尼龍12-石灰石復(fù)合材料激光燒結(jié)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、激光燒結(jié)作為增材制造技術(shù)中的一種，因其獨(dú)特的分層疊加制造原理以及原材料選擇廣泛的優(yōu)點(diǎn)正逐漸向新的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展。為了使該技術(shù)更具有競爭力，在新的應(yīng)用領(lǐng)域能夠成為強(qiáng)有力的候選者，同時(shí)順應(yīng)全球范圍高效節(jié)能、低碳環(huán)保的可持續(xù)型發(fā)展要求，降低材料成本，開發(fā)新的用于激光燒結(jié)技術(shù)的原材料勢在必行。本論文以降低尼龍12激光燒結(jié)加工成本、能量消耗及環(huán)境影響為出發(fā)點(diǎn)，研究開發(fā)一種用于激光燒結(jié)技術(shù)的新型的具有低成本、低碳環(huán)保、高效節(jié)能、高成形精度以及良好的機(jī)

2、械性能等優(yōu)點(diǎn)的可持續(xù)型尼龍12/石灰石復(fù)合材料，使得激光燒結(jié)可制造石質(zhì)藝術(shù)裝飾品。該材料由已廣泛商業(yè)化應(yīng)用的尼龍12作為基體，以天然石灰石作為無機(jī)填料，共混制得。
　　通過材料設(shè)計(jì)方法，首先對比材料的相關(guān)物理性質(zhì)，以CaCO3為主要成分的石灰石粉末內(nèi)涵能僅為尼龍12的0.6％，熱傳導(dǎo)系數(shù)約為尼龍12的10倍左右，加之天然石灰石價(jià)格便宜，且加工過程CO2排放為0.0147～0.0163 kg/kg與尼龍12相差102個(gè)數(shù)量級，進(jìn)而論

3、證將石灰石作為結(jié)構(gòu)材料與尼龍12共混制得尼龍12/石灰石復(fù)合材料，以滿足降低尼龍12激光燒結(jié)加工成本及能量消耗，并且減少環(huán)境影響的可行性。隨后采用單層燒結(jié)的實(shí)驗(yàn)方法對于不同混合比例的尼龍12/石灰石復(fù)合材料進(jìn)行激光燒結(jié)可行性實(shí)驗(yàn)研究，以高效快捷的方式確定石灰石填料的最大混合體積比，以期最大程度降低原材料成本，減少能量消耗及CO2排放量。初步研究粉床溫度對于激光功率選擇及燒結(jié)區(qū)域變形的影響，同時(shí)對該混合比例的尼龍12/石灰石復(fù)合材料進(jìn)行微

4、觀形貌表征，并通過DSC及熱傳導(dǎo)系數(shù)測試，研究尼龍12/石灰石復(fù)合材料熔融結(jié)晶過程及熱傳導(dǎo)系數(shù)變化規(guī)律，研究石灰石的加入對整個(gè)材料體系的結(jié)晶溫度以及熱傳導(dǎo)系數(shù)的影響規(guī)律，為后文研究尼龍12/石灰石燒結(jié)件性能提供了一定的理論基礎(chǔ)。
　　增材制造完全區(qū)別于傳統(tǒng)制造，因此制造方式的改變也帶來了機(jī)械設(shè)計(jì)理念的變革，催生了新的面向增材制造的設(shè)計(jì)方法。探討其在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的優(yōu)勢，并基于該方法進(jìn)行具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)、薄壁、微孔、小配合間隙以及豐富細(xì)節(jié)

5、的模型設(shè)計(jì)，以此檢驗(yàn)?zāi)猃?2/石灰石復(fù)合材料用于激光燒結(jié)的成形性能。
　　通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，選取激光功率、掃描速度、預(yù)熱溫度3個(gè)主要加工工藝參數(shù)進(jìn)行2水平3因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定影響成形件性能的主要因素以及可用于后續(xù)研究能量輸入對于制件性能影響的數(shù)值選擇區(qū)間。隨后進(jìn)行藝術(shù)展示模型和性能測試件的激光燒結(jié)加工。通過機(jī)械性能測試研究加工工藝對于制件性能的影響規(guī)律，獲得變化曲線。研究尼龍12/石灰石燒結(jié)件機(jī)械性能達(dá)到最佳時(shí)的工藝參數(shù)。同時(shí)尼龍

6、12/石灰石燒結(jié)件平均拉伸強(qiáng)度達(dá)到了固體石灰石的最低拉伸強(qiáng)度，高于WPC及RPC制件拉伸強(qiáng)度。通過尺寸測量，對比研究制件在X、Y、Z三個(gè)方向上的成形精度均優(yōu)于純尼龍12。
　　分析探討石灰石對于尼龍12基體成形性能的影響，理論上石灰石填料對于尼龍12的增強(qiáng)方式為無取向增強(qiáng)方式，并在此基礎(chǔ)上研究石灰石與尼龍12顆粒間的相互作用機(jī)理以及激光燒結(jié)結(jié)合機(jī)理，同時(shí)結(jié)合尼龍12/石灰石復(fù)合材料燒結(jié)前后的紅外光譜對比以及掃描電鏡微觀形貌分析，研

7、究確定了石灰石與尼龍12顆粒間的相互作用及界面結(jié)合機(jī)理主要為機(jī)械互鎖的結(jié)合形式。通過對尼龍12/石灰石燒結(jié)件微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，研究不同激光功率及粉床溫度對于制件微觀結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)而從微觀的角度驗(yàn)證該工藝參數(shù)對于制件宏觀機(jī)械性能的影響。
　　研究石灰石含量對于尼龍12/石灰石復(fù)合材料熱傳導(dǎo)性能的影響。隨著石灰石含量的不斷增加，高導(dǎo)熱系數(shù)的石灰石小顆粒越來越多地替換了尼龍12顆粒間的低導(dǎo)熱系數(shù)空氣，同時(shí)增加了顆粒之間的接觸面積，因此使

8、得整個(gè)材料體系熱傳導(dǎo)性能逐漸上升。研究了石灰石含量對于尼龍12/石灰石燒結(jié)件密度及外觀顏色的影響規(guī)律。另外，通過掃描電鏡對不同石灰石含量尼龍12/石灰石復(fù)合材料在不同激光功率下的制件進(jìn)行微觀形貌表征，研究微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，從而以微觀的角度解釋激光功率及石灰石含量對于制件機(jī)械性能的影響。最后，定量分析激光燒結(jié)可持續(xù)型尼龍12/石灰石復(fù)合材料及純尼龍12粉末能量消耗、CO2排放及成本，突顯可持續(xù)型尼龍12/石灰石復(fù)合材料作為激光燒結(jié)技術(shù)原