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

背景技術：
選區(qū)激光燒結(SelectiveLaserSintering，簡稱SLS，又稱為選擇性激光燒結)作為3D打印主流技術之一，最早由美國德克薩斯州大學的CarlDeckard博士在80年代中期發(fā)明并申請專利，后由DTM公司(3DSystems收購)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模型制造三維實體。該項技術的工藝參數(shù)主要有：激光功率、掃描速度和間距、預熱溫度和層厚。SLS優(yōu)勢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(如SLA、FDM等)，前期圖形處理時需要添加的支撐較少，制件加工完成后的后期處理相對簡便，所得制件的力學強度高。超高分子量聚乙烯(Ultra-HighMolecularWeightPolyethylene，簡稱UHMWPE)是一種線性熱塑性結晶高分子，分子結構與普通聚乙烯無異，但由于分子量高(粘均分子量>100萬)，其具有其他塑料無法比擬的耐沖擊性、耐磨損、耐化學腐蝕、耐低溫性、耐應力開裂、抗粘附能力、優(yōu)良絕緣性、安全衛(wèi)生及自身潤滑性等性能。由于UHMWPE具有十分優(yōu)越的物理、化學、機械性能，在各行業(yè)都受到了廣泛的應用，如作為礦業(yè)行業(yè)中的襯里材料，機械行業(yè)中的齒輪、軸瓦等。UHMWPE同樣在醫(yī)學上也獲得了大量應用，目前主要集中在關節(jié)替代材料、組織支架、輸血泵、包裝袋等醫(yī)用材料中。由于其對生物無毒性，UHMWPE已經獲得美國FDA批準用于人體生物材料。然而，UHMWPE在醫(yī)療上雖有應用，但多是采取傳統(tǒng)的模具法生產的標準件，用UHMWPE制備個性化醫(yī)療件現(xiàn)有技術中并未涉及。

技術實現(xiàn)要素：
為了彌補上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提出一種超高分子量聚乙烯的選區(qū)激光燒結成型方法。本發(fā)明的技術問題通過以下的技術方案予以解決：一種超高分子量聚乙烯的選區(qū)激光燒結成型方法，包括如下步驟：(1)將超高分子量聚乙烯粉體在選區(qū)激光燒結成型設備中加熱到預熱溫度；(2)采用預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)激光燒結成型設備中成型，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，粒徑為30～60μm。優(yōu)選地，所述步驟(1)中的所述預熱溫度是130～150℃。優(yōu)選地，所述選區(qū)激光燒結成型設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度方向與所述選區(qū)激光燒結成型設備中鋪粉輥的位移方向平行，另外兩根加熱燈管的長度方向與所述選區(qū)激光燒結成型設備中鋪粉輥的位移方向垂直；在與所述選區(qū)激光燒結成型設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有一根也與所述選區(qū)激光燒結成型設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)有技術相比，包括如下優(yōu)點：本發(fā)明提供了一種超高分子量聚乙烯的選區(qū)激光燒結成型方法，成型的超高分子量聚乙烯的成型制件力學性能、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。附圖說明圖1是本發(fā)明具體實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)域內各測量點的溫度連線。具體實施方式下面對照附圖并結合優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明作進一步說明。UHMWPE是一種結晶性高分子材料，分子量超過百萬，加工熔體流動性差，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，得到以下技術方案，在具體實施方式中，一種超高分子量聚乙烯的選區(qū)激光燒結成型方法，包括如下步驟：(1)將超高分子量聚乙烯粉體在選區(qū)激光燒結成型設備中加熱到預熱溫度；(2)采用預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)激光燒結成型設備中成型，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)選的實施例中，主要包括原材料的優(yōu)選、溫度場的均勻性、預熱溫度的確定、激光工藝參數(shù)的優(yōu)化等，也即可以采用以下技術方案中的一種或任意組合：建立激光加工過程的數(shù)學模型，計算推導出激光掃描速度ν與激光輸出功率比例α的關系，兩者呈線性關系，在步驟(2)中，預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間內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量。根據公式推導出來激光功率和掃描速度的線性關系：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，材料吸收熔融轉為液相占比高，冷卻結晶成型，致密度、力學性能和表面質量也相對較高，但結晶相多，變形收縮大；反之，能量小，材料部分熔融，冷卻結晶相少，變形收縮小，但致密度、力學性能等指標相應較低。合適的能量輸出可以使粉體成型獲得一定的致密度，同時成型件收縮也不致過大。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，此時發(fā)生固-液的轉變，流動性也越好，單層的相態(tài)也越均勻。同時，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，冷卻過程中的收縮導致應力集中的現(xiàn)象也越嚴重，而且高分子材料在過高的能量下會發(fā)生熱降解，影響成型件的表觀性能和力學性能。掃描速度是振鏡旋轉反射激光使激光行徑的速度，掃描速度反應了單位面積內接受激光輻射加工的時間，影響了粉體的能量吸收。掃描速度越大，激光加工的時間越短，反之越長。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，結構不均勻程度越高，反之亦然。因此，發(fā)明人通過理論計算和實驗驗證來尋找得到以上優(yōu)選的功率和掃描速度組合，提高力學性能的同時，也兼顧減少變形收縮，實現(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，而且流動性越好，有利于粉體床鋪粉過程中的平整度以及提高成型件密度及力學性能。若UHMWPE粉體的粒徑過大或粒徑分布不均，均易造成成型件表面粗糙，成型精度差。粒子團聚，球化度低，造成流動性差，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，粒徑為30～60μm，球形度好(球形或近似球形)的超細粉，本實施中用于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MIPELONTM牌號中的至少一種。預熱溫度是影響成型質量的重要因素之一，UHMWPE作為結晶性高分子的一種，熔點在145℃左右，在升溫過程中，材料經歷了剛性高彈態(tài)、柔性低彈態(tài)直至轉變無定形熔融態(tài)。分子鏈段在溫度升高到玻璃化溫度之上開始運動，晶體結構持續(xù)吸熱直至熔點附近完全被瓦解，此時體積變化率最大，材料發(fā)生翹曲和變形。若預熱溫度過低，UHMWPE經歷了從室溫升溫至熔點的完整過程，體積變化累積大，嚴重影響成型質量甚至無法成型。因此預熱溫度選擇在熔點附近，盡量減小體積突變對成型造成的影響。同時，預熱溫度有利于減少激光加工區(qū)域與周邊的溫差梯度，減少應力的形成和翹曲的發(fā)生。但是，預熱溫度的選擇也不能過高，溫度過高使分子鏈段產生交聯(lián)，分子量上升，粘度增大，加工過程中粉體的流動性受到很大影響，會使成型過程無法順利進行。本實施方式中，預熱溫度是通過分析UHMWPE的差示掃描量熱法(differentialscanningcalorimetry，DSC)曲線，確定在130～150℃之間，有利于溫度場的均勻性。SLS成型室的溫度場均勻性以測量點溫度的曲線的變化來衡量，由此得到實踐證實的優(yōu)化的加熱燈管組合。本例中，選區(qū)激光燒結成型設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，在一個具體的實施例中采用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度方向與選區(qū)激光燒結成型設備中鋪粉輥的位移方向平行，另外兩根加熱燈管的長度方向與所述選區(qū)激光燒結成型設備中鋪粉輥的位移方向垂直；在與選區(qū)激光燒結成型設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有一根也與所述選區(qū)激光燒結成型設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，在一個具體的實施例中采用300W)組成。溫度場的均勻性是影響成型質量的重要因素之一，若溫度場不均勻，成型件在加工過程中層與層之間、同層不同位置出現(xiàn)的溫差，易造成內應力形成和集中，導致翹曲變形，嚴重影響成型質量甚至無法成型。本實施方式中，溫度場均勻性的確定方法是采用接觸式熱電偶測量不同加熱燈管組合下的受熱場中不同位置的測量點溫度，最后畫出溫度曲線，比較各個溫度曲線的平滑度。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，測量縱向(與鋪粉輥的位移方向垂直的方向)的各個測溫點(T1～T8，每兩個相鄰的測溫點之間的間距均為43mm)的溫度，繪制成圖評估溫度場的均勻性，如圖2所示，為不同加熱燈管組合下區(qū)域內各測量點溫度連線，溫度曲線平緩代表各點溫差較小，可認為溫度場均勻性較好，以此來確定最優(yōu)的加熱燈管組合。其中，圖中的燈管組合的序號見下方表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)下各測量點連成溫度曲線最為平緩，起伏最小，即認為溫度場均勻性最好，因此，燈管組合為L1+L2+L3+L4+L5+L7時是較優(yōu)的，可以獲得更均勻的溫度場，從而減小了由于溫度場不均勻導致的成型件收縮變形問題。表1：實驗的加熱燈管組合實驗序號加熱燈管組合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UHMWPE的DSC曲線中的結晶速率較低的溫度區(qū)域，一般低于熔點，使內應力釋放，各相均勻性提高。成型件加工后，由于UHMWPE的結晶過程產生的體積變化，內部不可避免地存在殘余的應力。在玻璃化溫度和熔點附近的結晶速率最低，因此保溫溫度設定在熔點附近，可以使結晶速率保持低位，成型件各個部位均勻緩慢結晶，內應力緩慢釋放開來，由于應力造成的翹曲也會慢慢平復，內部缺陷消除，尺寸精度和力學性能都會有一定程度的提高。本發(fā)明中的UHMWPE粉體在SLS成型室均勻分布后，由預定的加熱燈管組合加熱至預熱溫度，再由激光輻照能量后升高至加工溫度，此時激光輻照區(qū)的粉體材料熔融流動，冷卻后成型。UHMWPE的SLS成型在醫(yī)療領域的應用前景遠大，尤其是醫(yī)療輔具方面，如制造醫(yī)療輔助器械、植入物、關節(jié)組織等，通過掃描和CAD手段建立患者部位的數(shù)據模型，對其中的缺陷進行修復或是設計出合理的植入物等，利用SLS制造出UHMWPE個性化零件，這些零部件可以更好的吻合患者部位的結構，減輕患者的由于磨合帶來的生理痛苦，同時加速患者的康復速度。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，形成圖像數(shù)字文件；(2)基于掃描圖像設計醫(yī)療輔具模型，切片后導入SLS設備；(3)按照上述的工藝參數(shù)設置，使用UHMWPE原材料開始加工；(4)分層打印制造，獲得與患者部位吻合的個性化醫(yī)療輔具，并進行后處理；(5)對成型件開展表面質量、成型精度以及力學性能等方面的測試；(6)將合格件應用于患者部位，評估使用效果。以上各個工藝參數(shù)可以在給的范圍內任意選擇并組合，為說明工藝參數(shù)優(yōu)化的效果，進行對比試驗。部分具體實施例和比較例(成型層的厚度設置為d＝0.2mm)的具體的參數(shù)選擇見下表2，試驗結果見表3。表2：成型工藝參數(shù)表3：SLS試驗樣品質量評估其中：致密度是指樣品的實際密度與理論密度的比值；成型收縮率是實際尺寸與設計尺寸的差值與設計尺寸的比值。從上表2和表3還可知：比較例1與實施例1相比，合適的預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分別說明當k值過低或是過高時，會導致樣品收縮變形大或力學性能差。本發(fā)明的實施例中，k值適中時，能獲得兼顧力學性能和尺寸精度的樣品。以上內容是結合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術領域的技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，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，都應當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。