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1、一种消费级选区激光烧结尼龙 12 材料的拉伸性能及应用探究 乔一伦 邹迪升 刘建屿 李宗睿 长安大学 长安大学公路学院桥梁工程系 长安大学地质工程与测绘学院测绘科学系 摘 要： 为了确认一种消费级选区激光烧结尼龙 12 复合材料的拉伸性能, 我们采用GB/T 1040.2-2006 标准对其进行拉伸实验得到其拉伸强度数值, 并将其与已知的选区激光烧结尼龙 12 拉伸强度进行对比。发现该消费级材料拉伸强度相较于实验室制备的尼龙 12 试件总体相近但是略低, 不适合于拉伸强度要求较高的工作环境。但鉴于其消费级定位, 可作为快速模型制造手段为教育和设计提供一种材料选择。关键词： 选区激光烧结; 拉伸
2、强度; 材料; 基金：长安大学中央高校基本科研业务费专项资金资助 (英文:Supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities) (编号:310800170018) Tensile Properties and Application of a Consumption-level Selective Laser Sintered Nylon 12 MaterialQIAO Yilun ZOU Disheng LIU Jianyu LI Zongrui Abstract： In order to conf
3、irm the tensile properties of a consumption-level selective laser sintered nylon 12 composite, the tensile strength value of the composite was obtained by GB/T 1040.2-2006 standard. The tensile strength of Nylon 12 was compared with that of selective laser sintered nylon 12. It was found that the te
4、nsile strength of the consumption-level material was similar but slightly lower than that of the Nylon 12 specimen prepared in the laboratory, so it was not suitable for the working environment with higher tensile strength. However, in view of its consumption level positioning, it can be used as a r
5、apid model manufacturing means to provide a material choice for education and design.Keyword： selective laser sintering; tensile strength; material; 选区激光烧结 (Selective Laser Sintering, SLS) 是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的 C.R.Deckard 于 1989 年研制成功的一种快速成型 (Rapid Prototyping, RP) 技术1。随着技术的逐渐完善, 现在选区激光烧结技术已经成为一种成熟并被广泛应
6、用的材料成型加工技术, 国内外也涌现了众多针对此工艺的商用公司, 但是选区激光烧结作为一种相对高速与高精度的快速成型技术其成本也长期居高不下, 这限制了它的应用主要集中于工业生产加工领域。本文针对一种投入市场的消费级选区激光烧结的尼龙 12 材料拉伸性能进行研究, 并探究了其可能应用的领域。1 SLS 尼龙 12 (PA12) 粉末原理选区激光烧结的原理如图 1 所示, 选区激光烧结尼龙 12 粉末应用了“分层制造, 逐层累加”的思想2。尼龙 12 固体粉末被均匀平铺在工作平面上, 激光束在粉末层上移动并使得其温度达到熔点之上进行烧结, 同时与上一层 (或工作平面) 实现粘结。当上一层截面烧结
7、完成后工作平面下降一个微小高度, 铺料辊又在上面铺上一层均匀密实的粉末, 之后重复烧结, 最终完成整个零件实体3。在烧结过程中, 由于烧结是按照零件的轮廓分层进行, 因此加工前应当对零件实体沿一定方向进行切片处理以获得零件的切片轮廓, 之后输出给烧结设备进行加工。值得注意的是, 随着烧结的进行, 零件可能出现悬空部分甚至暂时完全与零件主体隔开的部分, 但是由于原料粉末对已烧结部分能起到支撑的作用, 加工时并不需要单独考虑零件支撑, 这也简化了加工步骤。此外, 当实体构建完成并在原型部分充分冷却后, 其余残留的粉末可刷去或者用压缩空气去除以增加原料利用率。图 1 选区激光烧结原理示意图 下载原图
8、2 实验表 1 下载原表 表 2 下载原表 2.1 实验设备试样制造委托厂商使用 EOS P800 系列-SLS 尼龙 3D 打印机, 德国 EOS 公司制造。激光发射器类型:二氧化碳, 激光功率:50W, 激光扫描速度 6000mm/s 最大成型空间:700mm (长) 380mm (宽) 560mm (高) 4, 精度:0.1mm 拉伸试验采用 PDL-5000N 电子拉力试验机 (表 1) 。2.2 实验样品实验样品尺寸采用标准 GB/T1040.1-2006 塑料拉伸性能的测定第 1 部分:总则, 详细如下 (表 2) 。2.3 实验方案实验的方案采用标准为 GB/T1040.2-20
9、06, 拉伸速度为 20mm/min。3 实验结果与分析图 2 实验组与对照组的拉伸强度对比 下载原图不同组别的选区激光烧结尼龙 12 材料拉伸强度如图 2 所示, 由图可以看出实验组尼龙 12 试件和对照组尼龙 12 试件拉伸强度相差 0.9MPa, 实验组数值较低。考虑到尼龙 12 粉末压实度, 尼龙 12 粉末粒径不一致等因素所可能带来的影响, 我们基本可以认为实验组与对照组选区激光烧结尼龙 12 材料拉伸性能是一致的。4 结束语选区激光烧结作为一种发展成熟的快速成型技术, 在高精度模具制造、工业设计、教育领域以其相对于传统开模注塑、CNC 加工具有时间短、成本低、设计易于修改、产品表面
10、光洁度高以及成型精度好的特点。再加上类似于本文所探讨的消费级选区激光烧结用尼龙 12 粉末材料, 其应用前景广阔。就本文而言, 实验组试件从设计定型到打印再到成品全程用时仅两天, 总成本千元不到。若使用传统开模注塑加工方法则需万元以上, 且一旦设计修改则上次模具完全报废, 需要重新开模, 前期模具制造成本则变成沉没成本5。而对于选区激光烧结而言其推广的阻碍无疑是较高的终端配置与使用成本。首先, 由于制造技术本身不同于传统制造方式的特殊性, 必须使用专用的尼龙粉末或者其他类型材料的粉末。颗粒的粒径范围、压实度会对制造效果产生很大的影响6。但是本次实验所使用的消费级尼龙 12 粉末完全来自零售渠道
11、并且其价格经过和商家了解其价格还有进一步降低空间, 这对于选区激光烧结的推广无疑是有利的。其次, 高精度的选区激光烧结设备价格居高不下也是阻碍其推广应用的主要原因之一。这一点目前暂时没有相对较好的解决办法, 但是可以通过将加工外包给专门的选区激光烧结加工厂商来降低一部分使用成本。参考文献1赵云龙.先进制造工艺M.西安:西安电子科技大学出版社, 2006. 2郑利文.Object Geometries 公司推出多种复合材料 3D 打印机J.模具工业, 2008 (2) :73. 3贾礼宾, 王修春, 王小军, 等.选择性激光烧结技术研究与应用进展J.信息技术与信息化, 2015 (11) :172. 4Electro Optical Systems.EOSINT P 800-Additive Manufacturing System for processing high performance polymersEB/OL.http:/h- 5吴家杰, 李国伟.快速成型技术在模具制造中的应用分析J.低碳世界, 2017 (25) :293. 6徐超, 杨家林, 王洋.尼龙材料的选区激光烧结性能试验研究J.新技术新工艺, 2005 (1) :41.
