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看图学技术:用激光烧结3D打印制造物体的系统方法

这里涉及一个在粉末烧结装置中熔融聚合物粉末而制造以一个物体的方法。例如,一个生产一个物体的方法包括,在一个激光束作用下在一个烧结装置中熔融一种聚合物粉末,进行聚合物的流变学分析,以此确定用熔融聚合物粉末生产物体的方法。


这里涉及到一个制造物体的工艺,包括在一个激光烧结装置中熔融一种聚合物粉末,进行聚合物流变学分析,以此保证使用熔融粉末制造物体的条件。它不限于特定的聚合物,因此它涉及到在一个激光束烧结装置中通过熔融聚合物粉末制造物体时所用的任何类型的聚合物。本发明也涉及到用于粉末烧结装置的具有特定粘度特征的聚合物组成。


激光束粉末烧结技术用于制造三维物体,例如原型或模型,以及功能部件,特别是在汽车、航海、航空、航天、医疗(假体,听觉系统,细胞组织,诸如此类),纺织品,织物,时尚,装饰,电子壳体,电话,家庭自动化,计算和照明领域。


一个待研究的聚合物粉末薄层,被沉积在一个水平板上,该板保持在一个被加热到某个温度的箱体中。激光施加所需要的能量以熔融在粉末层的各个点处的粉末粒子,这些粉末粒子按照物体的形状排列出几何形状,例如,使用计算机储存物体的形状,以切片的形式复制出这个形状。接着,水平板被降低一个一个数值,相应于一个粉末层的厚度(例如在0.05-2mm之间,通常为0.1mm),然后一个的粉末层被沉积在其上。这层粉末处于一个温度,后面将称之为粉末床温度(或者床温)。激光提供所要求的能量,熔融某个几何形状中的粉末粒子,这个几何形状相应于这个新的物体切片,如此这样。这个步骤被重复直到等个物体被制造出来。除了激光供能诱导的粉末粒子熔融之外,还需要使用条件使得粒子可以互相粘连和粒子层之间互相粘连,以便所制造物体的力学性能被最大化。获得具有最优性能的一个确定性参数是粉末床的温度。


至今,对于激光烧结所用的一个给定聚合物,研究其粉末床最优温度经历了烧结测试,然后经过所获部件的分析(密度,孔隙率,力学性能,等)。部件分析使得可以选择出最好的实验参数和对未来测试的改进路径,目标是确定最优的参数。因此,有必要在生产某个物体的实际条件下进行几次测试(特别是在各种粉末床温度下),以便确定允许制造具有最优性能的部件的条件。这要花时间,无论是机器还是操作人员的时间,这都是昂贵的,否则就要消耗聚合物粉末。


工艺方法是本文的主题,它使得我们可以在聚合物粉末熔融工艺下理解材料的行为,以及对于给定的材料和加工条件,选择加工条件(特备是粉末床温度),以便确保粉末粒子之间的互相粘连以及连续层之间的粘连。


众所周知,转变窗口(粉末床的温度范围)在聚合物结晶温度(Tc)和熔点(Tm)之间,这里考虑的是半结晶聚合物的情况。如果是无定型聚合物,转变窗口位于玻璃化温度(Tg)之上,Tg可由差热分析(DSC)测量。


对于半结晶聚合物,如果粉末床的温度太接近于Tm,那么,构成物体区域的外围就会团聚(结饼caking),因此,就会出现材料损失。此外,熔融的聚合物有太易于流动的风险,可能会流动到形成的第一层之外或者物体轮廓线之外。


如果粉末床的温度太接近于Tc,那么就会存在部件的变形(卷曲curling),这是由于材料连续层太快结晶的缘故。


对于无定型聚合物,粉末床的温度应该高于Tg。此时,没有结晶可以避免部件的变形,同时,在冷却阶段,限制了部件的收缩。


如果粉末床的温度偏离Tc太高,在构成物件的区域外围,就会存在团聚(结饼),因此会损失材料。此外,熔融的聚合物有太易于流动的风险,可能会流动到形成的第一层之外或者物体轮廓线之外。


在聚合物粉末床特定温度范围之外,所获部件的质量不再合理。


DSC研究使得可以设定温度范围(对于半结晶聚合物,温度在TcTm之间;对于无定型聚合物,温度高于Tg),其中,有必要通过连续机器测试和对所获部件的分析,选择合适的粉末床温度。除了仅仅提供一个温度范围,DSC测试很少考虑产品的特殊性,例如它们的分子量。


在这种激光烧结工艺中,,受正在被烧结过程中粉末层影响的粉末部分,在被激光熔融后,有快速回到粉末床温度。因此,正是控制熔融材料的这种温度,是控制粒子彼此连接和层间连接的关键参数。此外,这种被改变的粘度应该持续一段时间,以便获得粒子的彼此连接和连续层之间的连接。这个时间被定义为“开放时间(open time)”。特别地,对于半结晶聚合物,冷却诱导结晶,导致粘度增加,而且,超过某个粘度值,连续层将不能被粘接(因为过高的粘度会妨碍粘接)。


我们还观察到,可以借助流变分析,来理解粉末粒子之间以及连接层之间具有好的粘附和好的连接的条件。这种分析使得能够精确建立粉末床的理想温度范围条件,从而可以通过熔融聚合物粉末,特别是激光烧结聚合物,来制备物件。它可以从熔融层的粘度,以及从允许好的粒子间粘附和连续层间粘附的开发时间出发,建立温度范围



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