激光烧结3D打印技术使用各种材料成分和成型原理

【编者按】利用激光烧结，由金属和热硬性材料组成的混合物生产金属工件也是可能的。当热硬性材料经激光照射时，材料会立刻转变为具有粘性的液体。

分层制造(LM)技术是快速成型(RP)、快速模具(RT)和功能终端产品(RM)的基础。很多人都不知道3D打印的各种材料成分和原理，以激光和粉末烧结技术为基础的分层制造技术(例如选择性激光烧结，I镕覆(SLS／SLM)等)在分层制造技术中占据了特殊的地位。激光成型所适用的材料，探究了这些材料在成型过程中潜在的物理特性和化学机理。研究表明，尽管SLS／SLM可以采用高分子材料、金属、陶瓷和其他复合材料进行分层制造，但是SLS／SLM技术本身存在的问题和局限导致其所适用的材料仍然十分有限。在今后的研究中仍需解决技术与其所用材料之间的矛盾，从而扩大分层制造技术的应用范围。

硅橡胶材料

在硅橡胶中存在长链结构和很少的截面链接结构。在玻璃态转变温度以下时，硅橡胶很脆；高于此温度时，它们开始富有弹性。当硅橡胶中的截面结构扩大时，其强度和硬度都会增加。与其他硅橡胶相比，具有更显著结构特性的硅橡胶是氯丁、EPDMSn天然橡胶。

聚合物混合材料

聚合物的混合提供了一种获得具有特殊结构和性能SLS成型件的新方法，这种方法有新的应用前景。聚合物的混合物有多个相态，因此混合物性能很大程度上取决于混合物的显微结构。例如，Salmoria~0用PASnHDPE~E合(混合率质量比例分别为80／2050／5O和20／80)，获得了所需的性能。根据混合物比例的不同，在不同阶段利用电子显微镜观察显微结构，用EDXSnXRD分析结构特性。

美国的一项专利资料声明，用于选择性激光烧结(SLS)的颗粒，至少包括有第一种材料构成的内核，然后第二种材料涂覆在第一种材料上(另外的部件可供选择)，同时第二种材料变软的温度要比第一种材料低接近70℃。涂层通常含有聚合物，尤其是热塑性聚合物，例如缩醛聚乙烯、聚乙烯醛酯。涂层也可能由几种低熔点的合金组成，用在保险丝上。此外，填充链长≥16的羟基酸(十七(烷)酸，熔点60～63℃)，或者在更深层意义上说，聚合物也同样适用。第二种材料比第一种材料约I1~70oC或更低，这样与至今仍在应用的各种材料相比，该材料可以允许激光烧结在一个非常低的温度下进行，因此允许被照射粒子和温室之间存在一个比较明显的温度差异。试验还表明，最高温度的区别越小，就可以将整个工件区域看成一个整体。

热硬性材料

热硬性材料可以应用在SLS)JB工过程中的各个阶段。该材料可以经济地实现实体成型，因此该种材料可以用作填充剂，用在以高分子材料为基体的具有硬度要求和网状结构的工件之中。此外该材料还用在成型过程的中间阶段，在该阶段可以比较容易地实现严格的形状和公差要求。将热塑性塑料作为填充剂的例子就是利用SLS成型法形成金属环氧树脂模型。在这个加工过程中，利用SLS成型法形成原型件的空穴模型，然后加入涂有易熔热硬性粘结剂的金属粉末。在上述阶段，粘结剂通过加热去除，金属粉末在氧化后形成一个具有很多空洞的空穴结构，该结构的收缩率很低，可以保留原型件各种相关的几何特征，空洞结构强度被加强，加入填充剂，利用环氧树脂弥补空洞。

利用激光烧结，由金属和热硬性材料组成的混合物生产金属工件也是可能的。当热硬性材料经激光照射时，材料会立刻转变为具有粘性的液体。以选择性激光烧结环氧树脂和铁的粉末混合物为例，在分子中的极性基团(例如环氧树脂基团)与树脂基团同时被极化。液体从由气孔构成的空洞中流出浸润金属颗粒。这样在不同的粒子之间就形成了一个桥梁。粘结效果主要受树脂与铁之间界面特性的控制。由于铁元素的磁性，铁质材料表面常常会吸附一些像H，O和HCl这样的一些分子，使得铁质表面附着有活性氢原子。氢原子的结合附着在树脂分子极性基上带负电的氧原子，与铁质结构表面上的活性带正电的氢原子发生反应。铁质粒子联接强度很大，主要原因是原子结合力比那些发生在铁质材料表面和其他无极性聚合物之间的分子问结合力要大。温度升高时，树脂粘性会降低，粘稠的液体可以更好地扩散。因此，会有更多的铁质材料表面附着树脂。然而，由过多激光能量诱发的树脂降解也可能会发生，从而降低联接的能力。

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