CN112276111A - 一种用于选择性激光烧结的高层厚低温烧结方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于选择性激光烧结的高层厚低温烧结方法，包括如下步骤：首先在工作缸活塞上铺设层厚为0.01～0.05mm的金属粉末，然后在所述金属粉末上铺设层厚为0.3～2.0mm的高分子粉末，将上述两层粉末预热至设定温度，所述设定温度比高分子粉末的熔点低10～150℃；采用CO2激光器对上述两层粉末进行烧结，使得高分子粉末被融化，然后再采用光纤激光器进行烧结；重复步骤1和2，直至工件烧结完成得到工件。本发明的高层厚低温烧结方法极大加快了选择性激光烧结工艺的烧结速度和成形效率，所制备的工件不仅性能优异，表面电阻率，还可以作为很好的抗静电材料。

Description

一种用于选择性激光烧结的高层厚低温烧结方法及设备
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种用于选择性激光烧结的高层厚低温烧结方法及设备。
背景技术
选择性激光烧结技术是目前一种常用的快速成型技术，该技术容许不使用工具加工而只需建立目标零件的计算机三维模型，然后用分层软件将三维模型进行切片处理，将粉末铺到工作缸，然后加热到一定温度，最后通过激光烧结粉末的多个叠层获得三维实体。
高分子粉末之所以能被融化，主要有两个能量来源，一个能量来源为工作缸上部的灯管或者灯丝的辐射加热，这个上部加热能量是粉末熔化的主要能量来源，约占粉末熔化能量的80％，而另外一个能量来源为激光，激光照射在高分子粉末上，高分子中的化学键形成共振，产生热量，使得高分子粉末熔化，激光的能量约占粉末熔化能量的20％。
选择性激光烧结设备中，需要将粉末加热到一定的温度，尽可能的接近高分子粉末的熔点，主要的原因是，一为高分子粉末提供热能量，二个是高分子粉末被熔化成熔融体后，需要保持一定的环境温度，不然高分子熔融体会产生结晶收缩，导致工件翘曲；高分子粉末被激光熔化后，上部的灯管加热和熔融体可以继续熔化被激光烧结的高分子粉末，高分子粉末被熔化的更完全；同时由于高分子粉末烧结完一层后，需要新铺一层粉末，再用激光选择性的烧结粉末成熔融体，不同层的高分子熔融体需要相互粘接，为了保证不同的高分子熔融层之间粘接的更好，也需要保持一定的环境温度。但是工作温度不能无休止的提高，主要是由于过高的温度会导致未烧结的粉末之间相互粘接。其结果是选择性激光烧结的工件的性能相对于传统的高分子加工工艺制备的工件总体偏差，特别是垂直方向的工件性能。
在高温的情况，粉末易发生物理及化学的变化，导致粉末老化而不能继续使用，例如粉末之间容易相互粘接，导致粉末流动性变差；同时也会导致粉末可能进一步进行缩聚，高分子分子量增大，这种粉末采用选择性激光烧结制备成工件时，工件易发生“橘皮”等现象；同时在高温下，粉末更易被氧化，导致粉末颜色发生变化。未烧结成工件的高分子粉末老化问题，导致粉末不能完全重复使用，使得选择性激光烧结技术的耗材成本高，限制了3D打印发展的一个重要因素。
目前主流的选择性激光烧结设备，激光移动的速度达到了甚至超过10m/s，所以高分子吸收的激光能量是非常瞬时的。同时市面上选择性激光烧结设备采用的普遍激光器为10.6μm的CO2激光器，普遍的激光功率不超过100W。同时由于激光对粉末穿透力比较差，激光更多的是通过折射的方案使得激光穿透到更深，照射在高分子粉末表面。但是由于高分子多次折射后激光能量损失较大，导致无法烧结高的层厚。从而烧结的效率较低，高分子粉末也不会完全熔化，也限制了3D成型速度。
发明内容
本发明提供一种用于选择性激光烧结的高层厚低温烧结方法及设备，为了更快的制备选择性激光烧结工件，采用一种高层厚的烧结工艺进行烧结，实现了高分子粉末的低温烧结，提高了粉末的重复利用性。为了实现该目的，采用的方案，将金属粉末和高分子粉末置于一种选择性激光烧结设备中，这种设备为有两个供粉系统和两种激光器，一个供粉系统提供金属粉末，一个供粉系统提供高分子粉末；两种激光器，CO2激光器和光纤激光器。首先铺一层小层厚的金属粉末，再铺一层高层厚的高分子粉末，将粉末预热到一定的温度，然后现有CO2激光器扫描一次，再用光纤激光器扫描一次，重复铺粉烧结，直至工件烧结完成。该工件不仅性能优异，同时由于电导率高，可作为优异的抗静电材料。
本发明提供一种用于选择性激光烧结的高层厚低温烧结方法，包括以下步骤：
(1)首先在工作缸活塞上铺设层厚为0.01～0.05mm的金属粉末，然后在所述金属粉末上铺设层厚为0.3～2.0mm的高分子粉末，将上述两层粉末预热至设定温度，所述设定温度比高分子粉末的熔点低10～150℃；
(2)采用CO2激光器对上述两层粉末进行烧结，使得高分子粉末被融化，然后再采用光纤激光器进行烧结；
(3)重复步骤1和2，直至工件烧结完成，制得工件。在此需要说明的是，步骤3中的重复步骤1和2，是从步骤2中光纤激光器烧结完的粉末层开始铺设层厚为0.01～0.05mm的金属粉末，并不是从步骤1中工作缸活塞上开始铺设层厚为0.01～0.05mm的金属粉末，依次类推，每次重复步骤1和2，都是在前一次烧结的粉末层基础上开始铺设金属粉末，直至工件烧结完成，制得工件。
作为本发明的进一步优选方案，所述金属粉末为铁粉、铜粉、镍粉、铝粉、钴粉、钛粉和银粉中的一种或几种。高分子粉末对波长较短的光纤激光器，其吸收能力较差，无法直接采用光纤激光器作为激光来源熔化粉末，由于金属吸收光纤的激光能量，传递给粉末，使得粉末熔化的更完全，不仅提高粉末的力学性能，同时提高了工件的各向异性，很好地实现了高分子粉末的低温烧结。
作为本发明的进一步优选方案，所述金属粉末的平均粒径为1～50μm。
作为本发明的进一步优选方案，所述高分子粉末为聚酰胺粉末、聚乙烯粉末、聚氨酯粉末、聚丙烯粉末、聚苯乙烯粉末、聚对苯二甲酸丁二醇酯粉末、聚苯硫醚粉末或聚醚醚酮粉末。
作为本发明的进一步优选方案，所述高分子粉末的平均粒径为40～80μm。
作为本发明的进一步优选方案，所述光纤激光器的光源波长为400～2000nm。
作为本发明的进一步优选方案，所述光纤激光器的额定功率为200～2000W。光纤激光器相对于CO2激光器可以更稳定的输出更高的功率，可以将金属加热更高的温度，使其周边的高分子粉末被熔化。金属吸收了光纤激光器能量后变成热能量，储存在金属中，然后金属会将该热能量传递到高分子粉末上，使其熔化。
作为本发明的进一步优选方案，所述CO2激光器发出的光源波长为10600mm。
作为本发明的进一步优选方案，所述CO2激光器的额定功率为30～100W。
作为本发明的进一步优选方案，步骤2中，所述CO2激光器和光纤激光的烧结间距均为0.08～0.5mm。
本发明还提供一种用于选择性激光烧结的高层厚烧结设备，包括CO2激光器、光纤激光器、金属粉末供粉系统和高分子粉末供粉系统，其特征在于，将金属粉末加入至金属粉末供粉系统，将高分子粉末加入高分子粉末供粉系统，以CO2激光器和光纤激光器为混合光源对金属粉末和高分子粉末的双层粉末进行烧结，实现所述的用于选择性激光烧结的高层厚低温烧结方法。
本发明提供的一种用于选择性激光烧结的高层厚低温烧结方法，具有以下有益效果：
(1)在相邻高层厚的高分子粉末之间铺设一层金属粉末，用CO2激光器熔化高分子粉末，用光纤激光器加热夹层中的金属，这样加热后的金属粉末能持续的为高分子粉末供热，保持熔融状态，不仅使得高分子能充分的熔化，由于金属的持续供热，高分子结晶较慢，使得高分子粉末可低温烧结。本发明能很好地实现高层厚烧结，烧结层厚从目前的0.3mm，最高可提高至2mm，烧结速度呈翻倍的增加，极大加快了选择性激光烧结工艺的烧结速度和成形效率。
(2)在很好地实现了高层厚烧结的同时，烧结的制件的性能也达到了现有增材制造的水平，制件的机械性能优异。采用了所制备的低温烧结高分子复合粉末材料，烧结温度比单独采用高分子粉末的熔点低10～150℃，因此低温烧结高分子复合粉末材料老化程度的也较轻，粉末的重复利用性也更高。
(3)由于在高分子粉末中添加了金属粉末，所以采用适用于低温烧结的高分子复合粉末材料烧结得到的制件也具有优异的电导率，可以做很好的电磁材料。
附图说明
图1为本发明一种用于选择性激光烧结的高层厚低温烧结方法中金属粉末和高分子粉末的铺设示意图。
具体实施方式
为了让本领域的技术人员更好地理解并实现本发明的技术方案，以下通过具体实施例的形式对本发明的技术方案做进一步详细说明，在以下实施例中，所列的份数均为质量份数。
对比例一
(1)首先在工作缸活塞上铺设层厚为0.1mm的尼龙1212粉末，将上述粉末预热至设定温度178℃，所述设定温度比高分子粉末的熔点低10℃；
(2)采用波长为10600nm的额定功率在100W的CO2激光器对上述尼龙1212粉末进行烧结，其烧结功率为100W，使得高分子粉末被融化；
(3)重复步骤1和2，直至工件烧结完成，得到工件烧结完成。
实施例一
(1)首先在工作缸活塞上铺设层厚为0.02mm的铁粉，然后在铁粉上铺设层厚为1.0mm的尼龙1212，将上述两层粉末预热至设定温度138℃，所述设定温度比尼龙1212的熔点低50℃；
(2)采用波长为10600nm的额定功率在100W的CO2激光器对上述两层粉末进行烧结，其烧结功率为100W，烧结的线间距为0.3mm，使得尼龙1212粉末被融化，然后再采用波长为1000nm的额定功率在1000W光纤激光器进行烧结，其烧结功率为1000W，烧结的线间距为0.3mm；
(3)重复步骤1和2，直至工件烧结完成，得到工件烧结完成。
实施例二
(1)首先在工作缸活塞上铺设层厚为0.01mm的铜粉，然后在所述铜粉上铺设层厚为0.3mm的聚乙烯粉末，将上述两层粉末预热至设定温度122℃，所述设定温度比聚乙烯粉末的熔点低10℃；
(2)采用波长为10600nm的额定功率在30W的CO2激光器对上述两层粉末进行烧结，其烧结功率为20W，烧结的线间距为0.08mm，使得聚乙烯粉末被融化，然后再采用波长为2000nm的额定功率在200W光纤激光器进行烧结，其烧结功率为200W，烧结的线间距为0.08mm；
(3)重复步骤1和2，直至工件烧结完成，得到工件烧结完成。
实施例三
(1)首先在工作缸活塞上铺设层厚为0.02mm的镍粉，然后在镍粉上铺设层厚为0.5mm的聚氨酯粉末，将上述两层粉末预热至设定温度121℃，所述设定温度比聚氨酯粉末的熔点低20℃；
(2)采用波长为10600nm的额定功率在100W的CO2激光器对上述两层粉末进行烧结，其烧结功率为100W，烧结的线间距为0.5mm，使得聚乙烯粉末被融化，然后再采用波长为405nm的额定功率在2000W光纤激光器进行烧结，其烧结功率为2000W，烧结的线间距为0.5mm；
(3)重复步骤1和2，直至工件烧结完成，得到工件烧结完成。
实施例四
(1)首先在工作缸活塞上铺设层厚为0.03mm的铝粉，然后在所述铝粉上铺设层厚为1.0mm的聚丙烯粉末，将上述两层粉末预热至设定温度132℃，所述设定温度比聚丙烯粉末的熔点低30℃；
(2)采用波长为10600nm的额定功率在60W的CO2激光器对上述两层粉末进行烧结，其烧结功率为60W，烧结的线间距为0.2mm，使得聚乙烯粉末被融化，然后再采用波长为500nm的额定功率在1000W光纤激光器进行烧结，其烧结功率为500W，烧结的线间距为0.2mm；
(3)重复步骤1和2，直至工件烧结完成，得到工件烧结完成。
实施例五
(1)首先在工作缸活塞上铺设层厚为0.04mm的钴粉，然后在钴粉上铺设层厚为1.5mm的聚苯乙烯粉末，将上述两层粉末预热至设定温度132℃，所述设定温度比聚苯乙烯粉末的熔点低80℃；
(2)采用波长为10600nm的额定功率在100W的CO2激光器对上述两层粉末进行烧结，其烧结功率为85W，烧结的线间距为0.4mm，使得聚乙烯粉末被融化，然后再采用波长为600nm的额定功率在500W光纤激光器进行烧结，其烧结功率为300W，烧结的线间距为0.3mm；
(3)重复步骤1和2，直至工件烧结完成，得到工件烧结完成。
实施例六
(1)首先在工作缸活塞上铺设层厚为0.05mm的银粉，然后在银粉上铺设层厚为2.0mm的聚对苯二甲酸丁二醇酯粉末，将上述两层粉末预热至设定温度146℃，所述设定温度比聚对苯二甲酸丁二醇酯粉末的熔点低100℃；
(2)采用波长为10600nm的额定功率在100W的CO2激光器对上述两层粉末进行烧结，其烧结功率为60W，烧结的线间距为0.3mm，使得聚乙烯粉末被融化，然后再采用波长为900nm的额定功率在1500W光纤激光器进行烧结，其烧结功率为1000W，烧结的线间距为0.4mm；
(3)重复步骤1和2，直至工件烧结完成，得到工件烧结完成。
实施例七
(1)首先在工作缸活塞上铺设层厚为0.03mm的钛粉，然后在钛粉上铺设层厚为1.0mm的聚苯硫醚粉末，将上述两层粉末预热至设定温度162℃，所述设定温度比聚苯硫醚粉末的熔点低140℃；
(2)采用波长为10600nm的额定功率在100W的CO2激光器对上述两层粉末进行烧结，其烧结功率为85W，烧结的线间距为0.3mm，使得聚乙烯粉末被融化，然后再采用波长为1080nm的额定功率在1000W光纤激光器进行烧结，其烧结功率为800W，烧结的线间距为0.3mm；
(3)重复步骤1和2，直至工件烧结完成，得到工件烧结完成。
实施例八
(1)首先在工作缸活塞上铺设层厚为0.03mm的镍粉与钛粉的混合粉末，然后镍粉与钛粉的混合上铺设层厚为1.0mm的聚醚醚酮粉末，将上述两层粉末预热至设定温度175℃，所述设定温度比聚醚醚酮粉末的熔点低150℃；
(2)采用波长为10600nm的额定功率在100W的CO2激光器对上述两层粉末进行烧结，其烧结功率为85W，烧结的线间距为0.3mm，使得聚乙烯粉末被融化，然后再采用波长为1060nm的额定功率在500W光纤激光器进行烧结，其烧结功率为500W，烧结的线间距为0.3mm；
(3)重复步骤1和2，直至工件烧结完成，得到工件烧结完成。
将对比例1和实施例一至八所制备的工件进行性能测试，性能参数如表1所示。
表1对比例和实施例的工件性能参数表
Figure BDA0002746960790000061
Figure BDA0002746960790000071
如图1所示，为金属粉末和高分子粉末的铺设示意图，其中，大颗粒为铺设再在金属粉末上的高分子粉末，小颗粒为金属粉末，很明显可以看到高分子粉末的层厚远大于金属粉末的层厚，在相邻高层厚的高分子粉末之间铺设一层金属粉末，用CO2激光器熔化高分子粉末，用光纤激光器加热夹层中的金属，这样加热后的金属粉末能持续的为高分子粉末供热，保持熔融状态，不仅使得高分子能充分的熔化，由于金属的持续供热，高分子结晶较慢，使得高分子粉末可低温烧结。通过本发明很好地实现了高层厚烧结，烧结层厚从目前的0.3mm，最高可提高至2mm，烧结速度呈翻倍的增加，极大加快了选择性激光烧结工艺的烧结速度和成形效率；
在很好地实现了高层厚烧结的同时，烧结的制件的性能也达到了现有增材制造的水平，制件的机械性能优异，断裂伸长率从X方向和Z方向的测试数据得到质的提升，冲击性能从缺口和无缺口两方面也得到极大的改善，采用了所制备的低温烧结高分子复合粉末材料，烧结温度比单独采用高分子粉末的熔点低10～150℃，因此低温烧结高分子复合粉末材料老化程度的也较轻，粉末的重复利用性也更高；由于在高分子粉末中添加了金属粉末，所以采用适用于低温烧结的高分子复合粉末材料烧结得到的制件也具有优异的电导率，可以做很好的电磁材料。

Claims (10)

1.一种用于选择性激光烧结的高层厚低温烧结方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)首先在工作缸活塞上铺设层厚为0.01～0.05mm的金属粉末，然后在所述金属粉末上铺设层厚为0.3～2.0mm的高分子粉末，将上述两层粉末预热至设定温度，所述设定温度比高分子粉末的熔点低10～150℃；
(2)采用CO2激光器对上述两层粉末进行烧结，使得高分子粉末被融化，然后再采用光纤激光器进行烧结；
(3)重复步骤1和2，直至工件烧结完成，制得工件。
2.根据权利要求1所述的用于选择性激光烧结的高层厚低温烧结方法，其特征在于，所述金属粉末为铁粉、铜粉、镍粉、铝粉、钴粉、钛粉和银粉中的一种或几种。
3.根据权利要求2所述的用于选择性激光烧结的高层厚低温烧结方法，其特征在于，所述金属粉末的平均粒径为1～50μm。
4.根据权利要求3所述的用于选择性激光烧结的高层厚低温烧结方法，其特征在于，所述高分子粉末为聚酰胺粉末、聚乙烯粉末、聚氨酯粉末、聚丙烯粉末、聚苯乙烯粉末、聚对苯二甲酸丁二醇酯粉末、聚苯硫醚粉末或聚醚醚酮粉末。
5.根据权利要求4所述的用于选择性激光烧结的高层厚低温烧结方法，其特征在于，所述高分子粉末的平均粒径为40～80μm。
6.根据权利要求5所述的用于选择性激光烧结的高层厚低温烧结方法，其特征在于，所述光纤激光器的光源波长为400～2000nm。
7.根据权利要求6所述的用于选择性激光烧结的高层厚低温烧结方法，其特征在于，所述光纤激光器的额定功率为200～2000W。
8.根据权利要求7所述的用于选择性激光烧结的高层厚低温烧结方法，其特征在于，所述CO2激光器发出的光源波长为10600mm。
9.根据权利要求8所述的用于选择性激光烧结的高层厚低温烧结方法，其特征在于，所述CO2激光器的额定功率为30～100W。
10.一种用于选择性激光烧结的高层厚烧结设备，包括CO2激光器、光纤激光器、金属粉末供粉系统和高分子粉末供粉系统，其特征在于，将金属粉末加入至金属粉末供粉系统，将高分子粉末加入高分子粉末供粉系统，以CO2激光器和光纤激光器为光源，实现权利要求1至9中任一项所述的用于选择性激光烧结的高层厚低温烧结方法。
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