一種實現(xiàn)超高分子量聚合物激光快速成型的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光快速成型的裝置及方法，特別涉及一種實現(xiàn)超高分子量聚合物激光快速成型的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為新一代工程塑料，超高分子量聚合物具有比強度高、韌性好、耐磨損、耐腐蝕、耐低溫、耐應(yīng)力開裂、抗沖擊、抗粘附以及自潤滑等諸多優(yōu)異性能，因此在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥以及國防建設(shè)等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。然而，這類材料具有極高的分子量，以及超長、纏結(jié)的分子鏈，熔體呈高彈態(tài)，熔融指數(shù)近似為零；成型溫度范圍窄，易氧化降解；臨界剪切速率低、摩擦系數(shù)小，因此不易成型加工。
[0003]近些年，激光技術(shù)因具有精度高、速度快、周期短、無需模具等優(yōu)點，因此在材料加工領(lǐng)域中尤其是在高分子材料的快速成型中的應(yīng)用發(fā)展迅猛，但在超高分子量聚合物的成型加工中卻很少使用。為了充分借助和發(fā)揮激光成型技術(shù)的優(yōu)勢，有必要研究出適合超高分子量聚合物的激光快速成型方案。
[0004]我們通過大量研究發(fā)現(xiàn)，超高分子量聚合物的激光快速成型存在如下問題:
[0005]第一、超高分子量聚合物在成型前處于離散堆積的粉末狀態(tài)，粉末顆粒之間存在大量空隙。由于空氣是熱的不良導(dǎo)體，因此會影響成型過程中熱量的傳導(dǎo)。此外，聚合物熔融狀態(tài)下流動性極差，顆粒間的相對位置變化小，成型件內(nèi)部存在大量氣孔，致密度低，嚴重影響成型質(zhì)量。
[0006]第二、超高分子量聚合物的加工溫度范圍較窄，對激光能量密度、燒結(jié)位置溫度更為敏感。當激光能量密度較高時，燒結(jié)位置的溫度過高，使得聚合物氧化分解，發(fā)生斷鏈反應(yīng)而形成雙鍵、自由基等。分子鍵的斷裂，會導(dǎo)致成型件性能下降。同時，分子鏈與結(jié)晶度也密切相關(guān)，結(jié)晶度又會影響到制品的剛度、拉伸強度、硬度、耐熱性、抗溶性、氣密性以及耐化學(xué)腐蝕性等，有時甚至直接導(dǎo)致成型件作廢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]基于此，本發(fā)明提供了一種實現(xiàn)超高分子量聚合物激光快速成型的裝置及方法，有效實現(xiàn)了超高分子量聚合物的激光快速成型。
[0008]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:一種實現(xiàn)超高分子量聚合物激光快速成型的裝置，該裝置包括:
[0009]激光發(fā)射端，激光發(fā)射端出射用于輻照超高分子量聚合物粉末并使其熔化的激光束；
[0010]壓輥，用于對激光束燒結(jié)位置的超高分子量聚合物進行壓實；
[0011]紅外測溫儀，用于監(jiān)測所述燒結(jié)位置的溫度或溫度變化；
[0012]信號處理裝置，用于根據(jù)紅外測溫儀監(jiān)測到的溫度信號反饋工藝參數(shù)調(diào)整信號給主控制系統(tǒng)；
[0013]主控制系統(tǒng)，根據(jù)接收到的工藝參數(shù)調(diào)整信號控制激光發(fā)射端和壓輥。
[0014]進一步地，激光發(fā)射端與紅外測溫儀固定在一起，且紅外測溫儀的探測位置與激光發(fā)射端的激光輻照位置重合，從而保證二者同步移動，實現(xiàn)激光束燒結(jié)位置溫度的實時同步監(jiān)測。
[0015]激光發(fā)射端位于壓輥前進方向的前部。優(yōu)選地，激光發(fā)射端出射的激光束的邊緣與壓輥的邊沿相切。更優(yōu)選地，壓輥的圓形截面盡可能小，以縮短粉末經(jīng)激光束輻照熔化與經(jīng)壓輥壓實的時間差，實現(xiàn)實時壓實。
[0016]所述主控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的工藝參數(shù)調(diào)整信號控制激光發(fā)射端和壓輥包括根據(jù)工藝參數(shù)調(diào)整信號調(diào)整激光發(fā)射端與壓輥的工藝參數(shù)，其中，激光發(fā)射端的工藝參數(shù)包括激光發(fā)射端的移動軌跡、移動速度以及輸出激光功率，壓輥的工藝參數(shù)包括壓輥的高度和沿水平方向的移動速率。優(yōu)選地，主控制系統(tǒng)還用于預(yù)設(shè)激光發(fā)射端與壓輥的工藝參數(shù)。
[0017]所述超高分子量聚合物粉末優(yōu)選為超高分子量聚乙烯和/或超高分子量尼龍。
[0018]—種采用如前所述的裝置實現(xiàn)超高分子量聚合物激光快速成型的方法，該方法包括如下步驟:
[0019]步驟1:將超高分子量聚合物粉末預(yù)鋪在粉床上，通過主控制系統(tǒng)調(diào)整激光發(fā)射端與壓輥的位置，使二者位于粉床上方；
[0020]步驟2:在主控制系統(tǒng)中預(yù)設(shè)激光發(fā)射端和壓輥的工藝參數(shù)；
[0021]步驟3:通過主控制系統(tǒng)開啟激光發(fā)射端和壓輥，激光發(fā)射端與壓輥以各自預(yù)設(shè)的工藝參數(shù)同時移動，對超高分子量聚合物粉末進行燒結(jié)成型，并實時壓實；
[0022]步驟4:開啟紅外測溫儀與信號處理裝置，紅外測溫儀實時反饋激光束燒結(jié)位置溫度給信號處理裝置，信號處理裝置對激光束燒結(jié)位置溫度進行邏輯判斷后向主控制系統(tǒng)反饋工藝參數(shù)調(diào)整信號，主控制系統(tǒng)根據(jù)工藝參數(shù)調(diào)整信號控制激光發(fā)射端和壓輥，實現(xiàn)對激光束燒結(jié)位置溫度的實時控制；
[0023]步驟5:成型結(jié)束后，關(guān)閉裝置。
[0024]進一步地，在所述步驟I中，激光發(fā)射端與壓棍位于工作臺左側(cè)起始端的正上方，激光發(fā)射端位于壓輥前進方向的前部，其高度滿足超高分子量聚合物成型對激光離焦量的要求；壓輥位于設(shè)定高度處，能夠?qū)す馐鵁Y(jié)位置的超高分子量聚合物進行有效壓實。
[0025]在所述步驟2中，激光發(fā)射端的移動軌跡只需保證激光發(fā)射端在壓輥的移動方向上的速度分量與壓輥的移動速率相同，以實現(xiàn)壓輥對激光束燒結(jié)位置的超高分子量聚合物的同步壓實。
[0026]在所述步驟4中，主控制系統(tǒng)同時調(diào)整激光發(fā)射端和壓輥，并保證激光發(fā)射端在壓輥的移動方向上的速度分量與壓輥的移動速率實時相同，最終實現(xiàn)對激光束燒結(jié)位置溫度的實時調(diào)整、控制。
[0027]該方法不僅可以實現(xiàn)二維平面的成型，還可實現(xiàn)多個二維截面沿著高度方向逐層疊加成型，即三維成型。
[0028]本發(fā)明的有益效果:
[0029]本發(fā)明采用壓輥實現(xiàn)超高分子量聚合物的實時壓實，在粉末熔化成型過程中促使熔化粉末流動并填充間隙，避免成型件內(nèi)出現(xiàn)氣孔；同時采用溫度閉環(huán)控制模式，實時監(jiān)測燒結(jié)位置溫度，將燒結(jié)位置溫度控制在可允許的加工溫度范圍內(nèi)，防止超高分子量聚合物由于溫度過高或熱積累而導(dǎo)致氧化、分解，從而實現(xiàn)超高分子量聚合物的高質(zhì)量成型。
【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖2是激光發(fā)射端與壓輥移動軌跡示意圖。
[0032]圖3為本發(fā)明的方法流程圖。
[0033]其中，1-激光發(fā)射端，2-壓輥，3-紅外測溫儀，4-工作臺，5-主控制系統(tǒng)，6_信號處理裝置。
【具體實施方式】
[0034]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。但本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉，本發(fā)明并不局限于附圖和以下實施例。
[0035]圖1是本發(fā)明所涉及的超高分子量聚合物激光快速成型裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。該超高分子量聚合物激光快速成型的裝置包括:激光發(fā)射端1、壓輥2、紅外測溫儀3、工作臺4、主控制系統(tǒng)5、信號處理裝置6。激光發(fā)射端I出射用于輻照超高分子量聚合物粉末并使其熔化的激光束；壓輥2用于對激光束燒結(jié)位置的超高分子量聚合物進行壓實；紅外測溫儀3用于監(jiān)測激光束燒結(jié)位置的溫度或溫度變化；工作臺4承載壓輥和設(shè)置在工作臺4上的粉床，粉床也可為工作臺4的一部分；信號處理裝置6用于處理紅外測溫儀3的溫度信號，并反饋工藝參數(shù)調(diào)整信號給主控制系統(tǒng)5 ;主控制系統(tǒng)5根據(jù)接收到的溫度信號控制激光發(fā)射端和壓輥。
[0036]激光發(fā)射端I位于壓輥2前進方向的前部。優(yōu)選地，激光發(fā)射端I發(fā)射的激光束的邊緣與壓輥2的邊沿相切，但保證激光束不能輻照到壓輥2上。壓輥2的圓形截面盡可能小，以縮短粉末經(jīng)激光輻照熔化與再經(jīng)壓輥壓實的時間差，實現(xiàn)實時壓實。
[0037]激光發(fā)射端I的移動軌跡、移動速度以及輸出激光功率的大小由主控制系統(tǒng)5設(shè)定與調(diào)整；壓輥2的高度、沿水平方向的移動速率由主控制系統(tǒng)5設(shè)定與調(diào)整。
[0038]激光發(fā)射端I可與紅外測溫儀3固定在一起，且紅外測溫儀3的探測位置與激光發(fā)射端I的激光輻照位置重合，從而保證二者同步移動，實現(xiàn)激光束燒結(jié)位置溫度的實時同步監(jiān)測。
[0039]紅外測溫儀3實時測量燒結(jié)位置溫度，并將溫度數(shù)據(jù)反饋給信號處理裝置6。經(jīng)信號處理裝置6做出判斷后給出工藝調(diào)整信號，再將工藝調(diào)整信號反饋給主控制系統(tǒng)5。主控制系統(tǒng)5根據(jù)工藝調(diào)整信號完成對激光發(fā)射端1、壓輥的調(diào)整動作，確保激光束燒結(jié)位置的溫度在超高分子量聚合物的加工溫度范圍內(nèi)，并保證壓輥2對激光束燒結(jié)位置的超高分子量聚合物的同步壓實。
[0040]本發(fā)明的實現(xiàn)超高分子量聚合物激光快速成型的裝置適用于所有超高分子量聚合物。本發(fā)明中的超高分子量聚合物可以是一種超高分子量聚合物，也可以是多種超高分子量聚合物的混合。優(yōu)選地，該超高分子量聚合物為超高分子量聚乙烯或超高分子量尼龍，或者超高分子量聚乙烯和超高分子量尼龍的混合，或者高分子量聚乙烯和超高分子量尼龍分別與其他超高分子量聚合物的混合。
[0041]激