一种超高分子量聚乙烯的选区激光烧结成型方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于3D打印成型技术领域，特别是设及一种超高分子量聚乙締的选区激 光烧结成型方法。
【背景技术】
[0002] 选区激光烧结（Selective Laser Sintering,简称化S，又称为选择性激光烧结） 作为3D打印主流技术之一，最早由美国德克萨斯州大学的Carl Deckard博±在80年代中 期发明并申请专利，后由DTM公司（3D Systems收购）商业化。SLSW粉体材料为原料，W 激光为热源，采用分层-叠加原理直接从CAD模型制造=维实体。该项技术的工艺参数主 要有：激光功率、扫描速度和间距、预热溫度和层厚。SLS优势在于原材料选择广泛，可W是 高分子、陶瓷、砂等各种粉体材料。相比其他3D打印技术（如SLA、抑M等），前期图形处理 时需要添加的支撑较少，制件加工完成后的后期处理相对简便，所得制件的力学强度高。
[0003] 超高分子量聚乙締 〇Jltra-Hi曲 Molecular Wei曲t Polyeth}dene，简称UHMW阳） 是一种线性热塑性结晶高分子，分子结构与普通聚乙締无异，但由于分子量高（粘均分子 量>100万），其具有其他塑料无法比拟的耐冲击性、耐磨损、耐化学腐蚀、耐低溫性、耐应力 开裂、抗粘附能力、优良绝缘性、安全卫生及自身润滑性等性能。由于UHMW阳具有十分优越 的物理、化学、机械性能，在各行业都受到了广泛的应用，如作为矿业行业中的衬里材料，机 械行业中的齿轮、轴瓦等。UHMWPE同样在医学上也获得了大量应用，目前主要集中在关节替 代材料、组织支架、输血累、包装袋等医用材料中。由于其对生物无毒性，UHMWPE已经获得 美国FDA批准用于人体生物材料。
[0004] 然而，UHMWPE在医疗上虽有应用，但多是采取传统的模具法生产的标准件，用 UHMWPE制备个性化医疗件现有技术中并未设及。
【发明内容】
[0005] 为了弥补上述现有技术的不足，本发明提出一种超高分子量聚乙締的选区激光烧 结成型方法。
[0006] 本发明的技术问题通过W下的技术方案予W解决：
[0007] 一种超高分子量聚乙締的选区激光烧结成型方法，包括如下步骤：
[0008] (1)将超高分子量聚乙締粉体在选区激光烧结成型设备中加热到预热溫度；
[0009] (2)采用预定的激光扫描速度和输出功率使所述超高分子量聚乙締粉体在选区激 光烧结成型设备中成型，得到成型件；
[0010] (3)取出所述成型件，在110~130°C的溫度下保溫8~12h，之后冷却得到超高分 子量聚乙締的成型制件。
[0011] 优选地，在步骤（2)中，所述预定的激光扫描速度和输出功率由W下公式确定：V =ka，其中：a表示激光输出功率比例，0 <a《1，a=激光器的实际输出功率/激光 器的最大功率；V表示激光扫描速度；k的取值范围是2~6。 阳〇1引优选地，k由下方公式确定：
[0013]
[0014] 其中：
[0015] A T表示激光烙融加工溫度与预热溫度的溫差； 阳016] C表示超高分子量聚乙締粉体的比热容；
[0017] K表示超高分子量聚乙締粉体的激光吸收率； 阳01引 Pmgx表示激光器的最大功率；
[0019] P表示超高分子量聚乙締粉体的密度；
[0020] D表示激光的光斑直径；
[0021] S表示激光透射超高分子量聚乙締粉体的厚度。
[0022] 优选地，所述超高分子量聚乙締粉体的平均分子量为200~400万，粒径为30~ 60 U m〇
[0023] 优选地，所述步骤（1)中的所述预热溫度是130~150°C。
[0024] 优选地，所述选区激光烧结成型设备中的加热灯管采用双层布置，如下：
[0025] 下层由四根加热灯管围成正方形组成，其中两根加热灯管的长度方向与所述选区 激光烧结成型设备中铺粉漉的位移方向平行，另外两根加热灯管的长度方向与所述选区激 光烧结成型设备中铺粉漉的位移方向垂直；
[0026] 在与所述选区激光烧结成型设备中铺粉漉的位移方向平行的两根加热灯管的上 方各自还另外设有一根也与所述选区激光烧结成型设备中铺粉漉的位移方向平行的加热 灯管。
[0027] 优选地，所述加热灯管的额定功率为200~500W。
[0028] 本发明与现有技术相比，包括如下优点：本发明提供了一种超高分子量聚乙締的 选区激光烧结成型方法，成型的超高分子量聚乙締的成型制件力学性能、尺寸精度均较高， 变形收缩小，尤其适用于医疗辅具的制造。
【附图说明】
[0029] 图1是本发明【具体实施方式】中的加热灯管的分布方式；
[0030] 图2是图1中的不同加热灯管组合下区域内各测量点的溫度连线。
【具体实施方式】
[0031] 下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。 阳03引 UHMWPE是一种结晶性高分子材料，分子量超过百万，加工烙体流动性差，粘度 高，成型后收缩变形较大，运些都限制了 UHMWPE的SLS成型的应用，发明人在分析了影响 UHMWPE的SLS成型的众多因素后，得到W下技术方案，在【具体实施方式】中，一种超高分子量 聚乙締的选区激光烧结成型方法，包括如下步骤：
[0033] (1)将超高分子量聚乙締粉体在选区激光烧结成型设备中加热到预热溫度；
[0034] (2)采用预定的激光扫描速度和输出功率使所述超高分子量聚乙締粉体在选区激 光烧结成型设备中成型，得到成型件；
[0035] (3)取出所述成型件，在110~130°C的溫度下保溫8~12h，之后冷却得到超高分 子量聚乙締的成型制件。
[0036] 在优选的实施例中，主要包括原材料的优选、溫度场的均匀性、预热溫度的确定、 激光工艺参数的优化等，也即可W采用W下技术方案中的一种或任意组合：
[0037] 建立激光加工过程的数学模型，计算推导出激光扫描速度V与激光输出功率比 例a的关系，两者呈线性关系，在步骤（2)中，预定的激光扫描速度和输出功率由W下公式 确定：V=ka，其中：a表示激光输出功率比例，0 <a《1，a=激光器的实际输出功率 /激光器的最大功率；V表示激光扫描速度；k的取值范围是2~6。k则可W由下方公式 确定：
[0038]
[0039] 其中：
[0040] AT表示激光烙融加工溫度与预热溫度的溫差；
[0041] C表示超高分子量聚乙締粉体的比热容；
[0042]K表示超高分子量聚乙締粉体的激光吸收率；
[0043]Pmax表示激光器的最大功率； 阳044] P表示超高分子量聚乙締粉体的密度；
[0045]D表示激光的光斑直径；
[0046] S表示激光透射超高分子量聚乙締粉体的厚度。
[0047] 激光功率和扫描速度反映了在单位时间内粉体成型面上的福射能量大小，直接决 定粉体烙融程度和最终的成型质量。根据公式推导出来激光功率和扫描速度的线性关系： V=ka，其中k的选择范围优选是2~6。k值表示的是材料接受激光能量的大小，k值 越小，能量越高，材料吸收烙融转为液相占比高，冷却结晶成型，致密度、力学性能和表面质 量也相对较高，但结晶相多，变形收缩大；反之，能量小，材料部分烙融，冷却结晶相少，变形 收缩小，但致密度、力学性能等指标相应较低。合适的能量输出可W使粉体成型获得一定的 致密度，同时成型件收缩也不致过大。功率越大，激光福照的能量越大，被吸收的能量烙融 程度越高，此时发生固-液的转变，流动性也越好，单层的相态也越均匀。同时，能量越高， 激光穿透粉体的厚度也越高，烙融加工使层与层之间的粘结也越好。但是，能量越高，加工 区与周边的溫差也越大，冷却过程中的收缩导致应力集中的现象也越严重，而且高分子材 料在过高的能量下会发生热降解，影响成型件的表观性能和力学性能。扫描速度是振镜旋 转反射激光使激光行径的速度，扫描速度反应了单位面积内接受激光福射加工的时间，影 响了粉体的能量吸收。扫描速度越大，激光加工的时间越短，反之越长。在同样的输出功率 下，扫描速度越大，粉体接受的福照能量越少，晶体吸热烙融的部分越少，结构不均匀程度 越高，反之亦然。因此，发明人通过理论计算和实验验证来寻找得到W上优选的功率和扫描 速度组合，提高力学性能的同时，也兼顾减少变形收缩，实现最佳的成型效果。
[0048]UHMWPE粉体的粒径越小，成型件的成型精度就越好，粗糖度小，表面光泽度高，有 利于提高成型质量。粒子颗粒球化度越高，粉体材料的堆积密度越高，而且流动性越好，有 利于粉体床铺粉过程中的平整度W及提高成型件密度及力学性能。若UHMWPE粉体的粒径 过大或粒径分布不均，均易造成成型件表面粗糖，成型精度差。粒子团聚，球化度低，造成流 动性差，加工困难。若UHMWPE粉体的分子量太高，粘度增大，加工困难；分子量太低，力学性 能差，容易发生翅曲变形。因此，优选出UHMWPE粉体选择平均分子量为200~400万，粒径 为30~60 y m，球形度好（球形或近似球形）的超细粉，本实施中用于SLS成型的UHMWPE 可W选择自制，也可W选择市售TICONA公司GUR?和S井化学MIP化ON ?牌号中的至少一 种。
[0049] 预热溫度是影响成型质量的重要因素之一，UHMWPE作为结晶性高分子的一种，烙 点在145°C左右，在升溫过程中，材料经