[发明专利]一种高性能聚合物及其复合材料低压3D打印方法与装置

说明书

一种高性能聚合物及其复合材低压3D打印的方法与装置，装置包括控制柜和低压成形腔室，控制柜包括控制面板和真空泵，控制面板包括低压成形腔室气压控制、温度控制、打印头温度控制、加热平台温度控制以及运动控制，真空泵从低压成形腔室抽取空气；低压成形腔室包括进气阀、传感器、辐射加热灯管、加热平台，加热平台具有多孔特征，搭配喷砂PEI薄膜使用；方法先通过控制面板设置低压成形腔室目标压力值后，真空泵抽取低压成形腔室内空气形成真空环境；使用控制面板设置所需的低压成形腔室温度、打印头温度等，在低压成形腔室内完成3D打印成形过程；本发明实现高层间结合强度、高结晶度、翘曲变形小的高性能聚合物及其复合材料3D制件的制造。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种高性能聚合物及其复合材低压3D打印的方法与装置。

背景技术

高性能聚合物如PE、PPS、PEI、PEKK、PAEK、PEEK等及其纤维增强复合材料具有熔融温度高、熔融黏度大、且成形过程伴随着结晶现象等典型特征，导致其3D打印工艺难度高，对成形设备要求严苛，成形过程中面临层间结合性能差、翘曲变形严重、聚合物结晶度难以控制的问题。

为改善层间结合性能差的问题，提出了物理与化学改性两种方式。其中物理方法常采用红外、激光等各种预热装置在打印时对上一层已堆积的聚合物重新进行原位预热，以缩小层与层之间的温度差异，增加层间结合强度，但该方法因预热时间有限，对加热功率需求巨大，激光加热器等一般属于局部加热，加热过程中也会造成严重的局部温度分布差异，无法有效避免层间应力的产生等问题；而化学改性的方式目前对层间结合强度的增加十分有限，且大部分仍处于科学研究阶段，还无法实现大规模工业应用；

为解决翘曲变形严重的问题，提出了一种控性冷沉积3D打印工艺，主要在成形过程中采用强制对流等方式将从喷嘴出口挤出的高温聚合物熔体瞬间冷却，该方式即可以降低层间温度梯度避免层间内应力产生，也可以阻止聚合物发生结晶现象降低结晶内应力，从而减小制件翘曲变形的产生，但采用此种方式会大大降低制件的结晶度，其力学性能往往无法满足航空航天等领域的应用需求，一般只能应用在医疗健康等领域，为此又提出了针对该工艺的热处理技术，在3D打印结束后对材料进行回火、退火等后处理，使制件重新发生结晶，但结晶程度一般比较有限，对制件的收缩变形也无法进行控制，同时加工成本也大幅度提升；

为提升3D打印高性能热塑性聚合物及其复合材料的结晶度，目前采用最多的是高温3D打印方式，为3D打印装置添加高温环境腔，通过环境温度对3D打印样件进行强制加热，使得聚合物始终保持在高温状态，既能够降低制件层与层温度梯度，提升层间结合性能，又能够降低层间内应力的产生，同时长时间的高温状态又可以保证聚合物分子充分排列获得高的结晶度，因此，高温3D打印是一种综合的技术手段，对于改进高性能聚合物面临的诸多问题都具有比较良好的效果，此时对于环境腔的温度要求一般都比较高，理想环境腔温度应在聚合物玻璃化转变温度以上、熔融温度以下，对于成形装备提出了非常严苛的要求，需具备良好的保温系统，且装备功耗非常大，但大部分热量最终都是散发到空气中造成能源浪费，该方式对设备耐久性、工艺可控性等方面都提出了比较高的挑战。

综上，目前3D打印高性能热塑性聚合物及其复合材料在成形过程中制件处于高温状态时间短，层间结合与结晶过程不充分，且本身温度梯度较大，存在较大内应力，而现有方式难以有效解决以上成形工艺缺点。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高性能聚合物及其复合材低压3D打印的方法与装置，实现高层间结合强度、高结晶度、翘曲变形小的高性能聚合物及其复合材料3D制件的制造。

为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种高性能聚合物及其复合材料低压3D打印装置，包括控制柜1和低压成形腔室4，控制柜1和低压成形腔室4通过控制总线12电气连接；