选择性激光烧结技术在汽车门饰板制造中应用的试验验证

□ 周 旭 □ 岳双成

广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院 广州 510000

1 选择性激光烧结技术概述

选择性激光烧结技术是针对粉体材料的一种快速成形技术,以激光作为热源，逐层扫描粉体材料，进而固化成形为零件,这些零件可广泛应用于机械、电子、电器、交通等领域[1-3]。选择性激光烧结技术可成形的材料种类多,利用率高,不需要支撑,可直接制造金属零件和模具[4]。根据不同的材料种类,可加工成形不同材质的复杂结构零件。目前,选择性激光烧结技术可成形的材料包括高分子材料、陶瓷材料、复合材料等。其中,高分子材料研究早，应用广泛,尤其是在汽车行业中应用最为广泛[5]。随着汽车行业竞争的白热化,各汽车生产企业为抢占市场不得不缩短新产品投放市场的周期，以满足客户的需求,这就进一步压缩了车企开发车型的时间。选择性激光烧结技术可以快速加工复杂结构零件,缩短零件的试制周期,在一定程度上缩短了车型的开发周期。

2 汽车门饰板耐久试验

2.1 试验背景

在汽车研发的产品设计与验证阶段,需要对车身和车门等开闭件进行耐久试验,以验证是否满足设计要求。涉及开闭件耐久试验的零件,越接近量产状态,试验的可靠程度越高。

在产品设计与验证阶段,与试验相关的门饰板暂无确定的模具样件,如果在缺失汽车门饰板的情况下进行试验,会使汽车车门与门框之间存在间隙,导致关车门时胶条无法起到缓冲作用,还会因密封不严导致车内气压与原设计要求有偏差,不满足试验要求。此外，还会造成汽车车门钣金与车身有较大冲击,使车身存在撕裂风险,影响试验准确性。

由于常规方法加工的汽车门饰板力学性能较差,因此采用选择性激光烧结技术加工的汽车门饰板进行耐久性试验。

2.2 试验设备

试验选用上海某公司生产的尼龙12粉末混合质量百分数为30%的玻璃微珠，作为加工汽车门饰板的原料。采用中山某公司的激光烧结机对粉末颗粒进行烧结成形,采用C44.304E型万能材料试验机测量成形零件的拉伸强度及弯曲强度,采用HIT 25/50P型摆锤式悬臂梁冲击试验机测量成形零件的冲击强度。

2.3 粉末制备

成形粉末的粒径大小及分布对选择性激光烧结成形零件的致密度、力学性能、尺寸精度及表面质量等均会造成不同程度的影响[6-7]。粒径越小,则层厚可设置得越小,有利于减小成形零件表面的台阶效应,提高成形零件的表面质量。成形粉末粒径大小分布合理,则有利于获得较大的粉床密度,提高成形零件的致密度及力学性能。当粉末粒径小于10 μm时,由于摩擦产生的静电使粉末吸附在铺粉辊或刮刀上,因此不利于成形。有研究表明,平均粒径为10～100 μm的粉末颗粒有利于选择性激光烧结成形[8]。在加工汽车门饰板时,选用循环粉与新粉的混合粉,其粉末颗粒外形规则,球形度高,颗粒大小分布均匀。在粉末制备时,将循环使用的尼龙粉末颗粒过筛、干燥后加入新粉。按照循环粉与新料质量百分比为4∶1放入不锈钢混合粉桶,以60 r/min的速度转动30 min,得到试验所需粉末。

2.4 样件制备

选择性激光烧结的重要工艺参数主要包括预热温度、激光烧结功率、激光扫描速度、层厚及扫描间距等。影响工艺参数的因素较多,包括原材料类型、新材料比例及循环粉老化状态等。通过前期对不同工艺参数的测试,设置预热温度为165 ℃，激光烧结功率为80 W，扫描速度为14 500 mm/s,层厚为0.12 mm,在激光烧结机上烧结成形试验样件,如图1所示。

2.5 尺寸精度及力学性能检测

通过测定成形试验样件的力学性能及尺寸精度，可以确定通过同等条件加工的汽车门饰板的力学性能及尺寸精度。参照GB/T 1040.2—2006《塑料 拉伸性能的测定 第2部分:模塑和挤塑塑料的试验方法》的测试要求,对成形试验样件进行拉伸强度检测,拉伸速度为1 mm/min。参照GB/T 9341—2008《塑料 弯曲性能的测定》的测试要求,对成形试验样件进行弯曲强度检测,弯曲速度为2 mm/min。参照GB/T 1843—2008《塑料 悬臂梁冲击强度的测定》的检测要求,对成形试验样件进行冲击强度测试。

▲图1 成形试验样件

3 结果分析

3.1 尺寸精度

成形过程中，零件收缩是一个不可避免的问题,会影响成形零件的精度。对于尼龙12粉末等结晶型聚合物而言，零件的成形收缩由烧结收缩、温致收缩及结晶收缩三部分组成[9]。烧结收缩由粉床中空隙减小所致,温致收缩指熔体固化产生的体积收缩,结晶收缩主要指由于分子链的结构发生变化而引起的体积收缩[9]。因此,需对这些收缩量进行合理补偿。分别设置X向、Y向及Z向的收缩率，以保证最终零件的尺寸精度满足设计要求。设定X向及Y向收缩率均为1.031,Z向收缩率为1.019。对X向、Y向及Z向成形的试验样件分别在长、宽、高三个方向上进行取点,然后进行测量,取平均值,得到成形试验样件尺寸，结果见表1。

表1 成形试验样件尺寸

在车门耐久试验中,汽车门饰板的精度需达到MT3级。参照GB/T 14486—2008《塑料模塑件尺寸公差》中聚酰胺填充30%玻璃纤维的公差规定,部分模塑件尺寸公差等级要求见表2。表2中MT2为高精度，MT3为一般精度，MT5为未注公差尺寸要求。

由表1可知,在现有工艺参数下,沿X向、Y向及Z向成形的试验样件,其长、宽、高三个方向上的尺寸精度差异并不明显。由表2可知,所有尺寸的精度均能达到一般精度要求,部分尺寸精度能达到高精度要求。因此,在现有工艺参数下成形的汽车门饰板，其精度能达到车门耐久试验的要求。

表2 模塑件尺寸公差等级要求 mm

3.2 力学性能

车门耐久试验要求汽车门饰板力学性能优异,经过10万余次的车门开闭耐久试验后不发生损坏。原材料中填料对尼龙12粉末的工艺性能影响很大,玻璃微珠在尼龙12粉末中容易分散,是一种较理想的填料[10-11]。沿X向、Y向及Z向激光烧结成形试验样件的力学性能见表3。由表3可以看出,成形试验样件的拉伸强度超过30 MPa,冲击强度超过11 kJ/km2,完全能满足车门耐久试验中汽车门饰板的力学性能要求。此外,不同成形方向的试验样件，力学性能存在一定差异。沿X向、Y向的成形试验样件，各性能参数相差不大,而且所有性能参数均显著优于沿Z向的成形试验样件,其中断裂伸长率高200%左右,拉伸强度高40%以上,弯曲强度高4.76%,冲击强度高37%,各向异性表现明显。

表3 成形试验样件力学性能

4 选择性激光烧结技术应用的意义

在汽车研发过程中,需在不同阶段进行车门耐久试验，来验证车身及车门等是否满足设计要求。按照各类工况，总计完成10万余次车门开闭耐久试验。常规耐久循环试验阶段，以正常速度关闭车门。常规耐久循环试验结束后，进行大力关闭试验,关闭速度高达3 m/s。整个流程结束后,通过查看间隙、面差变化、磨损、开裂等判断车身及车门等是否满足设计要求。

在产品设计与验证阶段,与试验相关的汽车门饰板暂无确定的模具样件,试验过程中如果不装配门饰板,车门关闭时会导致车门钣金直接与车身碰撞挤压,尤其是在大力关闭阶段,挤压现象尤其突出。长时间、高频次挤压会导致车门在正常耐久变形外产生磨损甚至开裂,影响试验的准确性。应用选择性激光烧结成形技术制造汽车门饰板,经过多次试验证明,零件性能及精度均能够满足试验要求,可以有效提高试验的准确性。

5 结束语

在现有工艺参数下,沿X向、Y向及Z向成形的试验样件，尺寸精度差异不明显,达到一般精度要求,可见现有工艺参数下成形的汽车门饰板，其精度能达到试验要求。选择性激光烧结成形零件的力学性能优异,满足车门耐久试验中汽车门饰板力学性能的要求,但各向异性明显。沿X向及Y向成形的零件，各力学性能相差不大,且显著高于沿Z向成形的零件的力学性能。

总体而言,应用选择性激光烧结成形技术制造的汽车门饰板，可以完全满足车门耐久试验的要求,激光烧结成形技术能够助力汽车研发。