精铸蜡粉激光烧结成型工艺试验研究

王建宏，夏建强，张国伟，白培康，程 军

（中北大学材料科学与工程学院，山西 太原 030051）

快速成型技术（RPT）的基本原理是材料累加法，因此成型材料在RPT中有举足轻重的地位。选择性激光烧结（Selected Laser Sintering简称SLS）成型的基本原理是从零件的CAD模型出发，将其“切”成设定厚度的一系列片层（这些片层按顺序累加起来仍是所设计零件的形状）。然后，将上述每一片层的形状数据输入成型机中，据此信息，激光束作用于在选定区域上的粉末，烧结出当前层，并同时连接到前一层，最终堆积成实体。

将RPT与精密铸造相结合，能将模型快速有效地转变为金属零件。它不仅将过去小批量、难设计、周期长、费用高的铸件生产得以实施，而且将传统的分散化、多工序的铸造工艺集成化、自动化和简单化。

为了通过RPT得到高质量的熔模，成型材料应具有良好的性能。与目前比较普遍使用的成型材料PS粉相比，由中北大学铸造中心自主开发的精铸蜡粉具有良好的力学性能和工艺性能，其熔模铸造适应性好、熔模烧失的时间短、熔模不变形且烧失后无任何残留物，铸件表面质量较好。并且由于精铸蜡粉有较低的熔点（一般在85℃～95℃），在熔模铸造中可以直接用蒸汽脱蜡，因此降低了工艺要求，减少了环境污染。

1 精铸蜡粉研制

为了制得高质量的熔模，成型所用精铸蜡粉必须具有良好的热物理性能、力学性能和工艺性能。经过长期的试验研究，开发出成型性能优良，对精密铸造适应性好的精铸蜡粉，其主要制备工艺如下：

1）基料合成

利用化学合成法制备低相对分子量蜡粉。将得到的产品添加表面活性剂和脱模剂。表面活性剂为阴离子性表面活性剂，如磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠等。

2）改性

将表面处理后的产品中添加各种辅料，主要包括：光吸收剂，增强粉末对激光的吸收；防静电剂，减少粉末静电吸附；降黏剂，提高粉末流动性；增强增韧剂，提高成型件的强度和韧性；有机和无机填料，减小烧结过程中的收缩变形。

3）混匀

将粉料放入高速行星式混合机中混合搅拌（转速为1000r/min-1200r/min），使粉末均匀流动，促进表面改性。

4）机械筛分

对上述合成粉料放在旋振筛中进行机械筛分，得到合适粒度的精铸蜡粉（PCP1），如图1所示。

其主要性能如表1。

图1 精铸蜡粉

表1 PCP1主要性能指标

2 烧结成型工艺实验研究

2.1 试验设备

试验采用设备为中北大学自行研制的点扫描成型机。

点扫描快速成型机的主要技术参数如下：

1）最大成型尺寸：450mm×450mm；

2）激光输出：30wSynrad CO2；

3）激光束最大扫描速度：2500mm/s；

4）输入文件格式：STL；

5）成型机体积：1.8 m×1.2 m×1.9 m.

2.2 正交试验及结果

在原有实验的经验基础上得出激光功率、激光扫描速度、铺粉厚度、预热温度是影响激光烧结成型性能的主要因素。根据现有的实验设备，在一定的铺粉条件下，烧结成型性能的影响因素可以用如下公式表达：

式中：ds——烧结成型性能；

p——激光功率，W；

v1——激光扫描速度，mm·s-1；

t——铺粉厚度，mm；s为预热温度，℃.

正交试验设计以上述四个主要成型工艺参数作为试验因子，根据试验要求结合试验经验，选取了四因素三水平的正交表，即L9（34）。因素水平表如表2所示。

表2 因素水平表

通过正交试验的方差分析方法对试验结果进行分析，根据方差分析的计算方法，可得各因素方差平方和排序为：

可见，在影响激光烧结成型性能的四个因素中，重要性次序为：激光功率、预热温度、激光扫描速度、铺粉厚度。由此得到的最佳烧结工艺条件为A3B1C2D2，即激光功率25 W、预热温度65℃、激光扫描速度 1400mm/s、铺粉厚度 0.15mm.

采用优化工艺条件烧结，得到合格的烧结成型件，如图2所示。

图2 精铸蜡粉烧结成型件

3 后处理工艺

由于SLS成型是通过零件二维平面的烧结固化，并逐层叠加为三维实体结构，因此，其层间并非连续过渡，而是每层之间存在一个很小的台阶，这种现象称为台阶效应。台阶的大小与铺粉层厚和每层截面积变化情况有关。台阶效应会影响烧结件的尺寸精度和表面光洁度，消除这种影响只有通过浸蜡后处理工艺来实现。具体工艺步骤如下：

1）对烧结蜡件进行表面清理，去除表面虚粉；

2）为提高表面光洁度，消除台阶效应，需对成型件进行浸蜡处理，在熔蜡炉中进行两次处理（高温和中温）；

3）用细砂纸对浸蜡后的蜡件表面打磨处理；

4）用稀释液擦拭蜡件表面，降低表面粗糙度；

5）精铸蜡模结合精铸工艺得到合格的精铸件，如图3所示。

图3 熔模及其精铸件

4 结 论

1）实验证明自主开发的精铸蜡粉具有良好的烧结性能，有变形小，强度高，铺粉性能优良等特点；

2）通过正交实验方法，得到最佳烧结成型工艺参数；

3）烧结成型件的尺寸精度高于0.2mm，经后处理后表面光洁度高，满足精铸要求。

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