.Ｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｆｐｏｗｄｅｒｓｐｒｅａｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｎａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃ￣ｔｕｒｉｎｇ[Ｊ].ＰｏｗｄｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１７ꎬ３０６:４５－５４.[７]㊀姚红兵ꎬ王成ꎬ范宁ꎬ等.选择性激光烧结铺粉传动装置结构设计[Ｊ].应用激光ꎬ２０１８ꎬ３８(４):６８９－６９３.[８]㊀ＪｉａＴꎬＺｈａｎｇＹꎬＣｈｅｎＪＫꎬｅｔａｌ.Ｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｇｒａｎｕｌａｒｐａｃｋｉｎｇｏｆｆｉｎｅｃｏｈｅｓｉｖｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ[Ｊ].ＰｏｗｄｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１２ꎬ２１８:７６－８５.[９]㊀张慧ꎬ郭艳玲ꎬ姜凯译ꎬ等.松木粉聚醚砜树脂复合材料的选择性激光烧结成型工艺参数优化[Ｊ].东北林业大学学报ꎬ２０１５ꎬ４３(８):９８－１００＋１０８.[１０]㊀ＬａｎｇｓｔｏｎＰＡꎬＡｌ－ＡｗａｍｌｅｈＭＡꎬＦｒａｉｇｅＦＹꎬｅｔａｌ.Ｄｉｓｔｉｎｃｔｅｌｅ￣ｍｅｎｔｍｏｄｅｌｌｉｎｇｏｆｎｏｎ－ｓｐｈｅｒｉｃａｌｆｒｉｃｔｉｏｎｌｅｓｓｐａｒｔｉｃｌｅｆｌｏｗ[Ｊ].ＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅꎬ２００４ꎬ５９(２):４２５－４３５.８３。

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基金项目:中航2集团“材料热加工技术”航空科技重点实验开放基金资助项目Hk200801005

作者简介:蔡长春(19682　),江苏大丰人,副教授.研究方向:金属材料.

Vol.30No.3Mar.2009铸造技术FOUNDRYTECHNOLOGY

基于选区激光烧结法制备可控结构泡沫铝蔡长春1,2,余　欢2,柳和生1,严青松2,徐志锋2,郑玉惠2,熊博文2(1.南昌大学机电学院,江西南昌330031;2.南昌航空大学材料科学与工程学院,江西南昌330063)摘要:针对泡沫铝制备时普遍存在的结构不均匀现象,利用三维实体设计软件设计出所需结构的泡沫铝图形,采用选区激光快速成型技术烧结出泡沫铝原型,以真空等温铸造技术进行充型,制备出结构规则可控的泡沫铝材料。关键词:真空等温;选区激光烧结;泡沫铝中图分类号:TG139 文献标识码:A 文章编号:100028365(2009)0320419203

PreparationofControllableStructureAluminumFoambasedonSelectiveLaserSinteringCAIChang2chun1,2,YUHuan2,LIUHe2sheng1,YANQing2song2,XUZhi2feng2,ZHENGYu2hui2,XIONGBo2wen2(1.SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,NanchangUniversity,Nanchang330031,China;2.SchoolofMaterialsandScienceEngineering,NanchangUniversityofAeronautics,Nanchang330063,China)Abstract:Aimedattheasymmetrystructureofaluminumfoam,theprototypeofaluminumfoamwithdesirestructure,whichwasdesignedbythree2dimensionalsoftware,waspreparedbyselectivelasersintering,andthenfilledwithvacuumisothermalcastingtechnology,thealuminumfoamwithcontrollableandsymmetricalstructurewassuccessfullyfabricated.Keywords:Vacuumisothermalcasting;Selectivelasersintering;Aluminumfoam