本發(fā)明屬于3D打印成型技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種超高分子量聚乙烯的選區(qū)激光燒結(jié)成型方法。

背景技術(shù)：
選區(qū)激光燒結(jié)(SelectiveLaserSintering，簡(jiǎn)稱SLS，又稱為選擇性激光燒結(jié))作為3D打印主流技術(shù)之一，最早由美國(guó)德克薩斯州大學(xué)的CarlDeckard博士在80年代中期發(fā)明并申請(qǐng)專利，后由DTM公司(3DSystems收購(gòu))商業(yè)化。SLS以粉體材料為原料，以激光為熱源，采用分層-疊加原理直接從CAD模型制造三維實(shí)體。該項(xiàng)技術(shù)的工藝參數(shù)主要有：激光功率、掃描速度和間距、預(yù)熱溫度和層厚。SLS優(yōu)勢(shì)在于原材料選擇廣泛，可以是高分子、陶瓷、砂等各種粉體材料。相比其他3D打印技術(shù)(如SLA、FDM等)，前期圖形處理時(shí)需要添加的支撐較少，制件加工完成后的后期處理相對(duì)簡(jiǎn)便，所得制件的力學(xué)強(qiáng)度高。超高分子量聚乙烯(Ultra-HighMolecularWeightPolyethylene，簡(jiǎn)稱UHMWPE)是一種線性熱塑性結(jié)晶高分子，分子結(jié)構(gòu)與普通聚乙烯無(wú)異，但由于分子量高(粘均分子量>100萬(wàn))，其具有其他塑料無(wú)法比擬的耐沖擊性、耐磨損、耐化學(xué)腐蝕、耐低溫性、耐應(yīng)力開(kāi)裂、抗粘附能力、優(yōu)良絕緣性、安全衛(wèi)生及自身潤(rùn)滑性等性能。由于UHMWPE具有十分優(yōu)越的物理、化學(xué)、機(jī)械性能，在各行業(yè)都受到了廣泛的應(yīng)用，如作為礦業(yè)行業(yè)中的襯里材料，機(jī)械行業(yè)中的齒輪、軸瓦等。UHMWPE同樣在醫(yī)學(xué)上也獲得了大量應(yīng)用，目前主要集中在關(guān)節(jié)替代材料、組織支架、輸血泵、包裝袋等醫(yī)用材料中。由于其對(duì)生物無(wú)毒性，UHMWPE已經(jīng)獲得美國(guó)FDA批準(zhǔn)用于人體生物材料。然而，UHMWPE在醫(yī)療上雖有應(yīng)用，但多是采取傳統(tǒng)的模具法生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件，用UHMWPE制備個(gè)性化醫(yī)療件現(xiàn)有技術(shù)中并未涉及。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了彌補(bǔ)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種超高分子量聚乙烯的選區(qū)激光燒結(jié)成型方法。本發(fā)明的技術(shù)問(wèn)題通過(guò)以下的技術(shù)方案予以解決：一種超高分子量聚乙烯的選區(qū)激光燒結(jié)成型方法，包括如下步驟：(1)將超高分子量聚乙烯粉體在選區(qū)激光燒結(jié)成型設(shè)備中加熱到預(yù)熱溫度；(2)采用預(yù)定的激光掃描速度和輸出功率使所述超高分子量聚乙烯粉體在選區(qū)激光燒結(jié)成型設(shè)備中成型，得到成型件；(3)取出所述成型件，在110～130℃的溫度下保溫8～12h，之后冷卻得到超高分子量聚乙烯的成型制件。優(yōu)選地，在步驟(2)中，所述預(yù)定的激光掃描速度和輸出功率由以下公式確定：v＝kα，其中：α表示激光輸出功率比例，0＜α≤1，α＝激光器的實(shí)際輸出功率/激光器的最大功率；ν表示激光掃描速度；k的取值范圍是2～6。優(yōu)選地，k由下方公式確定：其中：ΔT表示激光熔融加工溫度與預(yù)熱溫度的溫差；c表示超高分子量聚乙烯粉體的比熱容；K表示超高分子量聚乙烯粉體的激光吸收率；Pmax表示激光器的最大功率；ρ表示超高分子量聚乙烯粉體的密度；D表示激光的光斑直徑；s表示激光透射超高分子量聚乙烯粉體的厚度。優(yōu)選地，所述超高分子量聚乙烯粉體的平均分子量為200～400萬(wàn)，粒徑為30～60μm。優(yōu)選地，所述步驟(1)中的所述預(yù)熱溫度是130～150℃。優(yōu)選地，所述選區(qū)激光燒結(jié)成型設(shè)備中的加熱燈管采用雙層布置，如下：下層由四根加熱燈管圍成正方形組成，其中兩根加熱燈管的長(zhǎng)度方向與所述選區(qū)激光燒結(jié)成型設(shè)備中鋪粉輥的位移方向平行，另外兩根加熱燈管的長(zhǎng)度方向與所述選區(qū)激光燒結(jié)成型設(shè)備中鋪粉輥的位移方向垂直；在與所述選區(qū)激光燒結(jié)成型設(shè)備中鋪粉輥的位移方向平行的兩根加熱燈管的上方各自還另外設(shè)有一根也與所述選區(qū)激光燒結(jié)成型設(shè)備中鋪粉輥的位移方向平行的加熱燈管。優(yōu)選地，所述加熱燈管的額定功率為200～500W。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，包括如下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明提供了一種超高分子量聚乙烯的選區(qū)激光燒結(jié)成型方法，成型的超高分子量聚乙烯的成型制件力學(xué)性能、尺寸精度均較高，變形收縮小，尤其適用于醫(yī)療輔具的制造。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明具體實(shí)施方式中的加熱燈管的分布方式；圖2是圖1中的不同加熱燈管組合下區(qū)域內(nèi)各測(cè)量點(diǎn)的溫度連線。具體實(shí)施方式下面對(duì)照附圖并結(jié)合優(yōu)選的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。UHMWPE是一種結(jié)晶性高分子材料，分子量超過(guò)百萬(wàn)，加工熔體流動(dòng)性差，粘度高，成型后收縮變形較大，這些都限制了UHMWPE的SLS成型的應(yīng)用，發(fā)明人在分析了影響UHMWPE的SLS成型的眾多因素后，得到以下技術(shù)方案，在具體實(shí)施方式中，一種超高分子量聚乙烯的選區(qū)激光燒結(jié)成型方法，包括如下步驟：(1)將超高分子量聚乙烯粉體在選區(qū)激光燒結(jié)成型設(shè)備中加熱到預(yù)熱溫度；(2)采用預(yù)定的激光掃描速度和輸出功率使所述超高分子量聚乙烯粉體在選區(qū)激光燒結(jié)成型設(shè)備中成型，得到成型件；(3)取出所述成型件，在110～130℃的溫度下保溫8～12h，之后冷卻得到超高分子量聚乙烯的成型制件。在優(yōu)選的實(shí)施例中，主要包括原材料的優(yōu)選、溫度場(chǎng)的均勻性、預(yù)熱溫度的確定、激光工藝參數(shù)的優(yōu)化等，也即可以采用以下技術(shù)方案中的一種或任意組合：建立激光加工過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算推導(dǎo)出激光掃描速度ν與激光輸出功率比例α的關(guān)系，兩者呈線性關(guān)系，在步驟(2)中，預(yù)定的激光掃描速度和輸出功率由以下公式確定：v＝kα，其中：α表示激光輸出功率比例，0＜α≤1，α＝激光器的實(shí)際輸出功率/激光器的最大功率；ν表示激光掃描速度；k的取值范圍是2～6。k則可以由下方公式確定：其中：ΔT表示激光熔融加工溫度與預(yù)熱溫度的溫差；c表示超高分子量聚乙烯粉體的比熱容；K表示超高分子量聚乙烯粉體的激光吸收率；Pmax表示激光器的最大功率；ρ表示超高分子量聚乙烯粉體的密度；D表示激光的光斑直徑；s表示激光透射超高分子量聚乙烯粉體的厚度。激光功率和掃描速度反映了在單位時(shí)間內(nèi)粉體成型面上的輻射能量大小，直接決定粉體熔融程度和最終的成型質(zhì)量。根據(jù)公式推導(dǎo)出來(lái)激光功率和掃描速度的線性關(guān)系：ν＝kα，其中k的選擇范圍優(yōu)選是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，材料吸收熔融轉(zhuǎn)為液相占比高，冷卻結(jié)晶成型，致密度、力學(xué)性能和表面質(zhì)量也相對(duì)較高，但結(jié)晶相多，變形收縮大；反之，能量小，材料部分熔融，冷卻結(jié)晶相少，變形收縮小，但致密度、力學(xué)性能等指標(biāo)相應(yīng)較低。合適的能量輸出可以使粉體成型獲得一定的致密度，同時(shí)成型件收縮也不致過(guò)大。功率越大，激光輻照的能量越大，被吸收的能量熔融程度越高，此時(shí)發(fā)生固-液的轉(zhuǎn)變，流動(dòng)性也越好，單層的相態(tài)也越均勻。同時(shí)，能量越高，激光穿透粉體的厚度也越高，熔融加工使層與層之間的粘結(jié)也越好。但是，能量越高，加工區(qū)與周邊的溫差也越大，冷卻過(guò)程中的收縮導(dǎo)致應(yīng)力集中的現(xiàn)象也越嚴(yán)重，而且高分子材料在過(guò)高的能量下會(huì)發(fā)生熱降解，影響成型件的表觀性能和力學(xué)性能。掃描速度是振鏡旋轉(zhuǎn)反射激光使激光行徑的速度，掃描速度反應(yīng)了單位面積內(nèi)接受激光輻射加工的時(shí)間，影響了粉體的能量吸收。掃描速度越大，激光加工的時(shí)間越短，反之越長(zhǎng)。在同樣的輸出功率下，掃描速度越大，粉體接受的輻照能量越少，晶體吸熱熔融的部分越少，結(jié)構(gòu)不均勻程度越高，反之亦然。因此，發(fā)明人通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)尋找得到以上優(yōu)選的功率和掃描速度組合，提高力學(xué)性能的同時(shí)，也兼顧減少變形收縮，實(shí)現(xiàn)最佳的成型效果。UHMWPE粉體的粒徑越小，成型件的成型精度就越好，粗糙度小，表面光澤度高，有利于提高成型質(zhì)量。粒子顆粒球化度越高，粉體材料的堆積密度越高，而且流動(dòng)性越好，有利于粉體床鋪粉過(guò)程中的平整度以及提高成型件密度及力學(xué)性能。若UHMWPE粉體的粒徑過(guò)大或粒徑分布不均，均易造成成型件表面粗糙，成型精度差。粒子團(tuán)聚，球化度低，造成流動(dòng)性差，加工困難。若UHMWPE粉體的分子量太高，粘度增大，加工困難；分子量太低，力學(xué)性能差，容易發(fā)生翹曲變形。因此，優(yōu)選出UHMWPE粉體選擇平均分子量為200～400萬(wàn)，粒徑為30～60μm，球形度好(球形或近似球形)的超細(xì)粉，本實(shí)施中用于SLS成型的UHMWPE可以選擇自制，也可以選擇市售TICONA公司GURTM和三井化學(xué)MIPELONTM牌號(hào)中的至少一種。預(yù)熱溫度是影響成型質(zhì)量的重要因素之一，UHMWPE作為結(jié)晶性高分子的一種，熔點(diǎn)在145℃左右，在升溫過(guò)程中，材料經(jīng)歷了剛性高彈態(tài)、柔性低彈態(tài)直至轉(zhuǎn)變無(wú)定形熔融態(tài)。分子鏈段在溫度升高到玻璃化溫度之上開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，晶體結(jié)構(gòu)持續(xù)吸熱直至熔點(diǎn)附近完全被瓦解，此時(shí)體積變化率最大，材料發(fā)生翹曲和變形。若預(yù)熱溫度過(guò)低，UHMWPE經(jīng)歷了從室溫升溫至熔點(diǎn)的完整過(guò)程，體積變化累積大，嚴(yán)重影響成型質(zhì)量甚至無(wú)法成型。因此預(yù)熱溫度選擇在熔點(diǎn)附近，盡量減小體積突變對(duì)成型造成的影響。同時(shí)，預(yù)熱溫度有利于減少激光加工區(qū)域與周邊的溫差梯度，減少應(yīng)力的形成和翹曲的發(fā)生。但是，預(yù)熱溫度的選擇也不能過(guò)高，溫度過(guò)高使分子鏈段產(chǎn)生交聯(lián)，分子量上升，粘度增大，加工過(guò)程中粉體的流動(dòng)性受到很大影響，會(huì)使成型過(guò)程無(wú)法順利進(jìn)行。本實(shí)施方式中，預(yù)熱溫度是通過(guò)分析UHMWPE的差示掃描量熱法(differentialscanningcalorimetry，DSC)曲線，確定在130～150℃之間，有利于溫度場(chǎng)的均勻性。SLS成型室的溫度場(chǎng)均勻性以測(cè)量點(diǎn)溫度的曲線的變化來(lái)衡量，由此得到實(shí)踐證實(shí)的優(yōu)化的加熱燈管組合。本例中，選區(qū)激光燒結(jié)成型設(shè)備中的加熱燈管采用雙層布置，如下：下層由四根加熱燈管(加熱燈管功率的選擇依據(jù)加熱速度和加熱均勻性，優(yōu)選額定功率200～500W的石英紅外加熱燈管，在一個(gè)具體的實(shí)施例中采用500W)圍成正方形組成(如圖1中的L1、L2、L3和L4所示)，其中兩根加熱燈管的長(zhǎng)度方向與選區(qū)激光燒結(jié)成型設(shè)備中鋪粉輥的位移方向平行，另外兩根加熱燈管的長(zhǎng)度方向與所述選區(qū)激光燒結(jié)成型設(shè)備中鋪粉輥的位移方向垂直；在與選區(qū)激光燒結(jié)成型設(shè)備中鋪粉輥的位移方向平行的兩根加熱燈管的上方各自還另外設(shè)有一根也與所述選區(qū)激光燒結(jié)成型設(shè)備中鋪粉輥的位移方向平行的加熱燈管(如圖1中的L5和L7所示)(優(yōu)選額定功率200～500W的石英紅外加熱燈管，在一個(gè)具體的實(shí)施例中采用300W)組成。溫度場(chǎng)的均勻性是影響成型質(zhì)量的重要因素之一，若溫度場(chǎng)不均勻，成型件在加工過(guò)程中層與層之間、同層不同位置出現(xiàn)的溫差，易造成內(nèi)應(yīng)力形成和集中，導(dǎo)致翹曲變形，嚴(yán)重影響成型質(zhì)量甚至無(wú)法成型。本實(shí)施方式中，溫度場(chǎng)均勻性的確定方法是采用接觸式熱電偶測(cè)量不同加熱燈管組合下的受熱場(chǎng)中不同位置的測(cè)量點(diǎn)溫度，最后畫(huà)出溫度曲線，比較各個(gè)溫度曲線的平滑度。如圖1所示，為加熱燈管的分布圖，在不同的加熱燈管組合下，測(cè)量縱向(與鋪粉輥的位移方向垂直的方向)的各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)(T1～T8，每?jī)蓚€(gè)相鄰的測(cè)溫點(diǎn)之間的間距均為43mm)的溫度，繪制成圖評(píng)估溫度場(chǎng)的均勻性，如圖2所示，為不同加熱燈管組合下區(qū)域內(nèi)各測(cè)量點(diǎn)溫度連線，溫度曲線平緩代表各點(diǎn)溫差較小，可認(rèn)為溫度場(chǎng)均勻性較好，以此來(lái)確定最優(yōu)的加熱燈管組合。其中，圖中的燈管組合的序號(hào)見(jiàn)下方表1，由圖2可知，相比于其他燈管組合，L1+L2+L3+L4+L5+L7加熱燈管的組合(圖2中的3#曲線)下各測(cè)量點(diǎn)連成溫度曲線最為平緩，起伏最小，即認(rèn)為溫度場(chǎng)均勻性最好，因此，燈管組合為L(zhǎng)1+L2+L3+L4+L5+L7時(shí)是較優(yōu)的，可以獲得更均勻的溫度場(chǎng)，從而減小了由于溫度場(chǎng)不均勻?qū)е碌某尚图湛s變形問(wèn)題。表1：實(shí)驗(yàn)的加熱燈管組合實(shí)驗(yàn)序號(hào)加熱燈管組合1#L1+L2+L3+L4+L52#L1+L2+L3+L4+L5+L63#L1+L2+L3+L4+L5+L74#L1+L2+L3+L4+L6+L75#L1+L2+L3+L4+L6+L86#L1+L2+L3+L4+L5+L6+L77#L1+L2+L3+L4+L5+L6+L7+L8步驟(3)中的保溫溫度的選擇是依據(jù)UHMWPE的DSC曲線中的結(jié)晶速率較低的溫度區(qū)域，一般低于熔點(diǎn)，使內(nèi)應(yīng)力釋放，各相均勻性提高。成型件加工后，由于UHMWPE的結(jié)晶過(guò)程產(chǎn)生的體積變化，內(nèi)部不可避免地存在殘余的應(yīng)力。在玻璃化溫度和熔點(diǎn)附近的結(jié)晶速率最低，因此保溫溫度設(shè)定在熔點(diǎn)附近，可以使結(jié)晶速率保持低位，成型件各個(gè)部位均勻緩慢結(jié)晶，內(nèi)應(yīng)力緩慢釋放開(kāi)來(lái)，由于應(yīng)力造成的翹曲也會(huì)慢慢平復(fù)，內(nèi)部缺陷消除，尺寸精度和力學(xué)性能都會(huì)有一定程度的提高。本發(fā)明中的UHMWPE粉體在SLS成型室均勻分布后，由預(yù)定的加熱燈管組合加熱至預(yù)熱溫度，再由激光輻照能量后升高至加工溫度，此時(shí)激光輻照區(qū)的粉體材料熔融流動(dòng)，冷卻后成型。UHMWPE的SLS成型在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景遠(yuǎn)大，尤其是醫(yī)療輔具方面，如制造醫(yī)療輔助器械、植入物、關(guān)節(jié)組織等，通過(guò)掃描和CAD手段建立患者部位的數(shù)據(jù)模型，對(duì)其中的缺陷進(jìn)行修復(fù)或是設(shè)計(jì)出合理的植入物等，利用SLS制造出UHMWPE個(gè)性化零件，這些零部件可以更好的吻合患者部位的結(jié)構(gòu)，減輕患者的由于磨合帶來(lái)的生理痛苦，同時(shí)加速患者的康復(fù)速度。利用SLS制造UHMWPE醫(yī)療輔具的具體步驟可以包括：(1)掃描患者身體部位的特征三維坐標(biāo)，形成圖像數(shù)字文件；(2)基于掃描圖像設(shè)計(jì)醫(yī)療輔具模型，切片后導(dǎo)入SLS設(shè)備；(3)按照上述的工藝參數(shù)設(shè)置，使用UHMWPE原材料開(kāi)始加工；(4)分層打印制造，獲得與患者部位吻合的個(gè)性化醫(yī)療輔具，并進(jìn)行后處理；(5)對(duì)成型件開(kāi)展表面質(zhì)量、成型精度以及力學(xué)性能等方面的測(cè)試；(6)將合格件應(yīng)用于患者部位，評(píng)估使用效果。以上各個(gè)工藝參數(shù)可以在給的范圍內(nèi)任意選擇并組合，為說(shuō)明工藝參數(shù)優(yōu)化的效果，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。部分具體實(shí)施例和比較例(成型層的厚度設(shè)置為d＝0.2mm)的具體的參數(shù)選擇見(jiàn)下表2，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。表2：成型工藝參數(shù)表3：SLS試驗(yàn)樣品質(zhì)量評(píng)估其中：致密度是指樣品的實(shí)際密度與理論密度的比值；成型收縮率是實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)尺寸的差值與設(shè)計(jì)尺寸的比值。從上表2和表3還可知：比較例1與實(shí)施例1相比，合適的預(yù)熱溫度有助于提高致密度，減小收縮變形。比較例2和比較例3分別說(shuō)明當(dāng)k值過(guò)低或是過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致樣品收縮變形大或力學(xué)性能差。本發(fā)明的實(shí)施例中，k值適中時(shí)，能獲得兼顧力學(xué)性能和尺寸精度的樣品。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干等同替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。