激光制造聚酰胺三维物体的方法和装置与流程

本发明涉及利用激光烧结技术制备聚酰胺三维物体的方法和装置。

背景技术：

利用激光选择性地烧结熔合多个粉末层是制造三维物体的一种方法，该方法允许不使用工具加工而只需根据待生产物体的三维图像通过激光烧结粉末的多个重叠层，来获得三维实体。该方法主要使用热塑性聚合物来完成。专利US6136948和WO9606881对这种使用粉末状聚合物制造三维物体的方法进行了详细的描述。

聚酰胺是激光烧结技术来制造三维物体的主要原材料，现有技术中采用与聚酰胺材料相匹配的激光器是CO₂激光器，波长为10600nm，对应中红外区波段，聚酰胺粉末材料对该范围的波长吸收率较高，被CO₂激光照射到的聚酰胺粉末在短时间内吸收激光能量熔化，随后又迅速冷却连接在一起，通过这种逐点逐层的烧结最终熔合成三维物体。

三维零件的制造精度与激光光斑大小有关，光斑越小制造精度越高，激光光斑的大小与其波长及激光器模数成正比。在制造聚酰胺三维零件时，对于具有更为精细的特征结构，使用CO₂激光烧结往往难以达到预期的效果。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能制造精度更高的聚酰胺三维物体的方法和装置。

已知的选区激光熔化技术是利用激光选择性地熔合金属粉末来制造金属三维物体，常用的与金属粉末相匹配的激光器为光纤激光器或半导体激光器，如使用Nd：YAG固态激光器，波长1064nm。根据焦斑直径计算公式：

其中，M²为激光器模式参数，λ为波长，f为透镜焦距，D为输入光束在透镜处的直径（在1/e²处）。

在激光器模式参数、透镜焦距和光束在透镜处的直径一定的情况下，考虑到Nd：YAG激光波长约为CO₂激光的1/10，因此Nd：YAG激光焦斑在相同条件下获得约为CO₂激光焦斑的1/10，具有制备更为精细的三维结构的能力，因此同等条件下，通过光纤激光选择性熔合制造的金属三维物体一般比通过CO₂激光制造的聚酰胺三维物体精度更高。然而，如果利用光纤激光器来制备聚酰胺三维零件以提高制造精度，则存在这样的问题：聚酰胺粉末材料对于光纤激光波长吸收率相对较低，无法满足熔合制造要求。

令人意外的是，如果通过把对Nd：YAG激光器产生的激光吸收率高的“热介质”与聚酰胺粉末混合，利用Nd：YAG激光对设定区域实施照射时，混合物中的热介质有效的吸收激光能量并传递给需要熔合的聚酰胺粉末，尽管聚酰胺粉末本身对于光纤激光吸收率不高，但混合粉末中的热介质能匹配的吸收激光能量从而使被照射区域实现熔合，这样就可以使用波长为1064nm的Nd：YAG激光器来制备聚酰胺三维物体，实现了使用更小聚焦光斑的激光实现聚酰胺三维物体的制造，提高了制造精度。

因此本发明提供了一种激光制造聚酰胺三维物体的方法，包括如下步骤：

(1)将一层制造材料铺送在底板或者已经选择性熔合的层上，形成新的材料层，

(2)激光器发射激光，激光被引导选择性照射新的材料层上的熔合区域，所述熔合区域为待制造的三维物体在该层相对应的横截面部位，

其中，所述激光由波长为400-1080nm的激光器产生，所述制造材料是聚酰胺粉末材料与热介质材料的混合物，热介质材料吸收激光能量并传导给聚酰胺粉末，使激光照射区域的粉制造材料实现熔合。

与现有通过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，本方法中照射区域的聚酰胺粉末接受该波段的激光照射后，吸收部分激光能量却并不直接熔化，激光的另一部分能量“储存”在对该波段激光吸收率更高的热介质中，热介质获得更高的温度后，再通过热传导将能量转移给周围的聚酰胺粉末，从而实现聚酰胺粉末的熔合。

作为本发明的进一步优选方案，所述激光器是波长为400-670nm，或波长为780-960nm，或波长为1060-1080nm的激光器。位于该类波段的激光器可以包括固态激光器或者半导体激光器。

作为本发明的进一步优选方案，所述激光器是波长为532nm或者1064nm的光纤激光器或者全固态激光器。特别优选的为1064nm的Nd³⁺激光器，执行激光熔合制造工艺稳定性良好，在控制聚焦光斑控制为40-60μm时，能实现三维物体的制造精度。

作为本发明的进一步优选方案，所述激光器具有聚焦的激光束。

作为本发明的进一步优选方案，所述热介质材料的导热系数大于等于10 W/m ·K。

作为本发明的进一步优选方案，所述热介质材料为金属或石墨。金属粉末可以为金、银、铜、铝、钛、铁或者其组合物，石墨材料具有良好的导热效果，令人意外的是，石墨材料对于光纤激光同样具有良好的吸收效果。

作为本发明的进一步优选方案，所述热介质材料为染料。尤其某些黑色的染料，对位于可见光和近红外区域的波长吸收率良好。

作为本发明的进一步优选方案，所述热介质材料为碳纤维。碳纤维与石墨结构类似，同样具有良好的导热效果和良好的光纤激光吸收率，在航天、汽车等领域对精度和机械性能需求更高的聚酰胺三维零件，本身便具有高强度的碳纤维是热介质的优选。

作为本发明的进一步优选方案，所述热介质材料体积含量大于等于8%。显然，小的热介质体积含量难以储存更多的激光能量并传导给聚酰胺粉末，而热介质体积过大则影响聚酰胺三维物体的熔合质量。

作为本发明的进一步优选方案，所述聚酰胺粉末为尼龙11、尼龙12、尼龙1212、尼龙6、尼龙66、尼龙612中的一种或者几种。

作为本发明的进一步优选方案，所述热介质材料粒径分布为5-100μm。再优选的为10-50μm，能与聚酰胺粉末混合充分，将热量均匀的扩散至聚酰胺粉末。

作为本发明的进一步优选方案，步骤(1)中所述的材料层厚度为50-200微米。通过激光制造聚酰胺三维物体，理论上层厚越小，制造精度越好。公知的层厚选择为100微米，兼顾制造速度和精度的考虑，低于100微米的层厚对于提高制造精度效果有限，因为局限于CO₂激光器聚焦光斑大小等因素。在聚焦光斑显著缩小后，降低层厚将进一步提高三维物体制造精度，进一步优选40-75μm。

本发明还提供了一种激光制造聚酰胺三维物体的装置，包括：

储料器，提供用于制造三维物体的包括聚酰胺粉末和热介质的粉末组合物，

铺粉器，用于将聚酰胺粉末和热介质的粉末组合物铺送在底板或者已经选择性熔合的层上，形成材料层，

激光器，产生聚焦激光，激光被引导至铺送的材料层上进行选择性的照射。

其中，所述激光由波长为400-1080nm的激光器产生。

作为本发明的进一步优选方案，所述激光器是波长为400-670nm，或波长为780-960nm，或波长为1060-1080nm的激光器。

作为本发明的进一步优选方案，所述激光器是波长为532nm或者1064nm的光纤激光器或者全固态激光器。

根据本发明提供的方法和装置，通过将聚酰胺粉末与热介质材料混合形成制造材料，并在制造过程中引入与热介质波段相匹配的激光，使得热介质能吸收更多的激光能量并转移给周围，从而实现激光照射区域聚酰胺粉末的熔合。本方法和装置可以在制造聚酰胺三维物体时使用光斑更小的激光，通过热介质材料对激光能量的储存和传导，实现聚酰胺粉末的熔合，从而制造更加精细的三维特征结构。

附图说明

图1表示根据本发明的制造聚酰胺三维物体的装置。

具体实施方式

如图1所示，是一种能执行本发明的一种装置的具体实施例，是一种激光制造三维物体的装置。该装置具有一向上开口的容器9。在该容器9中设置一用于支承待形成的物体的支座2。支座2能够借助一驱动装置3在容器11中沿垂直方向上下运动。容器11的上边缘确定一工作平面8。在工作平面 8上方设置一激光器6，激光器6发出激光束并通过一偏转装置5偏转到工作平面8上进行扫描，扫描的区域位置为待制造的三维物体14在该层工作平面8相对应的横截面部位。此外，装置还包括铺粉器4，用于将一层待熔合的粉末材料铺送到支座2表面或者已扫描熔合的粉末层上，刮刀4能够借助于驱动装置3在工作平面8上来回运动，工作平面8上的粉末由粉末储存器10通过支座1向上运动提供。框架11将工作平面8和提供粉末平面区域以上的工作腔体与周围环境隔断，防止粉末材料在激光扫描时氧化，激光束可以通过窗口7进入工作腔体。

下面通过具体的实施例方式来阐述本发明的方法。

实施例1：利用波长为1064nm的Nd：YAG激光器制造聚酰胺三维零件。

使用的材料为湖南华曙高科技有限责任公司的聚酰胺粉末材料FS3200，并与粒径分布为5-40μm的铝粉充分混合，其中FS3200体积百分比为90%，铝粉10%。使用的装置是湖南华曙高科技有限责任公司的选择性激光烧结设备FS403并进行相应的改造，设备匹配的设置有Nd：YAG激光器，波长为1064nm。

制造过程中，铺粉材料的层厚设置为0.1mm，材料的预热温度为180℃左右，激光功率约为40-80W，激光光斑控制在40-60μm，并以10m/s左右的速度控制激光对三维零件的横截面区域进行照射。当一层在激光的照射下熔合完毕后，铺粉器将聚酰胺和铝粉的混合粉在工作平面上铺送0.05mm的厚度，激光继续对三维零件在新的粉层上的横截面区域进行照射。重复上述步骤直至获得聚酰胺三维零件，发现相较于使用CO₂激光器，该三维零件在特征结构处表现更好。

实施例2：利用波长为532nm的固态激光器制造碳纤维-聚酰胺三维零件。

使用的材料为湖南华曙高科技有限责任公司的聚酰胺粉末材料FS3400CF，其包含体积分数为80%的聚酰胺粉末和20%的碳纤维粉末，碳纤维直径为50-100微米。使用的装置是湖南华曙高科技有限责任公司的选择性激光烧结设备FS403并进行相应的改造，设备匹配的设置有波长为532nm的固态激光器。

制造过程中，铺粉材料的层厚设置为0.1mm，材料的预热温度为180℃左右，激光功率约为40-80W，激光光斑控制在40-60μm，并以12m/s左右的速度控制激光对三维零件的横截面区域进行照射。当一层在激光的照射下熔合完毕后，铺粉器将聚酰胺和碳纤维的混合粉在工作平面上铺送0.1mm的厚度，激光继续对三维零件在新的粉层上的横截面区域进行照射。重复上述步骤直至获得碳纤维-聚酰胺三维零件，仍然发现相较于使用CO₂激光器，该三维零件在特征结构处表现更好。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。