一种实现超高分子量聚合物激光快速成型的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种激光快速成型的装置及方法，特别涉及一种实现超高分子量聚合物激光快速成型的装置及方法。
【背景技术】
[0002]作为新一代工程塑料，超高分子量聚合物具有比强度高、韧性好、耐磨损、耐腐蚀、耐低温、耐应力开裂、抗冲击、抗粘附以及自润滑等诸多优异性能，因此在工农业生产、医药以及国防建设等方面发挥着越来越重要的作用。然而，这类材料具有极高的分子量，以及超长、缠结的分子链，熔体呈高弹态，熔融指数近似为零；成型温度范围窄，易氧化降解；临界剪切速率低、摩擦系数小，因此不易成型加工。
[0003]近些年，激光技术因具有精度高、速度快、周期短、无需模具等优点，因此在材料加工领域中尤其是在高分子材料的快速成型中的应用发展迅猛，但在超高分子量聚合物的成型加工中却很少使用。为了充分借助和发挥激光成型技术的优势，有必要研究出适合超高分子量聚合物的激光快速成型方案。
[0004]我们通过大量研究发现，超高分子量聚合物的激光快速成型存在如下问题:
[0005]第一、超高分子量聚合物在成型前处于离散堆积的粉末状态，粉末颗粒之间存在大量空隙。由于空气是热的不良导体，因此会影响成型过程中热量的传导。此外，聚合物熔融状态下流动性极差，颗粒间的相对位置变化小，成型件内部存在大量气孔，致密度低，严重影响成型质量。
[0006]第二、超高分子量聚合物的加工温度范围较窄，对激光能量密度、烧结位置温度更为敏感。当激光能量密度较高时，烧结位置的温度过高，使得聚合物氧化分解，发生断链反应而形成双键、自由基等。分子键的断裂，会导致成型件性能下降。同时，分子链与结晶度也密切相关，结晶度又会影响到制品的刚度、拉伸强度、硬度、耐热性、抗溶性、气密性以及耐化学腐蚀性等，有时甚至直接导致成型件作废。
【发明内容】
[0007]基于此，本发明提供了一种实现超高分子量聚合物激光快速成型的装置及方法，有效实现了超高分子量聚合物的激光快速成型。
[0008]本发明采用的技术方案如下:一种实现超高分子量聚合物激光快速成型的装置，该装置包括:
[0009]激光发射端，激光发射端出射用于辐照超高分子量聚合物粉末并使其熔化的激光束；
[0010]压辊，用于对激光束烧结位置的超高分子量聚合物进行压实；
[0011]红外测温仪，用于监测所述烧结位置的温度或温度变化；
[0012]信号处理装置，用于根据红外测温仪监测到的温度信号反馈工艺参数调整信号给主控制系统；
[0013]主控制系统，根据接收到的工艺参数调整信号控制激光发射端和压辊。
[0014]进一步地，激光发射端与红外测温仪固定在一起，且红外测温仪的探测位置与激光发射端的激光辐照位置重合，从而保证二者同步移动，实现激光束烧结位置温度的实时同步监测。
[0015]激光发射端位于压辊前进方向的前部。优选地，激光发射端出射的激光束的边缘与压辊的边沿相切。更优选地，压辊的圆形截面尽可能小，以缩短粉末经激光束辐照熔化与经压辊压实的时间差，实现实时压实。
[0016]所述主控制系统根据接收到的工艺参数调整信号控制激光发射端和压辊包括根据工艺参数调整信号调整激光发射端与压辊的工艺参数，其中，激光发射端的工艺参数包括激光发射端的移动轨迹、移动速度以及输出激光功率，压辊的工艺参数包括压辊的高度和沿水平方向的移动速率。优选地，主控制系统还用于预设激光发射端与压辊的工艺参数。
[0017]所述超高分子量聚合物粉末优选为超高分子量聚乙烯和/或超高分子量尼龙。
[0018]—种采用如前所述的装置实现超高分子量聚合物激光快速成型的方法，该方法包括如下步骤:
[0019]步骤1:将超高分子量聚合物粉末预铺在粉床上，通过主控制系统调整激光发射端与压辊的位置，使二者位于粉床上方；
[0020]步骤2:在主控制系统中预设激光发射端和压辊的工艺参数；
[0021]步骤3:通过主控制系统开启激光发射端和压辊，激光发射端与压辊以各自预设的工艺参数同时移动，对超高分子量聚合物粉末进行烧结成型，并实时压实；
[0022]步骤4:开启红外测温仪与信号处理装置，红外测温仪实时反馈激光束烧结位置温度给信号处理装置，信号处理装置对激光束烧结位置温度进行逻辑判断后向主控制系统反馈工艺参数调整信号，主控制系统根据工艺参数调整信号控制激光发射端和压辊，实现对激光束烧结位置温度的实时控制；
[0023]步骤5:成型结束后，关闭装置。
[0024]进一步地，在所述步骤I中，激光发射端与压棍位于工作台左侧起始端的正上方，激光发射端位于压辊前进方向的前部，其高度满足超高分子量聚合物成型对激光离焦量的要求；压辊位于设定高度处，能够对激光束烧结位置的超高分子量聚合物进行有效压实。
[0025]在所述步骤2中，激光发射端的移动轨迹只需保证激光发射端在压辊的移动方向上的速度分量与压辊的移动速率相同，以实现压辊对激光束烧结位置的超高分子量聚合物的同步压实。
[0026]在所述步骤4中，主控制系统同时调整激光发射端和压辊，并保证激光发射端在压辊的移动方向上的速度分量与压辊的移动速率实时相同，最终实现对激光束烧结位置温度的实时调整、控制。
[0027]该方法不仅可以实现二维平面的成型，还可实现多个二维截面沿着高度方向逐层叠加成型，即三维成型。
[0028]本发明的有益效果:
[0029]本发明采用压辊实现超高分子量聚合物的实时压实，在粉末熔化成型过程中促使熔化粉末流动并填充间隙，避免成型件内出现气孔；同时采用温度闭环控制模式，实时监测烧结位置温度，将烧结位置温度控制在可允许的加工温度范围内，防止超高分子量聚合物由于温度过高或热积累而导致氧化、分解，从而实现超高分子量聚合物的高质量成型。
【附图说明】
[0030]图1是本发明的结构示意图。
[0031]图2是激光发射端与压辊移动轨迹示意图。
[0032]图3为本发明的方法流程图。
[0033]其中，1-激光发射端，2-压辊，3-红外测温仪，4-工作台，5-主控制系统，6_信号处理装置。
【具体实施方式】
[0034]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。
[0035]图1是本发明所涉及的超高分子量聚合物激光快速成型装置的结构示意图。该超高分子量聚合物激光快速成型的装置包括:激光发射端1、压辊2、红外测温仪3、工作台4、主控制系统5、信号处理装置6。激光发射端I出射用于辐照超高分子量聚合物粉末并使其熔化的激光束；压辊2用于对激光束烧结位置的超高分子量聚合物进行压实；红外测温仪3用于监测激光束烧结位置的温度或温度变化；工作台4承载压辊和设置在工作台4上的粉床，粉床也可为工作台4的一部分；信号处理装置6用于处理红外测温仪3的温度信号，并反馈工艺参数调整信号给主控制系统5 ;主控制系统5根据接收到的温度信号控制激光发射端和压辊。
[0036]激光发射端I位于压辊2前进方向的前部。优选地，激光发射端I发射的激光束的边缘与压辊2的边沿相切，但保证激光束不能辐照到压辊2上。压辊2的圆形截面尽可能小，以缩短粉末经激光辐照熔化与再经压辊压实的时间差，实现实时压实。
[0037]激光发射端I的移动轨迹、移动速度以及输出激光功率的大小由主控制系统5设定与调整；压辊2的高度、沿水平方向的移动速率由主控制系统5设定与调整。
[0038]激光发射端I可与红外测温仪3固定在一起，且红外测温仪3的探测位置与激光发射端I的激光辐照位置重合，从而保证二者同步移动，实现激光束烧结位置温度的实时同步监测。
[0039]红外测温仪3实时测量烧结位置温度，并将温度数据反馈给信号处理装置6。经信号处理装置6做出判断后给出工艺调整信号，再将工艺调整信号反馈给主控制系统5。主控制系统5根据工艺调整信号完成对激光发射端1、压辊的调整动作，确保激光束烧结位置的温度在超高分子量聚合物的加工温度范围内，并保证压辊2对激光束烧结位置的超高分子量聚合物的同步压实。
[0040]本发明的实现超高分子量聚合物激光快速成型的装置适用于所有超高分子量聚合物。本发明中的超高分子量聚合物可以是一种超高分子量聚合物，也可以是多种超高分子量聚合物的混合。优选地，该超高分子量聚合物为超高分子量聚乙烯或超高分子量尼龙，或者超高分子量聚乙烯和超高分子量尼龙的混合，或者高分子量聚乙烯和超高分子量尼龙分别与其他超高分子量聚合物的混合。
[0041]激