CN109795109B - 一种增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种增材制造方法，包括以下步骤：采用一种可拆卸、表面设有孔槽的基板，在所述基板上铺好一层熔体流动性优异的高分子聚合物粉末材料；通惰性气体，将设备腔体内氧气含量降至0.5％以下，加热高分子聚合物粉末材料至完全熔化为熔体，待熔体在基板的表面自然流平后停止加热，熔体冷却凝固成固体后，形成一层基板调平层，以完成对基板的校准、调平；载入stl文件，烧结完成后取走工件，去除所述基板调平层。本发明通过采用熔体流动性优异的材料在表面有孔槽的基板上生成一层流平层，无需复杂的基板校准、调平工艺，同时基板上的孔槽增强了基板与流平层的附着力。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种增材制造方法。
背景技术
快速成型的特殊性，在烧结时会产生较大的应力，易引起变形、翘曲，需要将工件烧结在基板上；所以在每次成型建造前，需要将建造平台进行调平，以保证所铺的第一层金属粉末的均匀性及厚度，使得金属粉末能够在扫描烧结后完全熔透第一层金属粉末至建造平台上，如果不能保证第一层金属粉末的均匀性，导致部分粉末不能完全融透在基板上，从而不能对成型工件起到很好的支撑和固定作用，从而影响工件的后续烧结。
现有的快速成型技术中，基板的调平一种方式是通过人工方式进行调节，即采用千分尺测量基板上多个点到铺粉板的距离，以实现对基板的调节，现有技术中基板的调平过程较为复杂繁琐，且调平精度不高，使得设备的加工烧结效率降低；基板的调平方式另一种方式是通过传感单元、信号处理模块和升降调节机构等合力完成基板的调平，虽然在一定程度上解放了人力，提高了调节精度，但是设备的结构变得更加复杂，成本提高。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供了一种增材制造方法，通过采用熔体流动性优异的材料在表面有孔槽的基板上生成一层流平层，固化后形成一层由高分子聚合物粉末材料组成的基板调平层，无需基板校准、调平工艺，同时基板上的孔槽增强了基板与流平层的附着力。
一种增材制造方法，包括如下步骤：
(1)采用一种可拆卸、表面设有孔槽的基板，在所述基板上铺好一层熔体流动性优异的高分子聚合物粉末材料；
(2)通惰性气体，将设备腔体内氧气含量降至0.5％以下，加热高分子聚合物粉末材料至完全熔化为熔体，待熔体在基板的表面自然流平后停止加热，熔体冷却凝固成固体后，形成一层基板调平层，以完成对基板的校准、调平；
(3)载入stl文件，烧结完成后取走工件，去除所述基板调平层。
进一步地，步骤3中载入stl文件后，生成支撑结构，用以连接基板与待烧结工件，实现在较低温度下对高熔点的聚合物粉末材料烧结。在增材制造领域，对于加支撑结构能实现低温烧结高熔点聚合物粉末材料，进行如下说明：激光熔化粉末材料后，材料熔化成熔体，然后降温冷却至腔体温度，材料在冷却过程中产生收缩，同时伴随着较强的收缩应力，腔体温度越低，收缩越大，应力越大，需要通过支撑抵消收缩应力，实现高熔点粉末材料的低温烧结。常规方法抵消收缩应力是提高烧结环境温度，烧结温度设置为材料熔点与结晶温度之间，一般低于材料熔点10-30℃，否则工件在烧结时出现严重翘起，不能正常烧结；加支撑结构后可以用支撑结构“拉住”工件，抵消应力，避免翘起发生，并且加入支撑结构的前提是基板必须进行调平，在烧结完工件后，支撑结构与基板调平层很容易分离，一般采用线切割的方式进行分离，方便去支撑结构其实指的是支撑结构与工件和基板调平层的分离。
进一步地，所述高熔点的聚合物粉末材料为熔点不低于200℃的聚合物粉末材料。目前在选择性激光烧结熔点高于200℃的高分子粉末材料时需要更高的烧结温度，其工艺目前主要存在以下四个缺点：1.烧结环境温度高，容易导致材料的氧化，使制件力学机械性能降低及制件颜色恶化，同时降低粉末材料的重复利用性；2.烧结环境温度高要求设备具有更好的加热、保温、隔热、密封等性能，大大提高了设备的制造及使用维护成本；3.烧结环境温度高将消耗更多的能源，所需的冷却时间更长，影响了加工效率，提高了制造成本，同时高温操作也带来了安全隐患；4.烧结环境温度高，制件更容易发生翘曲变形，影响了其尺寸精度；因此，采用基板加支撑的方式低温烧结高分子粉末材料的方法应运而生，但是目前已有的采用基板加支撑低温烧结高熔点高分子粉末材料的方法，需要花费大量的时间对基板进行校准、调平处理，大大降低了生产效率，并且基板校准、调平处理的误差过大，往往成为影响烧结工件精度的和表面质量的关键因素，基板在使用的过程中损耗大，使用寿命短，又由于基板成本高，从而又进一步提高了生产成本，以上原因都导致了基板加支撑低温烧结高熔点高分子粉末材料方法难以推广。综上，在上述解决了基板调平问题的基础上，本发明优选适用于熔点不低于200℃的高熔点的聚合物粉末材料，使得烧结高熔点的聚合物粉末材料工艺更加简单，同时改善了烧结高温聚合物材料制件翘曲变形的问题。
进一步地，所述高熔点的聚合物粉末材料熔点比高分子聚合物粉末材料高。
进一步地，所述高熔点的聚合物粉末材料为PEEK、PEK、PAEK、PEI、PBI、PA66、PET、PPS、PSU、PES、PPA、PA46、PA6T、PA9T中的一种或几种。
进一步地，所述高熔点的聚合物粉末材料的粒径范围为10～200μm。
进一步地，步骤1中，所述高分子聚合物粉末材料的层厚为1-50mm。
优选地，所述基板的材质为金属、无机非金属或高分子材料。
进一步地，所述熔体流动性优异的材料的完全熔化温度为60～200℃，进一步优选地，所述熔体流动性优异的材料的完全熔化温度为80～150℃。
进一步地，所述空槽的形状为圆柱形、方形、锥形、菱形中的一种或几种。
进一步地，所述孔槽的孔径为0.1～20mm，体积为0.1～15cm3。
进一步地，步骤2中，加热高分子聚合物粉末材料的温度比其完全熔化温度高5～40℃。
进一步地，步骤3中，去除所述基板调平层采用的方法为机械拆除、高温烧化和溶剂溶解中的一种或几种。
本发明提供了一种增材制造方法，具有以下有益效果：
(1)通过采用熔体流动性优异的材料在表面有孔槽的基板上生成一层流平层，固化后形成一层由高分子聚合物粉末材料组成的基板调平层，无需基板校准、调平工艺。
(2)基板上的孔槽增强了基板与流平层的附着力，然后通过加支撑的工艺在较低温度下烧结高熔点聚合物粉末材料，使得烧结高熔点的聚合物粉末材料工艺更加简单，同时改善了烧结高温聚合物材料制件翘曲变形的问题。
(3)低温烧结高熔点的聚合物材料，改善了高温材料易氧化的问题，提高了粉末材料重复利用性及制件力学性能及尺寸精度，降低加工成本，提高了生产效率。
具体实施方式
实施例1
将粒径小于500μm、熔体流动性改善的尼龙共聚物粉末(
CM8000，材料熔点137℃)材料铺在将上表面带有圆锥形孔槽(直径3mm，深度2mm)的不锈钢基板上，粉层厚度10mm，然后充氮气将设备腔体内氧气含量降低至0.3％，加热基板至170℃将上述粉末完全熔化成熔体，待熔体流平后停止加热，冷却直至其完全凝固成固体。送粉缸装入粒径范围30-120μm的PEEK粉末，设备腔体充入氮气使氧气含量降低至0.3％以下，载入stl文件后，生成支撑，用以连接基板与待烧结工件，烧结设备腔体无需加热，实现在较低温度下对高熔点的聚合物粉末材料，激光直接烧结PEEK粉末材料，设备腔体温度不超过60℃。烧结完成取走工件后，测试制件力学性能及尺寸精度，将基板拆下燃烧除去附着在基板上的尼龙共聚物。
对比例1
载入stl文件，将粒径范围30-120μm的PEEK材料用华曙高科超高温烧结平台直接按照传统粉末床熔化工艺烧结，烧结主温315℃，氧气含量低于0.3％。烧结完成后取走工件，测试制件力学性能及尺寸精度。
实施例2
将粒径小于50μm、熔体流动性改善的尼龙共聚物粉末(
CM8000，材料熔点137℃)材料铺在将上表面带有圆锥形孔槽(直径3mm，深度2mm)的不锈钢基板上，粉层厚度10mm，然后充氮气将设备腔体内氧气含量降低至0.3％，加热基板至170℃将上述粉末完全熔化成熔体，待熔体流平后停止加热，冷却直至其完全凝固成固体。送粉缸装入粒径范围30-120μm的PA46粉末，设备腔体充入氮气使氧气含量降低至0.3％以下，载入stl文件后，生成支撑，用以连接基板与待烧结工件，烧结设备腔体无需加热，实现在较低温度下对高熔点的聚合物粉末材料，激光直接烧结PA46粉末材料，设备腔体温度不超过50℃。烧结完成取走工件后，测试制件力学性能及尺寸精度，将基板拆下燃烧除去附着在基板上的尼龙共聚物。
对比例2
载入stl文件，将粒径范围30-120μm的PA46材料用华曙高科超高温烧结平台直接按照传统粉末床熔化工艺烧结，烧结主温278℃，氧气含量低于0.3％。烧结完成后取走工件，测试制件力学性能及尺寸精度。
实施例3
将粒径小于500μm、熔体流动性改善的尼龙共聚物粉末(
CM8000，材料熔点137℃)材料铺在将上表面带有圆锥形孔槽(直径3mm，深度2mm)的不锈钢基板上，粉层厚度10mm，然后充氮气将设备腔体内氧气含量降低至0.3％，加热基板至170℃将上述粉末完全熔化成熔体，待熔体流平后停止加热，冷却直至其完全凝固成固体。送粉缸装入粒径范围30-120μm的PPS粉末，设备腔体充入氮气使氧气含量降低至0.3％以下，载入stl文件后，生成支撑，用以连接基板与待烧结工件，烧结设备腔体无需加热，实现在较低温度下对高熔点的聚合物粉末材料，设备腔体无需加热，激光直接烧结PPS粉末材料，设备腔体温度不超过50℃。烧结完成取走工件后，测试制件力学性能及尺寸精度，将基板拆下燃烧除去附着在基板上的尼龙共聚物。
对比例3
载入stl文件，将粒径范围30-120μm的PPS材料用华曙高科超高温烧结平台直接按照传统粉末床熔化工艺烧结，烧结主温265℃，氧气含量低于0.3％。烧结完成后取走工件，测试制件力学性能及尺寸精度。
对比实施例与对比例，采用本发明的方法烧结同样的制件，烧结环境温度较之传统的粉末床工艺可以大大降低，粉末颜色也因没有高温而保持良好，烧结的制件性能相近，翘曲情况得到明显改善，本发明提供的方法很好地解决了目前烧结高熔点聚合物粉末的困难。
本发明通过采用熔体流动性优异的材料在表面有孔槽的基板上生成一层流平层，固化后形成一层由高分子聚合物粉末材料组成的基板调平层，无需基板校准、调平工艺。基板上的孔槽增强了基板与流平层的附着力，然后通过加支撑结构的工艺在较低温度下烧结高熔点聚合物粉末材料，使得烧结高熔点的聚合物粉末材料工艺更加简单，同时改善了烧结高温聚合物材料制件翘曲变形的问题。低温烧结高熔点的聚合物材料，改善了高温材料易氧化的问题，提高了粉末材料重复利用性及制件力学性能及尺寸精度，降低加工成本，提高了生产效率。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定，对于所述领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (5)
1.一种增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）采用一种可拆卸、表面设有孔槽的基板，在所述基板上铺好一层熔体流动性优异的高分子聚合物粉末材料，所述高分子聚合物粉末材料的完全熔化温度为60～200℃，所述高分子聚合物粉末材料为熔点137℃、牌号Amilan® CM8000、粉末粒径小于500μm的尼龙共聚物粉末；
（2）通惰性气体，将设备腔体内氧气含量降至0.5%以下，加热高分子聚合物粉末材料至完全熔化为熔体，待熔体在基板的表面自然流平后停止加热，熔体冷却凝固成固体后，形成一层基板调平层，以完成对基板的校准、调平；
（3）载入stl文件，生成支撑结构，用以连接基板与待烧结工件，实现在较低温度下对高熔点的聚合物粉末材料烧结，所述高熔点的聚合物粉末材料为熔点不低于200℃的聚合物粉末材料，烧结完成后取走工件，去除所述基板调平层，其中，所述高熔点的聚合物粉末材料为PEEK、PEK、PAEK、PEI、PBI、PA66、PET、PPS、PSU、PES、PPA、PA46、PA6T或PA9T。
2.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述高熔点的聚合物粉末材料的粒径范围为10～200μm。
3.根据权利要求2所述的增材制造方法，其特征在于，所述孔槽的孔径为0.1～20mm，体积为0.1～15cm3。
4.根据权利要求2所述的增材制造方法，其特征在于，步骤2中，加热高分子聚合物粉末材料的温度比其完全熔化温度高5～40℃。
5.根据权利要求4所述的增材制造方法，其特征在于，步骤3中，去除所述基板调平层采用的方法为机械拆除、高温烧化和溶剂溶解中的一种或几种。
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