ISO 27547-1:2010 – 热塑性塑料激光烧结试样制备

1. 热塑性塑料试样的无模制备技术

ISO 27547-1:2010 规定了使用无模技术制备热塑性材料试样的通用原则，特别侧重于激光烧结方法。与传统的注塑成型或压缩成型不同，这些增材制造技术通过计算机辅助设计（CAD）模型逐层构建试样，无需昂贵的模具，并能实现快速的设计迭代。

该标准涵盖了完整的工作流程：试样几何形状的 CAD 建模、将数字模型切片分层、机器控制软件集成以及实际的激光烧结过程。涉及的三个软件系统（CAD 设计、切片分层和机器控制）可以独立运行，也可以完全集成在烧结机内部。

使用激光烧结制备试样时，务必仔细考虑构建方向。层叠制造工艺固有的各向异性特性意味着试样的方向应与其后续力学测试中的加载方向相匹配。

标准详细说明了材料调理要求、激光烧结程序和试样的后处理。热塑性粉末必须经过调理以达到一致的流动特性和水分含量。附录 A 中定义的激光烧结工艺参数包括激光功率、扫描速度、扫描间距、层厚和粉末床温度——所有这些都必须严格控制，以生产具有可重复力学性能的试样。

后处理可能包括清除未烧结粉末、表面精加工和退火以消除残余应力。标准要求完整的报告记录所有工艺参数，以确保可追溯性和可重复性。

附录 B 中描述的激光束半径直接影响烧结分辨率和最终试样的力学性能。定期校准激光光学系统对于在整个构建体积内保持一致的光束特性至关重要。

无需模具即可生产试样代表着材料测试和产品开发的范式转变。工程师现在可以快速迭代设计，生产传统成型无法实现的复杂几何形状，并将开发周期从数周缩短到数天。然而，激光烧结的逐层特性引入了独特的考虑因素：

激光烧结试样的力学性能通常为注塑成型对应试样的 70-90%，其中 Z 轴（构建方向）显示出最低值。设计工程师在使用测试结果进行产品设计时必须考虑这种各向异性。该标准的框架为建立每种特定材料配方的可重复烧结条件提供了基础。

激光烧结试样提供了卓越的设计灵活性，可生产传统成型无法实现的复杂几何形状，如点阵结构、内部通道和可变壁厚。这使得更真实的原型测试和功能验证成为可能。

不要假设激光烧结试样的力学性能与注塑成型试样直接可比。不同的热历史和微观结构特征可能导致断裂伸长率、抗冲击性和疲劳性能等特性的显著差异。

问：哪些热塑性塑料适合按照本标准进行激光烧结？
答：本标准适用于可通过激光烧结加工的热塑性材料。常见材料包括聚酰胺（PA）11、PA 12、热塑性聚氨酯（TPU）和聚丙烯（PP）。每种材料的具体条件必须根据相关材料标准确定或由相关方商定。

问：激光烧结试样的力学性能与模塑试样相比如何？
答：激光烧结试样的拉伸强度通常达到注塑成型试样的 70-90%，且具有更大的各向异性。由于逐层构建过程，Z 轴性能通常低于 X-Y 平面性能。

问：激光烧结后是否需要对试样进行后处理？
答：是的，后处理通常是必要的，可能包括清除未烧结粉末、表面精加工和退火。根据标准要求，具体的后处理应在测试报告中记录。

问：可以生产的试样最大尺寸是多少？
答：最大尺寸受激光烧结机构建体积的限制。典型的工业级机器提供从 200x200x300 mm 到 700x700x800 mm 的构建体积，足以满足大多数标准试样几何尺寸的需求。

使用激光烧结无模制备热塑性试样代表了材料测试技术的重大进步。与需要昂贵模具和漫长设置时间的传统注塑成型不同，激光烧结可以直接从CAD数据快速生产测试试样。这一能力使工程师能够在数小时内而不是数周内生产和测试试样，从而大大加速产品开发周期。

标准提供了建立可重复烧结条件的全面框架。必须控制的关键工艺参数包括激光功率、扫描速度、扫描间距、层厚和粉末床温度。激光能量密度通过功率除以扫描速度、扫描间距和层厚的乘积来计算，为表征输入粉末床的能量提供了有用的指标。聚酰胺材料的典型最佳能量密度值在0.02至0.08 J/mm³范围内。

粉末特性显著影响烧结质量和试样性能。粒径分布、颗粒形态、流动特性和热性能都影响粉末在烧结过程中的行为。标准提供了表征这些特性并将其与工艺参数一起记录的指导，以确保完全的可追溯性和可重复性。

由于逐层构建工艺的各向异性特性，试样在构建体积内的方向对力学性能有显著影响。在X-Y平面内构建的试样通常表现出比Z方向构建的试样更高的拉伸强度和断裂伸长率。工程师在设计测试计划和为产品设计应用解读结果时必须考虑这种各向异性。

后处理程序包括粉末清除、表面精加工和热退火，会显著影响试样性能。烧结后控制粉末床冷却有助于最小化热梯度并减少翘曲。在低于材料熔点的温度下退火可以消除残余应力并改善尺寸稳定性。标准要求记录所有后处理步骤，以确保试样制备条件的完全可追溯性。