低温研磨机的工作原理是在极端寒冷下使聚合物变脆，然后再将其粉碎。 该设备不是试图通过机械剪切软质或橡胶状塑料颗粒（这会产生热量并导致结块），而是使用液氮冷冻材料。通过将温度降至聚合物的脆性转变点以下，该机器将坚韧的颗粒转化为玻璃状固体，然后可以将其粉碎成增材制造所需的细微米级粉末。
低温研磨机的核心目的是克服聚合物固有的粘弹性。通过化学“冷冻”分子结构，它允许高能冲击破碎那些在室温下会变形或熔化的材料，从而能够为选择性激光烧结 (SLS) 制造专用粉末。
研磨聚合物的物理挑战
室温下的问题
在环境温度下，大多数聚合物表现出粘弹性行为。它们同时具有粘性（流动性）和弹性（弹簧性）的特性。
能量吸收与断裂
当尝试研磨粘弹性材料时，它会吸收研磨机的机械能。材料不会断裂，而是会变形、拉伸或升温，通常会熔化成无用的团块。
低温研磨的机制
液氮による熱衝撃
核心机制涉及将聚合物颗粒浸入或喷洒液氮。这种低温剂充当散热器，快速从材料中提取热能。
达到脆性转变
目标是将聚合物冷却到其脆性转变温度（通常与玻璃化转变温度相关）以下。在此特定热阈值以下，聚合物链失去流动性，材料变得坚硬。
高能冲击
一旦材料处于这种玻璃状状态，研磨机就会施加高能机械冲击。由于聚合物不再能够拉伸或吸收能量，因此在冲击时会发生灾难性失效。
粉碎成微粉
结果是干净的断裂而不是撕裂。这种机制有效地将厘米级颗粒减小到微米级细粉。
这对增材制造意味着什么
实现选择性激光烧结 (SLS)
SLS 打印需要具有特定流动特性和粒径的粉末，以便在打印床上均匀铺展。低温研磨可产生高质量烧结所需的均匀粒度分布。
加工困难材料
这种方法对于弹性体和高性能塑料尤其重要。这些材料经过专门设计，具有坚韧耐热的特性，使用标准的常温研磨技术几乎无法将其粉碎。
理解权衡
操作复杂性
低温研磨比标准研磨复杂得多。它需要安全处理和持续供应液氮，这增加了操作危险和流程的物流环节。
成本影响
该过程能耗高，并且消耗品（氮气）消耗率高。它通常保留给高价值材料，而常温研磨在物理上是不可能的。
为您的目标做出正确选择
在决定是否需要低温粉碎来制备您的材料时，请考虑您的原料的物理特性。
- 如果您的主要重点是加工弹性体（橡胶）：您通常必须使用低温研磨，因为这些材料在常温下只会拉伸或涂抹。
- 如果您的主要重点是高性能热塑性塑料：您应该采用此方法，以防止在研磨过程中发生热降解，并获得 SLS 所需的细粒度分布。
低温研磨不仅仅是一种冷却方法；它是一种相变策略，可暂时改变材料物理特性以达到精确的制造标准。
总结表：
| 特征 | 常温研磨 | 低温研磨 |
|---|---|---|
| 材料状态 | 粘弹性/橡胶状 | 玻璃状/脆性 |
| 机制 | 机械剪切 | 高能冲击断裂 |
| 热影响 | 发热和熔化 | 通过液氮快速冷却 |
| 粉末质量 | 结块和不规则 | 细微米级和均匀 |
| 最适合 | 硬/脆固体 | 弹性体和高性能塑料 |
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参考文献
- Lisa Jiaying Tan, Kun Zhou. Recent Progress on Polymer Materials for Additive Manufacturing. DOI: 10.1002/adfm.202003062
本文还参考了以下技术资料 Kintek Solution 知识库 .
