[发明专利]激光制造聚酰胺三维物体的方法和装置

说明书

本发明描述一种激光制造聚酰胺三维物体的方法，包括：将一层制造材料铺送在底板或者已经选择性熔合的层上，形成新的材料层；激光器发射激光，激光被引导选择性照射新的材料层上的熔合区域，所述熔合区域为待制造的三维物体在该层相对应的横截面部位，其中激光由波长为400‑1080nm的激光器产生，制造材料是聚酰胺粉末材料与热介质材料的混合物，热介质材料吸收激光能量并传导给聚酰胺粉末，使激光照射区域的制造材料实现熔合。根据本发明的方法能制造精度更高的聚酰胺三维物体。

技术领域

本发明涉及利用激光烧结技术制备聚酰胺三维物体的方法和装置。

背景技术

利用激光选择性地烧结熔合多个粉末层是制造三维物体的一种方法，该方法允许不使用工具加工而只需根据待生产物体的三维图像通过激光烧结粉末的多个重叠层，来获得三维实体。该方法主要使用热塑性聚合物来完成。专利US6136948和WO9606881对这种使用粉末状聚合物制造三维物体的方法进行了详细的描述。

聚酰胺是激光烧结技术来制造三维物体的主要原材料，现有技术中采用与聚酰胺材料相匹配的激光器是CO₂激光器，波长为10600nm，对应中红外区波段，聚酰胺粉末材料对该范围的波长吸收率较高，被CO₂激光照射到的聚酰胺粉末在短时间内吸收激光能量熔化，随后又迅速冷却连接在一起，通过这种逐点逐层的烧结最终熔合成三维物体。

三维零件的制造精度与激光光斑大小有关，光斑越小制造精度越高，激光光斑的大小与其波长及激光器模数成正比。在制造聚酰胺三维零件时，对于具有更为精细的特征结构，使用CO₂激光烧结往往难以达到预期的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能制造精度更高的聚酰胺三维物体的方法和装置。

已知的选区激光熔化技术是利用激光选择性地熔合金属粉末来制造金属三维物体，常用的与金属粉末相匹配的激光器为光纤激光器或半导体激光器，如使用Nd：YAG固态激光器，波长1064nm。根据焦斑直径计算公式：

其中，M²为激光器模式参数，λ为波长，f为透镜焦距，D为输入光束在透镜处的直径（在1/e²处）。

在激光器模式参数、透镜焦距和光束在透镜处的直径一定的情况下，考虑到Nd：YAG激光波长约为CO₂激光的1/10，因此Nd：YAG激光焦斑在相同条件下获得约为CO₂激光焦斑的1/10，具有制备更为精细的三维结构的能力，因此同等条件下，通过光纤激光选择性熔合制造的金属三维物体一般比通过CO₂激光制造的聚酰胺三维物体精度更高。然而，如果利用光纤激光器来制备聚酰胺三维零件以提高制造精度，则存在这样的问题：聚酰胺粉末材料对于光纤激光波长吸收率相对较低，无法满足熔合制造要求。

令人意外的是，如果通过把对Nd：YAG激光器产生的激光吸收率高的“热介质”与聚酰胺粉末混合，利用Nd：YAG激光对设定区域实施照射时，混合物中的热介质有效的吸收激光能量并传递给需要熔合的聚酰胺粉末，尽管聚酰胺粉末本身对于光纤激光吸收率不高，但混合粉末中的热介质能匹配的吸收激光能量从而使被照射区域实现熔合，这样就可以使用波长为1064nm的Nd：YAG激光器来制备聚酰胺三维物体，实现了使用更小聚焦光斑的激光实现聚酰胺三维物体的制造，提高了制造精度。

因此本发明提供了一种激光制造聚酰胺三维物体的方法，包括如下步骤：

(1)将一层制造材料铺送在底板或者已经选择性熔合的层上，形成新的材料层，

(2)激光器发射激光，激光被引导选择性照射新的材料层上的熔合区域，所述熔合区域为待制造的三维物体在该层相对应的横截面部位，