CN112454891B - 一种高韧性工件制造方法及设备 - Google Patents

一种高韧性工件制造方法及设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高韧性工件制造方法，包括如下步骤：将重量份数比为95～99.5：0.5～5的高分子粉末和金属粉末共混均匀，制得高分子复合粉末材料；将所述高分子复合粉末材料放入以CO2激光器和光纤激光器为混合光源的选择性激光烧结设备中进行烧结，烧结工艺具体为：铺设层厚为0.05～0.2mm的高分子复合粉末材料，将所述高分子复合粉末材料预热至设定温度，所述设定温度比高分子粉末的熔点低5～20℃，首先采用CO2激光器对待烧结层粉末进行烧结，再采用光纤激光器对待烧结层粉末进行光纤烧结，重复所述烧结工艺，直至工件烧结完成。所制备的工件不仅性能优异，表面电阻率低，还可以作为很好的抗静电材料。

Description

一种高韧性工件制造方法及设备
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种高韧性工件制造方法及设备。
背景技术
选择性激光烧结技术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。
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
本发明提供一种高韧性工件制造方法及设备，为了选择性激光烧结的制件的性能，减少选择性激光制造工件的各向异性，制备一种金属粉末与高分子粉末的复合材料，采用CO2激光器和光纤激光器的选择性烧结设备，将粉末预热到一定温度后，CO2激光器和光纤激光器交替烧结，制备得到高分子与金属的复合材料制件。该制件不仅性能优异，表面电阻率低，可以作为很好的抗静电材料。
本发明提供一种高韧性工件制造方法，通过以下步骤实现：
(1)将重量份数比为95～99.5：0.5～5的高分子粉末和金属粉末共混均匀，制得高分子复合粉末材料；
(2)将所述高分子复合粉末材料放入以CO2激光器和光纤激光器为混合光源的选择性激光烧结设备中进行烧结，烧结工艺具体为：铺设层厚为0.05～0.2mm的高分子复合粉末材料，将所述高分子复合粉末材料预热至设定温度，所述设定温度比高分子粉末的熔点低5～20℃，首先采用CO2激光器对待烧结层粉末进行烧结，再采用光纤激光器对待烧结层粉末进行光纤烧结，重复所述烧结工艺，直至工件烧结完成。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，甚至使其熔化。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，帮助高分子更充分的熔化。
作为本发明的进一步优选方案，所述光纤激光器的烧结功率为50～1000W。
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，所述CO2激光器的功率为30～100W。
作为本发明的进一步优选方案，所述光纤激光器发出的光源波长为400～2000nm，所述光纤激光器的功率为200～1000W。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，甚至使其熔化。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。由于高分子对短波的光纤激光器的激光吸收能力差，所以可以采用更高的激光功率进行烧结。
作为本发明的进一步优选方案，所述烧结工艺的线间距为0.08～0.5mm。
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，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，所述高分子复合粉末材料的平均粒径为40～75μm。
本发明还提供一种高韧性工件制造设备，包括CO2激光器和光纤激光器，以CO2激光器和光纤激光器为混合光源对高分子复合粉末材料进行烧结，实现所述的高韧性工件制造方法。
本发明提供的一种高韧性工件制造方法及设备，具有以下有益效果：
(1)采用两种激光器作为高分子与金属粉末激光能量来源，首先采用CO2激光器熔化粉末，高分子粉末变成半透明的熔融体，再用光纤激光器选择烧结熔融体部分，复合粉末中的金属粉末吸收光纤激光能量后发热，可以使得高分子熔融体中的高分子熔化的更充分，所以高分子的制件性能非常优异。
(2)同时高分子熔融体能保持较高的温度，同时高分子粉末成了熔融体，光纤激光也能穿透更深的深度，下层或者更深层的高分子熔融体中的金属也能吸收光纤激光能量发热，从而使得高分子熔融体在垂直方向两层熔融体结合的更紧密一些。所以这种制件的力学性能不仅非常优异，同时各向异性也较小。
(3)由于在粉末添加了金属粉末，烧结制件表面电阻低，制件也能作为优异的抗静电材料。
附图说明
图1为本发明一种高韧性工件制造方法的原理示意图。
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
步骤一：将平均粒径为60μm的尼龙1212粉末进行物理混合均匀，得到尼龙1212粉末；
步骤二：将上述制好的尼龙1212粉末，放入到采用波长10600mmCO2激光器作为激光来源的选择性激光烧结设备中，CO2激光器的最大功率为100W，采用层厚为0.1mm，将尼龙1212与粉末加热到尼龙1212粉末的熔点以下10℃(178℃)，然后用烧结的功率100W的激光将粉末熔化，烧结的线间距为0.3mm制备得到尼龙1212烧结工件。
实施例一
步骤一：将97.5份平均粒径为60μm的尼龙1212粉末与2.5份平均粒径为25μm的铁粉加入到搅拌设备中，进行物理混合均匀，得到尼龙1212与铁粉的复合粉末；
步骤二：将上述制好的尼龙1212与铁粉的复合粉末，放入到有两种激光器的选择性激光烧结设备，一种激光器是CO2激光器，波长为10600nm，最大功率100W；另外一种激光器是，采用波长1080nm为光纤作为激光来源，最大的功率范围1000W。采用铺粉层厚为0.1mm，将高分子与金属的复合粉末加热到178℃。然后先用CO2激光器扫描一次将粉末熔化，烧结功率为100W，线间距为0.3mm。再然后用光纤激光器扫描一次，用烧结的功率1000W的激光将粉末熔化，烧结的线间距为0.3mm。工作缸下降铺一次粉，粉末预热到工作温度，然后CO2激光器烧结一次，用光纤激光器烧结一次，循环往复，直至烧结完制备得到工件。
实施例二
步骤一：将95份平均粒径为80μm的聚乙烯粉末与5份平均粒径为50μm的铜粉末加入到搅拌设备中，进行物理混合均匀；
步骤二：将上述制好的聚乙烯与铜粉的复合粉末，放入到有两种激光器的选择性激光烧结设备，一种激光器是CO2激光器，波长为10600nm，最大功率30W；另外一种激光器是，采用波长405nm为光纤作为激光来源，最大的功率范围1000W。采用铺粉层厚为0.2mm，将高分子与金属的复合粉末加热到117℃。然后先用CO2激光器扫描一次将粉末熔化，烧结功率为20W，线间距为0.08mm。再用光纤激光器扫描一次，用烧结的功率200W的激光将粉末熔化，烧结的线间距为0.08mm。工作缸下降铺一次粉，粉末预热到工作温度，然后CO2激光器烧结一次，用光纤激光器烧结一次，循环往复，直至烧结完制备得到工件。
实施例三
步骤一：将96份平均粒径为75μm的聚氨酯粉末与4份平均粒径为45μm的镍粉加入到搅拌设备中，进行物理混合均匀；
步骤二：将上述制好的聚氨酯与镍粉的复合粉末，放入到有两种激光器的选择性激光烧结设备，一种激光器是CO2激光器，波长为10600nm，最大功率100W；另外一种激光器是，采用波长2000nm为光纤作为激光来源，最大的功率范围1000W。采用铺粉层厚为0.05mm，将高分子与金属的复合粉末加热到高分子粉末的熔点以下126℃。然后先用CO2激光器扫描一次将粉末熔化，烧结功率为100W，线间距为0.5mm。再用光纤激光器扫描一次，用烧结的功率1000W的激光将粉末熔化，烧结的线间距为0.5mm。工作缸下降铺一次粉，粉末预热到工作温度，然后CO2激光器烧结一次，用光纤激光器烧结一次，循环往复，直至烧结完制备得到工件。
实施例四
步骤一：将97份平均粒径为70μm的聚丙烯粉末与3份平均粒径为40μm的铝粉加入到搅拌设备中，进行物理混合均匀；
步骤二：将上述制好的聚丙烯与铝粉的复合粉末，放入到有两种激光器的选择性激光烧结设备，一种激光器是CO2激光器，波长为10600nm，最大功率60W；另外一种激光器是，采用波长500nm为光纤作为激光来源，最大的功率范围500W。采用铺粉层厚为0.08mm，将高分子与金属的复合粉末加热到145℃。然后先用CO2激光器扫描一次将粉末熔化，烧结功率为45W，线间距为0.2mm。再用光纤激光器扫描一次，用烧结的功率300W的激光将粉末熔化，烧结的线间距为0.2mm。工作缸下降铺一次粉，粉末预热到工作温度，然后CO2激光器烧结一次，用光纤激光器烧结一次，循环往复，直至烧结完制备得到工件。
实施例五
步骤一：将98份平均粒径为40μm的聚苯乙烯粉末与2份平均粒径为1μm的钴粉加入到搅拌设备中，进行物理混合均匀；
步骤二：将上述制好的聚苯乙烯与钴粉的复合粉末，放入到有两种激光器的选择性激光烧结设备，一种激光器是CO2激光器，波长为10600nm，最大功率100W；另外一种激光器是，采用波长800nm为光纤作为激光来源，最大的功率范围500W。采用铺粉层厚为0.1mm，将高分子与金属的复合粉末加热到200℃。然后先用CO2激光器扫描一次将粉末熔化，烧结功率为70W，线间距为0.4mm。再用光纤激光器扫描一次，用烧结的功率400W的激光将粉末熔化，烧结的线间距为0.4mm。工作缸下降铺一次粉，粉末预热到工作温度，然后CO2激光器烧结一次，用光纤激光器烧结一次，循环往复，直至烧结完制备得到工件。
实施例六
步骤一：将40份平均粒径为60μm的聚对苯二甲酸丁二醇酯粉末与60份平均粒径为25μm的银粉加入到搅拌设备中，进行物理混合均匀；
步骤二：将上述制好的聚对苯二甲酸丁二醇酯与银粉的复合粉末，放入到有两种激光器的选择性激光烧结设备，一种激光器是CO2激光器，波长为10600nm，最大功率100W；另外一种激光器是，采用波长900nm为光纤作为激光来源，最大的功率范围800W。采用铺粉层厚为0.12mm，将高分子与金属的复合粉末加热到235℃。然后先用CO2激光器扫描一次将粉末熔化，烧结功率为40W，线间距为0.1mm。再用光纤激光器扫描一次，用烧结的功率500W的激光将粉末熔化，烧结的线间距为0.45mm。工作缸下降铺一次粉，粉末预热到工作温度，然后CO2激光器烧结一次，用光纤激光器烧结一次，循环往复，直至烧结完制备得到工件。
实施例七
步骤一：将99.5份平均粒径为60μm的聚苯硫醚粉末与0.5份平均粒径为25μm的钛粉加入到搅拌设备中，进行物理混合均匀；
步骤二：将上述制好的聚苯硫醚与钛粉的复合粉末，放入到有两种激光器的选择性激光烧结设备，一种激光器是CO2激光器，波长为10600nm，最大功率60W；另外一种激光器是，采用波长900nm为光纤作为激光来源，最大的功率范围1000W。采用铺粉层厚为0.15mm，将高分子与金属的复合粉末加热到270℃。然后先用CO2激光器扫描一次将粉末熔化，烧结功率为20W，线间距为0.08mm。再用光纤激光器扫描一次，用烧结的功率1000W的激光将粉末熔化，烧结的线间距为0.5mm。工作缸下降铺一次粉，粉末预热到工作温度，然后CO2激光器烧结一次，用光纤激光器烧结一次，循环往复，直至烧结完制备得到工件。
实施例八
步骤一：将99份平均粒径为60μm的聚醚醚酮粉末与0.5份平均粒径为25μm的镍粉与0.5份平均粒径为25μm的钛粉加入到搅拌设备中，进行物理混合均匀；
步骤二：将上述制好的聚醚醚酮、镍粉和钛粉的复合粉末，放入到有两种激光器的选择性激光烧结设备，一种激光器是CO2激光器，波长为10600nm，最大功率100W；另外一种激光器是，采用波长1060nm为光纤作为激光来源，最大的功率范围500W。采用铺粉层厚为0.2mm，将高分子与金属的复合粉末加热到310℃。然后先用CO2激光器扫描一次将粉末熔化，烧结功率为85W，线间距为0.3mm。再用光纤激光器扫描一次，用烧结的功率400W的激光将粉末熔化，烧结的线间距为0.3mm。工作缸下降铺一次粉，粉末预热到工作温度，然后CO2激光器烧结一次，用光纤激光器烧结一次，循环往复，直至烧结完制备得到工件。
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 BDA0002746479860000061
Figure BDA0002746479860000071
如图1所示，本发明所采用的高韧性工件制造方法，将高分子复合粉末材料预热到设定温度后，先用CO2激光器将高分子粉末熔化，高分子被熔化成半透明的熔融体，金属存在于熔融体中，再用光纤激光器选择烧结熔融体部分，由于高分子粉末变成了半透明的熔融体，光纤激光能很好的穿透到熔融体中金属部分。金属粉末对短波长的光纤激光器有较好的能量吸收，金属粉末吸收光纤激光能量后，会变热，金属粉末会将这种粉末传递给高分子熔融体，从而使得高分子熔融体中的高分子能充分熔化。同时由于保温在一定温度下，金属粉末由于散热慢，会持续的为高分子粉末供热，这样高分子熔化的会更完全。高分子熔融体熔化的更完全的情况，高分子制件的性能将优异。同时由于金属持续供热，即使烧结完一层粉末后下降一层，整个熔融体还能保持较高的温度，烧结件的上下两层会结合的更紧密，高分子熔融体在垂直方向两层熔融体结合的更紧密一些，所以这种制件的力学性能不仅非常优异，同时各向异性也较小。由于在粉末添加了金属粉末，烧结制件表面电阻低，制件也能作为优异的抗静电材料。这样，烧结件的力学性能会更好，同时在烧结包的垂直方向的性能也会更优异。

Claims (5)

1.一种高韧性工件制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将重量份数比为95～99.5：0.5～5的高分子粉末和金属粉末共混均匀，制得高分子复合粉末材料，所述高分子粉末的平均粒径为40～80μm，所述金属粉末的平均粒径为1～50μm，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；
(2)将所述高分子复合粉末材料放入以CO2激光器和光纤激光器为混合光源的选择性激光烧结设备中进行烧结，烧结工艺具体为：铺设层厚为0.05～0.2mm的高分子复合粉末材料，将所述高分子复合粉末材料预热至设定温度，所述设定温度比高分子粉末的熔点低5～20℃，首先采用CO2激光器对待烧结层粉末进行烧结，再采用光纤激光器对待烧结层粉末进行光纤烧结，重复所述烧结工艺，直至工件烧结完成，所述光纤激光器的烧结功率为100～1000W，所述光纤激光器发出的光源波长为405～2000nm，所述光纤激光器的功率为500～1000W。
2.根据权利要求1所述的高韧性工件制造方法，其特征在于，所述CO2激光器发出的光源波长为10600mm，所述CO2激光器的功率为30～100W。
3.根据权利要求2所述的高韧性工件制造方法，其特征在于，所述烧结工艺的线间距为0.08～0.5mm。
4.根据权利要求3所述的高韧性工件制造方法，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所述的高韧性工件制造方法，其特征在于，所述高分子复合粉末材料的平均粒径为40～75μm。
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