激光燒結(jié)3d制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末及其制備方法
【專利摘要】激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末及其制備和激光燒結(jié)方法，本發(fā)明涉及一種用于激光燒結(jié)3D制造技術(shù)的復(fù)合粉末及其制備和使用方法。本發(fā)明解決現(xiàn)有的激光燒結(jié)用木塑復(fù)合材料和稻殼粉熱熔膠復(fù)合材料制備的燒結(jié)件強(qiáng)度低、以金屬粉或陶瓷粉制備燒結(jié)件成本高的技術(shù)問題。本發(fā)明的激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末由尼龍12粉末和石灰石粉末組成；制法：將尼龍12粉末與石灰石粉末加入到陶瓷研磨罐中研磨混合，得到石塑復(fù)合粉末。激光燒結(jié)時(shí)激光束在加工平面上掃描的方式為分區(qū)域掃描，激光功率為15～20W，激光功率低。本發(fā)明的石塑復(fù)合粉末用于激光燒結(jié)3D制造領(lǐng)域。
【專利說明】激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于激光燒結(jié)3D制造技術(shù)石塑復(fù)合粉末及其制備方法。
【背景技術(shù)】[0002]激光燒結(jié)屬于增材制造的一種方法。這種工藝也是以激光器為能量源，通過激光束使塑料、蠟、陶瓷、金屬或其復(fù)合物的粉末均勻地?zé)Y(jié)在加工平面上。在工作臺(tái)上均勻鋪上一層很薄(亞毫米級(jí))的粉未作為原料，激光束在計(jì)算機(jī)的控制下，通過掃描器以一定的速度和能量密度按分層面的二維數(shù)據(jù)掃描。經(jīng)過激光束掃描后，相應(yīng)位置的粉末就燒結(jié)成一定厚度的實(shí)體片層，未掃描的地方仍然保持松散的粉末狀。這一層掃描完畢，隨后需要對(duì)下一層進(jìn)行掃描。先根據(jù)物體截層厚度即分層層厚而降低工作臺(tái)，鋪粉滾筒再次將粉末鋪平，可以開始新一層的掃描。如此反復(fù)，直至掃描完所有層面。去掉多余粉末，并經(jīng)過打磨、烘干等適當(dāng)?shù)暮筇幚?，即可獲得零件。目前應(yīng)用此工藝時(shí)，以蠟粉末及塑料粉末作為粘合劑的原料較多，如木塑復(fù)合材料和稻殼粉熱熔膠復(fù)合材料，但是這類材料的燒結(jié)件強(qiáng)度低；而以金屬粉或陶瓷粉進(jìn)行粘接或燒結(jié)的激光燒結(jié)工藝，因?yàn)椴牧媳旧韮r(jià)格高，并且所需的激光功率聞，從而使燒結(jié)件的制備成本過聞，尚未獲得實(shí)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的激光燒結(jié)用木塑復(fù)合材料和稻殼粉熱熔膠復(fù)合材料制備的燒結(jié)件強(qiáng)度低、以金屬粉或陶瓷粉制備燒結(jié)件時(shí)成本高的技術(shù)問題，而提供激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末及其制備和激光燒結(jié)方法。
[0004]本發(fā)明的激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末由尼龍12粉末和石灰石粉末組成；其中尼龍12粉末與石灰石粉末的體積比為(3~2):1。
[0005]上述的激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末的制備方法，按以下步驟進(jìn)行:
[0006]一、石灰石粉末干燥后，用震篩機(jī)篩分，得到顆粒大小均勻的石灰石粉末；
[0007]二、按尼龍12粉末與石灰石粉末的體積比為(3~2):1量取尼龍12粉末和步驟一得到的石灰石粉末，加入到陶瓷研磨罐中，在轉(zhuǎn)速為1000~1200r/min的條件下研磨混合10~12小時(shí)，得到激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末。
[0008]本發(fā)明的制備方法中，將石灰石粉末干燥后用震篩機(jī)強(qiáng)力振動(dòng)篩選出顆粒大小均一的石灰石粉末，然后尼龍12粉末和石灰石粉末用陶瓷研磨罐高速混合，得到顏色均一、粒徑最大化分散的均質(zhì)粉末，不僅避免了粉末出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，也有助于燒結(jié)過程中石灰石顆粒被尼龍12顆粒充分包裹并均勻分布在基體中，從而提高成型件的機(jī)械性能。
[0009]利用上述的激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末進(jìn)行激光燒結(jié)的方法，包括:將激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末加入到選擇性激光燒結(jié)成型機(jī)的供粉缸中，鋪粉滾輪將石塑復(fù)合粉末均勻地鋪在加工平面上并被加熱至加工溫度，激光器發(fā)出激光，計(jì)算機(jī)控制激光器的開關(guān)及掃描器的角度，使得激光束在加工平面上根據(jù)對(duì)應(yīng)的二維片層形狀進(jìn)行掃描，激光束掃過之后，工作臺(tái)下移一個(gè)層厚，再鋪粉，激光束掃描，如此反復(fù)，得到激光燒結(jié)件；其中激光束在加工平面上掃描的方式為分區(qū)域掃描，激光功率為15~20W，掃描速度為2000mm/s，掃描間距為0.1~0.15_，粉層厚度為0.10~0.20mm，加工溫度為170~175。。。
[0010]本發(fā)明的激光燒結(jié)的方法中激光作用下，尼龍12和石灰石能吸收激光的高能量，尼龍12吸收能量產(chǎn)生熔融，石灰石吸收能量后會(huì)使石灰石晶體內(nèi)產(chǎn)生膨脹，因此在石灰石顆粒表面會(huì)產(chǎn)生裂紋，熔融的尼龍12包裹住石灰石顆粒的同時(shí)也會(huì)滲入裂紋中，凝固后，形成“釘楔”結(jié)構(gòu)，大大提高了激光燒結(jié)件的機(jī)械強(qiáng)度。本發(fā)明的激光燒結(jié)件的平均抗拉強(qiáng)度為9MPa~12MPa，是經(jīng)后處理后的木塑復(fù)合材料和稻殼粉熱熔膠復(fù)合材料燒結(jié)件的6~8倍。本發(fā)明的激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末中，石灰石粉末作為一種綠色環(huán)保的可持續(xù)型材料，具有價(jià)格低廉，易獲得，高密度，高強(qiáng)度，低體現(xiàn)能等優(yōu)點(diǎn)，不僅降低了單純使用尼龍12作為激光燒結(jié)原材料的生產(chǎn)成本，同時(shí)提高了材料的熱傳導(dǎo)性能，使在激光燒結(jié)過程中的激光功率降低，使得該技術(shù)在低碳環(huán)保和能源節(jié)約方面有了大幅提升。該石塑復(fù)合粉末具有良好的流動(dòng)性，易于鋪粉，也具有良好的可成型性，適用于激光燒結(jié)成型制造，成型件形狀精度高，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度已達(dá)到固體石灰石強(qiáng)度下限。
[0011]本發(fā)明的激光燒結(jié)的方法中激光功率低，能源消耗小，成本低，另外以采用尼龍12粉末添入石灰石粉末的復(fù)合材料作為激光燒結(jié)3D制造的生產(chǎn)原料，石塑復(fù)合材料既降低了生產(chǎn)成本，又具有低碳環(huán)保和能源節(jié)約優(yōu)勢。并且該材料在制備過程中不必對(duì)石灰石粉末進(jìn)行改性處理，在保證了成型的精度和硬度，也因簡化工藝而降低了制造成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是試驗(yàn)I制備的燒結(jié)件拉伸斷裂面的掃描電鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0013]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式的激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末由尼龍12粉末和石灰石粉末組成；其中尼龍12粉末與石灰石粉末的體積比為(3~2):1。
`[0014]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是所述的石灰石粉末的粒徑為<150μηι。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0015]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是所述的尼龍12粉末的粒徑為40~80 μ m。其它與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0016]【具體實(shí)施方式】四:【具體實(shí)施方式】一所述的激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末的制備方法，按以下步驟進(jìn)行:
[0017]一、石灰石粉末干燥后，用震篩機(jī)篩分，得到顆粒大小均勻的石灰石粉末；
[0018]二、按尼龍12粉末與石灰石粉末的體積比為(3~2):1稱取尼龍12粉末和步驟一得到的石灰石粉末，加入到陶瓷研磨罐中，在轉(zhuǎn)速為1000~1200r/min的條件下研磨混合10~12小時(shí)，得到激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末。
[0019]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】四不同的是步驟一中顆粒大小均勻的石灰石粉末的粒徑為< 150 μ m。其它與【具體實(shí)施方式】四相同。
[0020]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】五不同的是步驟一中顆粒大小均勻的石灰石粉末的粒徑為37~120 μ m。其它與【具體實(shí)施方式】五相同[0021]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】四至六之一不同的是步驟二中所述的尼龍12粉末的粒徑為40~80 μ m。其它與【具體實(shí)施方式】四至六之一相同。
[0022]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】四至七之一不同的是步驟二中陶瓷研磨罐的轉(zhuǎn)速為1100r/min，研磨混合時(shí)間為11小時(shí)。其它與【具體實(shí)施方式】四至七之一相同。
[0023]研磨過程，研磨速度及時(shí)間，使得石灰石粉末和尼龍12分布均勻，避免同種粉末聚集現(xiàn)象，從而在激光燒結(jié)過程中，石灰石粉末可以被充分包裹并均勻分布于尼龍12基體中，從而更好地保證燒結(jié)件機(jī)械性能。
[0024]【具體實(shí)施方式】九:利用【具體實(shí)施方式】一所述的激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末進(jìn)行激光燒結(jié)的方法，包括:將激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末加入到選擇性激光燒結(jié)成型機(jī)的供粉缸中，鋪粉滾輪將石塑復(fù)合粉末均勻地鋪在加工平面上并被加熱至加工溫度，激光器發(fā)出激光，計(jì)算機(jī)控制激光器的開關(guān)及掃描器的角度，使得激光束在加工平面上根據(jù)對(duì)應(yīng)的二維片層形狀掃描，激光束掃過之處，工作臺(tái)下移一個(gè)層厚，再鋪粉，激光束掃描，如此反復(fù)，得到激光燒結(jié)件；其中激光束在加工平面上掃描的方式為分區(qū)域掃描，激光功率為15~20W，掃描速度為2000mm/s，掃描間距為0.1~0.15mm,粉層厚度為0.10~
0.20_，加工溫度為170~175。。。
[0025]【具體實(shí)施方式】十:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】九不同的是:加工溫度為175°C。其他與【具體實(shí)施方式】九相同。
[0026]用以下試驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果:
[0027]試驗(yàn)1:本試驗(yàn)的激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末由尼龍12粉末和石灰石粉末組成；其中尼龍12粉末與石灰石粉末的體`積比為2:1。
[0028]上述的激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末的制備方法，按以下步驟進(jìn)行:
[0029]一、石灰石粉末在30°C的條件下干燥24小時(shí)后，用震篩機(jī)篩分，得到顆粒大小為37~80 μ m的石灰石粉末；
[0030]二、按尼龍12粉末與石灰石粉末的體積比為2:1稱取尼龍12粉末和步驟一得到的石灰石粉末，加入到陶瓷研磨罐中，在轉(zhuǎn)速為1000r/min的條件下研磨混合10~12小時(shí)，得到激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末。
[0031]本試驗(yàn)得到的激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末是顏色均一、粒徑最大化分散的均質(zhì)粉末。
[0032]利用上述的激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末進(jìn)行激光燒結(jié)的方法，具體如下:將激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末加入到選擇性激光燒結(jié)成型機(jī)的供粉缸中，鋪粉滾輪將石塑復(fù)合粉末均勻地鋪在加工平面上，激光器發(fā)出激光，計(jì)算機(jī)控制激光器的開關(guān)及掃描器的角度，使得激光束在加工平面上根據(jù)對(duì)應(yīng)的二維片層的形狀掃描，激光束掃過之后，工作臺(tái)下移一個(gè)層厚，再鋪粉，激光束掃描，如此反復(fù)，得到激光燒結(jié)件；其中激光束在加工平面上掃描的方式為分區(qū)域掃描，激光功率為20W，掃描速度為2000mm/s，掃描間距為0.15mm,粉層厚度為0.2mm。
[0033]試驗(yàn)I得到的激光燒結(jié)件通過拉伸試驗(yàn)測得其平均抗拉強(qiáng)度為9.86MPa。激光燒結(jié)件拉伸斷裂截面的掃描電鏡照片如圖1所示，從圖1可以看出石灰石粉末均勻的分布于尼灰12基體中，并被尼龍12充分包裹，空隙率極低，截面密實(shí)。[0034]本試驗(yàn)采用石塑復(fù)合粉末進(jìn)行激光燒結(jié)，得到激光燒結(jié)件，因?yàn)槭軓?fù)合粉末中石灰石的熱傳導(dǎo)速度快，使用較小的激光功率，就能達(dá)到燒結(jié)的能量要求，從而降低了成本。
[0035]同時(shí)作以下的對(duì)比試驗(yàn):
[0036]試驗(yàn)2:本試驗(yàn)是采用木粉熱熔膠復(fù)合材料進(jìn)行激光燒結(jié)，其中木粉熱熔膠復(fù)合材料是由PES熱熔膠粉末與經(jīng)堿化處理的木質(zhì)粉末的重量比為2:1混合而成的。激光燒結(jié)具體如下:將木粉熱熔膠復(fù)合材料加入到選擇性激光燒結(jié)成型機(jī)的粉箱中，鋪粉滾輪將木粉熱熔膠復(fù)合材料均勻地鋪在加工平面上，激光器發(fā)出激光，計(jì)算機(jī)控制激光器的開關(guān)及掃描器的角度，使得激光束在加工平面上根據(jù)對(duì)應(yīng)的二維片層形狀掃描，激光束掃過之后，工作臺(tái)下移一個(gè)層厚，再鋪粉，激光束掃描，如此反復(fù)，得到激光燒結(jié)件，再經(jīng)滲蠟處理，得到成品；其中激光束在加工平面上掃描的方式為分區(qū)域掃描，激光功率為50W，掃描速度為2000mm/s，掃描間距為0.15mm，粉層厚度為0.2mm。
[0037]試驗(yàn)2得到的激光燒結(jié)件成品通過拉伸試驗(yàn)測得其平均抗拉強(qiáng)度為1.21MPa。
[0038]試驗(yàn)3:本試驗(yàn)利用稻殼粉熱熔膠復(fù)合材料進(jìn)行激光燒結(jié)，其中稻殼粉熱熔膠復(fù)合材料是由PES熱熔膠粉末與稻殼粉的體積比為10:9混合而成的。激光燒結(jié)具體如下:將稻殼粉熱熔膠復(fù)合材料加入到選擇性激光燒結(jié)成型機(jī)的粉箱中，鋪粉滾輪將稻殼粉熱熔膠復(fù)合材料均勻地鋪在加工平面上，激光器發(fā)出激光，計(jì)算機(jī)控制激光器的開關(guān)及掃描器的角度，使得激光束在加工平面上根據(jù)對(duì)應(yīng)的二維片層形狀掃描，激光束掃過之后，工作臺(tái)下移一個(gè)層厚，再鋪粉，激光束掃描，如此反復(fù)，得到激光燒結(jié)件，再經(jīng)滲蠟處理得到成品；其中激光束在加工平面上掃描的方式為分區(qū)域掃描，激光功率為40W，掃描速度為2000mm/s，掃描間距為0.15臟，粉層厚度為0.2mm。 [0039]試驗(yàn)3得到的激光燒結(jié)件成品通過拉伸試驗(yàn)測得其平均抗拉強(qiáng)度為1.47MPa。
[0040]通過試驗(yàn)1、2和3的對(duì)比，可知，試驗(yàn)I得到的激光燒結(jié)件比試驗(yàn)2或3的激光燒結(jié)件成品的抗拉強(qiáng)度提高了 6~8倍。
【權(quán)利要求】
1.激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末，其特征在于該石塑復(fù)合粉末由尼龍12粉末和石灰石粉末組成；其中尼龍12粉末與石灰石粉末的體積比為(3~2):1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末，其特征在于所述的石灰石粉末的粒徑為< 150 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末，其特征在于所述的尼龍12粉末的粒徑為40~80 μ m。
4.制備權(quán)利要求1所述的激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末的方法，其特征在于該方法按以下步驟進(jìn)行: 一、石灰石粉末干燥后，用震篩機(jī)篩分，得到顆粒大小均勻的石灰石粉末； 二、按尼龍12粉末與石灰石粉末的體積比為(3~2):1稱取尼龍12粉末和步驟一得到的石灰石粉末，加入到陶瓷研磨罐中，在轉(zhuǎn)速為1000~1200r/min的條件下研磨混合10~12小時(shí)，得到激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末的制備方法，其特征在于步驟二中陶瓷研磨罐的轉(zhuǎn)速為1100r/min，研磨混合時(shí)間為11小時(shí)。
6.利用權(quán)利要求1所述的激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末進(jìn)行激光燒結(jié)的方法，包括:將激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末加入到選擇性激光燒結(jié)成型機(jī)的供粉缸中，鋪粉滾輪將石塑復(fù)合粉末均勻地鋪在加工平面上并被加熱至加工溫度，激光器發(fā)出激光，計(jì)算機(jī)控制激光器的開關(guān)及掃描器的角度，使得激光束在加工平面上根據(jù)對(duì)應(yīng)的二維片層掃描，激光束掃過之后，工作臺(tái)下移一個(gè)層厚，再鋪粉，激光束掃描，如此反復(fù)，得到激光燒結(jié)件；其特征在于其中激光束在加工平面上掃描的方式為分區(qū)域掃描，激光功率為15~20W，掃描速度為2000mm/s ，掃描間距為0.1~0.15mm，粉層厚度為0.10~0.20mm，加工溫度為170~175。。。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的利用激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末進(jìn)行激光燒結(jié)的方法，其特征在于激光功率為18W。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的利用激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末進(jìn)行激光燒結(jié)的方法，其特征在于掃描間距為0.15mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的利用激光燒結(jié)3D制造技術(shù)用石塑復(fù)合粉末進(jìn)行激光燒結(jié)的方法，其特征在于加工溫度為17 5°C。
【文檔編號(hào)】C08L77/02GK103881371SQ201410146001
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月11日
【發(fā)明者】郭艷玲, 姜?jiǎng)P譯, 布雷爾·L·大衛(wèi), 曾偉梁, 趙德金, 張慧, 王璞旋, 于志祥, 耿雷 申請人:東北林業(yè)大學(xué), 郭艷玲, 姜?jiǎng)P譯