选择性激光烧结的应用研究

作者：Dominik Rietzel    来源：Ringer

欢迎访问e展厅 展厅 5 三维打印机展厅 三维打印机, 快速成型机, 3D打印材料/光固化材料, 快速成型制造软件, ... 像选择性激光烧结（Selective Laser Sinterin, SLS）这样的补充性加工方法，允许直接通过CAD数据分层建立三维部件。与传统的成型方法比如注塑成型相比，这种免工具的方法几乎提供了无限的几何自由度。多亏了新的技术发展，这项技术已超越既定的原型技术的应用领域，现在它能够适用于一小部分的功能件制造。通过这种方法，新的产品能够以较低的经济风险被单独生产出来，这大大减少了产品推向市场的时间。 尽管有很多不同的补充性加工方法，但是它们却受到与材料相关的一些因素的阻碍而无法在生产应用中获得突破。只要特殊的要求被加在部件及其性能上，加工方法往往必须“妥协”。然而，为了生产出机械应力好的原型制品，选择性激光烧结是能够令人满意的。为了从这种加工技术中获得最大好处，有必要扩大可用材料的范围。该技术的潜力大大超过单纯的原型制造技术。 选择性激光烧结的一个先决条件是，材料必须能够以细微粉末的形式获得。迄今为止，半结晶PA12主要被用于机械应力大的部件的生产。尽管像聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）等热塑性材料能够以粉末形式获得，但结果是生产得到的产品是具有很差机械性能的多孔部件。这些材料通常被用于精密铸造中的失模芯生产。此外，热塑性弹性体则在有限范围内应用。 在德国Erlangen-Nuremberg大学的聚合物技术研究所（Lehrstuhl f r Kunststofftechnik, LKT）所进行的研究工作中，焦点集中于消除这些与材料有关的种种限制。由于加工过程对材料提出了一系列的要求，因此材料特性对新材料的顺利加工起到了决定性的作用。在塑料加工过程中，通常这些材料的性能必须能准确地适合于选择性激光烧结的要求。这一要求只能通过工厂和生产过程进行针对材料的修改才能满足。 对塑料粉末和热量限制的要求 激光烧结部件的特性，如密度、表面结构、细节程度，以及轮廓精度，通过加工参数与材料之间的相互作用而确定。研究表明，粉末颗粒的几何形态影响了部件的表面粗糙度。类似地，粉末的熔融行为和倾泻性，以及其应用决定了部件密度。PA12粉末颗粒的尺寸分布与几何形态对烧结部件的孔隙度影响很大，因为这很大程度地受到粉末层堆积密度的影响。结果，越高的粉末层堆密度导致烧结部件的强度、密度以及尺寸精度的提高。市售的激光烧结粉末由60m左右、尺寸分布均匀的球形粒子组成（图1）。 使用的塑料必须对热分解特别稳定，因为它们必须在接近结晶的温度下保持几个小时。在生产的最后阶段，未熔融但已经热老化的粉末与部件分离。理想情况是，在堆集构建过程的最后阶段之后，粉末不会结块，这样，在最后的分离阶段，粉末就能通过重力的方法很简单地与部件分开。 除了材料的应用，成品部件的特性还受构建过程温度的精确控制所影响。对于半结晶和无定形热塑性塑料的温度是不同的。无定形塑料在较宽的温度范围内软化，而半结晶塑料的熔点范围则狭窄得多，而且，其黏度曲线在超过结晶熔融温度后下降的幅度更大。在此，决定性因素是熔融粒子形成了凝聚层，这就是为什么熔融黏度应该尽可能低。 理想的构建过程是达到准等温激光烧结的模范状态。那么激光仅提供超越相变所需要的额外能量。因此，周围层的温度增加应该尽可能地低。准等温过程控制中，熔体和粉末能够出现共存，这样也可以说，构建过程出现在一个两相共存的状态。 这个发现引出另一个与材料相关的先决条件：塑料再结晶温度应该大大低于结晶熔融温度。示差扫描量热法（DSC）使两个温度之间的差异被表示出来（图2）。这是激光烧结加工窗口的一大特点：如果温度超过上方的温度限制，粉末的熔化将无法控制；如果温度低于下方限制，那么之前生成的聚合物熔体开始结晶，并且部件会缩小（由于内应力而变形，“翘曲”）。只有当构建过程完成之后，粉末及部件才能以最低的温度梯度逐渐冷却，结果得到低应力和更好尺寸精度的部件。构建过程中的翘曲会导致粉末层不规则，这将危害构建过程。 激光引起的相变 二氧化碳激光器主要用于成型加工，因为许多塑料在其波长范围内表现出了很高的吸收度。根据朗伯-比尔定律定律，红外范围内的吸收率能够直接通过消光法确定。得到的结果是相对值，它们很大程度上受温度、颗粒的几何形态以及测试方法的影响。根据测量，每一层完全熔接所需的能量能够被计算出来。 对三种不同材料进行的研究显示，它们在吸收特性方面表现出非常不同的行为（图3）。聚甲醛吸收最多的激光量，而聚乙烯仅吸收了一小部分能量。这样，可以得到很多针对材料的工艺参数。在这两种系统之间定位得到市售的激光烧结粉末PA2200（制造商：德国EOS GmbH），它具有中等的吸收度。因此，几何、流变和热力学影响之间的相互作用都与构建过程相关。除了加工窗和吸收率，基本的过程模型必须也包括经过系统研究确定的参数。 聚甲醛粉末的激光烧结 不是所有塑料都可以通过直接聚合获得球形粒子。因此，通过与Neue Materialien Frth GmbH合作，评估了获得粒状粉末的不同方法。关于过程控制和可重复性，低温破碎法相比于其他可选择的方法，如熔融喷浆，表现出了非常大的优势，即使生产的粒子并不是球状的（图1）。第一个研究通过不同的颗粒状半结晶热塑性塑料进行，这些材料来自德国的BASF、Evonik、Essen、Basell Polyolefine公司，以及瑞士的Ems-Chemie公司。这项研究的目的是为了获得直径低于100m、具有高产量的颗粒。破碎法的一个坏处是机械链受冲击粉碎而产生显著的聚合物降解。这也会在低温下发生。 对于许多应用领域，聚甲醛是一种有趣的材料，因为它表现了很好的机械特性，对人体生理无危害，并且具有很好的耐化学性。在对预处理聚甲醛粉末进行试验之前，上述提到的与加工过程相关的特性已经被确定并检查。根据DSC和红外法测量，可以估计激光烧结所需的加工温度和能量密度。烧结成型一种拉伸杆，以之作为对机械特性使用拉伸测试（DIN EN ISO 527），以及对层的粘结和形态的微观评价的样例。与注塑成型部件相比，通过一种补充性加工方法生产的部件通常表现了较低的强度和较高的脆性。产生这种情况的原因在于常压烧结过程中，这导致了部件的多孔性。 在烧结过程中，由于熔体温度在结晶温度上方保持一段时间，随后缓慢冷却至室温，因此，能够达到高结晶水平（CPOM最大~ 85%）和产品的高强度，借此，断裂伸长率降低（图4）。在一个比较长的时间内，分子链的运动被确保，这样可以培养高晶体结构。在偏振光中拉伸杆切片的显微镜图像中，POM显示了比PA 2200更少的层次和更明显有序的球粒状超晶格（图5）。若干层连续的结晶结构确定了准等温条件至少是暂时存在的。 可以在POM拉伸杆检测的上边界地区看到横晶区域，这通常在相边界处产生。部件的上表面是这样一个相边界，因为粉末层在构建完成之后的冷却阶段还在增加。如果过程不稳定，那么来源不同的横晶面也会在部件内部产生。POM部件激光烧结的一个突出特点是，它们均匀且性质相同的外表面。此前，如此高的表面质量对于激光烧结而言并不典型，常压下的激光烧结过程通常得到的是带有裂缝的粗糙表面。 在选择性激光烧结中使用POM表明，经济地从具有再生性能的颗粒生产塑料粉末是可能的。由于材料具有很好的耐化学性，尺寸精度高，吸水率低，以及由此得到的激光烧结部件的力学性能，这些加工过程将大大扩展到更宽广的产品范围。这种新的激光烧结的潜在应用领域有汽车制造、家用产品和医疗技术。 目前的研究工作主要集中在优化粒子的几何形态，以及通过球形填料和增强材料改性粉末的组成成分。通过改性，增强了粉末的倾泻性和密度，也增强了部件功能性。(作者：Dominik Rietzel, Ernst Schmachtenberg ET AL. )(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (6/18/2010)