一种GO/TPU耐热制件的选择性激光烧结成型工艺的制作方法

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种go/tpu耐热制件的选择性激光烧结成型工艺，尤其是一种应用于制备形貌复杂的汽车零件的密封隔热罩的择性激光烧结成型工艺。

背景技术：

汽车发动机周围的重要零件设备通常需要加有密封隔热罩，改善耐热性，避免设备之间热传递相互影响，从而提高使用寿命。目前对于异形零件设备的隔热罩的加工制造通常采用注塑成型，如进/排气歧管的密封隔热罩，注塑成型虽然可以实现大批量生产，但对于这种复杂形貌的制造而言成本较高，且模具的制造过程相当复杂。快速成型技术又称为增材制造技术、3d打印技术，该技术是对一系列逐层零件制造工艺的统称，它使用近乎全自动化的工艺直接从cad文件生产所需要的模型，可以显著减少产品原型的开发时间和成本。对于复杂形貌的加工成型可以大大降低成本、缩短成型周期、提高材料的利用率、提高制件的精度。快速成型技术包括熔融沉积成型(fdm)、分层实体成型(lom)、黏结剂喷射打印(3dp)、立体光固化成型(sla)、选择性激光熔化(slm)、选择性激光烧结(sls)等。

选择性激光烧结(sls)是快速成型的一种技术，该技术适合热塑性高分子材料、金属材料以及陶瓷材料的快速成型。sls工艺的快速成型系统工作原理如图1所示，该工艺装置由供粉缸和成型缸(模腔)组成，工作时供粉缸活塞(送粉活塞)上升，由铺粉辊将粉体在成型缸活塞(工作活塞)上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉体材料以形成零件的一个层面。在烧结之前，整个工作台被加热至稍低于粉体熔化温度，以减少热变形，并利于与前一层面的结合。完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺设新粉，控制激光束扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，就得到三维制件。

与其他的快速成型技术相比，sls技术具有以下优点：(1)材料选择广泛；(2)打印过程无需支撑结构；(3)可以制造任何复杂结构制件，包括镂空结构、空心结构等；(4)材料利用率高，未使用的粉体材料还能继续使用。

技术实现要素：

发明目的：为了克服采用传统成型方法难以制造异形零件密封隔热罩这一问题，本发明要提供一种go/tpu耐热制件的选择性激光烧结成型工艺，工艺简单，灵活性高，可以实现制件结构异形化，满足不同场合的需要。通过该工艺制造出的go/tpu制件制件，不仅具有良好的力学性能，还具有较高耐热性能和耐磨性，综合性能优异。

为了达到上述目的，本发明以氧化石墨烯(go)与热塑性聚氨酯弹性(tpu)的复合粉体为原料，构建一种go/tpu耐热制件的选择性激光烧结成型工艺，包括以下步骤：

(1)采用计算机辅助设计软件(cad)设计出需要sls成型(3d打印)的产品造型，并将设计好的文件转化为stl格式；

(2)将生成的stl文件利用预处理程序调整模型的尺寸、位置和方向，然后将其分切成一组厚度为0.05mm～0.7mm的截面，导入到sls成型设备的快速成型系统中；

(3)将go/tpu复合粉体材料送入到供粉缸中；

(4)设置sls工艺参数，供粉缸温度为60～110℃，打印温度为75～150℃，激光功率为10～45w，扫描速度为6000～12000mm/s，扫描间距为0.08～0.2mm，铺粉厚度为0.08～0.2mm；

(5)进行sls成型；

(6)sls成型的制件随成型缸自然冷却，待冷却完全后取出制件，经粉末喷枪对制件后处理，以去除制件表面残留粉末，得所述的go/tpu耐热制件。

相比于传统的耐热聚合物材料的成型方法(注塑成型和挤出成型等)，采用sls成型异形零件的耐热密封罩，形状可任意复杂，尺寸和现状精度高，从设计到成型周期短，原料利用率高，生产成本低。采用该工艺制造的go/tpu密封隔热罩具有良好的耐热性。

进一步的，上述go/tpu耐热制件包括以下组分：选择性激光烧结用tpu粉体100质量份，go粉体5～10质量份，流动助剂0.3～0.4质量份，抗氧剂0.3～1质量份，偶联剂0.025～0.2质量份。

进一步的，上述sls用tpu粉体的粒径范围为50～200μm。

进一步的，上述go粉体采用改性hummers法制备。

进一步的，上述流动助剂为气相二氧化硅、气相氧化铝、气相白炭黑、纳米氧化钛、纳米二氧化硅、纳米碳化硅粉体中的一种或几种。

进一步的，上述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂和/或亚磷酸酯类抗氧剂。

进一步的，上述偶联剂为硅烷偶联剂，其用量范围为go添加质量的0.5％～2％。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供的go/tpu耐热制件的选择性激光烧结成型工艺具有以下优点：

(1)该工艺解决了一些异形汽车零件耐热密封罩成型工艺复杂，成本较高，原材料利用率低，精度不足等一系列问题。可以实现异形零件密封罩的批量生产。

(2)该工艺操作简单且具有很高的灵活性，可以实现制件异形化，满足不同场合所需的各种外形。

附图说明

图1为sls工艺的快速成型系统工作原理示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实验数据，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

以下实施例提供了一种go/tpu耐热制件的选择性激光烧结成型工艺，其中用于成型go/tpu耐热制件的go/tpu复合粉体包括以下组分：选择性激光烧结用tpu粉体100质量份，go粉体10质量份，流动助剂0.3质量份，抗氧剂0.5质量份，偶联剂0.2质量份。

实施例1

(1)将设计的一体化三维结构标准试样的stl文件利用预处理程序调整模型的尺寸、位置和方向，然后将其分切成许多厚度为0.2mm的截面；

(2)将结构导入到软件中，设定sls工艺参数，供粉缸温度为80℃，打印温度为100℃，激光功率为20w，扫描速度为10000mm/s，扫描间距0.08mm，铺粉厚度0.08mm，然后将混合好的go/tpu复合粉体进行sls成型，得到制件；

(3)将得到的标准试样制件放在模腔内自然冷却，待冷却完全后取出制件，经粉末喷枪对制件后处理，以去除制件表面残留粉末，得到最终标准试样成品。

实施例2

(1)将设计的一体化三维结构标准试样的stl文件利用预处理程序调整模型的尺寸、位置和方向，然后将其分切成许多厚度为0.5mm的截面；

(2)将结构导入到软件中，设定sls工艺参数，供粉缸温度为90℃，打印温度为110℃，激光功率为15w，扫描速度为12000mm/s，扫描间距0.10mm，铺粉厚度0.12mm，然后将混合好的go/tpu复合粉体进行sls成型，得到制件；

(3)将得到的标准试样制件放在模腔内自然冷却，待冷却完全后取出制件，经粉末喷枪对制件后处理，以去除制件表面残留粉末，得到最终标准试样成品。

实施例3

(1)将设计的一体化三维结构标准试样的stl文件利用预处理程序调整模型的尺寸、位置和方向，然后将其分切成许多厚度为0.5mm的截面；

(2)将结构导入到软件中，设定sls工艺参数，供粉缸温度为80℃，打印温度为125℃，激光功率为25w，扫描速度为8000mm/s，扫描间距0.15mm，铺粉厚度0.15mm，然后将混合好的go/tpu复合粉体进行sls成型，得到制件；

(3)将得到的标准试样制件放在模腔内自然冷却，待冷却完全后取出制件，经粉末喷枪对制件后处理，以去除制件表面残留粉末，得到最终标准试样成品。

实施例4

(1)将设计的一体化三维结构标准试样的stl文件利用预处理程序调整模型的尺寸、位置和方向，然后将其分切成许多厚度为0.5mm的截面；

(2)将结构导入到软件中，设定sls工艺参数，供粉缸温度为105℃，打印温度为120℃，激光功率为30w，扫描速度为9000mm/s，扫描间距0.20mm，铺粉厚度0.18mm，然后将混合好的go/tpu复合粉体进行sls成型，得到制件；

(3)将得到的标准试样制件放在模腔内自然冷却，待冷却完全后取出制件，经粉末喷枪对制件后处理，以去除制件表面残留粉末，得到最终标准试样成品。

实施例5

(1)将设计的一体化三维结构标准试样的stl文件利用预处理程序调整模型的尺寸、位置和方向，然后将其分切成许多厚度为0.5mm的截面；

(2)将结构导入到软件中，设定sls工艺参数，供粉缸温度为100℃，打印温度为135℃，激光功率为30w，扫描速度为10500mm/s，扫描间距0.12mm，铺粉厚度0.16mm，然后将混合好的go/tpu复合粉体进行sls成型，得到制件；

(3)将得到的标准试样制件放在模腔内自然冷却，待冷却完全后取出制件，经粉末喷枪对制件后处理，以去除制件表面残留粉末，得到最终标准试样成品。

实施例6

(1)将设计的一体化三维结构标准试样的stl文件利用预处理程序调整模型的尺寸、位置和方向，然后将其分切成许多厚度为0.1mm的截面；

(2)将结构导入到软件中，设定sls工艺参数，供粉缸温度为95℃，打印温度为130℃，激光功率为45w，扫描速度为7000mm/s，扫描间距0.08mm，铺粉厚度0.08mm，然后将混合好的go/tpu复合粉体进行sls成型，得到制件；

(3)将得到的标准试样制件放在模腔内自然冷却，待冷却完全后取出制件，经粉末喷枪对制件后处理，以去除制件表面残留粉末，得到最终标准试样成品。

实施例7

(1)将设计的一体化三维结构标准试样的stl文件利用预处理程序调整模型的尺寸、位置和方向，然后将其分切成许多厚度为0.1mm的截面；

(2)将结构导入到软件中，设定sls工艺参数，供粉缸温度为105℃，打印温度为145℃，激光功率为20w，扫描速度为9500mm/s，扫描间距0.15mm，铺粉厚度0.17mm，然后将混合好的go/tpu复合粉体进行sls成型，得到制件；

(3)将得到的标准试样制件放在模腔内自然冷却，待冷却完全后取出制件，经粉末喷枪对制件后处理，以去除制件表面残留粉末，得到最终标准试样成品。

实施例8

(1)将设计的一体化三维结构标准试样的stl文件利用预处理程序调整模型的尺寸、位置和方向，然后将其分切成许多厚度为0.3mm的截面；

(2)将结构导入到软件中，设定sls工艺参数，供粉缸温度为95℃，打印温度为90℃，激光功率为25w，扫描速度为9000mm/s，扫描间距0.20mm，铺粉厚度0.08mm，然后将混合好的go/tpu复合粉体进行sls成型，得到制件；

(3)将得到的标准试样制件放在模腔内自然冷却，待冷却完全后取出制件，经粉末喷枪对制件后处理，以去除制件表面残留粉末，得到最终标准试样成品。

实施例9

(1)将设计的一体化三维结构标准试样的stl文件利用预处理程序调整模型的尺寸、位置和方向，然后将其分切成许多厚度为0.4mm的截面；

(2)将结构导入到软件中，设定sls工艺参数，供粉缸温度为110℃，打印温度为150℃，激光功率为45w，扫描速度为6000mm/s，扫描间距0.10mm，铺粉厚度0.12mm，然后将混合好的go/tpu复合粉体进行sls成型，得到制件；

(3)将得到的标准试样制件放在模腔内自然冷却，待冷却完全后取出制件，经粉末喷枪对制件后处理，以去除制件表面残留粉末，得到最终标准试样成品。

实施例10

(1)将设计的一体化三维结构标准试样的stl文件利用预处理程序调整模型的尺寸、位置和方向，然后将其分切成许多厚度为0.5mm的截面；

(2)将结构导入到软件中，设定sls工艺参数，供粉缸温度为60℃，打印温度为75℃，激光功率为45w，扫描速度为6000mm/s，扫描间距0.15mm，铺粉厚度0.15mm，然后将混合好的go/tpu复合粉体进行sls成型，得到制件；

(3)将得到的标准试样制件放在模腔内自然冷却，待冷却完全后取出制件，经粉末喷枪对制件后处理，以去除制件表面残留粉末，得到最终标准试样成品。

实施例11

(1)将设计的一体化三维结构标准试样的stl文件利用预处理程序调整模型的尺寸、位置和方向，然后将其分切成许多厚度为0.1mm的截面；

(2)将结构导入到软件中，设定sls工艺参数，供粉缸温度为105℃，打印温度为105℃，激光功率为10w，扫描速度为12000mm/s，扫描间距0.20mm，铺粉厚度0.08mm，然后将混合好的go/tpu复合粉体进行sls成型，得到制件；

(3)将得到的标准试样制件放在模腔内自然冷却，待冷却完全后取出制件，经粉末喷枪对制件后处理，以去除制件表面残留粉末，得到最终标准试样成品。

效果验证

按照下述标准对由上述实施例1至11得到的耐热go/tpu复合材料标准试样进行性能测试。

按照gb/t1634-2004进行热变形温度测试。试样长度120mm，宽度15mm，厚度10mm。

按照gb/t1040.3-2006进行拉伸试验，试样总长度150mm，夹具间距离115mm，标距50mm，拉伸速度50mm/min。

按照gb/t9341-2008进行弯曲试验，试样拉伸长度80mm，宽度10mm，厚度4mm。

按照gb/t1043.1-2008进行简支梁(缺口)冲击试验。试样长度80mm，宽度10mm，厚度4mm，支撑线间距离60mm，缺口为ⅰ型缺口0.25mm。

所有样品在测试前，在25℃恒温条件下恒温24小时。测试温度为25℃。各实施例标准试样性能测试结果如表1所示。

表1各实施例标准试样性能测试结果

nb：不断裂

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。