CN114506075A - 一种选择性激光烧结打印多色高分子制品的方法 - Google Patents

一种选择性激光烧结打印多色高分子制品的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于3D打印技术领域，具体公开了一种选择性激光烧结打印多色高分子制品的方法。本发明公开的选择性激光烧结打印多色高分子制品的方法包括在粉末床上铺一层粉末材料；多颜料喷头喷射颜料对粉末进行原位定点染色，预热待烧结；选择性激光进行烧结；接着工作台下降一个层厚的高度，铺下一层粉、喷射颜料、预热、激光烧结，层层打印直至完成整体打印。该方法通过将选择性激光烧结方法与polyjet多色喷墨方法相结合，无需后期处理，一次性打印出具有高精度的多色高分子零部件产品。

Description

一种选择性激光烧结打印多色高分子制品的方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种选择性激光烧结打印多色高分子制品的方法。
背景技术
选择性激光烧结(selective laser sintering，SLS)技术是目前常用的一种打印高分子制品的方式。SLS技术需要先在粉末床上铺一层粉，将材料预热到接近熔点，然后使用激光在该层粉末上按照设定的路径及速度进行扫描，使粉末升温至熔点并烧结成型。接着工作台下降一定的高度，滚轴铺下一层粉末，预热并进行激光烧结，如此循环直至整个模型成型。SLS方法具有较高的打印精度和打印速度，不需要设计和制造支撑，未烧结的粉末即可提供良好的支撑。利用激光可实现高熔点化合物、高分子聚合物等的黏结。但目前常见的SLS打印机器含有的供粉箱通常只能提供一种粉末，因此在整个铺粉过程中只能铺单一颜色的粉末，最终产物为单色的打印产品，无法实现多色高分子制品的打印。
PolyJet 3D打印技术是将光敏材料一层一层喷射到打印托盘上，每一层材料在被喷射的同时使用UV进行固化。该技术可以在单次打印中实现多种颜色和材料的结合，一次性打印出多色产品。但现有的PolyJet打印技术存在以下问题：①对某一固定机器来说不能调节打印温度，且不可进行高温打印，很难打印高熔点材料；②需要支撑材料；③打印速度较慢；④已有的研究表明其打印精度不如数字光处理(digital light processing，DLP)、SLS等。
因此，如何提供一种选择性激光烧结打印多色高分子制品的方法，实现高精度多色高分子材料打印产品的快速制备是本领域亟待解决的难题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种选择性激光烧结打印多色高分子制品的方法，通过将选择性激光烧结高分子材料的方法与polyjet多色喷墨方法相结合，避免了后期处理工艺，一次性打印出具有高精度的多色高分子零部件产品。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种选择性激光烧结打印多色高分子制品的方法，包括如下步骤：
1)将切片处理后的多色高分子制品三维模型导入3D打印机，每一层含有多种颜色；
2)按照切片设定的层厚，铺设粉末材料，得到未染色的待成型粉末材料；
3)将颜料喷洒至步骤2)得到的未染色的待成型粉末材料需要打印的位置，对该位置进行染色，预热得到染色后的待成型多色粉末；
4)使用激光对步骤3)预热并染色后的待成型多色粉末材料进行烧结；
5)工作台下降一个层厚的高度，重复步骤2)～步骤4)，直至3D打印完成。
优选的，所述步骤2)中层厚的取值区间为[0.01，1]mm。
优选的，所述步骤2)中粉末材料为高分子粉末材料。
更优选的，所述步骤2)中粉末材料为纤维材料粉末、金属粉末、陶瓷粉末、无机填料中的一种或几种与高分子材料的混合粉末。
优选的，当混合粉末为结晶聚合物时，所述步骤3)中预热温度低于混合粉末玻璃化转变温度3～5℃。
优选的，当混合粉末为无定型粉末时，所述步骤3)中预热温度为混合粉末玻璃化转变温度；
其中，混合粉末的玻璃化转变温度为Tg(混)；
1/Tg(混)＝W1/Tg(1)+W2/Tg(2)+……+Wn/Tg(n)，W1、W2……Wn分别为混合粉末中各种粉末的添加质量百分数；Tg(1)、Tg(2)……Tg(n)分别为混合粉末中各种粉末的玻璃化转变温度。
优选的，所述步骤3)喷洒颜料之前还包括以下步骤：
3.1)将不同颜色的颜料分别储存在打印仓上部的颜料槽中；
3.2)根据步骤1)的颜色选取不同颜料，将步骤3.1)颜料槽中的颜料输送到喷头。
优选的，所述步骤4)中激光为CO2激光、CO激光或光纤激光中的一种。
优选的，所述激光器可装有单向透光板，以克服高分子粉末打印过程中的高反射现象。
优选的，所述步骤4)中激光扫描速度为1～30m/s；激光烧结温度为15～400℃；激光功率为5～100W。
优选的，所述步骤4)中激光扫描成型后，可使用激光以较低的速度对边缘及高精度要求区域进行二次烧结，以光顺边缘并提高打印精度；所述激光二次烧结扫描速度为0.1-10m/s。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的选择性激光烧结打印多色高分子制品的方法，对可成型材料铺粉后在特定位点喷射颜料进行染色并预热；采用激光烧结的方式进行打印，一次性获得高精度多色高分子打印产品；
采用本发明所述的一种选择性激光烧结打印多色高分子制品的方法制备的多色高分子制品，能够满足生产、生活、医疗等行业对多色高分子零部件的需求，实现多色高分子制品的一次成型。
具体实施方式
本发明提供了一种选择性激光烧结打印多色高分子制品的方法，具体操作步骤如下：
1)将切片处理后的多色高分子制品三维模型导入3D打印机，每一层含有多种颜色；
2)按照切片设定的层厚，铺设粉末材料，得到未染色的待成型粉末材料；
3)将颜料喷洒至步骤2)得到的未染色的待成型粉末材料需要打印的位置，对该位置进行染色，预热得到染色后的待成型多色粉末；
4)使用激光对步骤3)染色后的待成型粉末材料进行烧结；
5)工作台下降一个层厚的高度，重复步骤2)～步骤4)，直至3D打印完成。
在本发明中，所述步骤2)中层厚的取值区间为[0.01，1]mm，优选为[0.06，0.2]mm，进一步优选为[0.08，0.12]mm。
在本发明中，所述步骤2)中粉末材料为高分子材料粉末。
在本发明中，所述高分子材料粉末优选为天然高分子材料和合成高分子材料粉末。
在本发明中，所述步骤2)中粉末材料可以为纤维材料粉末、金属粉末、陶瓷粉末、无机填料中的一种或几种与高分子材料的混合粉末。
在本发明中，所述纤维材料粉末优选为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、聚合物纤维粉末材料。
在本发明中，所述金属粉末材料优选为钛基、铁基、镍基、钴基、钨基、铜基粉末或金属合金粉末。
在本发明中，所述陶瓷粉末材料优选为硬质瓷、软质瓷、特种瓷粉末或复合陶瓷。
在本发明中，所述无机填料为羟基磷灰石、硅灰石、蒙脱土、高岭土、碳酸盐、硅酸钾盐、硫酸盐、二氧化硅、氧化铝、氢氧化物。
在本发明中，当混合粉末为结晶聚合物时，所述步骤3)中预热温度低于混合粉末玻璃化转变温度3～5℃，优选为低于混合粉末玻璃化转变温度3℃。
在本发明中，当混合粉末为无定型粉末时，所述步骤3)中预热温度为混合粉末玻璃化转变温度；
其中，混合粉末的玻璃化转变温度为Tg(混)；
1/Tg(混)＝W1/Tg(1)+W2/Tg(2)+……+Wn/Tg(n)，W1、W2……Wn分别为混合粉末中各种粉末的添加质量百分比；Tg(1)、Tg(2)……Tg(n)分别为混合粉末中各种粉末的玻璃化转变温度。
在本发明中，所述步骤3)喷洒颜料之前还包括以下步骤：
3.1)将不同颜色的颜料分别储存在打印仓上部的颜料槽中；
3.2)根据步骤1)的颜色选取不同颜料，将步骤3.1)颜料槽中的颜料输送到喷头；
3.3)当步骤1)中的颜色，所取颜色为混合色或过渡色时，不同的颜料在颜料混合区混匀后再输送到喷头；
其中，颜料槽与喷头之间的颜料混合区，用于喷射前混匀不同的颜料，避免了同一位点多种颜料分别喷射造成的颜料混合不均匀的问题。
在本发明中，所述步骤3)与步骤4)中颜料喷洒与激光扫描同时进行，优选为颜料喷射系统与激光扫描系统共用一套运动装置。
在本发明中，所述步骤4)中激光为CO2激光、CO激光或光纤激光中的一种；优选选用CO2激光。
在本发明中，所述步骤4)中激光扫描速度为1～30m/s，优选为5～30m/s，进一步优选为10～25m/s；激光烧结温度为15～400℃，优选为50-340℃；激光功率为5-100W，优选为10-50W。
在本发明中，所述步骤4)中激光扫描成型后，可使用激光以较低的速度对边缘及高精度要求区域进行二次烧结，以光顺边缘并提高打印精度；所述激光二次烧结扫描速度为0.1-10m/s，优选为1-5m/s。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
将切片处理后的多色聚醚醚酮制品三维模型导入3D打印机，在粉末床上用滚轴铺设一层0.1mm厚的聚醚醚酮粉末材料，得到未染色的待成型粉末材料；
将储存在打印仓上部的颜料槽中颜料，按照导入3D打印机的颜色对未染色的待成型粉末材料进行染色，将粉末床的温度升温至320℃，染色并升温加热完成后进行激光烧结。激光烧结工艺采用CO2激光以20m/s的速度，15W的功率进行烧结；之后采用1.5m/s的速度对边缘进行二次烧结。
工作台下降一个层厚的高度，重复上述打印步骤，直至完成导入三维模型的多色聚醚醚酮制品打印完成。
实施例2
将切片处理后的多色聚醚醚酮制品三维模型导入3D打印机，在粉末床上用滚轴铺设一层0.12mm厚的聚醚醚酮粉末材料，得到未染色的待成型粉末材料；
将储存在打印仓上部的颜料槽中颜料，按照导入3D打印机的颜色对未染色的待成型粉末材料进行染色，将粉末床的温度升温至330℃，染色并升温加热完成后进行激光烧结。激光烧结工艺采用CO2激光以25m/s的速度，21W的功率进行烧结；之后采用5m/s的速度对边缘进行二次烧结。
工作台下降一个层厚的高度，重复上述打印步骤，直至完成导入三维模型的多色聚醚醚酮制品打印完成。
实施例3
将切片处理后的多色聚醚醚酮制品三维模型导入3D打印机，在粉末床上用滚轴铺设一层0.12mm厚的聚醚醚酮粉末材料，得到未染色的待成型粉末材料；
将储存在打印仓上部的颜料槽中颜料，按照导入3D打印机的颜色对未染色的待成型粉末材料进行染色，将粉末床的温度升温至340℃，染色并升温加热完成后进行激光烧结。激光烧结工艺采用CO2激光以30m/s的速度，25W的功率进行烧结；之后采用4m/s的速度对边缘进行二次烧结。
工作台下降一个层厚的高度，重复上述打印步骤，直至完成导入三维模型的多色聚醚醚酮制品打印完成。
实施例4
将切片处理后的多色聚醚醚酮/碳纤维制品三维模型导入3D打印机，在粉末床上用滚轴铺设一层0.1mm厚的聚醚醚酮和碳纤维混合粉末材料，得到未染色的待成型粉末材料；
将储存在打印仓上部的颜料槽中颜料，按照导入3D打印机的颜色对未染色的待成型粉末材料进行染色，将粉末床的温度升温至310℃，染色并升温加热完成后进行激光烧结。激光烧结工艺采用CO2激光以15m/s的速度，20W的功率进行烧结；之后采用1m/s的速度对边缘进行二次烧结。
工作台下降一个层厚的高度，重复上述打印步骤，直至完成导入三维模型的多色聚醚醚酮/碳纤维制品打印完成。
实施例5
将切片处理后的多色尼龙制品三维模型导入3D打印机，在粉末床上用滚轴铺设一层0.1mm厚的尼龙粉末材料，得到未染色的待成型粉末材料；
将储存在打印仓上部的颜料槽中颜料，按照导入3D打印机的颜色对未染色的待成型粉末材料进行染色，将粉末床的温度升温至160℃，染色并升温加热完成后进行激光烧结。激光烧结工艺采用CO2激光以20m/s的速度，18W的功率进行烧结；之后采用2.5m/s的速度对边缘进行二次烧结。
工作台下降一个层厚的高度，重复上述打印步骤，直至完成导入三维模型的多色尼龙制品打印完成。
实施例6
将切片处理后的多色尼龙/硅灰石制品三维模型导入3D打印机，在粉末床上用滚轴铺设一层0.1mm厚的尼龙/硅灰石混合粉末材料，得到未染色的待成型粉末材料；
将储存在打印仓上部的颜料槽中颜料，按照导入3D打印机的颜色对未染色的待成型粉末材料进行染色，将粉末床的温度升温至169℃，染色并升温加热完成后进行激光烧结。激光烧结工艺采用CO2激光以25m/s的速度，16W的功率进行烧结；之后采用3m/s的速度对边缘进行二次烧结。。
工作台下降一个层厚的高度，重复上述打印步骤，直至完成导入三维模型的多色尼龙/硅灰石制品打印完成。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种选择性激光烧结打印多色高分子制品的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将切片处理后的多色高分子制品三维模型导入3D打印机，每一层含有多种颜色；
2)按照切片设定的层厚，铺设粉末材料，得到未染色的待成型粉末材料；
3)将颜料喷洒至步骤2)得到的未染色的待成型粉末材料需要打印的位置，对该位置进行染色，预热得到染色后的待成型多色粉末；
4)使用激光对步骤3)预热并染色后的待成型多色粉末材料进行烧结；
5)工作台下降一个层厚的高度，重复步骤2)～步骤4)，直至3D打印完成。
2.根据权利要求1所述的一种选择性激光烧结打印多色高分子制品的方法，其特征在于，所述步骤2)中层厚的取值区间为[0.01，1]mm。
3.根据权利要求2所述的一种选择性激光烧结打印多色高分子制品的方法，其特征在于，所述步骤2)中粉末材料为高分子材料粉末。
4.根据权利要求3所述的一种选择性激光烧结打印多色高分子制品的方法，其特征在于，所述步骤2)中粉末材料可以为纤维材料粉末、金属粉末、陶瓷粉末、无机填料中的一种或几种与高分子材料的混合粉末。
5.根据权利要求4所述的一种选择性激光烧结打印多色高分子制品的方法，其特征在于，当混合粉末为结晶聚合物时，所述步骤3)中预热温度低于混合粉末材料玻璃化转变温度3～5℃。
6.根据权利要求5所述的一种选择性激光烧结打印多色高分子制品的方法，其特征在于，当混合粉末为无定型粉末时，所述步骤3)中预热温度为混合粉末玻璃化转变温度；
其中，混合粉末的玻璃化转变温度为Tg(混)；
1/Tg(混)＝W1/Tg(1)+W2/Tg(2)+……+Wn/Tg(n)，W1、W2……Wn分别为混合粉末中各种粉末的质量百分数；Tg(1)、Tg(2)……Tg(n)分别为混合粉末中各种粉末的玻璃化转变温度。
7.根据权利要求1～6任一项所述的一种选择性激光烧结打印多色高分子制品的方法，其特征在于，所述步骤3)喷洒颜料之前还包括以下步骤：
3.1)将不同颜色的颜料分别储存在打印仓上部的颜料槽中；
3.2)根据步骤1)的颜色选取不同颜料，将步骤3.1)颜料槽中的颜料输送到喷头。
8.根据权利要求7所述的一种选择性激光烧结打印多色高分子制品的方法，其特征在于，所述步骤4)中激光为CO2激光、CO激光或光纤激光中的一种。
9.根据权利要求8所述的一种选择性激光烧结打印多色高分子制品的方法，其特征在于，所述步骤4)中激光扫描速度为1～30m/s；激光烧结温度为15～400℃；激光功率为5～100W。
10.根据权利要求9所述的一种选择性激光烧结打印多色高分子制品的方法，其特征在于，所述步骤4)中激光扫描成型后，可使用激光以较低的速度对边缘及高精度要求区域进行二次烧结，以光顺边缘并提高打印精度；所述激光二次烧结扫描速度为0.1-10m/s。
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