高分子材料烧结成型研究

2017-04-02李博

时代农机 2017年11期

李博

（华北水利水电大学机械学院，河南郑州 450045）

1 高分子材料加工成型技术

（1）发展现状。高分子材料是工业生产的主要参与者，是我国国民经济的支柱，对高分子材料的成型工艺的研究，有利于促进我国科学技术的发展。随着改革开放以来，高分子材料的成型加工工艺不断进步，通过对其中所涉及的化学以及物理等工艺不断探索和改革，高分子材料的成型技术不断趋于完善。在现代化的国民建设中，航空、国防等一些尖端行业又对高分子材料的成型工艺提出了更多地要求。例如，对于汽车行业来说，现在的发展趋势就是强调节能环保、美观简洁，为此，在相关行业以及汽车零部件的工艺加工上高分子材料的合成工艺的重要性就显得尤为重要。在现阶段的高分子成型方法中，存在挤出成型、注塑成型、塑料激光成型以及激光烧结成型，其中，激光烧结成型是一种非常有潜力的技术，可以有效节约生产成本，更加环保，凭借其在高分子材料成型上的优势，在近几年的使用中逐渐广泛。

（2）发展趋势。在高分子材料成型的发展趋势上来看，呈现着以下两种趋势。一是聚合物动态反应加工，我国国内对聚合物及其相关材料的需求较大，但是现阶段的加工设备在热感传播过程中都存在一定的问题，化学反应的程度难以控制，相关设备的投入量较大，噪音污染和光污染等都较为严重，而聚合物的动态反应对各项技术的要求都较高，通过对传统成型方法的改进，可以解决设备上的缺陷，促进加工方式的完善。另外一个就是针对现阶段信息存储形式能量消耗周期性场以及在过程中极易受到污染等问题，迫切的需要发展信息存储光盘技术，提高环境保护的有效性。由此可以看出，节能环保是高分子材料成型的必经之路，我国必须在各方面不断地开发研究，掌握有效的高分子烧结成型技术，促进我国高分子材料成型事业的不断发展。

2 激光烧结技术

（1）激光烧结技术的概念。激光烧结技术是一种重要的增材制造技术，是集CAD、CAM、数控技术与激光加工技术和材料科学等于一体的最新成果，以CO2激光器作为激光源，计算机再根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描归集，有选择的对固体粉末进行烧结，一层一层的循环往复，最终形成一个三维零件。就具体的步骤来说，首先就是要建立被加工零件的CAD模型，将其转化为STL格式，并运用分层的软件将CAD模型进行切片处理，从而获得每一个加工层面的数据信息。然后通过计算机技术对切片层信息的整理和分析，激光束对粉末层进行扫描烧结，在激光所能够照射的范围内，粉末熔化并凝固在一起，通过在其下方铺设粉末，使得新旧粉末以自然烧结的状态结合在一起，如此反复，最终形成所需要的三维实体。

（2）发展优势。采用烧结成型的工艺可以快速将设计思想转化成实物模型，可以将设计者、制造者以及使用者最大化的连接起来，对产品的生产过程及使用情况进行及时评价，便于产品信息的沟通，方便快速地对产品进行试验和修改，缩短产品的开发周期，提高产品的竞争力。提高产品生产的准确性，为顾客提供更加具有品质的产品。

（3）影响因素。影响烧结成型的因素主要有两个，一是热塑性塑料本身的性能，如结晶性、比热容、导热系数、熔体粘度和激光吸收率等；二是成型工艺参数，包括扑粉厚度、预热温度以及激光功率和光斑直径等。选择性激光烧结要求粉体材料要具有合适的熔融温度和良好的结合强度，良好的粉体流动性与失重的粒径分布。由于这些因素的影响，只有深入了解塑料粉末的激光烧结特性，根据材料的特点选择合适的工艺，才能最大化地提高高分子材料的激光烧结效果。

3 高分子材料烧结成型工艺研究

（1）聚苯乙烯。作为非结晶性高分子材料，其原子排列在三维空间不具有长程有序和周期性，并没有一个固定的熔点。它受热后可融化、黏结，冷却后可以固化成型，且其材料具有收缩性校和吸湿率低等特点。在成型件浸树脂后可以进一步提高强度，具体的其拉伸强度15MPa，弯曲强度33MPa，使其具备作为原型件或功能件的条件。但是，由于在进行脱模处理时，它必须要采用大于300°的高温燃烧，很可能给环境造成污染。所以，在现阶段的工艺中，一般会在其中加入助分解助剂，使其成为目前国内使用最为广泛的一种成型材料。

（2）尼龙。尼龙属于结晶性高分子基材料，在激光烧结的过程中具有一个固定的熔点，不受温度变化的影响，在激光烧结过程中的成型效果较好。在分析了具体的制件精度的基础后，可以通过添加无机填料、偶联剂以及流动剂和光吸收剂等来提高烧结件的性能。现阶段有四种被广泛使用的尼龙材料：①标准的DTM尼龙，可以制作具有良好耐热性能和耐腐蚀性能的模型；②DTM精细尼龙，可以制造精度较高、光滑程度高等具有概念性的模型；③DTM医用级尼龙，可以经历高温蒸压等测试；④原型复合材料，具有更好地加工性能和耐热性、耐腐蚀性等特征。这些尼龙可以通过激光烧结技术被制成各种功能零件，充分发挥其自身的优势，提高产品的强度和性能，使制造工艺更加具有实用性和美观性，更好地符合市场的需求。

（3）石墨的烧结成型工艺举例。我国是石墨资源储量丰富，但是也一直处于出口元矿粉和进口深加工制成品的被动局面。作为一种典型的不容易被加工成型的矿产资源，鳞片石墨易碎且易粘，将其与金属粉末、陶瓷粉末等树脂混合在一起，运用激光烧结成型工艺对其进行深度的加工，可以最大化的控制石墨粉末的分布，促进产品的快速成型。以下就选取鳞片石墨混合粉末对激光成型的具体理论进行研究。

激光烧结属于瞬态传热的过程，在这个过程中系统的温度、热流率以及热边界等都会有较为明显的变化。为了更好的进行分析，需要对激光烧结过程中的主要影响因素建立相应的数学模型，可以做出以下假设来简化数学模型：一是假设快速成型的激光加工部分是一个半封闭的环境，在预热保温的环境下，自由对流促成了熔池与外界的换热，但是随着烧结过程的不断进行，温度会不断上升，热量散失的强度越来越小，直到不会对对流换热造成影响；二是假设激光器属于二氧化碳气体激光器，受波长的限制，穿透能力较差，粉床表面疏松使得激光在照射时受粉床表面反射与透射的影响较小；三是由于石墨的熔点偏高，粉末在激光扫描的过程中相变潜热对烧结区域温度场的影响较小，在实验过程中可以忽略内热源作用的存在。

其烧结成型机理如下：将天然鳞片石墨粉末和热固性酚醛树脂粉末按照一定的比例来进行混合，将天然鳞片石墨粉末的质量分数控制在62.5%左右，热固性酚醛树脂的比例为37.5%左右。在激光束的照射下，混合物料充分受热，酚醛树脂到一定温度后就开始熔融固化，呈现出二维蜂窝状态，促使天然鳞片与石墨粉末之间相互粘结，使之成为所需的3D打印材料。在这个过程中，借助热重分析仪确定石墨与酚醛树脂混合料的热重分析，对其中的各个阶段进行观测。