用于在真空条件下形成聚合物部件的方法与流程

背景技术：

使用三维(3d)计算机辅助设计(cad)数据的按需部件制造，也称为3d打印，正在改进和变得更流行。3d打印技术可以包括多种不同的技术方法。3d打印方法的一个实例是选择性激光烧结，其使用聚焦激光束以加热和融合粉末材料以制造部件。用于形成3d部件的另一个实例是旋转模制，也被称为滚塑，其将粉末材料放置在中空模具中然后在加热的同时旋转模具，使得粉末材料熔融并涂覆模具的一个或多个内表面以形成中空部件。

技术实现要素：

本公开描述了如通过无定形聚合物粉末的选择性激光烧结或滚塑，由聚合物材料形成部件的系统和方法，和特别是由包括聚碳酸酯的无定形聚合物材料形成部件的系统和方法。

本发明的发明人尤其认识到要解决的问题是通过例如选择性激光烧结或滚塑由聚合物粉末(特别是无定形聚合物粉末，如聚碳酸酯粉末)形成部件可以由于在部件中捕获的空气、水汽或挥发性物质导致在所得部件中高百分比的空隙空间。本文中描述的系统和方法的多种实施方案可以提供解决这个问题的方案，如通过在加热和固结过程中施加真空，这可以导致空气、水汽或挥发性物质中的一种或多种从聚合物粉末中快速释放，导致孔隙率降低和总体部件密度提高。

本发明的发明人已经尤其认识到要解决的技术问题是通过例如选择性激光烧结或滚塑由聚合物粉末(特别是无定形聚合物粉末，例如聚碳酸酯粉末)形成部件通常在加热和固结过程中导致降解。本文中描述的系统和方法的多种实施方案可以提供解决这个问题的方案，如通过在加热和固结过程中施加真空，这可以导致降低固结所需的能量，减少热降解。

附图说明

图1是用于使用聚合物(例如聚碳酸酯)粉末的选择性激光烧结制造部件的示例性系统的示意图。

图2是通过选择性激光烧结形成的聚碳酸酯部件的百分比孔隙率与其弯曲强度之间的关系的图表。

图3是通过在真空环境中聚碳酸酯粉末的选择性激光烧结形成部件的示例性方法的流程图。

图4a是用于通过滚塑聚碳酸酯粉末制造部件的示例性系统在滚塑开始之前的示意图。

图4b是图4a的示例性系统在聚碳酸酯部件已经形成后的示意图。

图5是通过在真空环境中聚碳酸酯粉末的滚塑形成部件的示例性方法的流程图。

图6a是聚碳酸酯粉末的颗粒在加热和固结粉末之前的概念性特写视图。

图6b是当开始施加真空时聚碳酸酯粉末的概念性特写视图。

图6c是聚碳酸酯粉末颗粒在导致粉末颗粒软化或熔融和融合的加热后的概念性特写视图。

图6d是在从软化的或熔融的和融合的粉末颗粒周围的空隙空间中移除空气，导致空隙空间塌陷后，软化的或熔融的和融合的聚碳酸酯粉末的概念性特写视图。

图7是显示在实施例中使用的聚碳酸酯粉末的大小分布的图表。

图8a-8d显示了在加热循环过程中不施加真空的情况下，在聚碳酸酯粉末加热和固结过程中在不同时间的一系列聚碳酸酯粉末。

图9显示了通过加热和固结形成的两个聚碳酸酯板的并排比较，其中一个板是在没有真空辅助的情况下形成的(左)，一个是在有真空辅助的情况下形成的(右)。

图10显示了在没有真空辅助的情况下形成的聚碳酸酯厚板的冲击试验样品的特写照片。

图11显示了在有真空辅助的情况下形成的聚碳酸酯厚板的冲击试验样品的特写照片。

图12显示了在没有真空辅助的情况下形成的所示聚碳酸酯样品(图10a)的10倍放大的照片，显示了在厚板中形成了相对大的空气空隙。

图13显示了在有真空辅助的情况下形成的聚碳酸酯样品(图10b)的10倍放大的照片，显示了不存在大的空隙。

具体实施方式

通过如3d打印或其它快速原型法的3d部件的快速原型由于它们的多用途性和建造的高速而已经获得普及。本公开描述了通过以下的聚碳酸酯粉末的选择性激光烧结(或“sls”)：将激光束或其它聚焦的能量束选择性瞄准位于目标区内的聚碳酸酯粉末层以选择性熔融和融合聚碳酸酯从而形成融合的聚碳酸酯部件的一个或多个聚碳酸酯层。本公开还描述了通过以下的聚碳酸酯粉末的旋转模塑，也被称为“滚塑”：在旋转模具的同时在模具中加热聚碳酸酯粉末以沿着模具的至少一个内表面形成聚碳酸酯部件。

对于无定形聚合物材料，如聚碳酸酯，sls和滚塑是不切实际的，因为无定形聚碳酸酯不具有如结晶聚合物如聚酰胺或聚烯烃具有的良好限定的熔点。如本文中使用的，术语“无定形聚合物材料”，还称为“非结晶聚合物材料”或“无定形聚合物材料”的可以指不以结晶聚合物的典型特征的长程有序性固化的聚合物材料。无定形聚合物材料通常具有玻璃化转变温度或玻璃化转变范围而非如结晶聚合物典型的良好限定的熔点。因此，无定形聚合物倾向于在宽温度范围内软化或熔融而非在固定的熔点下液化。无定形聚合物材料当在宽温度范围内部分熔融时倾向于具有高粘度，使得无定形聚合物粉末颗粒倾向于更通常保持它们的形状和结构并融合在一起。这可以导致融合的无定形聚合物粉末留下相对高的孔隙率百分比。另外，由于无定形聚合物材料通常熔融不完全，空气和其它气体可以被捕获在得到的部件的空隙空间中。相对大的孔隙率和在空隙空间中捕获的空气或气体可以导致得到的部件具有相对低的密度和相对低的部件强度。增加热能输入(例如激光能量或炉热量)以充分熔融聚合物到足够低的粘度使得可以充分降低孔隙率增加了过程的能量需求。此外，增加热输入以尝试充分熔融无定形聚合物可以导致聚合物降解。无定形聚合物材料的实例包括但不限于聚碳酸酯和其它热塑性聚合物，例如聚(对亚苯基醚)和聚酰亚胺，例如聚醚酰亚胺。

本公开描述了尤其用于通过基于热的成型，如通过包含聚碳酸酯的粉末的选择性激光烧结或滚塑的无定形聚合物如聚碳酸酯的快速原型的系统和方法。本文中描述的系统和方法也可以用于更传统地由这些方法加工的材料，如金属和结晶聚合物的sls或滚塑。本文中描述的系统和方法包括将真空施加到其中放置聚碳酸酯粉末的构建室以减少或消除在被形成的聚碳酸酯部件内的空隙空间的形成。施加到构建室的真空可以足够强使得其将空气或其它气体从软化的或熔融的粉末颗粒周围形成的空隙空间中排出，使得将要形成的空隙空间至少部分或完全塌陷。在所形成的部件中降低的孔隙率导致部件的密度和强度增加，并且还可以导致更高的材料透明度、延展性或其它改善的性质。另外，真空的使用可以允许更低的实现相同水平的孔隙率所需要的热输入，例如更低的激光强度或降低的炉温，因此对于相同的过程需要更低的能量。更低的热输入还可以降低在sls或滚塑过程中由于例如聚碳酸酯的焦化或其它热分解导致的聚合物降解的可能性。在真空压力下聚合物的增加的流动还可以导致在部件生产过程中改善的分子扩散。其还可以导致与通过不在真空下或在不充分真空下的sls或滚塑制备的部件相比更光学透明(对于透明聚合物)的部件或具有改善的表面质量的部件。

图1显示了用于由可融合粉末制造部件12，且特别是用于由可融合无定形聚合物粉末如聚碳酸酯制造部件12的选择性激光烧结(sls)系统10的实例。sls系统10可以包括构建室14，其内含了其中将构建部件12的目标区16。

sls系统10还可以包括一个或多个用于将可融合粉末22进料到目标区16的粉末进料系统18、20。第一粉末进料系统18可以包括用于容纳新鲜粉末22的第一粉末筒24和用于将可融合粉末22从第一粉末筒24移动到目标区16的粉末移动机构。类似地，第二粉末进料系统20可以包括用于容纳新鲜粉末22的第二粉末筒26和用于将可融合粉末22从二粉末筒24移动到目标区16的粉末移动机构。粉末筒24、26和目标区16可以组合起来形成具有上粉末表面30的粉末床28，其中目标区16在上粉末表面30处形成粉末床28的一部分，例如粉末床28的中心部分。

每个粉末进料系统18、20的粉末移动机构可以包括将可融合粉末22向上推向粉末床28的活塞，例如位于第一粉末进料系统18的第一粉末筒24中的第一活塞32和位于第二粉末进料系统20的第二粉末筒26中的第二活塞34。每个活塞32、34可以将测定量的可融合粉末22从相应的粉末筒24、26向上推向粉末床28。粉末移动机构还可以包括粉末推动器，如粉末辊36，其可以将已经被活塞32、34从筒24、26中的一个升起的粉末22推到目标区16上。粉末辊36还可以推平粉末22，使得粉末床28的至少目标区16部分具有平坦的或基本平坦的上粉末表面30，该上粉末表面30呈现于用于烧结的激光(下文中详细描述)。粉末移动机构可以包括单独的粉末辊36，其可以在多个粉末进料系统之间移动，如在第一和第二粉末进料系统18、20之间来回移动，如图1中所示，或者每个粉末进料系统18、20可以包括其自己专用的粉末辊。

sls系统10还包括可以发出聚焦的能量束42如激光束的系统40。为了简洁的目的，系统40在本文中将被称为激光系统40，且聚焦的能量束42将被称为激光束42。在一个实施例中，激光系统40可以配置为发出二氧化碳激光束42，例如在约60w功率下发出约10.6μm波长的co2激光器。

激光系统40可以包括将发出激光束42的激光装置44和可以定位并引导激光装置44以使激光束42瞄准在目标区16内的激光定位系统46。如上所述，激光定位系统46可以配置为使激光束42瞄准到目标区16的在x-y笛卡尔网格内的任何位置，其可以允许在构建部件12的每个层的同时使用cad数据对准激光束42。激光定位系统46可以包括可以储存与构建部件12的每个层相关联的cad数据的存储装置。激光定位系统46还可以包括可以从储存装置读取cad数据和确定激光器44的必要移动指令的处理器或控制器。激光定位系统46可以进一步包括一个或多个电动机或其它机构，其可以将激光装置44移动到相对于目标区16的希望的方向，从而将激光束42及时瞄准到在希望点处的希望位置上，从而将预定位置处的粉末22加热和融合以构建部件12的每个层。

如上所述，常规的选择性激光烧结系统通常不良好地适用于选择烧结包含无定形聚合物材料如聚碳酸酯的粉末22。如上所述，聚碳酸酯和其它无定形聚合物材料倾向于在玻璃化转变范围内软化而非在良好限定的熔点下熔融，并且当它们确实熔融时倾向于具有高粘度，使得粉末22的颗粒在软化或熔融的同时倾向于保持它们的形状，使得无定形聚合物粉末融合在一起，在融合的粉末周围具有较大的的孔隙率百分比。较大的孔隙率可以导致具有低密度和低强度的部件。

本公开的sls系统10配置为用于去除至少一部分否则当通过选择性激光烧结由无定形聚合物材料形成部件12时会出现的空隙空间。sls系统10可以通过将真空施加到构建室14使得粉末床28的压力等于或低于阈值压力而防止至少一部分将会出现的空隙空间的形成，阈值压力是足够低的使得可以从粉末22的周围排出在粉末颗粒周围的空隙空间内的空气或其它气体的至少一部分，导致在粉末22的颗粒由施加激光束42而软化或熔融的同时，空隙空间塌陷。在一个实施例中，选择阈值压力以在由系统10构建的部件12中提供指定的空隙空间或孔隙率。在一个实施例中，部件12的指定的孔隙率可以是15％(按体积计)或更低，如14.9％或更低、14.8％或更低、14.7％或更低、14.6％或更低、14.5％或更低、14.4％或更低、14.3％或更低、14.2％或更低、14.1％或更低、14％或更低、13.9％或更低、13.8％或更低、13.7％或更低、13.6％或更低、13.5％或更低、13.4％或更低、13.3％或更低、13.2％或更低、13.1％或更低、13％或更低、12.9％或更低、12.8％或更低、12.7％或更低、12.6％或更低、12.5％或更低、12.4％或更低、12.3％或更低、12.2％或更低、12.1％或更低、12％或更低、11.9％或更低、11.8％或更低、11.7％或更低、11.6％或更低、11.5％或更低、11.4％或更低、11.3％或更低、11.2％或更低、11.1％或更低、11％或更低、10.9％或更低、10.8％或更低、10.7％或更低、10.6％或更低、10.5％或更低、10.4％或更低、10.3％或更低、10.2％或更低、10.1％或更低、10％或更低、9％或更低、8％或更低、7％或更低、6％或更低、5％或更低、4％或更低、3％或更低、2％或更低或1％或更低。

为了适于将真空施加到构建室14，sls系统10可以包括真空出口48。真空出口48的第一端与构建室14流体连通，且真空出口48的第二端与真空装置50流体连通。真空装置50可以能够通过真空出口48抽出足够的真空压力，使得如果当粉末22通过将激光束42选择性施加至粉末22以构建部件12而软化或熔融和融合时施加真空，则构建室14内的压力可以足够低以减少或消除在部件12中的空隙空间。

在构建室14中的压力是否足够低以减少或消除空隙空间可以取决于多种因素，包括无定形聚合物材料的物理性质，如无定形聚合物材料的熔体体积速率(mvr)、材料的熔体粘度、材料的密度、材料的分子量、材料的热转变(无定形聚合物材料的玻璃化转变温度(或温度范围)的方面)和在sls过程中激光系统40可以将粉末22加热到的温度。在采用聚碳酸酯聚合物材料的实施例中，当施加真空时，在构建室14中的压力可以处于或低于约-20英寸汞柱(英寸hg)(约-68千帕斯卡(kpa))的阈值压力，如处于或低于约-21英寸hg(约-71kpa)、处于或低于约-22英寸hg(约-74.5kpa)、处于或低于约-23英寸hg(约-78kpa)、处于或低于约-24英寸hg(约-81kpa)、处于或低于约-25英寸hg(约-85kpa)、处于或低于约-25.5英寸hg(约-86kpa)、处于或低于约-26.5英寸hg(约-90kpa)、处于或低于约-27英寸hg(约-91kpa)、处于或低于约-27.5英寸hg(约-93kpa)、处于或低于约-28英寸hg(约-95kpa)、处于或低于约-28.5英寸hg(约-96.5kpa)、处于或低于约-29英寸hg(约-98kpa)、处于或低于约-29.5英寸hg(约-100kpa)、处于或低于约-30英寸hg(约-101.5kpa)、例如处于或低于约-35英寸hg(约-119kpa)、其可以足以减少通过sls形成的聚碳酸酯内的空隙空间。

可以选择构建室14内的阈值压力以提供在真空环境中的sls后所得部件12的预定的孔隙率百分比。在一个实施例中，可以选择阈值真空压力，使得达到在所得部件12内的预定的绝对孔隙率，如约15％或更低、如约10％或更低、如约7％或更低、约6.5％或更低、约6％或更低、约5.5％或更低、约5％或更低、约4％或更低、约3％或更低、或约2.5％或更低的孔隙率。在一个实施例中，可以选择阈值真空压力以提供与未软化的和未融合的粉末(例如在sls之前的粉末22)的孔隙率相比，或与如果在sls之前、过程中或之后即刻没有施加真空压力而会出现的孔隙率相比，在最终的部件12中的孔隙率的百分比降低。在另一个实施例中，可以选择阈值真空压力，使得最终部件12的最终密度处于或高于预定的密度，预定的密度取决于用于形成部件12的一种或多种材料。在又一个实施例中，可以选择阈值真空压力，使得与未软化的和未融合的粉末的密度相比，或与如果在sls之前、过程中或之后即刻没有施加真空压力而会出现的密度相比，最终部件12的密度增加预定的百分比。

在一个实施例中，可以选择构建室14内的阈值压力以实现低于阈值孔隙率的孔隙率，阈值孔隙率是基于指定的物理性质如部件的弯曲强度的所得阈值选择的。发明人已经发现，对于无定形聚合物材料，当部件12的孔隙率高于特定阈值时，则弯曲强度可以在孔隙率增加时以成比例的方式降低。然而在一些实施例中，当部件的孔隙率低于阈值时，弯曲强度将倾向于是大致相等的。图2显示了聚碳酸酯部件的孔隙率和该聚碳酸酯部件的弯曲强度之间的关系。如在图2中可见，存在位于约6％的确切孔隙率阈值，其在一些实施例中可以±约0.5％。低于该阈值6％孔隙率，部件12的弯曲强度倾向于集中在约76兆帕(mpa)的平均值周围。然而，高于阈值6％孔隙率，对应于孔隙率百分比，弯曲强度以大致线性方式降低。预计其它无定形聚合物材料也将表现出与对聚碳酸酯所示出的类似的孔隙率阈值。

sls系统10可以还包括测量构建室14的压力的压力传感器52，如压力表。压力传感器52可以用于控制真空装置50以通过如压力控制系统实现在构建室14内的预定的真空压力。例如，压力传感器52可以与控制器或处理器相联通，控制器或处理器可以编程或配置为在压力传感器52和真空装置50之间使用反馈回路运行。压力传感器52还可以用于控制激光系统40，使得激光束42仅当构建室14处在预定压力或压力范围下时被激活。例如，可以希望的是，仅当将预定的真空压力施加到构建室14时，例如仅当在构建室14中的压力处于或低于阈值压力时，激光装置44才发出激光束42以烧结粉末22和构建部件12。可替换地，sls系统10可以配置为使得仅当在构建室14中的压力高于压力阈值时，激光装置44才发出激光束42。

sls系统10还可以包括与构建室14流体连通的排气口54。排气口54可以出于多种原因而打开和关闭。例如，可以打开排气口54用于注入吹扫气体，如氮气(n2)或氩气(ar)，以从构建室14中吹扫不期望的气体组合物如有机挥发物。还可以打开排气口54，通过例如允许空气流入到构建室14中以将在构建室14中的压力与大气压力平衡来以释放构建室内的真空。可以提供吹扫气体进料系统56以将吹扫气体通过排气口54进料到构建室14中。

图3是通过包含无定形聚合物材料的可融合粉末的选择性激光烧结形成部件的示例性方法100的流程图。方法100可以在102处包括将无定形聚合物粉末如聚碳酸酯粉末供应到选择性激光烧结系统的构建室内的目标区。在104处，可以将真空施加到构建室直到构建室内的压力处于或低于预定的压力阈值。如上所述，可以选择预定压力阈值以实现以下一种或多种：孔隙率处于或低于得到的部件的预定孔隙率；与未软化的和未融合的粉末的孔隙率相比，或与如果不施加真空会导致的孔隙率相比，孔隙率的至少预定的降低；密度处于或高于预定的密度；与未软化的和未融合的粉末的密度相比，或与如果不施加真空会导致的密度相比，密度的至少预定的增加。真空的施加(104)可以导致构建室内的空气排出，包括至少一部分在粉末的空隙空间内的空气。真空的施加(104)还可以从粉末排出除空气外的化合物，例如可以存在于无定形粉末中的包括挥发性有机化合物的挥发性化合物，例如在生产聚合物材料或形成粉末之后留下的挥发性副产物。

在106处，可以将聚焦的能量束如激光束，如以图案化的方式选择性施加到目标区，以在目标区的选择部分处融合粉末。可以使用例如cad数据瞄准聚焦的能量束。cad数据可以包括对应于最终部件的截面中的材料的位置的准备的cad数据。

在108处，在选择性施加聚焦的能量束(106)后，将在步骤106中构建的部件的层相对于目标区移动以为构建部件的另一个层制造空间。例如，部件的已构建部分可以相对于目标区向下移动。然后，在110处，可以将另外的新鲜粉末供应到目标区以提供用于部件的随后层的新鲜构建材料。在一些实施例中，当将部件相对于目标区移动(108)和将另外的新鲜构建材料供应给目标区(110)时，已经构建的层(例如在步骤106后)可以保持熔融。

为了完成部件，可以根据需要以逐层的方式重复步骤106、108和110多次以构建部件。例如，可以通过选择性施加聚焦的能量束(106)形成第一层，第一层可以相对于目标区向下移动(108)，并且可以将新鲜粉末供应到目标区(110)，使得新鲜粉末位于第一层的顶部。然后，可以通过将聚焦的能量束选择性施加到新鲜粉末(106)形成第二层，可以将第一和第二层相对于目标区向下移动(108)，并且可以将新鲜粉末供应到目标区(110)，并且使其位于第二层的顶部。随后，可以通过将聚焦的能量束选择性施加到新鲜粉末(106)形成第三层，可以将第一、第二和第三层相对于目标区向下移动(108)，并且可以将新鲜粉末供应到目标区(110)。这些步骤可以重复用于第四层、第五层、第六层等直到完全形成部件。

在重复步骤106(选择性施加聚焦的能量束)、108(移动(一个或多个)层)和110(供应新鲜粉末)的同时，可以开始和保持真空施加(104)。可替换地，可以在施加真空(104)之前，只要当施加真空时粉末的选择部分仍是软化的或熔融的，对每个层选择性施加聚焦的能量束(106)，使得空隙空间中的空气可以排出并且空隙空间可以塌陷，如上所述。以此方式，可以对于每个层重复施加真空。

图4a和4b显示了滚塑系统120的实例，其用于由可融合粉末制造部件122(图4b)，且特别用于由可融合无定形聚合物粉末如聚碳酸酯制造部件122。滚塑系统120可以包括模具124，其包含其中将形成部件122的构建室126，也称为模腔126。模腔126可以具有对应于待形成的部件122的外部形状的内部形状。

滚塑系统120可以包括用于将可融合粉末130进料到模腔126中的粉末进料系统128。可融合粉末130可以是任何可以用于通过滚塑形成部件122的无定形或非无定形(例如结晶的)聚合物。如上所述，滚塑系统120可以特别适用于形成聚碳酸酯部件122，并且因此，为了简明的目的，在本文中将可融合粉末130描述为聚碳酸酯粉末130。

滚塑系统120还可以包括加热器132，其用于加热模具124以加热在模腔126中的聚碳酸酯粉末130从而形成熔融的聚碳酸酯。加热器132可以通过例如直接加热模具124的一个或多个壁134而直接加热模具124，使得从加热器132转移到一个或多个壁134的热将转移到聚碳酸酯粉末130。

滚塑系统120还可以包括一个或多个旋转装置，其用于在模具124被加热器132加热的同时旋转模具124，使得通过熔融聚碳酸酯粉末130形成的熔融的聚碳酸酯将沿着模具壁134的一个或多个内表面136强向外挤出。一个或多个旋转装置可以单轴地(例如，围绕仅一个轴旋转)或双轴地(例如，关于相对于彼此成角度的两个轴旋转，例如第一旋转轴相对于第二旋转轴成90°的角度)旋转模具124。在一个实施例中，在图4中显示，第一旋转装置138可以围绕第一旋转轴140旋转模具124，和第二旋转装置142可以围绕第二旋转轴144旋转模具，使得旋转装置138、142双轴旋转模具124。

图4a显示了在已经将粉末130进料到模腔126之后但在进行滚塑之前使得聚碳酸酯保持为粉末130的形式的滚塑系统120。图4b显示了在滚塑之后的系统120，其中部件122已经形成在模具壁134的内表面136的至少一部分上。

如上所述，常规的滚塑系统通常不很好地适用于滚塑包含无定形聚合物材料如聚碳酸酯的粉末130。聚碳酸酯和其它无定形聚合物材料倾向于在玻璃化转变范围内软化而非在良好限定的熔点下熔融，并且当它们确实熔融时倾向于具有高粘度，使得粉末130的颗粒在软化或熔融的同时倾向于保持它们的形状，使得无定形聚合物粉末以融合粉末周围较大的孔隙率百分比融合在一起。较大的孔隙率可以导致具有低密度和低强度的部件122。

本文中描述的滚塑系统120配置为去除至少一部分否则当通过滚塑由聚碳酸酯粉末130形成部件122时会出现的空隙空间。滚塑系统120可以通过将真空施加到模腔126使得粉末130经历的压力处于或低于阈值压力，而防止至少一部分会出现的空隙空间的形成，该阈值压力足够低使得可以从粉末130的周围排出粉末颗粒周围的空隙空间内的空气或其它气体的至少一部分，导致在粉末130的颗粒由于施加来自加热器132的热而被软化或熔融的同时，空隙空间塌陷。可以选择阈值压力以在由滚塑系统120形成的部件122中提供指定的空隙空间或孔隙率。在一个实施例中，部件122的指定的孔隙率可以是15％(按体积计)或更低，例如14.9％或更低、14.8％或更低、14.7％或更低、14.6％或更低、14.5％或更低、14.4％或更低、14.3％或更低、14.2％或更低、14.1％或更低、14％或更低、13.9％或更低、13.8％或更低、13.7％或更低、13.6％或更低、13.5％或更低、13.4％或更低、13.3％或更低、13.2％或更低、13.1％或更低、13％或更低、12.9％或更低、12.8％或更低、12.7％或更低、12.6％或更低、12.5％或更低、12.4％或更低、12.3％或更低、12.2％或更低、12.1％或更低、12％或更低、11.9％或更低、11.8％或更低、11.7％或更低、11.6％或更低、11.5％或更低、11.4％或更低、11.3％或更低、11.2％或更低、11.1％或更低、11％或更低、10.9％或更低、10.8％或更低、10.7％或更低、10.6％或更低、10.5％或更低、10.4％或更低、10.3％或更低、10.2％或更低、10.1％或更低、10％或更低、9％或更低、8％或更低、7％或更低、6％或更低、5％或更低、4％或更低、3％或更低、2％或更低或1％或更低。

为了适合将真空施加到模腔126，模腔126可以包括真空出口146。真空出口146与模腔126和真空装置148流体连通。真空装置148可以能够通过真空出口146抽出足够的真空压力，使得在粉末130已经由加热器132加热的同时软化或熔融和融合之后施加真空时，在模腔126内的压力足够低以减少或消除在部件122中的空隙空间。

在构建室126中的压力是否足够低以减少或消除空隙空间可以取决于多种因素，包括无定形聚合物材料的物理性质，例如无定形聚合物材料的熔体体积速率(mvr)、材料的熔体粘度、材料的密度、材料的分子量、材料的热转变(无定形聚合物材料的玻璃化转变温度(或温度范围)的方面)和在滚塑过程中加热器132可以将粉末130加热到的温度。在采用聚碳酸酯粉末130的实施例中，当施加真空时在模腔126中的压力可以处于或低于约-20英寸汞柱(英寸hg)(约-68千帕斯卡(kpa))的阈值压力，例如处于或低于约-21英寸hg(约-71kpa)、处于或低于约-22英寸hg(约-74.5kpa)、处于或低于约-23英寸hg(约-78kpa)、处于或低于约-24英寸hg(约-81kpa)、处于或低于约-25英寸hg(约-85kpa)、处于或低于约-25.5英寸hg(约-86kpa)、处于或低于约-26.5英寸hg(约-90kpa)、处于或低于约-27英寸hg(约-91kpa)、处于或低于约-27.5英寸hg(约-93kpa)、处于或低于约-28英寸hg(约-95kpa)、处于或低于约-28.5英寸hg(约-96.5kpa)、处于或低于约-29英寸hg(约-98kpa)、处于或低于约-29.5英寸hg(约-100kpa)、处于或低于约-30英寸hg(约-101.5kpa)、例如处于或低于约-35英寸hg(约-119kpa)，其可以足以降低在由sls形成的聚碳酸酯部件内的空隙空间。

可以选择模腔126内的阈值压力以提供真空环境中的sls后得到的部件12的预定的孔隙率百分比。可以选择阈值真空压力，使得达到得到的部件内的预定的绝对孔隙率，例如约15％或更低、例如约10％或更低、例如约7％或更低、约6.5％或更低、约6％或更低、约5.5％或更低、约5％或更低、约4％或更低、约3％或更低、或约2.5％或更低的孔隙率。可以选择阈值真空压力以提供与未软化的和未融合的粉末(例如在模具124中熔融之前的聚碳酸酯粉末130)的孔隙率相比，或与如果在滚塑之前、过程中或之后即刻没有施加真空压力而会出现的孔隙率相比，在最终的部件中的孔隙率的百分比降低。可以选择阈值真空压力，使得最终部件的最终密度处于或高于预定密度，预定的密度可以取决于用于形成部件的一种或多种材料。可以选择阈值真空压力，使得与未软化的和未融合的粉末的密度相比，或与如果在滚塑之前、过程中或之后即刻没有施加真空压力而会出现的密度相比，最终部件的密度增加预定的百分比。

可以选择在模腔126内的阈值压力以达到低于阈值孔隙率的孔隙率，该阈值孔隙率是基于指定的物理性质如部件的弯曲强度的所得阈值来选择的。发明人已经发现，对于无定形聚合物材料如聚碳酸酯，当部件的孔隙率高于特定阈值时，则弯曲强度可以在孔隙率增加时以成比例的方式降低。然而当部件的孔隙率低于阈值时，弯曲强度可以倾向于是大致相等的。图2(如上所述)显示了聚碳酸酯部件的孔隙率和聚碳酸酯部件的弯曲强度之间的关系。如在图2中可见，存在位于约6％的确切孔隙率阈值，其在一些实施例中可以±约0.5％。低于该阈值6％孔隙率，部件的弯曲强度可以倾向于集中在约76兆帕(mpa)的平均值周围。然而，高于阈值6％孔隙率，对应于孔隙率百分比，弯曲强度可以大致线性方式降低。预计其它无定形聚合物材料也将表现出与对聚碳酸酯所示出的类似的孔隙率阈值。

滚塑系统120可以还包括测量模腔126的压力的压力传感器，如压力表。压力传感器可以用于控制真空装置148以通过例如压力控制系统达到模腔126内的预定真空压力。压力传感器可以与控制器或处理器相联通，控制器或处理器可以编程或另外配置为使用压力传感器和真空装置148之间的反馈回路运行。压力传感器还可以用于控制加热器132，使得加热器132仅当模腔126处在预定压力或压力范围下时被激活。例如，可能期望的是，仅当将预定的真空压力施加于模腔126时，例如仅当在模腔126中的压力处于或低于阈值压力时，加热器132才加热模具124和其中的粉末130。可替换地，滚塑系统120可以配置为使得当在模腔126中的压力高于压力阈值时，加热器132加热模具124。

图5是通过包含无定形聚合物材料如聚碳酸酯粉末的可融合粉末的滚塑形成部件的示例性方法200的流程图。方法200可以在202处包括将聚碳酸酯粉末供应到作为滚塑系统一部分的模具的腔中。在204处，可以将真空施加到模腔直到在模腔内的压力等于或低于预定的压力阈值。如上所述，可以选择预定压力阈值以实现以下一种或多种：孔隙率处于或低于得到的部件的预定孔隙率；与未软化的和未融合的粉末的孔隙率相比，或与如果不施加真空会导致的孔隙率相比，孔隙率的至少预定的降低；密度处于或高于预定密度；与未软化的和未融合的粉末的密度相比，或与如果不施加真空会导致的密度相比，密度的至少预定的增加。真空的施加(204)可以导致在模腔内的空气被排出，包括至少一部分在粉末的空隙空间内的空气。真空的施加(204)还可以从粉末中排出除空气外的化合物，例如可以存在于无定形粉末中的包括挥发性有机化合物的挥发性化合物，例如在生产聚合物材料或形成粉末之后留下的挥发性副产物。

在206处，可以加热模具以熔融和融合至少一部分粉末，从而形成融合的聚碳酸酯部件。可以在施加真空(204)的同时进行加热(206)，使得空气和其它化合物的排出可以如上所述在聚合物粉末处于熔融或半熔融状态时发生。施加真空(204)和加热(206)可以导致处于或低于指定的阈值孔隙率的融合的聚碳酸酯部件，其中可以选择所施加的真空压力(步骤204)以达到处于或低于指定的阈值孔隙率的孔隙率。

在施加真空(204)和加热模具(206)足以熔融粉末的聚合物材料如聚碳酸酯的时间后，在208处，可以使模具冷却，使得允许已经形成粉末的熔融聚合物材料以形成的部件的形状再固化。在210处，可以将固化的部件从模具中移出，并且可以通过例如用聚碳酸酯粉末再填充模腔(202)，将指定的真空压力施加到模腔(204)，加热模具(206)，使部件冷却和固化(208)，和将固化的部件从模具中移出(210)重复该过程。

图6a-6d显示了据信在能够减少或消除通常在没有施加真空环境的情况下在部件中会形成的空隙空间的真空环境中选择性激光烧结或滚塑无定形聚合物粉末如聚碳酸酯粉末的过程中发生的概念性视图。图6a显示了在选择性激光烧结或滚塑包含多个粒子302的无定形聚合物粉末300，例如聚碳酸酯粉末之前，粉末300的概念性特写视图。在图6a中示出的颗粒302可以代表在施加激光束42之前粉末床28中的粉末22的状态，如对于图1所描述的，或者代表在图4的滚塑系统120中加热之前在模腔126中的粉末130的状态。颗粒302可以变得紧密堆积在一起，在颗粒302之间和周围产生多个空隙空间304。在图6a中示出的过程的阶段，仍有在粉末300周围和在空隙空间304内存在的空气306。

图6b是当开始施加真空时无定形聚合物粉末300的概念性特写视图，施加真空导致从构建室中排出至少一部分空气306。排出空气306还可以导致从空隙空间304中排出至少一部分空气306，其由图6b中的箭头308概念性表示。在已经将真空施加到构建室足够的时间段后，将空气306从构建室中排出。当涉及构建室和/或空隙空间304时，如本文中使用的术语“排出”可以指在构建室和空隙空间304内的空气的分压低于阈值压力。

在空气306已经从构建室和空隙空间304中排出之后，可以将加热装置(如在图1的sls系统10中的激光系统10，或在图4的滚塑系统120中的加热器132)用于至少部分地熔融粉末颗粒302的聚合物材料例如聚碳酸酯，使得颗粒302可以变得至少部分融合以形成部件。图6c是在颗粒302已经例如用聚焦的能量束，例如激光束，如sls的情况下，或者用作为滚塑过程一部分的加热器加热之后无定形聚合物粉末的概念性特写视图，加热是为了增加粉末300的局部温度高于无定形材料的软化或熔融温度，使得图3a和3b的颗粒302变得软化或熔融以形成软化或熔融的无定形颗粒310。颗粒310可以变得软化或熔融，使得颗粒308在多个融合截面312处融合在一起，导致融合的粉末314。

图6c在无定形材料被软化或熔融使得颗粒310变得融合截面312处融合在一起之后基本上即刻，但在空隙空间304由于空气306从空隙空间304中排出而塌陷之前的时间点示出。图6d是在图6c中示出的之后的时间处，软化的/熔融的和融合的无定形聚合物粉末314的概念性特写视图。如上所述，空气306已经从空隙空间304中排出并且软化的或熔融的颗粒310内的重量和/或内压可以产生软化的或熔融的颗粒310周围的至少部分塌陷的空隙空间316(图6d)。塌陷的空隙空间316还可以导致软化的或熔融的颗粒310的更大表面积的接触，其可以产生更大的融合界面318。坍塌的空隙空间316和更大的融合截面318可以提供紧密融合的粉末320，其具有比在图6c中示出的融合的粉末314更高的密度和更低百分比的空隙空间，例如具有比在不施加真空，导致从空隙空间304中排出空气306的情况下可能的密度和空隙空间分数更高的密度和更低的空隙空间分数。

发明人还强调的是，真空的施加在sls或滚塑的加热和烧结过程中促进了吸收的水汽或其它挥发物的快速消散。在滚塑中实现真空可以是挑战性的，因为滚塑系统120将需要抵抗相对高的负压，例如高达约1大气压的负压。在模制操作过程中避免真空出口146的堵塞也可以是困难的。然而，据信在滚塑过程中使用真空可以允许形成相对厚截面的部件，其具有基本上“无气泡”的相对低的孔隙率。到目前为止，发明人已经形成了最高至0.5英寸(约1.3cm)厚的聚碳酸酯片，并且据信使用本文中描述的滚塑技术，甚至更厚截面的澄清聚碳酸酯是可能的。

实施例

使用设计用于生产用于滚塑工业的市售粉末的设备研磨聚碳酸酯树脂(由sabicinnovativeplastics(sabic),pittsfield,ma,usa以商品名lexanhf1110-112销售)。目的是产生类似于基准中密度聚乙烯(mdpe)的颗粒分布。聚碳酸酯粉末的颗粒大小分布在图7中示出，其中μm是微米。图7是尺寸和形状可以重复性的图形表示。

在一系列设计为帮助理解用于聚碳酸酯树脂的烧结和固结过程的加热研究中使用聚碳酸酯粉末。将粉末样品装载在小铝托盘中，并放置在处于500℉(约260℃)的强制对流烘箱中。在不同的间隔下取出样品以确定产生自由形成的聚碳酸酯厚板所需的时间。所测定的是，当将聚碳酸酯粉末在0.75英寸(约1.9cm)的初始厚度下预装载到托盘中时，需要约20-30分钟。该研究提供了用于研磨的聚碳酸酯粉末的固结过程的理解。还显示了在将粉末放置在烘箱中之前，即使当将粉末干燥至在注射模制和挤出中要求的水平，例如小于0.04重量％的水分含量，空气和挥发性物质的捕获也成问题。图8a-8b显示了在加热循环过程中不施加真空的情况下，在聚碳酸酯粉末固结期间不同时间处的一系列聚碳酸酯粉末。图8a显示了在被放置在烘箱中之前，装载有聚碳酸酯粉末的铝托盘。图8b显示了在处于500℉(约260℃)的烘箱中14分钟后的聚碳酸酯粉末。图8c显示了在处于500℉(约260℃)的烘箱中17分钟后的聚碳酸酯粉末。图8d显示了在聚碳酸酯粉末完全熔融后的托盘，聚碳酸酯粉末的完全熔融出现在处于500℉(约260℃)的烘箱中约22分钟。如在图8d中可以见的，在熔融聚碳酸酯中存在有气泡和其它空隙。

在第二个实验中，将更大的涂覆的托盘装载以干燥的聚碳酸酯粉末(由sabic,pittsfield,ma,usa销售的lexanhf1110-112)并放置在处于500℉(约260℃)的对流烘箱中。将大涂覆托盘保持30分钟，冷却，并将冲击样品取出并测试。在真空压具中重复相同的实验。使用挡块防止压盘接触，并产生真空和将真空保持在约-28.5英寸hg的标称值下。图9显示了在左侧的非真空处理的板和在右侧的真空处理的板。图10和11显示了取自相同的烧结厚板的冲击样品的特写视图。

样品的放大揭示了在没有真空辅助的对流烘箱中固结的聚碳酸酯粉末布满了球形空隙。图12显示了非真空辅助的样品(图10)的低倍率(10倍)显微图。空隙较小，但可能贡献于冲击性能的降低。图13显示了真空辅助的固结样品(图11)的低倍率(10倍)显微图。在图13中的样品外观和性质上类似于注塑的或挤出的聚碳酸酯。

来自真空辅助固结的样品(图11和13)与适当模制或挤出的聚碳酸酯一致。差异是视觉明显的并且看上去会转化为机械性质。

下文阐述的是本文中公开的系统和方法的一些实施方式。

实施方式1：一种用于制造部件的系统，包括：构建室；用于将聚合物粉末进料到构建室的粉末进料系统；用于熔融和融合聚合物粉末以在构建室中形成融合的聚合物部件的加热系统；和将指定的真空压力施加到构建室的真空系统，其中真空压力处于或低于阈值压力，使得融合的聚合物部件的孔隙率处于或低于指定的阈值孔隙率。

实施方式2：实施方式1的系统，其中聚合物粉末是无定形聚合物粉末；优选其中聚合物粉末包含聚碳酸酯粉末。

实施方式3：前述实施方式中任一项的系统，其中构建室包含模具，并且加热系统包括用于加热模具以熔融在模具中的聚合物粉末的炉。

实施方式4：实施方式3的系统，进一步包包括旋转机构，以加热过程中旋转模具。

实施方式5：前述实施方式中任一项的系统，其中加热系统包括激光系统，该激光系统包括激光器，以将聚焦的能量束发射到在构建室内的目标区上，和激光定位系统，以将聚焦的能量束瞄准到目标区的选择的位置上以融合目标区处的聚合物粉末的一部分，从而形成融合的聚合物部件。

实施方式6：前述实施方式中任一项的系统，进一步包括控制系统以基于在构建室中测量的压力控制真空系统。

实施方式7：前述实施方式中任一项的系统，其中指定的阈值孔隙率为按体积计15％或更小；优选其中指定的阈值孔隙率为按体积计6％或更小；优选其中指定的阈值孔隙率为按体积计约6％。

实施方式8：前述实施方式中任一项的系统，其中阈值压力处于或低于约-20英寸汞柱；优选其中阈值压力处于或低于约-25英寸汞柱；优选其中阈值压力处于或低于约-30英寸汞柱。

实施方式9：前述实施方式中任一项的系统，进一步包括吹扫气体进料系统以将吹扫气体进料到构建室中。

实施方式10：一种用于制造部件的方法，该方法包括：将聚合物粉末进料到构建室；将指定的真空压力施加到构建室；以及在施加真空的同时，加热构建室内的聚合物粉末的至少一部分以熔融和融合聚合物粉末的至少一部分，以形成融合的聚合物部件；并且其中选择指定的真空压力使得融合的聚合物部件的孔隙率处于或低于指定的阈值孔隙率。

实施方式11：实施方式10的方法，其中聚合物粉末是无定形聚合物粉末；优选其中聚合物粉末包含聚碳酸酯粉末。

实施方式12：实施方式10-11中任一项的方法，其中构建室包括模具，并且加热聚合物粉末的至少一部分包括加热模具以熔融和融合模具中的聚合物粉末。

实施方式13：实施方式10-12中任一项的方法，进一步包括在加热模具以熔融和融合聚合物粉末的同时旋转模具。

实施方式14：实施方式10-13中任一项的方法，其中加热聚合物粉末的至少一部分包括将聚焦的能量束选择性对准到构建室的选择的位置以融合聚合物粉末的一部分，以形成融合的聚合物部件。

实施方式15：实施方式10-14中任一项的方法，进一步包括基于测量的构建室中的压力控制真空压力的施加。

实施方式16：实施方式10-15中任一项的方法，其中指定的阈值孔隙率为按体积计15％或更小；优选其中指定的阈值孔隙率为按体积计6％或更小；优选其中明确指定的阈值孔隙率为按体积计约6％。

实施方式17：实施方式10-16中任一项的方法，其中阈值压力处于或低于约-20英寸汞柱；优选其中阈值压力处于或低于约-25英寸汞柱；优选其中阈值压力处于或低于约-30英寸汞柱。

实施方式18：实施方式10-17中任一项的方法，进一步包括将吹扫气体进料到构建室中。

上述具体实施方式旨在是示例性的，并且不是限制性的。例如，上述实施例(或其一个或多个要素)可以彼此组合使用。可以由如本领域技术人员在审阅以上描述时使用其它实施方式。另外，多种特征或要素可以组合在一起以使本公开简化。这不应当被解释为旨在未请求保护的公开特征对于任何权利要求是必要的。相反，本发明的主题可以在于比特定的公开的实施方式的全部特征更少。因此，以下的权利要求在此并入到具体实施方式中，其中每个权利要求作为单独的实施方式各自成立。本发明的范围应当参照所附的权利要求以及这些权利要求有权享有的等价物的完整范围确定。

在本文件和通过引证并入的任何文件之间的用法不一致的情况下，在本文件中的用法起支配作用。

在本文件中，如在专利文件中通常的，术语“一个”或“一种”用于包括一种或多于一种，这独立于“至少一种”或“一种或多种”的任何其它情况或用法。在本文件中，术语“或”用于指非排它性的或者，使得“a或b”包括“a但没有b”，“b但没有a”和“a以及b”，除非另外指明。在本文件中，术语“包括”和“在……中”用作相应术语“包含”和“其中”的简明英语等价物。术语“约”旨在包括，基于截止至2015年二月23日可获得的设备，与特定量的测量相关的误差的程度。另外，在以下权利要求书中，术语“包括”和“包含”是开放的，即，包括权利要求中这样的术语后列举的那些以外的要素的模制系统、装置、制品、组合物、配制物或过程仍被认为落在该权利要求的范围内。另外，在以下权利要求书中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅被用作标记，并且不旨在对它们的主题赋予数字要求。本申请要求2015年二月23日提交的美国临时申请62/119,328的优先权，其全部内容通过引证并入本文中。

本文中描述的方法实施例可以至少部分是机器或计算机执行的。一些实施例可以包括计算机可读介质或机器可读介质，其编码由可操作以配置电子装置实施如在上述实施例中描述的方法或方法步骤的指令。这些方法或方法步骤的执行可以包括编码，如微码、汇编语言码、高级语言码等。这些编码可以包括用于进行多种方法的计算机可读指令。编码可以形成计算机程序产品的部分。另外，在一个实施例中，编码可以被有形地存储在一个或多个暂时的、非短暂的或非不稳定的有形计算机可读介质上，如在执行过程中或在其它时间下。这些有形的计算机可读介质可以包括但不限于硬盘、可移动磁盘、可移动光盘(例如压缩盘和数字视频盘)、磁带、存储卡或棒、随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)等。

提供说明书摘要以符合37c.f.r.§1.72(b)，以允许读者快速确定本技术公开的本质。其在其将不用于解释或限制权利要求的范围或含义的理解下提出。

尽管已经参照示例性实施方式描述了本发明，但本领域技术人员将认识到可以在不背离本发明的主旨和范围的情况下，在形式和细节方面进行改变。