SLS新型复合蜡粉性能研究与比较

    田芳

    

    

    

    摘要：本文参考相关标准，从实验检测分析该复合蜡粉基本物理性能入手，结合SLS成型工艺，对烧结成型件的主要力学性能进行了研究，并与PS产品进行了比较，目的在于确认该复合蜡粉SLS工艺是否可行，是否适用于熔模铸造。

    关键词：SLS；新型复合蜡粉；性能测试

    3D打印是制造业领域迅猛发展的一项新技术，主要是以计算机三维设计软件为基础进行分层离散，通过特定的设备将粉末材料、液体、丝化的固体材料进行逐层堆积粘结，最终叠加成型出实体产品[1]。激光选区烧结（Selective Laser Sintering， SLS）是典型的3D打印技术之一，该方法制造工艺简单，材料选择范围广，成本较低，成型速度快，主要应用于快速熔模制造和快速模具制造[2]。

    1 材料

    PS粉是目前市场上广泛使用的一种SLS基体材料，其价格便宜，烧结制造出的原型件成型精度高，但在实际使用过程中，却存在以下间题[3]：（1）将PS粉制作的模型用于熔模铸造时，不能通过熔化流失，必须要经过高温烧失，这不仅产生大量有毒有害的烟尘，还会在型壳内形成积炭等灰分残留，引发胀裂型壳，造成铸件的质量间题；（2）PS粉尤其不适合铸造钦合金；（3）PS本身为非结晶材料，烧结时致密度较低，空隙率也不高，导致PS烧结原型件轻度不够，不能直接用作功能件；（4）为增强工件的强度和表面粗糙度，必须对PS粉烧结件进行浸蜡处理，但浸蜡会使工件产生较大的变形，甚至开裂，严重影响了模具的尺寸和形状精度。

    为了满足熔模精密铸造蜡型的要求，可将铸造蜡粉作为SLS的烧结材料。传统的精铸用蜡熔点较低，流动性好，烧熔时间短，烧熔后没有残留物，对熔模铸造适应性好且成本低廉，但铸造蜡粉在SLS烧结时存在以下间题[4]：（1）对温度敏感且熔融流动性大，SLS成型不易控制；（2）SLS成型精度差，表面粗糙；（3）粉末戮性強，不易得到较细粉末，使得粉末平铺性不好。

    针对上述问题，国内外各个研究中心相继研发了以传统铸造用蜡为原料的新型SLS基体材料，美国DTM公司研制了低熔点高分子蜡的复合材料，华北工学院采用化学合成法，开发了以氧化聚乙烯为主要成分的复合精铸蜡粉[5]。本文所选用的试验材料是北京某研发中心研发的新型复合蜡粉。

    2 性能测试与比较

    本文结合相关行业标准，对新型复合蜡粉的基本物理性能进行了测试，如熔点、密度、拉伸强度等[6]；其次结合熔模铸造工艺要求，对蜡粉作为熔模铸造模料的性能进行测试，包括软化点、熔融指数、热变形、灰分以及蜡料分解时的热失重曲线等[7]，由图3可以看到，在氮气气氛下加热升温时，蜡粉在200℃下几乎不烧失和挥发，只发生材料的熔融；温度继续升高，模料开始分解，成为小分子气体物质开始逸出，材料急剧失重，当温度达到550℃，模料的分解完全结束；并由此可算出SLS模料在惰性气氛下分解残留分数为0.35%，说明分解彻底。

    为了充分考虑SLS烧结工艺对蜡粉的影响因素，我们将该蜡粉在最佳工艺参数下烧成制件，并进行性能测试。结果表明：当激光功率P为21.5W、扫描速度v1.8m/s时，试件的抗拉强度σb为4.28 MPa，断面收缩率ψ为36.1%，蜡粉接近全熔，而熔模铸造中的模料要求为σ≥14.MPa，说明试件的抗拉强度可以达到熔模铸造的要求。此外，还对激光烧结制成的试件进行了其它的性能测试，并与PS产品相比（见表1）。

    通过对比，我们可以发现：（1）复合蜡粉烧结件的密度为0.94g/cm3，已达到PS模塑件密度的87%。表明烧结件中的孔隙率极少，接近于全密度。（2）该复合蜡粉的熔点为79.5℃，这与PS粉末的粘流温度170℃相比，复合蜡料更容易熔化，且蜡粉的维卡软化点和热变形温度比PS粉低，在失蜡过程中更容易发生软化和流动。（3）经过热失重曲线和灰分的测定，可以说明新型复合蜡粉具有很好的热分解性能，受热能够迅速分解，几乎没有残余物质，且该复合蜡粉在N2气氛中发生热降解的起始温度为300℃左右，降解活化性能很高，表明蜡粉有较好的热稳定性，适合于后续的铸造工艺要求。

    3 结论

    由上可知，该新型复合蜡粉满足SLS烧结工艺的要求，也可用于熔模铸造，可以直接用作功能件的制造，且具有以下特点：

    3.1 易脱蜡，涂挂性好，无积炭等灰分残留

    用该蜡粉烧结成型的蜡模，在100℃以上即可脱蜡，完全适合熔模铸造的工艺规程。经过脱蜡以后的型壳在焙烧后没有积炭等灰分残留，不仅省去了PS粉工件烧失、除炭等特殊的处理工艺，而且工艺质量和铸件质量都得到了保证。

    3.2 模型强度高，韧性好，软化点高

    该蜡粉烧结成型时是在激光束的作用下，有选择的将蜡粉熔融并层层叠加，最后凝固成实体蜡件的，而不像PS粉那样，在烧结过程中颗粒软化后彼此粘结，造成工件呈现多孔状。因此，该蜡粉烧结成型的工件比PS件具有更强的烧结强度，且制作的蜡模强度韧性都很好，在浸刷涂料和打磨抛光等后处理过程及精铸工艺中都不易损坏和变形。

    3.3 无污染，低能耗

    该蜡粉制作的蜡模在用于熔模铸造时，易脱蜡，不产生有毒、有害气体，对环境无污染，而且在激光烧结成型时需要的激光功率和加热温度都比PS粉少很多，说明该复合蜡粉比PS更加符合SLS工艺和熔模铸造的要求。

    参考文献：

    [1]张渝.3D打印技术及其在快速铸造成形中的应用[J].2016.37（4）759-764.

    [2]陈冰.我国熔模铸造的可持续发展[J].特种铸造及有色合金，2002（1）：24-27.

    [3]梁红英.精铸蜡模的快速制造技术[J].机械工程与自动化，2005（6）：95-96.

    [4]熊晓红，史玉升，叶升平等.快速成型技术在精密铸造中的应用研究[J].新技术新工艺，2006，2：23-24.

    [5]王世杰等.3D打印技术在熔模铸造中的应用[J].铸造技术，2017，38（6）.1487-1489.

    [6]王乐仪.熔模铸造工艺学[M].北京：国防工业出版社，1980.

    [7]杨劲松，沈其文等.SLS模料特性及熔模铸造工艺研究[J].特种铸造及有色合金，2007（27）1：3-57.