针对目前尼龙12通过化学改性后的共聚酰胺产品作为选择性激光烧结用材料还是存在收缩和翘曲变形问题，研制出一种适合于选择性激光烧结用高性能复合尼龙粉。通过正交试验的方法对复合尼龙粉末的烧结工艺进行研究，得到优化的烧结工艺参数，分析了烧结件的性能。结果表明，经改性后复合尼龙粉末的收缩和翘曲变形得到了改善，同时，其烧结件的精度及力学性能也得到了改善。最终测得其拉伸强度为45.2MPa，弯曲强度为56.5MPa，延伸率为7％。
选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering简称SLS)是80年代末兴起的一项高新技术，他集成了CAD/CAM，数控技术，激光加工技术及材料科学等领域的最新成果。他的材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、蜡等材料的零件。
由于选择性激光烧结技术具有许多优点，因而该技术得到了广泛的应用，特别是将尼龙粉末材料应用于选择性激光烧结技术生产的零件和模具，具有优良的综合性能。然而，传统尼龙材料的SLS成型性能很差，表现为烧结面内的收缩与成型边界的翘曲。所以要对其进行改性，对于国产尼龙PA12材料，采用物理共混改性和化学改性2种方法均可改善国产尼龙材料的SLS成型性能，但因为纯尼龙对预热温度十分敏感，预热温度适应范围窄，其烧结成型难度较大，采用物理共混改性效果较差，化学改性效果非常明显，化学改性后的收缩与翘曲变形得到明显改善。
目前在PA12化学改性中，PAl2与PA6的共聚最引人注目，Goodman和Kehayoglou等人采用阴离子共聚合的方法，用NaH做催化剂，用自制的引发剂(己内酰胺-N苯氨基甲酰-己内酰胺)制备高分子量的尼龙6/12共聚物。尼龙-12通过上述化学改性后的共聚酰胺产品在很多工业生产中得到应用，但是作为选择性激光烧结用材料还是存在一些问题，不能从根本上解决翘曲变形问题。这是因为在烧结过程中始终存在大面积结晶，因而导致尼龙收缩，解决尼龙收缩的最直接办法是在制备过程中降低PA12的纯度。
因此，笔者通过分析上述原因采用过氧化双环已胺(PXA)法，选择以乙醇为主溶剂对w-氨基十二酸(12-ADA)提纯制备尼龙12。制备出1种新的适合于选择性激光烧结用高性能复合尼龙粉，并研究了激光烧结成型工艺、分析了烧结件的性能。
1 试验方法及过程
1.1 试验仪器
扫描快速成型机：HLP2350I；扫描电子显微镜(SEM)：TC500C型；高速混合机：SHR-50A型；电子拉力试验机：PDL25000N电子式拉力试验机；反应釜；游标卡尺。
1.2主要原材料
尼龙12、无机填料、偶联剂、流动剂、光吸收剂。
1.3 试样制备
1.3.1 制备12-ADA
将一定质量比的较高温度的11-CUA加氢产物(混合液，含12-ADA，自制)与结晶介质(混合溶剂，也可采用来自粗品12-ADA重结晶的母液)混合，使12-ADA的含量在3％～6％，冷却至0～30℃进行初次结晶，然后过滤晶浆，得到湿晶体及结晶母液，湿晶体干燥后得到粗品12-ADA。
1.3.2 尼龙12粉末制备
以乙醇(工业级，95％)为主溶剂，辅以其它助溶剂、助剂，在密封不锈钢釜中将粗品12-ADA油浴加热至120～180℃，保温1～2h后，剧烈搅拌快速冷却。通过真空抽滤和减压回收，对已冷却的粉末沉析液进行固-液分离，所得固态物为尼龙12粉末的聚集体。
1.3.3 复合尼龙粉的制备
对尼龙12粉末筛分(过160目筛)，添加光吸收剂、流动剂、偶联剂、无机填料(玻璃微珠为主)等助剂在高速混合机中混合均匀，通过复合尼龙粉末配比优化试验，确定复合尼龙粉的最佳配方如表1。之后复合尼龙再次过筛，得到最终粉末平均粒径在35～40μm的尼龙粉末。
表1 复合尼龙粉末最佳成份配比
1.4 复合尼龙粉末的SLS
对复合尼龙粉末运用正交设计法，采用不同工艺参数进行烧结，根据对烧结成型性能主要影响因素的分析，采用激光功率、激光扫描速度、铺粉厚度及预热温度4个主要成形工艺参数作为试验因素，根据要求结合试验经验，选取了4因素3水平的正交试验方案。因素水平表如表2所示，正交试验方案如表3所示。
表2 因素水平表
表3 正交试验方案表
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按照正交试验方案，在不同工艺参数组合下将复合尼龙粉末烧结成标准拉伸试样和弯曲试样，试样尺寸符合GB/T 1040-1992，再在PDL25000N电子拉力试验机上测试试样的拉伸性能和用游标卡尺测量各试样尺寸精度，比较在不同工艺参数组合下试样的强度和精度，最终确定最佳烧结工艺如表4。
表4 最佳烧结工艺参数
1.5 性能测试
拉伸性能按GB/T1040-1992测试;弯曲性能按GB/T9341-2000测试；利用图1所示的正八边形模型对尼龙12烧结件的4个方向和Z轴的烧结精度进行测试；并用SEM进行观察并拍照。
图1 正八边形平面的4个方向
2 烧结件性能分析
2.1 复合尼龙粉改性后的性能
改性后的复合尼龙粉的扫描电镜照片如图2所示，可以看出，改性后PA12颗粒形状规则，大多呈椭圆形和圆形，和玻璃珠级配合适。粉末铺粉性能良好，在成型中翘曲变形非常小。
2.2 烧结件的力学性能
通过对烧结件的测试得出：改性后的复合尼龙粉烧结成型件变形小、成型性能良好；拉伸强度为45.2MPa，延伸率为7％，弯曲强度56.5MPa。满足指标(成型件拉伸强度≥40MPa，延伸率≥7％)要求。与以往试验相比本次试验是成功的。不仅使烧结件的强度提高了而且延伸率也降低了。
图2 化学改性后PA12粉末SEM
2.3 改性前后烧结件断面的微观形貌对比
从图3看出，在烧结过程中，PA12大面积结晶，使得烧结前后体积发生较大的变化，体积变化越大，造成烧结体内的收缩应力越大。由于收缩应力的作用，使得烧结件内部出现一些破坏性裂纹，这些裂纹严重影响了烧结件的力学性能。
图3 改性前烧结件断面SEM
对比改性前后不难看出，在图4中并没有发现如图3的大面积结晶和裂纹。经化学改性后烧结件内部结构仍然比较致密，但并没有引起烧结件严重收缩。从图4a中可以清晰看出烧结层间结合比较好，0.15mm的层厚刚好使激光能量透过，与下一层形成连接。从图4b图中可以看出粉末熔化比较彻底，烧结体是由尼龙12小晶粒和“玻璃相”互混形成，所以即使在单一方向上粉末的线性收缩也是非常有限的。
图4 改性后PA12烧结件断面SEM
3 结语
1)根据纯尼龙材料烧结时存在烧结面内的收缩与成型边界的翘曲问题，制备了一种适合于SLS成型工艺的复合尼龙粉末材料。
2)利用化学改性方法对尼龙进行了改性，分析了影响其选区激光烧结试验的工艺参数，并通过正交试验方法优化这种材料的SLS成型规范。
3)试验表明，改性后的复合尼龙粉末其收缩与翘曲变形、力学性能均得到明显改善，且成形件变形小，精度较高。
