选择性激光烧结技术在汽车空调试验领域的应用

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 前言

选择性激光烧结技术是针对粉体材料的1种快速成型技术（SLS）[1]，它是基于离散堆积制造原理，将零件三维实体模型文件沿Z向分层切片，经过激光束选择性地进行烧结成型后，去掉多余的粉未，再进行打磨、烘干等后处理，最终成型出零件原型或功能零件[2]。SLS技术原材料选择范围广，材料利用率高，无需支撑[3]，非常适用于原型或功能零件的制造，尤其适用于传统加工方法难以实现的复杂形状零件的快速成型[4]。目前可成型的材料包括高分子、陶瓷、复合材料等，其中高分子材料是研究得最早、应用最广泛的1种，目前在汽车行业有着广泛的应用[5]。因为尼龙材料机械强度高、耐磨性好[6]，在温度达到熔点以上时熔融粘度非常低，可以实现非常高的烧结速率，同时高致密度保证了成型件良好的力学性能[7]，因此对SLS技术成型的尼龙零件的应用推广一直是该领域工程技术人员研究的热点，由于其可以快速加工复杂结构零件，缩短零件的制作周期，在一定程度上缩短了车型的开发周期，因此汽车行业是其应用推广非常重要的领域。

2 空调试验

在汽车研发的产品设计与验证阶段，需要对空调系统进行台架及整车试验，包括环境模拟标定及道路标定等，以验证其是否满足设计要求。本次空调试验中的空调风道选用上海某公司生产的尼龙12粉末颗粒激光烧结而成，其中添加了质量分数为30%的玻璃微珠，激光烧结设备为中山某公司生产，零件的尺寸精度通过扫描仪检测，拉伸强度及弯曲强度使用C44.304E型万能材料试验机检测，冲击强度使用HIT 25/50P型摆锤式悬臂梁冲击试验机检测，试验步骤如下。

2.1 粉末制备

粉末粒径大小分布合理有利于获得较大的粉床密度，提高成型零件的致密度及力学性能[8]。当粉末粒径＜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而不利于成型。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型[9]。本次激光烧结成型使用的原材料平均粒径为50 μm，是循环使用的粉末颗粒与全新尼龙粉的混合粉，其中循环使用的粉末颗粒在混合前要先过筛和干燥，全新尼龙粉添加了质量分数为30%的玻璃微珠，按照质量分数（循环粉∶新粉）4∶1的比例放入混合机，以60 r/min的转速转动30 min即得成型所需粉末。

2.2 激光烧结成型零件的制备

本次成型的工艺参数设定预热温度为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。在激光烧结设备上按该工艺加工用于测定力学性能及尺寸精度的零件。用于测定力学性能的标准测试样条按照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条件》[10]、GB/T 9341—2008《塑料 弯曲性能的测定》[11]、GB/T 1843—2008《塑料 悬臂梁冲击强度的测定》[12]、GB/T 1634.2—2019《塑料 负荷变形温度的测定 第2部分：塑料和硬橡胶》[13]的要求进行加工，尺寸精度的测定选用空调风道的出风口进行检测。

2.3 精度及力学性能的检测标准

参照GB/T 1040.2—2006[10]进行拉伸强度检测，拉伸速度为1 mm/min，参照GB/T 9341—2008[11]进行弯曲强度检测，弯曲速度为2 mm/min，参照GB/T 1843—2008[12]进行冲击强度测试。选用空调风道的出风口作为尺寸精度的检测对象，使用扫描仪先扫描出零件的点云信息，然后通过原始数据与点云信息进行匹配核对，得到整个零件所有型面的偏差情况。

3 精度及力学性能讨论

3.1 选择性激光烧结成型零件的尺寸精度

空调试验要求空调风道具备高精度以保证密封性能良好不漏气，但选择性激光烧结成型过程中零件收缩是不可避免的问题，会显著影响零件的精度，而对于尼龙材料等结晶型聚合物而言成型收缩主要由烧结收缩、温致收缩及结晶收缩3部分组成[14]。为了对这些收缩量进行补偿，保证零件的最终加工精度，需要在各个方向分别设置合理的比例放大系数，刚好抵消在成型过程中导致的烧结收缩、温致收缩及结晶收缩，从而保证零件的最终加工精度达到预期。通过前期多次测试，本次加工X、Y、Z方向所使用的比例放大系数分别为1.031、1.031、1.019。出风口长、宽、高3个方向的尺寸分别为180 mm、70 mm、60 mm，先用扫描仪扫描出风口的外表面点云信息，然后将原始数据与点云信息进行匹配核对，得到整个出风口的所有型面的偏差情况，随机均匀取点结果如表1所示。

如表1所示，曲面点1-17为带拨片一侧，负偏差区域及正偏差区域大致相等，通过取点处的具体数值可知，正偏差集中在0～0.157 mm范围内，负偏差集中在-0.199～0 mm范围内；曲面点18-32为背面一侧，主要以正偏差为主，其中正偏差集中在0～0.164 mm范围内，负偏差集中在-0.111～0 mm范围内。对比所有的取点处数值可知，在现有工艺参数下，该出风口所有的偏差均处于±0.2 mm范围。

表1 扫描检测结果 mm

参照GB/T 14486—2008《塑料模塑件尺寸公差》[15]中聚酰胺填充玻璃纤维质量分数30%的公差规定，各公差等级的尺寸要求见表2。

表2 模塑件尺寸公差表（部分） mm

根据表2模塑件尺寸公差表可知出风口的长、宽、高分别为180 mm、70 mm、60 mm所对应的公差值，按基本尺寸上下偏差取均值，该零件的各类尺寸均能达到高精度级别的公差要求，完全能满足汽车空调标定试验中空调风道的精度要求。

3.2 选择性激光烧结成型零件的力学性能

空调试验不仅要求空调风道为设计状态，还需要其力学性能优异，在各种常规道路工况下不发生断裂，保证正常功能。表3给出了激光烧结混合质量分数为30%玻璃微珠的尼龙12粉末一体成型零件的力学性能以及经过热熔拼接的零件的力学性能。

表3 SLS一体成型零件及拼接零件的力学性能

从表中可以看出，一体成型零件的拉伸强度达到25 MPa，拉伸弹性模量达到1 800 MPa，断裂伸长率达到7.1%，弯曲强度为39 MPa，弯曲模量达到1 800 MPa，冲击强度为15.1 kJ/m2。分块加工的零件经过热熔拼接后力学性能有明显衰减，塑性及韧性均有不同程度的降低，其中拉伸强度衰减70%至7.1 MPa，拉伸弹性模量衰减48%至920 MPa，断裂伸长率衰减77%至1.6%，弯曲强度衰减52%至18.6 MPa，弯曲模量衰减44%至1 009 MPa，冲击强度衰减76%至3.5 kJ/m2。由于空调风道整个零件较大，无论是选择性激光烧结加工还是常规方法加工，均无法一次成型，需要分段加工后进行拼接，这样会在拼接处形成薄弱区。同时空调风道为中空结构，传统加工方法很难进行一体成型，需要分块加工后进行拼接，显著增加了拼接缝数量，对零件强度造成很大的影响，而选择性激光烧结技术无需支撑，可一体成型复杂结构的零部件，对于加工空腔类的空调风道而言具有显著的优势，一体成型后进行简单清粉及喷砂处理即可获得空腔类空调风道。

热变形温度如表3所示，在0.45 MPa负载的条件下，选择性激光烧结成型零件热变形温度为154℃，在1.8 MPa负载的条件下，选择性激光烧结成型零件热变形温度为67℃，而空调通风管道为无负载条件，热变形温度要求远低于154℃，可以完全满足试验试验要求。

3.3 选择性激光烧结技术在汽车研发中的应用情况

涉及到空调试验的相关零件包括鼓风机、空调风道等，在产品设计与验证阶段，空调风道无设计状态的模具件，而空调风道样件的状态与试验结果紧密相关，因此为了保证空调台架及整车试验结果可靠，不仅要求空调风道为设计状态的样件，还需要其高精度、变形少以保证良好的密封性能，不产生漏气的情况，同时具备一定的力学性能，要求在各种常规道路工况下不发生断裂，保证正常功能，在制热模式下，热风会使风道温度超过50℃，最高达60℃，因此要求风道具备一定的耐高温性能，60℃条件下不发生软化。使用激光烧结技术加工的空调风道如图1，将其分别装入台架及实车，效果分别如图2、图3所示，经实车及台架安装确认，整套空调风管安装过程无任何异常，所有安装位均能匹配，精度完全满足设计要求。台架试验表明，管道连接处按量产方案进行海绵填充处理后，气密性良好，无明显漏气现象出现，力学性能满足试验需求，且在制热模式下，风道也未现软化现象，均能满足试验要求。整车试验表明，整个试验阶段空调管道系统性能稳定，未出现异常，可满足整车搭载试验。

图1 激光选择性烧结通风管道

图2 空调台架试验

图3 空调管道整车装配（局部仪表管道）

4 结论

a.在现有工艺参数下，出风口的所有偏差均处于±0.2 mm范围，达到高精度级别的公差要求，完全能满足汽车空调试验中空调管道零件的精度要求；

b.选择性激光烧结一体成型的零件力学性能显著高于分块成型后热熔拼接零件的力学性能，一体成型可显著减少拼接缝数量，有助于提高整体力学性能，同时热变形温度高达154℃，可完全满足空调管道零件的耐热要求；

c.选择性激光烧结成型空调管道零件可满足空调试验的需求，激光烧结成型技术可助力汽车研发。