CN103881371A - 激光烧结3d制造技术用石塑复合粉末及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末及其制备和激光烧结方法，本发明涉及一种用于激光烧结3D制造技术的复合粉末及其制备和使用方法。本发明解决现有的激光烧结用木塑复合材料和稻壳粉热熔胶复合材料制备的烧结件强度低、以金属粉或陶瓷粉制备烧结件成本高的技术问题。本发明的激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末由尼龙12粉末和石灰石粉末组成；制法：将尼龙12粉末与石灰石粉末加入到陶瓷研磨罐中研磨混合，得到石塑复合粉末。激光烧结时激光束在加工平面上扫描的方式为分区域扫描，激光功率为15～20W，激光功率低。本发明的石塑复合粉末用于激光烧结3D制造领域。

Description

激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于激光烧结3D制造技术石塑复合粉末及其制备方法。 
背景技术
激光烧结属于增材制造的一种方法。这种工艺也是以激光器为能量源，通过激光束使塑料、蜡、陶瓷、金属或其复合物的粉末均匀地烧结在加工平面上。在工作台上均匀铺上一层很薄（亚毫米级）的粉未作为原料，激光束在计算机的控制下，通过扫描器以一定的速度和能量密度按分层面的二维数据扫描。经过激光束扫描后，相应位置的粉末就烧结成一定厚度的实体片层，未扫描的地方仍然保持松散的粉末状。这一层扫描完毕，随后需要对下一层进行扫描。先根据物体截层厚度即分层层厚而降低工作台，铺粉滚筒再次将粉末铺平，可以开始新一层的扫描。如此反复，直至扫描完所有层面。去掉多余粉末，并经过打磨、烘干等适当的后处理，即可获得零件。目前应用此工艺时，以蜡粉末及塑料粉末作为粘合剂的原料较多，如木塑复合材料和稻壳粉热熔胶复合材料，但是这类材料的烧结件强度低；而以金属粉或陶瓷粉进行粘接或烧结的激光烧结工艺，因为材料本身价格高，并且所需的激光功率高，从而使烧结件的制备成本过高，尚未获得实用。 
发明内容
本发明是要解决现有的激光烧结用木塑复合材料和稻壳粉热熔胶复合材料制备的烧结件强度低、以金属粉或陶瓷粉制备烧结件时成本高的技术问题，而提供激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末及其制备和激光烧结方法。 
本发明的激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末由尼龙12粉末和石灰石粉末组成；其中尼龙12粉末与石灰石粉末的体积比为（3～2）：1。 
上述的激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末的制备方法，按以下步骤进行： 
一、石灰石粉末干燥后，用震筛机筛分，得到颗粒大小均匀的石灰石粉末； 
二、按尼龙12粉末与石灰石粉末的体积比为（3～2）：1量取尼龙12粉末和步骤一得到的石灰石粉末，加入到陶瓷研磨罐中，在转速为1000～1200r/min的条件下研磨混合10～12小时，得到激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末。 
本发明的制备方法中，将石灰石粉末干燥后用震筛机强力振动筛选出颗粒大小均一的石灰石粉末，然后尼龙12粉末和石灰石粉末用陶瓷研磨罐高速混合，得到颜色均一、粒 径最大化分散的均质粉末，不仅避免了粉末出现聚集现象，也有助于烧结过程中石灰石颗粒被尼龙12颗粒充分包裹并均匀分布在基体中，从而提高成型件的机械性能。 
利用上述的激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末进行激光烧结的方法，包括：将激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末加入到选择性激光烧结成型机的供粉缸中，铺粉滚轮将石塑复合粉末均匀地铺在加工平面上并被加热至加工温度，激光器发出激光，计算机控制激光器的开关及扫描器的角度，使得激光束在加工平面上根据对应的二维片层形状进行扫描，激光束扫过之后，工作台下移一个层厚，再铺粉，激光束扫描，如此反复，得到激光烧结件；其中激光束在加工平面上扫描的方式为分区域扫描，激光功率为15～20W，扫描速度为2000mm/s，扫描间距为0.1～0.15mm，粉层厚度为0.10～0.20mm，加工温度为170～175℃。 
本发明的激光烧结的方法中激光作用下，尼龙12和石灰石能吸收激光的高能量，尼龙12吸收能量产生熔融，石灰石吸收能量后会使石灰石晶体内产生膨胀，因此在石灰石颗粒表面会产生裂纹，熔融的尼龙12包裹住石灰石颗粒的同时也会渗入裂纹中，凝固后，形成“钉楔”结构，大大提高了激光烧结件的机械强度。本发明的激光烧结件的平均抗拉强度为9MPa～12MPa，是经后处理后的木塑复合材料和稻壳粉热熔胶复合材料烧结件的6～8倍。本发明的激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末中，石灰石粉末作为一种绿色环保的可持续型材料，具有价格低廉，易获得，高密度，高强度，低体现能等优点，不仅降低了单纯使用尼龙12作为激光烧结原材料的生产成本，同时提高了材料的热传导性能，使在激光烧结过程中的激光功率降低，使得该技术在低碳环保和能源节约方面有了大幅提升。该石塑复合粉末具有良好的流动性，易于铺粉，也具有良好的可成型性，适用于激光烧结成型制造，成型件形状精度高，具有良好的机械强度，拉伸强度已达到固体石灰石强度下限。 
本发明的激光烧结的方法中激光功率低，能源消耗小，成本低，另外以采用尼龙12粉末添入石灰石粉末的复合材料作为激光烧结3D制造的生产原料，石塑复合材料既降低了生产成本，又具有低碳环保和能源节约优势。并且该材料在制备过程中不必对石灰石粉末进行改性处理，在保证了成型的精度和硬度，也因简化工艺而降低了制造成本。 
附图说明
图1是试验1制备的烧结件拉伸断裂面的扫描电镜照片。 
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末由尼龙12粉末和石灰石粉末组成；其中尼龙12粉末与石灰石粉末的体积比为（3～2）：1。 
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的石灰石粉末的粒径为≤150μm。其它与具体实施方式一相同。 
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是所述的尼龙12粉末的粒径为40～80μm。其它与具体实施方式一或二相同。 
具体实施方式四：具体实施方式一所述的激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末的制备方法，按以下步骤进行： 
一、石灰石粉末干燥后，用震筛机筛分，得到颗粒大小均匀的石灰石粉末； 
二、按尼龙12粉末与石灰石粉末的体积比为（3～2）：1称取尼龙12粉末和步骤一得到的石灰石粉末，加入到陶瓷研磨罐中，在转速为1000～1200r/min的条件下研磨混合10～12小时，得到激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末。 
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是步骤一中颗粒大小均匀的石灰石粉末的粒径为≤150μm。其它与具体实施方式四相同。 
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是步骤一中颗粒大小均匀的石灰石粉末的粒径为37～120μm。其它与具体实施方式五相同 
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同的是步骤二中所述的尼龙12粉末的粒径为40～80μm。其它与具体实施方式四至六之一相同。 
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四至七之一不同的是步骤二中陶瓷研磨罐的转速为1100r/min，研磨混合时间为11小时。其它与具体实施方式四至七之一相同。 
研磨过程，研磨速度及时间，使得石灰石粉末和尼龙12分布均匀，避免同种粉末聚集现象，从而在激光烧结过程中，石灰石粉末可以被充分包裹并均匀分布于尼龙12基体中，从而更好地保证烧结件机械性能。 
具体实施方式九：利用具体实施方式一所述的激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末进行激光烧结的方法，包括：将激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末加入到选择性激光烧结成型机的供粉缸中，铺粉滚轮将石塑复合粉末均匀地铺在加工平面上并被加热至加工温度，激光器发出激光，计算机控制激光器的开关及扫描器的角度，使得激光束在加工平面上根据对应的二维片层形状扫描，激光束扫过之处，工作台下移一个层厚，再铺粉，激光束扫描，如此反复，得到激光烧结件；其中激光束在加工平面上扫描的方式为分区域扫 描，激光功率为15～20W，扫描速度为2000mm/s，扫描间距为0.1～0.15mm，粉层厚度为0.10～0.20mm，加工温度为170～175℃。 
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是：加工温度为175℃。其他与具体实施方式九相同。 
用以下试验验证本发明的有益效果： 
试验1：本试验的激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末由尼龙12粉末和石灰石粉末组成；其中尼龙12粉末与石灰石粉末的体积比为2：1。 
上述的激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末的制备方法，按以下步骤进行： 
一、石灰石粉末在30℃的条件下干燥24小时后，用震筛机筛分，得到颗粒大小为37～80μm的石灰石粉末； 
二、按尼龙12粉末与石灰石粉末的体积比为2：1称取尼龙12粉末和步骤一得到的石灰石粉末，加入到陶瓷研磨罐中，在转速为1000r/min的条件下研磨混合10～12小时，得到激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末。 
本试验得到的激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末是颜色均一、粒径最大化分散的均质粉末。 
利用上述的激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末进行激光烧结的方法，具体如下：将激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末加入到选择性激光烧结成型机的供粉缸中，铺粉滚轮将石塑复合粉末均匀地铺在加工平面上，激光器发出激光，计算机控制激光器的开关及扫描器的角度，使得激光束在加工平面上根据对应的二维片层的形状扫描，激光束扫过之后，工作台下移一个层厚，再铺粉，激光束扫描，如此反复，得到激光烧结件；其中激光束在加工平面上扫描的方式为分区域扫描，激光功率为20W，扫描速度为2000mm/s，扫描间距为0.15mm，粉层厚度为0.2mm。 
试验1得到的激光烧结件通过拉伸试验测得其平均抗拉强度为9.86MPa。激光烧结件拉伸断裂截面的扫描电镜照片如图1所示，从图1可以看出石灰石粉末均匀的分布于尼灰12基体中，并被尼龙12充分包裹，空隙率极低，截面密实。 
本试验采用石塑复合粉末进行激光烧结，得到激光烧结件，因为石塑复合粉末中石灰石的热传导速度快，使用较小的激光功率，就能达到烧结的能量要求，从而降低了成本。 
同时作以下的对比试验： 
试验2：本试验是采用木粉热熔胶复合材料进行激光烧结，其中木粉热熔胶复合材料 是由PES热熔胶粉末与经碱化处理的木质粉末的重量比为2：1混合而成的。激光烧结具体如下：将木粉热熔胶复合材料加入到选择性激光烧结成型机的粉箱中，铺粉滚轮将木粉热熔胶复合材料均匀地铺在加工平面上，激光器发出激光，计算机控制激光器的开关及扫描器的角度，使得激光束在加工平面上根据对应的二维片层形状扫描，激光束扫过之后，工作台下移一个层厚，再铺粉，激光束扫描，如此反复，得到激光烧结件，再经渗蜡处理，得到成品；其中激光束在加工平面上扫描的方式为分区域扫描，激光功率为50W，扫描速度为2000mm/s，扫描间距为0.15mm，粉层厚度为0.2mm。 
试验2得到的激光烧结件成品通过拉伸试验测得其平均抗拉强度为1.21MPa。 
试验3：本试验利用稻壳粉热熔胶复合材料进行激光烧结，其中稻壳粉热熔胶复合材料是由PES热熔胶粉末与稻壳粉的体积比为10：9混合而成的。激光烧结具体如下：将稻壳粉热熔胶复合材料加入到选择性激光烧结成型机的粉箱中，铺粉滚轮将稻壳粉热熔胶复合材料均匀地铺在加工平面上，激光器发出激光，计算机控制激光器的开关及扫描器的角度，使得激光束在加工平面上根据对应的二维片层形状扫描，激光束扫过之后，工作台下移一个层厚，再铺粉，激光束扫描，如此反复，得到激光烧结件，再经渗蜡处理得到成品；其中激光束在加工平面上扫描的方式为分区域扫描，激光功率为40W，扫描速度为2000mm/s，扫描间距为0.15mm，粉层厚度为0.2mm。 
试验3得到的激光烧结件成品通过拉伸试验测得其平均抗拉强度为1.47MPa。 
通过试验1、2和3的对比，可知，试验1得到的激光烧结件比试验2或3的激光烧结件成品的抗拉强度提高了6～8倍。 

Claims (9)

1.激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末，其特征在于该石塑复合粉末由尼龙12粉末和石灰石粉末组成；其中尼龙12粉末与石灰石粉末的体积比为（3～2）：1。
2.根据权利要求1所述的激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末，其特征在于所述的石灰石粉末的粒径为≤150μm。
3.根据权利要求1或2所述的激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末，其特征在于所述的尼龙12粉末的粒径为40～80μm。
4.制备权利要求1所述的激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末的方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、石灰石粉末干燥后，用震筛机筛分，得到颗粒大小均匀的石灰石粉末；
二、按尼龙12粉末与石灰石粉末的体积比为（3～2）：1称取尼龙12粉末和步骤一得到的石灰石粉末，加入到陶瓷研磨罐中，在转速为1000～1200r/min的条件下研磨混合10～12小时，得到激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末。
5.根据权利要求4所述的激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末的制备方法，其特征在于步骤二中陶瓷研磨罐的转速为1100r/min，研磨混合时间为11小时。
6.利用权利要求1所述的激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末进行激光烧结的方法，包括：将激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末加入到选择性激光烧结成型机的供粉缸中，铺粉滚轮将石塑复合粉末均匀地铺在加工平面上并被加热至加工温度，激光器发出激光，计算机控制激光器的开关及扫描器的角度，使得激光束在加工平面上根据对应的二维片层扫描，激光束扫过之后，工作台下移一个层厚，再铺粉，激光束扫描，如此反复，得到激光烧结件；其特征在于其中激光束在加工平面上扫描的方式为分区域扫描，激光功率为15～20W，扫描速度为2000mm/s，扫描间距为0.1～0.15mm，粉层厚度为0.10～0.20mm，加工温度为170～175℃。
7.根据权利要求6所述的利用激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末进行激光烧结的方法，其特征在于激光功率为18W。
8.根据权利要求6所述的利用激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末进行激光烧结的方法，其特征在于扫描间距为0.15mm。
9.根据权利要求6所述的利用激光烧结3D制造技术用石塑复合粉末进行激光烧结的方法，其特征在于加工温度为175℃。
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Assignee: Harbin free Zhi Zhi Technology Development Co., Ltd.

Assignor: Guo Yanling|Northeast Forestry University|Jiang Kaiyi

Contract record no.: 2016230000033

Denomination of invention: Stone-plastic composite powder for laser sintering 3D manufacturing technology and preparation method of stone-plastic composite powder

Granted publication date: 20160803

License type: Exclusive License

Record date: 20161009

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