[发明专利]一种用于选择性激光烧结的高层厚低温烧结方法及设备

说明书

本发明提供了一种用于选择性激光烧结的高层厚低温烧结方法，包括如下步骤：首先在工作缸活塞上铺设层厚为0.01～0.05mm的金属粉末，然后在所述金属粉末上铺设层厚为0.3～2.0mm的高分子粉末，将上述两层粉末预热至设定温度，所述设定温度比高分子粉末的熔点低10～150℃；采用CO₂激光器对上述两层粉末进行烧结，使得高分子粉末被融化，然后再采用光纤激光器进行烧结；重复步骤1和2，直至工件烧结完成得到工件。本发明的高层厚低温烧结方法极大加快了选择性激光烧结工艺的烧结速度和成形效率，所制备的工件不仅性能优异，表面电阻率，还可以作为很好的抗静电材料。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种用于选择性激光烧结的高层厚低温烧结方法及设备。

背景技术

选择性激光烧结技术是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。

在高温的情况，粉末易发生物理及化学的变化，导致粉末老化而不能继续使用，例如粉末之间容易相互粘接，导致粉末流动性变差；同时也会导致粉末可能进一步进行缩聚，高分子分子量增大，这种粉末采用选择性激光烧结制备成工件时，工件易发生“橘皮”等现象；同时在高温下，粉末更易被氧化，导致粉末颜色发生变化。未烧结成工件的高分子粉末老化问题，导致粉末不能完全重复使用，使得选择性激光烧结技术的耗材成本高，限制了3D打印发展的一个重要因素。

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

本发明提供一种用于选择性激光烧结的高层厚低温烧结方法及设备，为了更快的制备选择性激光烧结工件，采用一种高层厚的烧结工艺进行烧结，实现了高分子粉末的低温烧结，提高了粉末的重复利用性。为了实现该目的，采用的方案，将金属粉末和高分子粉末置于一种选择性激光烧结设备中，这种设备为有两个供粉系统和两种激光器，一个供粉系统提供金属粉末，一个供粉系统提供高分子粉末；两种激光器，CO₂激光器和光纤激光器。首先铺一层小层厚的金属粉末，再铺一层高层厚的高分子粉末，将粉末预热到一定的温度，然后现有CO₂激光器扫描一次，再用光纤激光器扫描一次，重复铺粉烧结，直至工件烧结完成。该工件不仅性能优异，同时由于电导率高，可作为优异的抗静电材料。