一种实现温度控制的高分子材料的3D打印方法技术

本发明专利技术提供一种可以实现温度控制的高分子材料的3D打印方法，该打印方法由打印设备来执行，其中设备包括一个工作台(3)，工作台(3)包括能在高度方向上往复运动的建造台(5)和其上铺洒待打印的高分子材料所形成的粉床(4)；一个激光加工头(1)，其用于向高分子材料释放射线从而使材料发生熔化；一台主控制系统(6)，其中存储关于三维产品相继分层的横截面的信息；一个用于监测粉床(4)上表面温度分布的红外温度探测器(2)以及接收并处理探测器中的温度信号的信号处理装置(7)，信号处理装置(7)连接到主控制系统(6)。使用该方法实现了对高分子材料3D打印的温度控制，解决了由于高分子材料导热系数低、热积累多而引起的温度变化与材料分解问题，获得了高质量的高分子材料3D打印成型工件。

【技术实现步骤摘要】
一种实现温度控制的高分子材料的3D打印方法
本专利技术涉及一种高分子材料的3D打印方法，特别涉及一种可以实现温度控制的高分子材料的3D打印方法。
技术介绍
3D打印是一种新兴的成型技术，其核心是将所需成型工件的复杂3D形体通过切片处理转化为简单的2D截面的组合，依据工件的计算机辅助设计模型，通过3D打印设备，沿着高度方向逐层沉积材料，形成工件的一系列2D截面薄片，并使片层与片层之间相互粘接，最终堆积成三维工件。目前，3D打印技术主要包括光固化成型、熔融沉积成型、分层实体加工、三维印刷、选择性激光烧结等。本专利技术中，主要针对选择性激光烧结的3D打印技术。选择性激光烧结是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年专利技术的，其是利用粉末状材料进行成型的工艺。将材料粉末铺洒在已成型零件的上表面并刮平，用激光在刚铺的新粉末层上扫描出零件截面，材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到新的零件截面，并与下面已成型的部件粘接。当一层截面烧结完成后，再铺上新的一层材料粉末，继续有选择地烧结。当整个工件成型完成后，去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理得到最终的工件。这种3D打印工艺无需加支撑，没有烧结的粉末对成型工件起到了支撑作用，同时其应用材料广泛。在本专利技术中，以高分子材料作为选择性激光烧结3D打印中所使用的粉末材料。采用高分子材料的原因在于其具有良好的热塑性与易加工性，所得到的成型工件具有较高质量与良好性能。但是在选择性激光烧结3D打印过程中，由于高分子材料导热系数较低，热能在成型工件上不断积累，从而使工件温度升高。同时由于高分子材料分解温度较低，且与其熔化温度相差不大。当加工位置的温度高于高分子材料的分解温度时，高分子材料会由于过热而发生分解，直接影响成型及工件质量。为此，在高分子材料的选择性激光烧结3D打印过程中，对加工位置温度的控制极为重要。
技术实现思路
本专利技术使用高分子材料进行3D打印，提供了一种可以实现温度控制的高分子材料的3D打印方法。在选择性激光烧结过程中，采取了先预热后成型的方法，并对预热及加工成型位置进行实时的温度控制，通过这种方式解决由于高分子材料导热系数低、热积累多而引起的温度变化与材料分解问题，为获得良好的高分子材料3D成型提供了一个有效的方法。本专利技术的目的在于提供一种实现温度控制的高分子材料的3D打印方法。在高分子材料的3D打印中，由于高分子材料导热系数较低，热能在成型工件上不断积累，从而使工件温度升高。而高分子材料分解温度较低，且与其熔化温度相差不大。当加工位置的温度高于高分子材料的分解温度时，高分子材料会由于过热而发生分解，直接影响成型及工件质量。本专利技术有效解决了上述问题，可以获得高质量的高分子材料3D打印成型工件。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案:一种实现温度控制的高分子材料的3D打印方法，该打印方法由打印设备来执行，其中设备包括一个工作台，工作台包括能在高度方向上往复运动的建造台和其上铺洒待打印的高分子材料的粉床；一个激光加工头，其用于向高分子材料释放射线从而使材料发生熔化；一台主控制系统，其中存储关于三维产品相继分层的横截面的信息；一个用于监测粉床上表面温度分布的红外温度探测器以及接收并处理探测器的温度信号的信号处理装置，信号处理装置连接到主控制系统；其中上述方法包括如下步骤:步骤1:将所需成型工件的3D形体通过计算机切片处理转化为2D截面的组合，得到沿高度方向逐层扫描的运动轨迹，并载入所述主控制系统；步骤2:在建造台上铺洒材料粉末，使建造台上的粉床具有一定的厚度，刮平粉床上表面，并使粉床上表面与工作台上表面重合；步骤3:通过主控制系统调整激光加工头位置，使激光加工头与粉床上表面待加工位置的距离满足成型过程对离焦量的要求；步骤4:调整红外温度探测器的位置，使其探测目标指向粉床上表面待加工位置；步骤5:通过主控制系统分别设定预热过程中与成型过程中的初始激光输出功率以及激光加工头沿运动轨迹的扫描速度；步骤6:对待加工层材料粉末进行预热处理，通过主控制系统先后开启激光加工头与红外温度探测器，使激光加工头沿设定的运动轨迹进行扫描，进行对应高度的2D截面的粉末预热工作；步骤7:红外温度探测器实时探测预热位置温度，将温度数值反馈给信号处理装置；信号处理装置通过比较温度数值与所设温度上下限，将结果实时反馈给主控制系统来调整激光加工头的激光输出功率或扫描速度，保证预热位置温度在设定温度范围内；步骤8:完成预热工作后，通过主控制系统先后关闭红外温度探测器与激光加工头，并将激光加工头迅速移至起始位置，准备进行成型工作；步骤9:进行对应高度的2D截面的粉末成型工作，通过主控制系统先后开启激光加工头与红外温度探测器，使激光加工头沿设定的运动轨迹进行扫描，进行对应高度的2D截面的激光成型工作；步骤10:红外温度探测器实时探测加工位置温度，将温度数值反馈给信号处理装置；信号处理装置通过比较温度数值与所设温度上下限，将结果实时反馈给主控制系统来调整激光加工头的激光输出功率或扫描速度，保证加工位置温度在设定温度范围内；步骤11:完成对相应高度的2D截面的成型工作，通过主控制系统先后关闭红外温度探测器与激光加工头；步骤12:降低建造台高度，粉床位置随之下降，在粉床上铺洒材料粉末，使新得到的粉床的上表面与工作台的上表面重新重合；步骤13:重复步骤6?12，直至工件整体成型完成；步骤14:取出工件，去掉多余的粉末，进行打磨、烘干处理，得到最终的成型工件。优选地，其中成型所使用的材料粉末为高分子材料粉末，包括:尼龙6(PA6)、尼龙12(PA12)、尼龙66(PA66)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯醚(PPO)、聚乳酸(PLA)、聚醚醚酮(PEEK)，但不限于以上粉末。优选地，其中所使用的红外温度探测器与激光加工头固定在一起，实现同步运动，保证红外温度探测器的探测位置与激光加工头的预热或加工位置实时重合，实现实时温度探测。优选地，其中所使用的激光加工头输出的激光为连续激光。优选地，在预热过程中所设定的用来与激光预热位置实时温度进行比较的温度上下限在高分子材料熔化温度的30%?90%的范围内；其中在成型过程中所设定的用来与激光加工位置温度数值进行实时比较的温度上下限在高分子材料熔化温度与分解温度之间。优选地，其中在比较激光加工位置实时温度数值与所设温度上下限时，当实时温度数值在温度上下限范围内，信号处理装置反馈给主控制系统，对加工工艺参数不作调整；当实时温度数值超过温度上限时，信号处理装置反馈给主控制系统，降低激光输出功率或加快扫描速度；当实时温度数值低于温度下限时，信号处理装置反馈给主控制系统，提高激光输出功率或减慢扫描速度。优选地，在比较激光预热或加工位置实时温度数值与所设温度上下限后，根据成型要求，不仅可以对激光输出功率进行调整，亦可对扫描速度进行调整，或者两者同时进行调整。优选地，其中将所需成型工件的3D形体通过计算机切片处理进行转化，得到的2D截面的组合的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实现温度控制的高分子材料的3D打印方法，该打印方法由打印设备来执行，其中设备包括一个工作台(3)，工作台(3)包括能在高度方向上往复运动的建造台(5)和其上铺洒待打印的高分子材料的粉床(4)；一个激光加工头(1)，其用于向高分子材料释放射线从而使材料发生熔化；一台主控制系统(6)，其中存储关于三维产品相继分层的横截面的信息；一个用于监测粉床上表面温度分布的红外温度探测器(2)以及接收并处理探测器中的温度信号的信号处理装置(7)，信号处理装置连接到主控制系统(6)；其中上述方法包括如下步骤：步骤1：将所需成型工件的3D形体通过计算机切片处理转化为2D截面的组合，得到沿高度方向逐层扫描的运动轨迹，并载入所述主控制系统(6)；步骤2：在建造台(5)上铺洒材料粉末，使建造台(5)上的粉床(4)具有一定的厚度，刮平粉床(4)上表面，并使粉床(4)上表面与工作台(3)上表面重合；步骤3：通过主控制系统(6)调整激光加工头(1)位置，使激光加工头(1)与粉床(4)上表面待加工位置的距离满足成型过程对离焦量的要求；步骤4：调整红外温度探测器(2)的位置，使其探测目标指向粉床(4)上表面待加工位置；步骤5：通过主控制系统(6)分别设定预热过程中与成型过程中的初始激光输出功率以及激光加工头(1)沿运动轨迹的扫描速度；步骤6：对待加工层材料粉末进行预热处理，通过主控制系统(6)先后开启激光加工头(1)与红外温度探测器(2)，使激光加工头(1)沿设定的运动轨迹进行扫描，进行对应高度的2D截面的粉末预热工作；步骤7：红外温度探测器(2)实时探测预热位置温度，将温度数值反馈给信号处理装置(7)；信号处理装置(7)通过比较温度数值与所设温度上下限，将结果实时反馈给主控制系统(6)来调整激光加工头(1)的激光输出功率或扫描速度，保证预热位置温度在设定温度范围内；步骤8：完成预热工作后，通过主控制系统(6)先后关闭红外温度探测器(2)与激光加工头(1)，并将激光加工头(1)迅速移至起始位置，准备进行成型工作；步骤9：进行对应高度的2D截面的粉末成型工作，通过主控制系统(6)先后开启激光加工头(1)与红外温度探测器(2)，使激光加工头(1)沿设定的运动轨迹进行扫描，进行对应高度的2D截面的激光成型工作；步骤10：红外温度探测器(2)实时探测加工位置温度，将温度数值反馈给信号处理装置(7)；信号处理装置(7)通过比较温度数值与所设温度上下限，将结果实时反馈给主控制系统(6)来调整激光加工头(1)的激光输出功率或扫描速度，保证加工位置温度在设定温度范围内；步骤11：完成对相应高度的2D截面的成型工作，通过主控制系统(6)先后关闭红外温度探测器(2)与激光加工头(1)；步骤12：降低建造台(5)高度，粉床(4)位置随之下降，在粉床(4)上铺洒材料粉末，使新得到的粉床(4)的上表面与工作台(3)的上表面重新重合；步骤13：重复步骤6～12，直至工件整体成型完成；步骤14：取出工件，去掉多余的粉末，进行打磨、烘干处理，得到最终的成型工件。...

【技术特征摘要】
1.一种实现温度控制的高分子材料的3D打印方法，该打印方法由打印设备来执行，其中设备包括一个工作台(3)，工作台(3)包括能在高度方向上往复运动的建造台(5)和其上铺洒待打印的高分子材料的粉床(4);一个激光加工头(1)，其用于向高分子材料释放射线从而使材料发生熔化；一台主控制系统(6)，其中存储关于三维产品相继分层的横截面的信息；一个用于监测粉床上表面温度分布的红外温度探测器(2)以及接收并处理探测器中的温度信号的信号处理装置(7)，信号处理装置连接到主控制系统(6);其中上述方法包括如下步骤: 步骤1:将所需成型工件的3D形体通过计算机切片处理转化为2D截面的组合，得到沿高度方向逐层扫描的运动轨迹，并载入所述主控制系统(6)； 步骤2:在建造台(5)上铺洒材料粉末，使建造台(5)上的粉床(4)具有一定的厚度，刮平粉床(4)上表面，并使粉床(4)上表面与工作台(3)上表面重合； 步骤3:通过主控制系统(6)调整激光加工头(1)位置，使激光加工头(1)与粉床(4)上表面待加工位置的距离满足成型过程对离焦量的要求； 步骤4:调整红外温度探测器(2)的位置，使其探测目标指向粉床(4)上表面待加工位置； 步骤5:通过主控制系统(6)分别设定预热过程中与成型过程中的初始激光输出功率以及激光加工头(1)沿运动轨迹的扫描速度； 步骤6:对待加工层材料粉末进行预热处理，通过主控制系统(6)先后开启激光加工头(1)与红外温度探测器(2)，使激光加工头(1)沿设定的运动轨迹进行扫描，进行对应高度的2D截面的粉末预热工作； 步骤7:红外温度探测器(2)实时探测预热位置温度，将温度数值反馈给信号处理装置(7);信号处理装置(7)通过比较温度数值与所设温度上下限，将结果实时反馈给主控制系统(6)来调整激光加工头(1)的激光输出功率或扫描速度，保证预热位置温度在设定温度范围内； 步骤8:完成预热工作后，通过主控制系统(6)先后关闭红外温度探测器(2)与激光加工头(1)，并将激光加工头(1)迅速移至起始位置，准备进行成型工作； 步骤9:进行对应高度的2D截面的粉末成型工作，通过主控制系统(6)先后开启激光加工头(1)与红外温度探测器(2)，使激光加工头(1)沿设定的运动轨迹进行扫描，进行对应高度的2D截面的激光成型工作； 步骤10:红外温度探测器(2)实时探测加工位置温度，将温度数值反馈给信号处理装置(7);信号处理装置(7)通过比较温度数值与所设温度上下限，将结果实时反馈给主控制系统(6)来调整激光加工头(1)的激光输出功率或扫描速度，保证加工位置温度在设定温度范围内； 步骤11:完成对相应高度的2D截面的成型工作，通过主控制系统(6)先后关闭红外温度探测器(2)与激光加工头(1)； 步骤12:降低建造台(5)高度，粉床(4)位置随之下降，在粉床(4)上铺洒材料粉末，使新得到的粉床(4)的上表面与工作台(3)的上表面重新重合； 步骤13:重复步骤6~12，直至工件整体成型完成； 步骤14:取出...

【专利技术属性】
技术研发人员：林学春，高文焱，张志研，赵树森，于海娟，符文鑫，马永梅，孙文华，徐坚，董金勇，李春成，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11