CN108044930A - 一种塑胶粉末随形阶梯温度床的增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种塑胶粉末随形阶梯温度床的增材制造方法，其技术方案的要点是包括有如下步骤：加粉、刮粉、一次加热、选域二次加热、激光烧结、下降一层高度然后重复上述步骤，增材制造系统停止塑胶粉末的全部加热，成型缸温度下降，烧结熔融的塑胶粉末冷却固化后塑胶产品即成型。本发明克服了现有激光烧结塑胶粉末成型过程当中塑胶粉末降解或过度交联的技术缺陷，防止成型缸内烧结成产品以外的塑胶粉末因高温引起的物理性能下降，避免其遭废弃或避免添加高比例新粉才可以循环使用，从而大幅度降低烧结塑胶产品的塑胶粉末成本。

Description

一种塑胶粉末随形阶梯温度床的增材制造方法
【技术领域】
本发明涉及一种随形阶梯温度床的激光烧结塑胶粉末增材制造方法。
【背景技术】
现有激光烧结塑胶粉末增材制造工艺流程：在三维打印数据处理系统下把塑胶产品三维数字模型切片并且生成激光扫描路径文件，然后导入激光烧结增材制造系统，成型缸内工作平台下降一层，刮板运动在工作平台上面均匀铺一层粉，系统启动加热元件，把工作平台上全部的塑胶粉末统一加热到接近熔点的温度，然后通过激光扫描照射需要烧结的区域，从而达到该区域塑胶粉末熔融并与前一层烧结在一起，如图1所示，a4为现有技术需要高温加热到塑胶粉末熔点临界温度T2的区域，a5为现有技术的激光烧结区域。整个过程为防止零件变形，工作缸体内塑胶粉末保温于低于T2但是有利于激光烧结完成的温度。
这部分经过逐层激光照射烧结的塑胶粉末熔融后冷却固化成塑胶产品，而没有被激光照射熔融的塑胶粉末由于被加热至临近熔点温度T2并且在成型缸保温多个小时而发生热降解和过度交联作用，导致塑胶粉体物理性能发生不可逆变化或者性能变坏，如直接用作烧结塑胶产品其物理力学性能将变坏，故该部分塑胶粉末(如PEAK，PEEK塑胶粉体等)只能作报废处理，或个别种类塑胶粉(如PA，PE,PS，PP，PBT,TPU塑胶粉体等)可通过混合20％-90％比例的纯新塑胶粉末才得以循环使用。这个过程通常只有5-15％的塑胶粉末能够制成塑胶产品，令激光烧结增材制造塑胶产品的成本高昂，难以应用于大批量增材制造塑胶零件，一直以来无法普及。
本发明就是基于这种情况作出的。
【发明内容】
本发明是一种通过创新性的随形阶梯温度床加热塑胶粉体，大幅度降低塑胶粉末使用成本的新型激光烧结塑胶粉末增材制造方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种塑胶粉末随形阶梯温度床的增材制造方法，其特征在于包括有如下步骤：
A.把塑胶产品的三维数模在特定软件下面切片并且生成扩展选定区域a2和烧结区域a3的激光扫描路径的文件，然后把文件导入激光烧结增材制造系统；
B.加粉：将烧结用的塑胶粉末加入由铺粉装置组成的粉槽中；
C.刮粉：粉槽内添加了塑胶粉末的刮刀在工作平台上移动，将粉槽内的塑胶粉末通过刮刀均匀铺洒在工作平台上；
D.一次加热：把工作平台上的塑胶粉末加热通过红外辐射加热到粉体物理性能不变坏的温度T1；
E.选域二次加热：在加热到T1温度的区域a1上，根据烧结区域a3的形状、位置和面积，通过计算机计算得出扩展选定区域a2，并且启动加热装置对a2区域塑胶粉末二次加热至粉体熔点临界温度温度T2；
F.激光烧结：使用聚焦的激光光束在烧结区域a3扫描照射，使烧结区域a3的塑胶粉末温度达到熔融温度T3；
G.工作台下降一层的厚度，重复步骤B至F直至激光对产品的a2和a3全部逐层照射完毕，激光光束对下一层烧结区域a3塑胶粉末扫描照射后，该区域粉末达到T3温度后熔融并冷却固化后与上一层烧结区域a3烧结在一起；
H.增材制造系统停止塑胶粉末的全部加热，成型缸温度下降，烧结熔融的塑胶粉末冷却固化后塑胶产品即成型；
在烧结全过程通过加热装置对成型缸各侧以及底部加热到T1温度或有利于完成激光烧结成型的温度T6，T6温度低于粉体熔点温度T4，所述熔融温度T3介于粉体熔点温度T4与粉体气化温度T5之间。
如上所述塑胶粉末随形阶梯温度床的增材制造方法，其特征在于：所述步骤F中激光烧结包括轮廓烧结和填充烧结两步，所述轮廓烧结是引导聚焦的激光光束聚焦到烧结区域a3的塑胶粉末上，聚焦在工作平台上的光斑在塑胶粉末层上扫描，烧结出产品的单层轮廓；所述填充烧结是根据轮廓内需填充的尺寸通过实时倍率连续可调扩束镜调节聚焦的激光光束的直径，从而调整聚焦在工作平面的光斑直径的大小，并计算出最快的路径，引导激光光束聚焦到工作平台的塑胶粉末上，聚焦在工作平台上的光斑在塑胶粉末上扫描，烧结处产品的单层填充部分。
如上所述塑胶粉末随形阶梯温度床的增材制造方法，其特征在于：所述塑胶粉末为热固性塑胶粉末、半结晶塑胶粉末、结晶性塑胶粉末中的一种。
如上所述塑胶粉末随形阶梯温度床的增材制造方法，其特征在于：所述T1温度取值范围为30-300摄氏度，所述T2温度取值范围为80-400摄氏度。
如上所述塑胶粉末随形阶梯温度床的增材制造方法，其特征在于：所述步骤E中采用激光光束进行二次加热。
如上所述塑胶粉末随形阶梯温度床的增材制造方法，其特征在于：所述步骤E中采用加热装置通过辐射或者直接接触的方式进行二次加热。
如上所述塑胶粉末随形阶梯温度床的增材制造方法，其特征在于：所述二次加热采用的激光光束与所述激光烧结的激光光束是由两支不同的激光发射的。
如上所述塑胶粉末随形阶梯温度床的增材制造方法，其特征在于：所述二次加热采用的激光光束与所述激光烧结的激光光束是由同一支激光通过调节扩束镜而来。
如上所述塑胶粉末随形阶梯温度床的增材制造方法，其特征在于：所述铺粉装置为刮刀或者滚筒。
如上所述塑胶粉末随形阶梯温度床的增材制造方法，其特征在于：所述实时倍率连续可调扩束镜的工作方法是通过专用的切片软件，把三维图形按照固定的层厚切片，切片数据包括有切片截面的轮廓数据，激光扫描控制软件根据每层切片数据的特点，以扫描效率最大化为依据，定义各个区域的激光光斑和激光路径，并实时把所在区域需要的光斑直径换算到实时倍率连续可调扩束镜的控制信号，从而令实时倍率连续可调扩束镜能输出光径不同的激光束，通过激光扫描器后实现不同聚焦光斑的功能。
与现有技术相比，本发明有如下优点：
1、本发明克服了现有激光烧结塑胶粉末成型过程当中塑胶粉末降解或过度交联的技术缺陷，防止成型缸内烧结成产品以外的塑胶粉末因高温引起的物理性能下降，避免其遭废弃或避免添加高比例新粉才可以循环使用，从而大幅度降低烧结塑胶产品的塑胶粉末成本。
2、本发明可不改变原来增材制造系统硬件情况下，也可以通过调整软件，根据烧结产品区域，实现随形区域精确加热，即可以实现本发明方法。
3、本发明大幅降低塑胶粉体使用成本，并且设备硬件成本无需增加，有利于使用激光烧结塑胶粉末成型方法实现大批量增材制造塑胶零件。
【附图说明】
图1是传统激光烧结方法示意图；
图2是本发明激光烧结方法示意图一；
图3是本发明激光烧结方法示意图二；
图4是本发明激光烧结方法示意图三。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明技术特征作进一步详细说明以便于所述领域技术人员能够理解。
一种塑胶粉末随形阶梯温度床的增材制造方法，包括有如下步骤：
A.把塑胶产品的三维数模在特定软件下面切片并且生成扩展选定区域a2和烧结区域a3的激光扫描路径的文件，然后把文件导入激光烧结增材制造系统；
B.加粉：将烧结用的塑胶粉末加入由铺粉装置组成的粉槽中；
C.刮粉：粉槽内添加了塑胶粉末的刮刀在工作平台上移动，将粉槽内的塑胶粉末通过刮刀均匀铺洒在工作平台上；
D.一次加热：把成型缸工作平台上的塑胶粉末通过红外辐射加热到粉体物理性能不变坏的温度T1；
E.随形选域二次加热：在加热到T1温度的区域a1上，根据烧结区域a3的形状、位置和面积，通过计算机计算得出扩展选定区域a2，并且启动加热装置对a2区域塑胶粉末二次加热至粉体熔点临界温度温度T2；
F.激光烧结：使用聚焦的激光光束在烧结区域a3扫描照射，使烧结区域a3的塑胶粉末温度达到熔融温度T3或以上，所述熔融温度T3介于粉体熔点温度T4与粉体气化温度T5之间；
G.工作台下降一层的厚度，重复步骤B至F直至激光对产品的a2和a3全部逐层照射完毕，激光光束对下一层烧结区域a3塑胶粉末扫描照射后，该区域粉末达到T3温度后熔融并冷却固化后与上一层烧结区域a3烧结在一起；
H.增材制造系统停止塑胶粉末的全部加热，成型缸温度下降，烧结熔融的塑胶粉末冷却固化后塑胶产品即成型。
在烧结全过程通过加热装置对成型缸各侧以及底部加热到T1温度或有利于完成激光烧结成型的温度T6,T6温度低于粉体熔点温度T4，所述熔融温度T3介于粉体熔点温度T4与粉体气化温度T5之间。例如某一塑料粉体熔点温度T4为180℃，那粉体熔点临界温度温度T2可能为178℃,熔融温度T3为220℃，粉体气化温度T5为240℃。
对于个别的塑胶粉末，增材制造系统可以控制D步骤和E步骤同时对a1和a2的塑胶粉末启动加热至T1和T2，或者先启动a2区域塑胶粉末加热至T2，然后才启动对a1区域塑胶粉末的加热至T1。
所述铺粉装置为刮刀或者滚筒。
本发明的方法就是改变加热成型缸全部塑胶粉体到粉体熔点临界温度T2的方法，只是把粉体整体加热到粉体物理性能不变坏的温度T1。对于大部分塑胶粉体，经过烧结熔融后冷却成型过程中，需要在产品周边保持一个合理温度T2，以防止产品冷却固化成型过程由于塑胶冷却内应力导致的变形，所以需要通过计算机根据烧结区域a3形状、面积和位置来分析计算选定得出扩展选定区域a2，扩展选定区域a2包括了烧结区域a3，如图2至图4所示，图中a1表示本发明中需要加热到粉体物理性能不变坏的温度T1的区域，a1也包括了a2和a3区域。
所述的对a2区域的加热可采用激光光束，也可以采用加热装置比如加热棒通过辐射或者直接接触的方式二次加热。
当采用激光光束对a2区域塑胶粉末加热至T2时，所述加热采用的激光光束与所述激光烧结的激光光束可以由两支不同的激光发射的，也可以由同一支激光发射的，并且可以通过调节扩束镜来获取更大激光光束提高对于a2区域的扫描照射效率。
通过把扩展选定区域a2的塑胶粉末加热到粉体熔点临界温度T2，再利用聚焦的激光束照射烧结区域a3，制作产品。该方法使需要加热到粉末熔点临界温度T2的粉体大量减少，就是说只有接近实际需要烧结的区域的粉末才需要加热到粉体熔点临界温度T2，其他大部分的粉体只需要加热到比较低的粉体物理性能不变坏的温度T1，这样令粉体的受高温影响而降解或者过度交联作用的比例减少，从而回收粉的状态接近纯新粉，不需要添加纯新粉就可以直接循环使用，提高了粉末的循环利用率，在不改变原来工艺流程的情况下大大降低了使用成本。
本发明扩展选定区域a2的选取分为几种情况，图中的圆形、方形和三角形分别代表三个不同零件产品的截面。
第一、如图2所示，如果三个零件距离比较远，那么加热到T2温度的扩展选定区域a2分别是沿着各自零件的边沿一定的距离进行并包含烧结区域a3的部分；
第二、如图3所示，如果三个零件都相距比较近，那么三个零件加热到T2温度的扩展选定区域a2会自动连成一片区域，不会重合加热；
第三、如图4所示，如果其中两个零件相距比较近，第三个零件相距这两个零件比较远，那么相近的两个零件加热到T2的部分会连成一片，不会重合加热，距离比较远的第三个零件仍然按照设定的区域加热到T2的温度。
如上所述塑胶粉末随形阶梯温度床的增材制造方法，所述塑胶粉末为热固性塑胶粉末、半结晶塑胶粉末、结晶性塑胶粉末中的一种。
所述T1温度取值范围为30-300摄氏度，粉体在这个温度下，物理性质处于可逆状态，就是材料在这个温度下再次冷却后，物理性质不会发生改变，可以视作与常温状态一致。在这个温度下，材料可以全部回收使用。
所述T2温度取值范围为80-400摄氏度，粉体在这个温度下，材料的物理性质不可逆，就是在这个温度下，塑胶材料会降解，而金属材料会氧化，材料的颗粒会变大，熔点会提高，颜色会变深。在这个温度下，材料不能完全回收使用，需要混合全新的材料才能正常工作。同一种材料的粉体，其T1与T2温度不会有重叠。
如上所述塑胶粉末随形阶梯温度床的增材制造方法，所述步骤E中激光烧结包括轮廓烧结和填充烧结两步，所述轮廓烧结是引导聚焦的激光光束聚焦到烧结区域a3的塑胶粉末上，聚焦在工作平台上的光斑在塑胶粉末层上扫描，烧结出产品的单层轮廓；所述填充烧结是根据轮廓内需填充的尺寸通过实时倍率连续可调扩束镜调节聚焦的激光光束的直径，从而调整聚焦在工作平面的光斑直径的大小，并计算出最快的路径，引导激光光束聚焦到工作平台的塑胶粉末上，聚焦在工作平台上的光斑在塑胶粉末上扫描，烧结处产品的单层填充部分。通过该方法，使得产品轮廓采用小直径的激光聚焦光斑，产品的填充部分采用较大直径的激光聚焦光斑，这样扫描出来的产品其轮廓精细，而且加工速度快，缩短生产时间。
如上所述塑胶粉末随形阶梯温度床的激光烧结增材制造方法，步骤E中采用所述实时倍率连续可调扩束镜的工作方法是通过专用的切片软件，把三维图形按照固定的层厚切片，切片数据包括有切片截面的轮廓数据，激光扫描控制软件根据每层切片数据的特点，以扫描效率最大化为依据，定义各个区域的激光光斑和激光路径，并实时把所在区域需要的光斑直径换算到实时倍率连续可调扩束镜的控制信号，从而令实时倍率连续可调扩束镜能输出光径不同的激光束，通过激光扫描器后实现不同聚焦光斑的功能。得益于光斑可调工艺，激光扫描控制软件会实时生成轮廓和填充的激光路径数据并输出控制信号控制实时倍率连续可调扩束镜和激光扫描器，达到扫描轮廓和填充的目的。这种方法，逻辑简单，快捷可行，可大大提高增材制造过程激光扫描的效率。
增材制造是对根据三维数模直接成型物理模型的方法概称，全球范围内增材制造工艺方法超过十种，其中包括激光固化液态光敏树脂成型，激光烧结塑胶粉末成型等等工艺。本发明中的激光可变光径是应用在自主开发的激光烧结塑胶粉体成型的增材制造系统上，是针对直接制作塑胶产品或各类塑胶模型的应用。
需要特别说明的是本发明是通过实时倍率连续可调扩束镜调节聚焦的激光光束的直径的，该技术不同于现有的通过动态聚焦的失焦原理来调整光斑大小技术。当工作平台是水平时，由激光从扫描振镜到成型缸工作平台面的每个位置点的激光行程也是不一样的，就代表每个工作台点的聚焦距离值是不一样，这样的话相同的聚焦系数在每个位置都不一样的，就很难得到相同的聚焦光斑，按照激光烧结原理，材料达到的能量密度是与光束的投影面积成反比的，如果每个地方的光斑直径变化不受控，那么利用动态聚焦来实现变光束而造成的激光能量密度不精确，过高激光能量密度会导致塑胶粉体高温降解或者燃烧，过低能量密度不利于激光把a3区域塑胶粉末充分烧融，导致冷却固化后产品物理力学性能变坏。
本发明实时倍率连续可调扩束镜也不等同于现有技术的固定倍率扩束镜，扩束镜的作用是用来扩光束，而扩光束不等同于调节光斑大小，现有的技术通常是采用固定倍率的扩束镜来对激光束进行纠正，因为激光束从激光器中激发产生发射出来，会产生散光现象，不是平行光，能量分布也不均匀，所以需要扩束镜来对激光束进行修准，使发射出来的激光束平行且能量分布均匀，相对于常见的固定倍率扩束镜，由于输出的光径不可调，所以聚焦的光斑也不可调，不能实现可变光斑扫描的功能，因此本发明首创采用实时倍率扩束镜来调节激光光斑大小。
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种塑胶粉末随形阶梯温度床的增材制造方法，其特征在于包括有如下步骤：
A.把塑胶产品的三维数模在特定软件下面切片并且生成扩展选定区域a2和烧结区域a3的激光扫描路径的文件，然后把文件导入激光烧结增材制造系统；
B.加粉：将烧结用的塑胶粉末加入由铺粉装置组成的粉槽中；
C.刮粉：粉槽内添加了塑胶粉末的刮刀在工作平台上移动，将粉槽内的塑胶粉末通过刮刀均匀铺洒在工作平台上；
D.一次加热：把工作平台上的塑胶粉末加热通过红外辐射加热到粉体物理性能不变坏的温度T1；
E.选域二次加热：在加热到T1温度的区域a1上，根据烧结区域a3的形状、位置和面积，通过计算机计算得出扩展选定区域a2，并且启动加热装置对a2区域塑胶粉末二次加热至粉体熔点临界温度温度T2；
F.激光烧结：使用聚焦的激光光束在烧结区域a3扫描照射，使烧结区域a3的塑胶粉末温度达到熔融温度T3；
G.工作台下降一层的厚度，重复步骤B至F直至激光对产品的a2和a3全部逐层照射完毕，激光光束对下一层烧结区域a3塑胶粉末扫描照射后，该区域粉末达到T3温度后熔融并冷却固化后与上一层烧结区域a3烧结在一起；
H.增材制造系统停止塑胶粉末的全部加热，成型缸温度下降，烧结熔融的塑胶粉末冷却固化后塑胶产品即成型；
在烧结全过程通过加热装置对成型缸各侧以及底部加热到T1温度或有利于完成激光烧结成型的温度T6，T6温度低于粉体熔点温度T4，所述熔融温度T3介于粉体熔点温度T4与粉体气化温度T5之间。
2.根据权利要求1所述塑胶粉末随形阶梯温度床的增材制造方法，其特征在于：所述步骤F中激光烧结包括轮廓烧结和填充烧结两步，所述轮廓烧结是引导聚焦的激光光束聚焦到烧结区域a3的塑胶粉末上，聚焦在工作平台上的光斑在塑胶粉末层上扫描，烧结出产品的单层轮廓；所述填充烧结是根据轮廓内需填充的尺寸通过实时倍率连续可调扩束镜调节聚焦的激光光束的直径，从而调整聚焦在工作平面的光斑直径的大小，并计算出最快的路径，引导激光光束聚焦到工作平台的塑胶粉末上，聚焦在工作平台上的光斑在塑胶粉末上扫描，烧结处产品的单层填充部分。
3.根据权利要求1所述塑胶粉末随形阶梯温度床的增材制造方法，其特征在于：所述塑胶粉末为热固性塑胶粉末、半结晶塑胶粉末、结晶性塑胶粉末中的一种。
4.根据权利要求1所述塑胶粉末随形阶梯温度床的增材制造方法，其特征在于：所述T1温度取值范围为30-300摄氏度，所述T2温度取值范围为80-400摄氏度。
5.根据权利要求1所述塑胶粉末随形阶梯温度床的增材制造方法，其特征在于：所述步骤E中采用激光光束进行二次加热。
6.根据权利要求1所述塑胶粉末随形阶梯温度床的增材制造方法，其特征在于：所述步骤E中采用加热装置通过辐射或者直接接触的方式进行二次加热。
7.根据权利要求5所述塑胶粉末随形阶梯温度床的增材制造方法，其特征在于：所述二次加热采用的激光光束与所述激光烧结的激光光束是由两支不同的激光发射的。
8.根据权利要求5所述塑胶粉末随形阶梯温度床的增材制造方法，其特征在于：所述二次加热采用的激光光束与所述激光烧结的激光光束是由同一支激光通过调节扩束镜而来。
9.根据权利要求1所述塑胶粉末随形阶梯温度床的增材制造方法，其特征在于：所述铺粉装置为刮刀或者滚筒。
10.根据权利要求1所述塑胶粉末随形阶梯温度床的增材制造方法，其特征在于：所述实时倍率连续可调扩束镜的工作方法是通过专用的切片软件，把三维图形按照固定的层厚切片，切片数据包括有切片截面的轮廓数据，激光扫描控制软件根据每层切片数据的特点，以扫描效率最大化为依据，定义各个区域的激光光斑和激光路径，并实时把所在区域需要的光斑直径换算到实时倍率连续可调扩束镜的控制信号，从而令实时倍率连续可调扩束镜能输出光径不同的激光束，通过激光扫描器后实现不同聚焦光斑的功能。
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