用于快速原型的粉末及其制造方法技术

本发明专利技术涉及用于根据分层制造法制造空间的结构或成型体的粉末，及其经济的制造方法。该粉末的特征在于，一方面提供优良的流动性，同时用该粉末在快速原型法中制得的成型体具有显著提高的机械性能和／或热性能。根据一个特别有利的具体实施方案，该粉末含有以由基体材料形成的基本上呈球形的粉末颗粒的形式存在的第一部分以及至少一种以优选嵌入基体材料中的增强和／或加强型纤维的形式存在的其他部分。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
一般而言，本专利技术涉及空间的，尤其是空间复合的结构或成型体的制造方法，其是利用分层制造法实施的，例如已知的“基于粉末生产的快速原型法”或“自由实体造型法(SFF)”。这些基于粉末生产的快速原型法例如是已知的3D激光烧结、3D激光熔融或3D印刷。具体而言，本专利技术涉及用于这些方法的粉末，以及用于经济地制造该粉末的方法。
技术介绍
目前已知的用于制造复合结构的成型体的通常由计算机控制添加的自动方法以由粉末状材料进行浇注的方式加以实施，对该粉末状材料以逐层的方式在特定的位置或区域上进行加热，从而发生熔化过程或烧结过程。通常使用优选由程序控制的激光束或在使用金属粉末材料时的高能电子束进行加热。从那时起，开发了用于该技术的不同的粉末，在此方面例如参考塑料粉末领域中的文献DE 101 22 492 A1、EP 0 968 080 B1、WO 03/106146A1或DE 197 47 309 A1，或金属粉末领域中的WO 02/11928 A1。因此，可以高过程稳定性毫无问题地实施该浇注过程，所需粉末颗粒的特征在于具有在涂覆粉末层时的特别优良的“流动特性”，这是通过尽可能地以具有尽可能光滑的表面的球形的方式形成该粉末颗粒而得以保证的。目前，该材料特别是聚酰胺，尤其是更高度交联的聚酰胺，例如上述方法中使用的PA11或PA12。然而，如此制成的成型体的应用范围受该粉末材料的限制。因此，已经以不同的方式尝试改性粉末及提高成型体的机械性能。在一个实施例中，将玻璃小球或铝碎片混入热塑性粉末。虽然利用玻璃小球可获得良好的流动性，但机械性能可达到的改进是有限的。虽然可使材料增强(增强E模量)，但无法使抗拉强度明显提高，而且可达到的改进必须付出使材料变脆的代价。在使用铝碎片时，这一问题更加明显。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于，通过选择性烧结或熔化粉末状材料而改进用于制造成型体的方法，从而在保持机器的基本设计概念的情况下，可制得具有明显提高的机械性能的成型体。该目的是通过根据本专利技术的新型粉末以及用于制造此类粉末的方法而加以实现的。根据本专利技术的第一方面，基本上呈圆形的粉末颗粒由芳族聚醚酮，尤其是聚芳基醚酮(PEEK)塑料形成，其具有下式的氧基-1，4-亚苯基-氧基-1，4-亚苯基-羰基-1，4-亚苯基重复单元 该直链型芳族聚合物可以商品名“PEEK”由Victrex公司购得，其通常为半结晶的，其特征在于，在各种情况下其物理性能明显优于目前在SLS方法中使用的材料。不仅机械性能，如抗拉强度及E模量在许多方面优于传统的PA粉末。而且该材料的热稳定性优良，从而使由该材料根据SLS方法制得的结构部件甚至可用于目前即使纤维增强型塑料也无法满足要求的领域。本专利技术的专利技术人发现，该材料可根据合适的方法，尤其是通过本专利技术方法被加工成光滑且呈球形的粉末颗粒，从而保证该粉末具有足够优良的流动性，因而可以尽可能最大的精度涂覆各个层。在此情况下，由以下想法补充性地得出了本专利技术，优选在所谓的“恒温”激光烧结过程中加工所谓的PEEK粉末，该过程中粉末浇注物的表面保持在相对较高的PEEK粉末熔点以下几度的温度下，而其余的粉末浇注物也被加热，但该温度至少低于粉末浇注物表面的温度。根据本专利技术的第二方面，提供了一种粉末，其含有由基体材料形成的基本上呈球形的粉末颗粒形式的第一部分，以及增强和/或加强型纤维形式的至少另一部分。在此情况下，基体材料可为塑料或金属。通过试验确定，若纤维的体积分数-取决于纤维长度分布-仍然受限制，例如最多25％，优选最多15％，特别优选最多10％，则很好地控制粉末的流动性。试验结果表明，利用PA12作为基体材料已获得10体积％的纤维含量(碳纤维)，3倍的硬度，并使抗拉强度提高50％。为了进一步提高机械性能，增大纤维含量。根据本专利技术的制造方法，制造具有更高的纤维体积分数的粉末，从而使纤维嵌入基体材料中，甚至优选地基本上完全被基体材料包围。以此方式，保持该粉末的作用基本上不受纤维材料体积分数的影响。利用PA12作为基体材料并以30％的碳纤维体积分数，可使抗拉强度提高300％，并使E模量提高9倍。若使用热塑性塑料作为基体材料，则可达到比非增强型材料显著提高的机械性能，若使用碎片代替纤维，则只要其尺寸使得能够优选完全地嵌入粉末颗粒中。该方面明确地包括在本专利技术的范围内。若由塑料材料形成基体材料，则该纤维优选选自以下组中碳纤维和/或玻璃纤维。基本上可以所有目前的加工品质制造该粉末，其中粉末颗粒的平均直径d50在20至150微米，优选40至70微米的范围内。粒径分布宽度应尽可能窄，从而不会严重损害流动性。然而该基体材料也可由金属材料形成。根据本专利技术，具有嵌入的纤维的粉末颗粒的制造方法基本上不变。金属基体材料优选与选自陶瓷纤维及硼纤维的纤维相结合。在此情况下，球形粉末颗粒的平均粒径d50优选为10至100微米，优选为10至80微米。d50值是指粒径的一种度量，50％的粉末颗粒低于该数值，而50％的粉末颗粒高于该数值。选择纤维长度分布，使在熔体喷雾法或喷雾干燥法中产生的颗粒的表面上突出的纤维的百分率尽可能更低。这例如可通过使纤维的平均长度L50最大对应于球形粉末颗粒的平均粒径d50的数值而实现。本专利技术还涉及用于制造粉末，尤其是根据本专利技术的粉末的第一种有利的方法。利用该方法可取决于可改变的过程参数制成基本上呈球形的粉末颗粒，其虽然由许多更小的颗粒组成，但具有充分呈球形且光滑的表面，从而可以毫无问题地用于快速原型法中。该方法同样可有利地在存在增强或加强型纤维形式的第二相的情况下实施。可以考虑所有允许微粉末颗粒及任选的增强相均匀分布的液体作为悬浮液的液相。在选择液体时的另一个相关的方面是迅速并且无残留地蒸发或挥发的特性。在该方法中，基体材料优选地选自热塑性塑料，所用的微粉末的平均粒径d50为3至10微米，优选为5微米，而任选的纤维的平均长度L50优选为20至150微米，更优选为40至70微米。L50值是指一种长度，50％的纤维超过该数值，而50％的纤维低于该数值。对于金属基体材料，本专利技术给出了有利的颗粒尺寸。本专利技术还涉及用于制造根据本专利技术的粉末的一种选择性的方法。该方法主要对热塑性材料感兴趣，但基本上也可使用金属材料。对于热塑性材料而言，冷却步骤是必不可少的，而使该材料变脆，从而可进行研磨。利用液氮实施冷却是有利的。本专利技术还提供了该方法的其他有利的制造方法的其他改变是所谓的“金属造粒”或熔体喷雾，它们同样可用于金属材料及热塑性材料。例如可利用溶剂将基体材料，如热塑性塑料，送入液相中。例如可通过在气态聚集状态中输送溶剂而实施液滴的固化。这例如可通过蒸发或挥发作用发生。在此情况下，液滴释放的蒸发能可用于促进固化作用。可充分地加热填充物。用于调节预期粒径分布的重要工艺参数是液相或熔体的温度；液相或熔体的粘度及表面张力；喷嘴直径；气流的速度、体积流量、压力及温度。在熔体喷雾法中，优选在热气流中对熔体实施喷雾造粒。由可用本专利技术方法制成的根据本专利技术的粉末，根据分层制造法(基于粉末生产的快速原型法)，例如根据SLS(选择性激光烧结)技术或激光熔体技术制成的结构部件或模制件的应用领域显著拓宽。因此，本专利技术首先提出了此类分层制造法，其合适地用于制造具有位于其内部的、优选本文档来自技高网...

【技术保护点】
粉末，其用于根据分层制造法（基于粉末生产的快速原型法），例如根据ＳＬＳ（选择性激光烧结）技术或激光熔体技术，制造空间的结构或成型体，该粉末至少含有以基本上呈球形的粉末颗粒（１８）的形式存在的、由芳族聚醚酮，尤其是聚芳基醚酮（ＰＥＥＫ）塑料形成的第一基体部分，该塑料具有下式的氧基－１，４－亚苯基－氧基－１，４－亚苯基－羰基－１，４－亚苯基重复单元：　　　　＊＊＊。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得黑塞，蒂尔曼保罗，理查德韦斯，
申请(专利权)人：丰田赛车有限公司，EOS有限公司电光学系统，
类型：发明
国别省市：DE[德国]