历了刚性高弹态、柔性低弹态直至转变无定形烙融 态。分子链段在溫度升高到玻璃化溫度之上开始运动，晶体结构持续吸热直至烙点附近完 全被瓦解，此时体积变化率最大，材料发生翅曲和变形。若预热溫度过低，UHMWPE经历了从 室溫升溫至烙点的完整过程，体积变化累积大，严重影响成型质量甚至无法成型。因此预热 溫度选择在烙点附近，尽量减小体积突变对成型造成的影响。同时，预热溫度有利于减少激 光加工区域与周边的溫差梯度，减少应力的形成和翅曲的发生。但是，预热溫度的选择也不 能过高，溫度过高使分子链段产生交联，分子量上升，粘度增大，加工过程中粉体的流动性 受到很大影响，会使成型过程无法顺利进行。本实施方式中，预热溫度是通过分析UHMWPE 的差不扫描量热法（differential scanning calo;rimetry，DSC)曲线，确定在 130 ~150°C 之间，有利于溫度场的均匀性。
[0050] SLS成型室的溫度场均匀性W测量点溫度的曲线的变化来衡量，由此得到实践证 实的优化的加热灯管组合。本例中，选区激光烧结成型设备中的加热灯管采用双层布置， 如下：下层由四根加热灯管（加热灯管功率的选择依据加热速度和加热均匀性，优选额定 功率200~500W的石英红外加热灯管，在一个具体的实施例中采用500W)围成正方形组成 (如图1中的L1、L2、L3和L4所示），其中两根加热灯管的长度方向与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；在与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（如图1中的L5和L7所示）（优选额定功率200~500W的石英红外加热 灯管，在一个具体的实施例中采用300W)组成。
[0051] 溫度场的均匀性是影响成型质量的重要因素之一，若溫度场不均匀，成型件在加 工过程中层与层之间、同层不同位置出现的溫差，易造成内应力形成和集中，导致翅曲变 形，严重影响成型质量甚至无法成型。
[0052] 本实施方式中，溫度场均匀性的确定方法是采用接触式热电偶测量不同加热灯管 组合下的受热场中不同位置的测量点溫度，最后画出溫度曲线，比较各个溫度曲线的平滑 度。如图1所示，为加热灯管的分布图，在不同的加热灯管组合下，测量纵向（与铺粉漉的位 移方向垂直的方向）的各个测溫点灯1~T8,每两个相邻的测溫点之间的间距均为43mm) 的溫度，绘制成图评估溫度场的均匀性，如图2所示，为不同加热灯管组合下区域内各测量 点溫度连线，溫度曲线平缓代表各点溫差较小，可认为溫度场均匀性较好，W此来确定最优 的加热灯管组合。其中，图中的灯管组合的序号见下方表1，由图2可知，相比于其他灯管组 合，L1+L2+L3+L4+L5+L7加热灯管的组合（图2中的3#曲线）下各测量点连成溫度曲线最 为平缓，起伏最小，即认为溫度场均匀性最好，因此，灯管组合为L1+L2+L3+L4+L5+L7时是 较优的，可W获得更均匀的溫度场，从而减小了由于溫度场不均匀导致的成型件收缩变形 问题。
[0053] 表1 :实验的加热灯管组合
[0054]
[005引步骤做中的保溫溫度的选择是依据UHMWPE的DSC曲线中的结晶速率较低的溫 度区域，一般低于烙点，使内应力释放，各相均匀性提高。成型件加工后，由于UHMWPE的结 晶过程产生的体积变化，内部不可避免地存在残余的应力。在玻璃化溫度和烙点附近的结 晶速率最低，因此保溫溫度设定在烙点附近，可W使结晶速率保持低位，成型件各个部位均 匀缓慢结晶，内应力缓慢释放开来，由于应力造成的翅曲也会慢慢平复，内部缺陷消除，尺 寸精度和力学性能都会有一定程度的提高。
[0056] 本发明中的UHMWPE粉体在SLS成型室均匀分布后，由预定的加热灯管组合加热至 预热溫度，再由激光福照能量后升高至加工溫度，此时激光福照区的粉体材料烙融流动，冷 却后成型。UHMWPE的SLS成型在医疗领域的应用前景远大，尤其是医疗辅具方面，如制造医 疗辅助器械、植入物、关节组织等，通过扫描和CAD手段建立患者部位的数据模型，对其中 的缺陷进行修复或是设计出合理的植入物等，利用SLS制造出UHMWPE个性化零件，运些零 部件可W更好的吻合患者部位的结构，减轻患者的由于磨合带来的生理痛苦，同时加速患 者的康复速度。利用SLS制造UHMWPE医疗辅具的具体步骤可W包括：
[0057] (1)扫描患者身体部位的特征=维坐标，形成图像数字文件；
[0058] (2)基于扫描图像设计医疗辅具模型，切片后导入SLS设备；
[0059] (3)按照上述的工艺参数设置，使用UHMW阳原材料开始加工；
[0060] (4)分层打印制造，获得与患者部位吻合的个性化医疗辅具，并进行后处理；
[0061] (5)对成型件开展表面质量、成型精度W及力学性能等方面的测试；
[0062] (6)将合格件应用于患者部位，评估使用效果。
[0063] W上各个工艺参数可W在给的范围内任意选择并组合，为说明工艺参数优化的效 果，进行对比试验。部分具体实施例和比较例（成型层的厚度设置为d = 0.2mm)的具体的 参数选择见下表2,试验结果见表3。
[0064] 表2 :成型工艺参数 阳0化]
[0067] 表3 :SLS试验样品质量评估
[0068]
[0070] 其中：致密度是指样品的实际密度与理论密度的比值；成型收缩率是实际尺寸与 设计尺寸的差值与设计尺寸的比值。
[0071] 从上表2和表3还可知：比较例1与实施例1相比，合适的预热溫度有助于提高致 密度，减小收缩变形。比较例2和比较例3分别说明当k值过低或是过高时，会导致样品收 缩变形大或力学性能差。本发明的实施例中，k值适中时，能获得兼顾力学性能和尺寸精度 的样品。
[0072] W上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的具体实施只局限于运些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱 离本发明构思的前提下，还可W做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应 当视为属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种超高分子量聚乙烯的选区激光烧结成型方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 将超高分子量聚乙烯粉体在选区激光烧结成型设备中加热到预热温度； (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烯粉体在选区激光烧 结成型设备中成型，得到成型件； (3) 取出所述成型件，在110~130°C的温度下保温8~12h，之后冷却得到超高分子量 聚乙烯的成型制件。2. 根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯的选区激光烧结成型方法，其特征在于： 在步骤（2)中，所述预定的激光扫描速度和输出功率由以下公式确定：v = ka，其中：α表 示激光输出功率比例，〇 < 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。3. 根据权利要求2所述的超高分子量聚乙烯的选区激光烧结成型方法，其特征在于：k 由下方公式确定：其中： A T表示激光熔融加工温度与预热温度的温差； c表示超高分子量聚乙稀粉体的比热容； K表示超高分子量聚乙稀粉体的激光吸收率； Pmax表不激光器的最大功率； P表示超高分子量聚乙烯粉体的密度； D表示激光的光斑直径； s表示激光透射超高分子量聚乙烯粉体的厚度。4. 根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯的选区激光烧结成型方法，其特征在于： 所述超高分子量聚乙烯粉体的平均分子量为200~400万，粒径为30~60 μm。5. 根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯的选区激光烧结成型方法，其特征在于： 所述步骤（1)中的所述预热温度是130~150°C。6. 根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯的选区激光烧结成型方法，其特征在于： 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： 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辊的位移方向平行，另外两根加热灯管的长度方向与所述选区激光烧 结成型设备中铺粉辊的位移方向垂直； 在与所述选区激光烧结成型设备中铺粉辊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辊的位移方向平行的加热灯管。7. 根据权利要求6所述的超高分子量聚乙烯的选区激光烧结成型方法，其特征在于： 所述加热灯管的额定功率为200~500W。
【专利摘要】本发明公开了一种超高分子量聚乙烯的选区激光烧结成型方法，包括如下步骤：(1)将超高分子量聚乙烯粉体在选区激光烧结成型设备中加热到预热温度；(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烯粉体在选区激光烧结成型设备中成型，得到成型件；(3)取出所述成型件，在110～130℃的温度下保温8～12h，之后冷却得到超高分子量聚乙烯的成型制件。本发明的方法成型的超高分子量聚乙烯的成型制件的力学性能、尺寸精度均较高，变形收缩小，尤其适用于医疗辅具的制造。
【IPC分类】B28B1/00, B33Y10/00, B29C67/04
【公开号】CN105172154
【申请号】
【发明人】李子夫, 程明, 赵君杰, 侯璟崑
【申请人】北京隆源自动成型系统有限公司
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年10月23日