聚苯乙烯粉SLS成型件后处理实验研究

李小城，王鹏程

(1.安徽机电职业技术学院，安徽 芜湖　241002；　2.内蒙古工业大学，内蒙古 呼和浩特　010051)



聚苯乙烯粉SLS成型件后处理实验研究

李小城1，王鹏程2

(1.安徽机电职业技术学院，安徽 芜湖241002；2.内蒙古工业大学，内蒙古 呼和浩特010051)

摘要：针对激光选区成型件强度和表面质量不高的问题，选用聚苯乙烯粉料为实验材料，采用激光选区烧结技术烧结成型。分别采用浸蜡和渗树脂两种方法对成型件进行后处理，通过拉伸实验，得到原件和后处理件的力学性能。实验表明，浸蜡件的拉伸强度达到3.33 MPa，是原件的1.21倍；渗树脂件的拉伸强度达到27.10 MPa，是原件的9.85倍。并且，两种后处理件的表面质量和光洁度与原件比有很大的改善，很好地满足了使用要求。

关键词：激光选区烧结；后处理；拉伸强度；表面质量

激光选区烧结技术是快速成型技术中应用较为广泛的一种，采用离散/堆积的原理，以激光光束为能量将粉末材料逐层熔融、粘接成型，无需模具、夹具直接根据三维模型烧结成零件实体。[1]可用来成型的材料主要有高分子粉料、陶瓷粉、覆膜树脂砂、覆膜金属粉和金属粉等，且材料利用率高，未烧结的粉料经过筛分后可继续使用,无需添加支撑，粉状材料可支撑成型件防止变形。[2]其产品可以制作融模铸造的“蜡模”、快速模具、功能件等。[3]

高分子成型材料中主要有聚苯乙烯、聚碳酸酯和尼龙等粉末材料。激光选区烧结是无压敞开烧结，所以烧结件内部结构致密性差、强度低，且由于是层层叠加成型，产品表面易形成台阶效应，表面粗糙。[3-5]所以，SLS高分子成型件一般要经过后处理才能满足使用要求，针对此种情况，对聚苯乙烯粉料烧结件分别进行渗蜡和渗树脂后处理，观察表面质量，测试力学性能，研究其后处理件性能变化。

1实验

1.1实验设备和材料。

北京隆源自动成型系统有限公司生产的AFS-320型激光快速自动成型机， CO2激光器，最大功率50W，最大成型尺寸320 mm×320 mm×440mm；深圳市新三思材料检测有限公司生产的5KN MT型微机控制电子拉力试验机；北京隆源自动成型系统有限公司生产的PS基高分子粉料。材料基本性能见表1。

表1　PS粉的基本性能[6]

1.2实验方法和步骤。

1.2.1样件制备。

设计拉伸样件，对样件进行3D建模、切片处理和格式转化，在快速成型机上烧结成型样件30个，采用的烧结工艺参数组合为[6]：激光功率22W,预热温度为100℃，切片厚度0.15mm，扫描速度1800 mm·s-1。

1.2.2渗树脂强化处理。[7]

1.2.2.1烧结件清理。成型过程结束后，为了防止烧结件翘曲，不马上取出，而是让烧结件在成型缸内与未烧结粉料一起冷却至室温取出。然后用毛刷清理未烧结粉末，再用牙刷轻轻清理烧结件表面浮粉，清理过程中注意力度，不要损坏样件。

1.2.2.2烧结件预热。为了使烧结件更好地吸收树脂，清粉处理后，放入40℃干燥箱内预热30分钟。

1.2.2.3后处理剂配制。按质量比100:34将环氧树脂E-1000(A) 与固化剂E-1000(B)混合，混合过程中一边混合一边用玻璃棒充分搅拌均匀，得到混合溶液，涂料质量按与烧结件质量4:5配制。

1.2.2.4刷涂树脂。用毛刷在零件的表面反复将混合溶液均匀地刷涂，使零件完全浸透。刷树脂时，从零件较厚的一侧向较薄处逐渐按次序涂刷，且保证刷涂处充分吸收，防止内部或较薄处树脂固化影响树脂的吸收。刷涂完毕，使零件表面无积液，保持润湿状态。

1.2.2.5常温固化及热固化。刷涂后的零件，在室温下放置6小时，先进行常温固化，然后将零件放在干燥箱内恒温加热固化，温度为50℃，热固化时间8小时，使树脂完全固化。

1.2.2.6表面处理。用砂纸对树脂增强后的样件进行精整和表面抛光，将表面多余的树脂去掉，使其与实际尺寸接近。

1.2.3浸蜡处理。[8]

1.2.3.1蜡的配制与化蜡。

选用一般工业石蜡与硬脂酸钙按1：1比例配制使用，熔点范围为55～60℃。将蜡块打碎成小块放入蜡池中加热融化，将蜡液控制在65～70℃左右，保持蜡良好的流动性。

1.2.3.2烧结件预热。将成型件放入干燥箱，温度设定为50℃左右，时间为30分钟，进行干燥预热，防止浸蜡操作时烧结件由于温差造成的开裂。

1.2.3.3浸蜡。将已干燥、预热好的烧结件放在网状托盘上缓慢放入温度设定好的蜡池中。浸蜡过程中成型件会因为浮力的作用而不能完全没入蜡池，可用玻璃棒小心的按压、翻滚成型件，保证其浸蜡完全、均匀。浸蜡1～3分钟后，待成型件表面基本没有气泡冒出，将浸好蜡的成型件取出，再将其放入60℃左右的蜡液中二次浸蜡，1分钟后取出，使烧结件表面附着0.1～0.2mm的蜡膜。

1.2.3.4冷却及后处理。将浸蜡件取出，保证孔洞、沟槽等向下，便于其中多余的蜡液流出。放置在空气中或干燥箱中冷却，待浸蜡件冷却至室温，再进行精整处理，去除多余积存的蜡。

1.3拉伸实验。

在拉力验机上对SLS烧结件原件和两种后处理件进行拉伸实验，每种样件测试10件，因拉伸过程中考虑人为操作因素，将拉伸结果异常的去除掉，取5个合理结果，计算其平均值。

图1　浸蜡件拉断试样

图2　渗树脂件拉断试样

2实验结果及分析

2.1实验结果。

剔除因操作不当或其他因素引起的异常结果，分别计算原件、浸蜡件和渗树脂件三种样件的拉伸结果平均值，实验结果见表2。

表2　原件及后处理件拉伸结果平均值

2.2结果分析。

2.2.1表2的实验结果表明，未处理件的力学性能较差，拉伸强度只有2.75 MPa，拉伸伸长率5.09%，烧结原件强度、韧性较差，由于成型状态是颗粒状粉料表面熔融粘接，可明显观察到原件的表面粗糙、光洁度差。

2.2.2浸蜡件力学性能变化不大，浸蜡处理后断裂伸长率是5.65%，是原件的1.11倍；拉伸强度是3.33 MPa，是原件的1.21倍。这是因为后处理剂蜡强度和韧性很低，所以浸蜡后性能变化不大。但浸蜡件的表面质量与原件相比有很大改善，光洁度明显提高，蜡感很强。经第二次60℃蜡液的“低温”浸蜡，使烧结件表面形成了0.1～0.2mm的蜡膜，可焊接浇冒口系统，如图3所示。SLS烧结件由于其成型原理是分层叠加的“净成型”方式，会使高度方向形成阶梯状效应，表面粗糙。SLS浸蜡件主要用来代替熔模铸造的蜡模，浸蜡的目的是为了改善、修复烧结件的表面缺陷。蜡液可浸透成型件，填补阶梯间的空隙，使表面光洁，从而提高铸件的表面质量和焊接性能。

图3　焊接浇冒口的浸蜡烧结件

2.2.3渗树脂件的拉伸强度和拉断力变化较大，拉伸强度达到了27.10 MPa，是原件的9.85倍，最大拉断力是1083.78 N，是原件最大力的9.7倍；断裂伸长率是7.45%，是原件的1.46倍，相对变化较小；产品的外观也有很大改善，光洁度有很大提高。原件中存在很大的空隙率，渗树脂处理填充了原件中的空隙，后处及高温固化后原件粉状颗粒间通过树脂连接起来，强度有很大提高。

3结论

烧结件经过浸蜡后，强度有一定程度的提高，但与原件比相差不大；由于蜡液可渗透成型件，所以成型件的空隙和缺陷都得到了填补；浸蜡处理后，表面形成薄层“蜡膜”，成型件表面不会再有粉粒脱落，其表面质量和焊接性能得到很大改善。烧结件经过渗树脂处理后，阶梯状的表面被树脂填补，固化打磨后表面光洁，其表面质量得到改善；抗拉强度是原件的9.85倍，强度有很大提高。实验结果表明，原件通过两种后处理后表面质量均有很大改善，渗树脂处理及高温固化后力学性能也有很大提高，均能满足使用要求。

参考文献

[1]赵志国.激光选区熔化成形技术的发展现状及研究进展[J].航空制造技术,2014(19):46-49.

[2]史玉升，闫春泽，魏青松，等．选择性激光烧结 3D 打印用高分子复合材料[J]．中国科学：信息科学，2015(2)：204-211．

[3]王伟，王璞璇，郭艳玲. 选择性激光烧结后处理工艺技术研究现状[J]. 森林工程， 2014，30(2)：101-103.

[4]吴小琴，熊联明，李璐，等.SLS快速原型件后处理剂的制备与应用[J].塑料工业，2006，34(3)：61-64.

[5]汪艳. 后处理工艺对聚碳酸酯激光烧结件性能的影响[J].中国塑料，2011,25(2):65-67.

[6]李小城.SLS高分子粉料成型工艺参数及成型质量的比较研究[D].呼和浩特：内蒙古工业大学硕士学位论文，2007：20-24，33-42.

[7]许勤，张坚.选区激光烧结聚丙烯成型制件及增强的研究应用激光[J].应用激光，2014, 34(3):217-220.

[8]姜乐涛，白培康，赵 娜，等. 精铸蜡粉SLS成形件后处理试验研究[J].铸造，2015，64(6):573-580.

Class No.:TG249.5Document Mark：A

(责任编辑：宋瑞斌)

Study of the Post-treated Experiment of SLS Parts of PS Powders

Li Xiaocheng1, Wang Pengcheng2

(1.Anhui Technological College of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhu, Anhui 241002, China;2.School of Materials Science and Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot, Inner Mongolia 010051, China)

Abstract：Considering the low strength and poor surface quality of the prototype parts , the laser sintering technology, which choose polystyrene powder as material, is adopted in doing experiments. The infiltration with wax and penetrating resin to carry on post-processing through tensile test, the mechanical properties of the original and post-processing parts were obtained. The results show that the tensile strength of infiltrated-wax part is 3.33MPa, which is 1.21 times of the original one and the penetrating-resin part’s can reach 27.10MPa, 9.85 times of the origin. In addition, the surface and quality of the post-processing parts are improved a lot compared with the original, which could meet the requirements of use greatly.

Key words：selective laser sintering (SLS); post-treated; tensile strength; surface quality

中图分类号：TG249.5

文献标识码：A

文章编号：1672-6758(2016)04-0036-3

作者简介：李小城，硕士，讲师，安徽机电职业技术学院。