本發(fā)明涉及利用激光燒結(jié)技術(shù)制備聚酰胺三維物體的方法和裝置。

背景技術(shù)：

利用激光選擇性地?zé)Y(jié)熔合多個(gè)粉末層是制造三維物體的一種方法，該方法允許不使用工具加工而只需根據(jù)待生產(chǎn)物體的三維圖像通過(guò)激光燒結(jié)粉末的多個(gè)重疊層，來(lái)獲得三維實(shí)體。該方法主要使用熱塑性聚合物來(lái)完成。專利US6136948和WO9606881對(duì)這種使用粉末狀聚合物制造三維物體的方法進(jìn)行了詳細(xì)的描述。

聚酰胺是激光燒結(jié)技術(shù)來(lái)制造三維物體的主要原材料，現(xiàn)有技術(shù)中采用與聚酰胺材料相匹配的激光器是CO₂激光器，波長(zhǎng)為10600nm，對(duì)應(yīng)中紅外區(qū)波段，聚酰胺粉末材料對(duì)該范圍的波長(zhǎng)吸收率較高，被CO₂激光照射到的聚酰胺粉末在短時(shí)間內(nèi)吸收激光能量熔化，隨后又迅速冷卻連接在一起，通過(guò)這種逐點(diǎn)逐層的燒結(jié)最終熔合成三維物體。

三維零件的制造精度與激光光斑大小有關(guān)，光斑越小制造精度越高，激光光斑的大小與其波長(zhǎng)及激光器模數(shù)成正比。在制造聚酰胺三維零件時(shí)，對(duì)于具有更為精細(xì)的特征結(jié)構(gòu)，使用CO₂激光燒結(jié)往往難以達(dá)到預(yù)期的效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能制造精度更高的聚酰胺三維物體的方法和裝置。

已知的選區(qū)激光熔化技術(shù)是利用激光選擇性地熔合金屬粉末來(lái)制造金屬三維物體，常用的與金屬粉末相匹配的激光器為光纖激光器或半導(dǎo)體激光器，如使用Nd：YAG固態(tài)激光器，波長(zhǎng)1064nm。根據(jù)焦斑直徑計(jì)算公式：

其中，M²為激光器模式參數(shù)，λ為波長(zhǎng)，f為透鏡焦距，D為輸入光束在透鏡處的直徑（在1/e²處）。

在激光器模式參數(shù)、透鏡焦距和光束在透鏡處的直徑一定的情況下，考慮到Nd：YAG激光波長(zhǎng)約為CO₂激光的1/10，因此Nd：YAG激光焦斑在相同條件下獲得約為CO₂激光焦斑的1/10，具有制備更為精細(xì)的三維結(jié)構(gòu)的能力，因此同等條件下，通過(guò)光纖激光選擇性熔合制造的金屬三維物體一般比通過(guò)CO₂激光制造的聚酰胺三維物體精度更高。然而，如果利用光纖激光器來(lái)制備聚酰胺三維零件以提高制造精度，則存在這樣的問(wèn)題：聚酰胺粉末材料對(duì)于光纖激光波長(zhǎng)吸收率相對(duì)較低，無(wú)法滿足熔合制造要求。

令人意外的是，如果通過(guò)把對(duì)Nd：YAG激光器產(chǎn)生的激光吸收率高的“熱介質(zhì)”與聚酰胺粉末混合，利用Nd：YAG激光對(duì)設(shè)定區(qū)域?qū)嵤┱丈鋾r(shí)，混合物中的熱介質(zhì)有效的吸收激光能量并傳遞給需要熔合的聚酰胺粉末，盡管聚酰胺粉末本身對(duì)于光纖激光吸收率不高，但混合粉末中的熱介質(zhì)能匹配的吸收激光能量從而使被照射區(qū)域?qū)崿F(xiàn)熔合，這樣就可以使用波長(zhǎng)為1064nm的Nd：YAG激光器來(lái)制備聚酰胺三維物體，實(shí)現(xiàn)了使用更小聚焦光斑的激光實(shí)現(xiàn)聚酰胺三維物體的制造，提高了制造精度。

因此本發(fā)明提供了一種激光制造聚酰胺三維物體的方法，包括如下步驟：

(1)將一層制造材料鋪送在底板或者已經(jīng)選擇性熔合的層上，形成新的材料層，

(2)激光器發(fā)射激光，激光被引導(dǎo)選擇性照射新的材料層上的熔合區(qū)域，所述熔合區(qū)域?yàn)榇圃斓娜S物體在該層相對(duì)應(yīng)的橫截面部位，

其中，所述激光由波長(zhǎng)為400-1080nm的激光器產(chǎn)生，所述制造材料是聚酰胺粉末材料與熱介質(zhì)材料的混合物，熱介質(zhì)材料吸收激光能量并傳導(dǎo)給聚酰胺粉末，使激光照射區(qū)域的粉制造材料實(shí)現(xiàn)熔合。

與現(xiàn)有通過(guò)CO₂激光直接照射聚酰胺粉末，聚酰胺粉末吸收激光能量直接熔合方法不同的是，本方法中照射區(qū)域的聚酰胺粉末接受該波段的激光照射后，吸收部分激光能量卻并不直接熔化，激光的另一部分能量“儲(chǔ)存”在對(duì)該波段激光吸收率更高的熱介質(zhì)中，熱介質(zhì)獲得更高的溫度后，再通過(guò)熱傳導(dǎo)將能量轉(zhuǎn)移給周圍的聚酰胺粉末，從而實(shí)現(xiàn)聚酰胺粉末的熔合。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述激光器是波長(zhǎng)為400-670nm，或波長(zhǎng)為780-960nm，或波長(zhǎng)為1060-1080nm的激光器。位于該類波段的激光器可以包括固態(tài)激光器或者半導(dǎo)體激光器。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述激光器是波長(zhǎng)為532nm或者1064nm的光纖激光器或者全固態(tài)激光器。特別優(yōu)選的為1064nm的Nd³⁺激光器，執(zhí)行激光熔合制造工藝穩(wěn)定性良好，在控制聚焦光斑控制為40-60μm時(shí)，能實(shí)現(xiàn)三維物體的制造精度。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述激光器具有聚焦的激光束。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述熱介質(zhì)材料的導(dǎo)熱系數(shù)大于等于10 W/m ·K。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述熱介質(zhì)材料為金屬或石墨。金屬粉末可以為金、銀、銅、鋁、鈦、鐵或者其組合物，石墨材料具有良好的導(dǎo)熱效果，令人意外的是，石墨材料對(duì)于光纖激光同樣具有良好的吸收效果。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述熱介質(zhì)材料為染料。尤其某些黑色的染料，對(duì)位于可見光和近紅外區(qū)域的波長(zhǎng)吸收率良好。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述熱介質(zhì)材料為碳纖維。碳纖維與石墨結(jié)構(gòu)類似，同樣具有良好的導(dǎo)熱效果和良好的光纖激光吸收率，在航天、汽車等領(lǐng)域?qū)群蜋C(jī)械性能需求更高的聚酰胺三維零件，本身便具有高強(qiáng)度的碳纖維是熱介質(zhì)的優(yōu)選。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述熱介質(zhì)材料體積含量大于等于8%。顯然，小的熱介質(zhì)體積含量難以儲(chǔ)存更多的激光能量并傳導(dǎo)給聚酰胺粉末，而熱介質(zhì)體積過(guò)大則影響聚酰胺三維物體的熔合質(zhì)量。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述聚酰胺粉末為尼龍11、尼龍12、尼龍1212、尼龍6、尼龍66、尼龍612中的一種或者幾種。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述熱介質(zhì)材料粒徑分布為5-100μm。再優(yōu)選的為10-50μm，能與聚酰胺粉末混合充分，將熱量均勻的擴(kuò)散至聚酰胺粉末。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，步驟(1)中所述的材料層厚度為50-200微米。通過(guò)激光制造聚酰胺三維物體，理論上層厚越小，制造精度越好。公知的層厚選擇為100微米，兼顧制造速度和精度的考慮，低于100微米的層厚對(duì)于提高制造精度效果有限，因?yàn)榫窒抻贑O₂激光器聚焦光斑大小等因素。在聚焦光斑顯著縮小后，降低層厚將進(jìn)一步提高三維物體制造精度，進(jìn)一步優(yōu)選40-75μm。

本發(fā)明還提供了一種激光制造聚酰胺三維物體的裝置，包括：

儲(chǔ)料器，提供用于制造三維物體的包括聚酰胺粉末和熱介質(zhì)的粉末組合物，

鋪粉器，用于將聚酰胺粉末和熱介質(zhì)的粉末組合物鋪送在底板或者已經(jīng)選擇性熔合的層上，形成材料層，

激光器，產(chǎn)生聚焦激光，激光被引導(dǎo)至鋪送的材料層上進(jìn)行選擇性的照射。

其中，所述激光由波長(zhǎng)為400-1080nm的激光器產(chǎn)生。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述激光器是波長(zhǎng)為400-670nm，或波長(zhǎng)為780-960nm，或波長(zhǎng)為1060-1080nm的激光器。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述激光器是波長(zhǎng)為532nm或者1064nm的光纖激光器或者全固態(tài)激光器。

根據(jù)本發(fā)明提供的方法和裝置，通過(guò)將聚酰胺粉末與熱介質(zhì)材料混合形成制造材料，并在制造過(guò)程中引入與熱介質(zhì)波段相匹配的激光，使得熱介質(zhì)能吸收更多的激光能量并轉(zhuǎn)移給周圍，從而實(shí)現(xiàn)激光照射區(qū)域聚酰胺粉末的熔合。本方法和裝置可以在制造聚酰胺三維物體時(shí)使用光斑更小的激光，通過(guò)熱介質(zhì)材料對(duì)激光能量的儲(chǔ)存和傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)聚酰胺粉末的熔合，從而制造更加精細(xì)的三維特征結(jié)構(gòu)。

附圖說(shuō)明

圖1表示根據(jù)本發(fā)明的制造聚酰胺三維物體的裝置。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，是一種能執(zhí)行本發(fā)明的一種裝置的具體實(shí)施例，是一種激光制造三維物體的裝置。該裝置具有一向上開口的容器9。在該容器9中設(shè)置一用于支承待形成的物體的支座2。支座2能夠借助一驅(qū)動(dòng)裝置3在容器11中沿垂直方向上下運(yùn)動(dòng)。容器11的上邊緣確定一工作平面8。在工作平面 8上方設(shè)置一激光器6，激光器6發(fā)出激光束并通過(guò)一偏轉(zhuǎn)裝置5偏轉(zhuǎn)到工作平面8上進(jìn)行掃描，掃描的區(qū)域位置為待制造的三維物體14在該層工作平面8相對(duì)應(yīng)的橫截面部位。此外，裝置還包括鋪粉器4，用于將一層待熔合的粉末材料鋪送到支座2表面或者已掃描熔合的粉末層上，刮刀4能夠借助于驅(qū)動(dòng)裝置3在工作平面8上來(lái)回運(yùn)動(dòng)，工作平面8上的粉末由粉末儲(chǔ)存器10通過(guò)支座1向上運(yùn)動(dòng)提供?？蚣?1將工作平面8和提供粉末平面區(qū)域以上的工作腔體與周圍環(huán)境隔斷，防止粉末材料在激光掃描時(shí)氧化，激光束可以通過(guò)窗口7進(jìn)入工作腔體。

下面通過(guò)具體的實(shí)施例方式來(lái)闡述本發(fā)明的方法。

實(shí)施例1：利用波長(zhǎng)為1064nm的Nd：YAG激光器制造聚酰胺三維零件。

使用的材料為湖南華曙高科技有限責(zé)任公司的聚酰胺粉末材料FS3200，并與粒徑分布為5-40μm的鋁粉充分混合，其中FS3200體積百分比為90%，鋁粉10%。使用的裝置是湖南華曙高科技有限責(zé)任公司的選擇性激光燒結(jié)設(shè)備FS403并進(jìn)行相應(yīng)的改造，設(shè)備匹配的設(shè)置有Nd：YAG激光器，波長(zhǎng)為1064nm。

制造過(guò)程中，鋪粉材料的層厚設(shè)置為0.1mm，材料的預(yù)熱溫度為180℃左右，激光功率約為40-80W，激光光斑控制在40-60μm，并以10m/s左右的速度控制激光對(duì)三維零件的橫截面區(qū)域進(jìn)行照射。當(dāng)一層在激光的照射下熔合完畢后，鋪粉器將聚酰胺和鋁粉的混合粉在工作平面上鋪送0.05mm的厚度，激光繼續(xù)對(duì)三維零件在新的粉層上的橫截面區(qū)域進(jìn)行照射。重復(fù)上述步驟直至獲得聚酰胺三維零件，發(fā)現(xiàn)相較于使用CO₂激光器，該三維零件在特征結(jié)構(gòu)處表現(xiàn)更好。

實(shí)施例2：利用波長(zhǎng)為532nm的固態(tài)激光器制造碳纖維-聚酰胺三維零件。

使用的材料為湖南華曙高科技有限責(zé)任公司的聚酰胺粉末材料FS3400CF，其包含體積分?jǐn)?shù)為80%的聚酰胺粉末和20%的碳纖維粉末，碳纖維直徑為50-100微米。使用的裝置是湖南華曙高科技有限責(zé)任公司的選擇性激光燒結(jié)設(shè)備FS403并進(jìn)行相應(yīng)的改造，設(shè)備匹配的設(shè)置有波長(zhǎng)為532nm的固態(tài)激光器。

制造過(guò)程中，鋪粉材料的層厚設(shè)置為0.1mm，材料的預(yù)熱溫度為180℃左右，激光功率約為40-80W，激光光斑控制在40-60μm，并以12m/s左右的速度控制激光對(duì)三維零件的橫截面區(qū)域進(jìn)行照射。當(dāng)一層在激光的照射下熔合完畢后，鋪粉器將聚酰胺和碳纖維的混合粉在工作平面上鋪送0.1mm的厚度，激光繼續(xù)對(duì)三維零件在新的粉層上的橫截面區(qū)域進(jìn)行照射。重復(fù)上述步驟直至獲得碳纖維-聚酰胺三維零件，仍然發(fā)現(xiàn)相較于使用CO₂激光器，該三維零件在特征結(jié)構(gòu)處表現(xiàn)更好。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。