CN105855546B - 双激光器双区金属熔融烧结成型3d打印装置及打印方法 - Google Patents
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Abstract
一种双激光器双区金属熔融烧结成型3D打印装置及打印方法，包括设置在密封成型室内的用于向打印成形区刮送粉料的刮刀，对应打印成形区设置的抽气盒，密封成型室上部的两侧边分别设置有进气口和排气口，密封成型室上端面对应打印成形区镶嵌有第一光学透镜和第二光学透镜，密封成型室的上方对应第一光学透镜设置有用于扫描所要打印工件的第一扫描单元，对应第二光学透镜设置有用于扫描支撑件的第二扫描单元，密封成型室下面对应供料区设置有供料机构和收集余料的第一集料缸，对应打印成形区设置有打印成形机构和收集剩料的第二集料缸。本发明可生成密度不均的复合材料，可解决金属部件内部支撑设计难、去除难的世界性难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种3D打印设备。特别是涉及一种双激光器双区金属熔融烧结成型3D打印装置。
背景技术
3D打印(3D Printing)即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。针对金属材料快速成型而言，3D打印技术主要分为两类：一类是利用高能激光束直接将金属熔化，然后冷却凝固成型，称为完全熔化快速成型技术，如：SLM；另一类是利用低能激光束将金属与塑料或可粘接材料中的低熔点材料熔化，然后利用低熔点材料粘接金属粉末成型，称为不完全熔化快速成型技术，如：SLS。
选择性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)是金属粉末的快速成型技术，用它能直接成型出接近完全致密的金属部件，尺寸精度达20－50微米，表面粗糙度达20－30微米，基本达到了铸件甚至锻件的性能，是一种极具发展前景的快速成型技术，而且其应用范围已拓展到航空航天、医疗、汽车、模具等领域。
选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)是预先在工作台上铺一层非金属粉末材料，激光在计算机控制下，按照界面轮廓信息，对实心部分粉末进行烧结，然后不断循环，层层堆积成型。该类成型方法有着制造工艺简单、柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜、材料利用率高、成型速度快等特点。
在当前的主流技术下，金属部件快速成型主要还是集中在选择性激光熔化。但，在选择性激光熔化制备金属部件过程中，由于金属成型时快速加热和冷却势必引起部件内部含有较大的残余应力，往往在成型时易出现翘边、卷曲等问题。目前解决此类问题主要还是通过给部件添加支撑，那么问题来了，对于复杂的部件支撑尤其是部件内部支撑选用何种材料，支撑怎么添加，添加后怎么去除等诸如此类问题如不能完美解决，金属3D打印技术的发展将受到严重的制约。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可解决金属部件内部支撑问题的双激光器双区金属熔融烧结成型3D打印装置及打印方法。
本发明所采用的技术方案是：一种双激光器双区金属熔融烧结成型3D打印装置，包括具有供料区和打印成形区的密封成型室，设置在密封成型室内的用于向打印成形区刮送粉料的刮刀，对应打印成形区设置的抽气盒，所述密封成型室上部的两侧边分别设置有进气口和排气口，所述的密封成型室上端面对应打印成形区镶嵌有第一光学透镜和第二光学透镜，所述密封成型室的上方对应所述的第一光学透镜设置有用于扫描所要打印工件的第一扫描单元，对应所述第二光学透镜设置有用于扫描支撑件的第二扫描单元，所述密封成型室下面对应供料区设置有供料机构和收集余料的第一集料缸，对应打印成形区设置有打印成形机构和收集剩料的第二集料缸。
所述的第一扫描单元包括有依次设置在同一光路上的光纤激光器、第一可变式扩束准直镜和第一扫描振镜，其中，所述的第一扫描振镜的输出光路对应所述的第一光学透镜。
所述的第二扫描单元包括有依次设置在同一光路上的CO2激光器、第二可变式扩束准直镜和第二扫描振镜，其中，所述第二扫描振镜的输出光路对应所述的第二光学透镜。
所述的打印成形机构包括有成型缸，所述成型缸内设置有在导杆的驱动下能够沿成型缸的内壁上、下移动的成形平台，所述成形平台的上端面上设置有用于承载打印出的零件和支撑件的基板，所述成形平台内设置有用于对基板进行预热的的电阻丝。
一种双激光器双区金属熔融烧结成型3D打印装置的打印方法，包括如下步骤：
1)启动双激光器双区金属熔融烧结成型3D打印装置，包括打开抽气盒，向中央控制机导入所要打印部件的三维模型，并布设在设定的位置处；
2)打开进气口和排气口通入循环惰性保护气体氮气/氩气，通过刮刀向成形区的基板上铺上第一层粉料层，通过电阻丝对基板和粉料层进行预热至50～200℃；
3)中央控制机控制CO2激光器3、第二可变式扩束准直镜、第二扫描振镜和第二光学透镜对所铺的该层粉料层中的零件支撑区进行扫描烧结，控制CO2激光器的功率5～40W，控制第二扫描振镜的扫描速度300～7000mm/s，扫描间距0.05～0.3mm，扫描线宽0.05-0.3mm，使该层粉料层中高分子聚合物粉熔化为粘结剂并和金属粉通过分子间结合力相粘结，生成非致密性金属支撑区；
4)中央控制机控制光纤激光器、第一可变式扩束准直镜、第一扫描振镜和第一光学透镜对所铺的该层粉料层中的零件实体区扫描烧结，控制光纤激光器的功率60～400W，控制第一扫描振镜的扫描速度300～7000mm/s，扫描间距为0.05～0.3mm，扫描线宽0.05-0.3mm，使该层粉料层中高分子聚合物粉高温气化，金属粉熔融烧结生成金属实体区；
5)对所述的粉料层扫描完成后，使成形平台下降0.02～0.15mm高度，同时使平台上升0.02～0.15mm高度；
6)通过刮刀向成形区的的基板上再铺上一层粉料层；
7)重复步骤3)、步骤4)、步骤5)和步骤6)直至完成整个零件的扫描；
8)将成型零件放入真空烧结炉中采用高温脱脂方法去除金属零件中的支撑件。
步骤1)所述的部件的三维模型包括已经过处理后的零件模型和支撑件模型，其中所述的处理包括修模、参数设定和切片。
步骤2)所述的粉料层是由质量分数为95～97％的金属粉和质量分数为3～5％的高分子聚合物粉构成的混合粉，所述的金属粉是316L不锈钢粉，或是AlSi12粉，或是Ti6Al4V粉，所述的高分子聚合物粉是环氧树脂粉E12，或是尼龙粉PA，或是光敏树脂粉PMMA，或是聚碳酸酯粉PC，所述高分子聚合物粉在熔融状态下具有粘接特性。
步骤2)或步骤6)所述的粉料层的厚度为0.05～0.15mm。
步骤3)所述的高分子聚合物粉熔化温度T＝50～300℃。
步骤8)所述的高温脱脂方法所采用的温度T<850℃。
本发明的双激光器双区金属熔融烧结成型3D打印装置及打印方法，用光纤激光器构成高温烧结系统，金属粉被熔融烧结而高分子聚合物粉被高温气化，可烧结成致密的金属部件实体区；用CO2激光器构成次高温烧结系统，高分子聚合物粉熔化后可作为粘接剂与金属粉粘结成非致密的金属支撑区。金属部件烧结完成后可通过高温脱脂工艺很方便地去除金属部件内部支撑部分，解决了金属部件内部去支撑的世界性难题。本发明可生成密度不均的复合材料，可解决金属部件内部支撑设计难、去除难的世界性难题。
附图说明
图1是本发明双激光器双区金属熔融烧结成型3D打印装置的整体结构示意图；
图2是图1的俯视图。
图中
1：光纤激光器 211：第一可变式扩束准直镜
212：第一扫描振镜 213：第一光学透镜
221：第二可变式扩束准直镜 222：第二扫描振镜
223 ：第二光学透镜 3：CO2激光器
4：密封成型室 5：排气口
6：刮刀 7：粉料
8：第一集料缸 9：平台
10：料缸 11：顶杆
12：成型缸 13：电阻丝
14：基板 15：支撑件
16：部件 17：抽气盒
18：进气口 19：第二集料缸
20：成形平台 21：导杆
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的双激光器双区金属熔融烧结成型3D打印装置及打印方法做出详细说明。
如图1、图2所示，本发明的双激光器双区金属熔融烧结成型3D打印装置，包括具有供料区和打印成形区的密封成型室4，设置在密封成型室4内的用于向打印成形区刮送粉料7的刮刀6，对应打印成形区设置的抽气盒17，所述密封成型室4上部的两侧边分别设置有进气口18和排气口5，所述的密封成型室4上端面对应打印成形区镶嵌有第一光学透镜213和第二光学透镜223 ，所述密封成型室4的上方对应所述的第一光学透镜213设置有用于扫描所要打印工件的第一扫描单元，对应所述第二光学透镜223 设置有用于扫描支撑件的第二扫描单元，所述密封成型室4下面对应供料区设置有供料机构和收集余料的第一集料缸8，对应打印成形区设置有打印成形机构和收集剩料的第二集料缸19。
所述的第一扫描单元包括有依次设置在同一光路上的光纤激光器1、第一可变式扩束准直镜211和第一扫描振镜212，其中，所述的第一扫描振镜212的输出光路对应所述的第一光学透镜213，所述的光纤激光器1连接中央控制机，光纤激光器1可采用200W以上的光纤激光器。
所述的第二扫描单元包括有依次设置在同一光路上的CO2激光器3、第二可变式扩束准直镜221和第二扫描振镜222，其中，所述第二扫描振镜222的输出光路对应所述的第二光学透镜223 ，所述的CO2激光器3连接中央控制机，CO2激光器3可采用50W以上的CO2激光器。
所述的供料机构包括有装有粉料7的料缸10，设置在所述料缸10内用于支撑粉料7的平台9，以及连接在所述平台9的底部用于在外部驱动机构的驱动下驱动平台9推动粉料7向上移动的顶杆11。
所述的打印成形机构包括有成型缸12，所述成型缸12内设置有在导杆21的驱动下能够沿成型缸12的内壁上、下移动的成形平台20，所述成形平台20的上端面上设置有用于承载打印出的部件16和支撑件15的基板14，所述成形平台20内设置有用于对基板14进行预热的电阻丝13。
本发明的一种双激光器双区金属熔融烧结成型3D打印装置中，所述的粉料层是由质量分数为95～97％的金属粉和质量分数为3～5％的高分子聚合物粉构成的混合粉，所述高分子聚合物粉在熔融状态下具有粘接特性。所述的高分子聚合物粉是环氧树脂粉E12，或是尼龙粉PA，或是光敏树脂粉PMMA，或是聚碳酸酯粉PC。所述的金属粉是316L不锈钢粉，或是AlSi12粉，或是Ti6Al4V粉。
部件三维模型由部件实体部分和支撑部分组成，通过支撑与切片工具(Magics&AutoFab)将三维模型的实体部分和支撑部分做切片并分别设置相应的工艺参数，中央控制机自动识别部件实体部分和支撑部分并控制200W以上的光纤激光器1扫描烧结部件实体区，50W以上的CO2激光器3扫描烧结部件支撑区。
本发明的用于双激光器双区金属熔融烧结成型3D打印装置的打印方法，包括如下步骤：
1)启动双激光器双区金属熔融烧结成型3D打印装置，包括打开抽气盒17，向中央控制机导入所要打印部件的三维模型，并布设在设定的位置处，所述的部件的三维模型包括零件模型和支撑件模型；
2)打开进气口18和排气口5通入循环惰性保护气体氮气/氩气，通过刮刀6向成形区的基板14上铺上第一层粉料层，所铺粉料层的厚度为0.05～0.15mm，通过电阻丝13为和粉料层进行预热至50～200℃；
所述的粉料层是由质量分数为95～97％的金属粉和质量分数为3～5％的高分子聚合物粉构成的混合粉，所述的金属粉是316L不锈钢粉，或是AlSi12粉，或是Ti6Al4V粉，所述的高分子聚合物粉是环氧树脂粉E12，或是尼龙粉PA，或是光敏树脂粉PMMA，或是聚碳酸酯粉PC，所述高分子聚合物粉在熔融状态下具有粘接特性；
3)中央控制机控制CO2激光器3、第二可变式扩束准直镜221、第二扫描振镜222和第二光学透镜223对所铺的该层粉料层中的零件支撑区进行扫描烧结，控制CO2激光器3的功率5～40W，控制第二扫描振镜222的扫描速度300～7000mm/s，扫描间距0.05～0.3mm，扫描线宽0.05-0.3mm，使该层粉料层中高分子聚合物粉熔化为粘结剂并和金属粉通过分子间结合力相粘结，生成非致密性金属支撑区，其中，所述的高分子聚合物粉熔化温度T＝50～300℃；
4)中央控制机控制光纤激光器1、第一可变式扩束准直镜211、第一扫描振镜212和第一光学透镜213对所铺的该层粉料层中的零件实体区扫描烧结，控制光纤激光器1的功率60～400W，控制第一扫描振镜212的扫描速度300～7000mm/s，扫描间距为0.05～0.3mm，扫描线宽0.05-0.3mm，使该层粉料层中高分子聚合物粉高温气化，金属粉熔融烧结生成金属实体区；
5)对所述的粉料层扫描完成后，使成形平台20下降0.02～0.15mm高度，同时使平台9上升0.02～0.15mm高度；
6)通过刮刀6向成形区的的基板上再铺上一层粉料层；
7)重复步骤3)、步骤4)、步骤5)和步骤6)直至完成整个零件的扫描；
8)将成型零件放入真空烧结炉中采用高温脱脂方法去除金属零件中的支撑件，所述的高温脱脂方法所采用的温度T<850℃。
通过上述步骤，可生成致密度不同的金属部件实体区和支撑区，为制备复合材料提供了技术支持，此外，利用高温脱脂处理方法可简易去除金属支撑，解决了金属部件内部支撑设计难、去除难的世界性难题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种双激光器双区金属熔融烧结成型3D打印装置，包括具有供料区和打印成形区的密封成型室（4），设置在密封成型室（4）内的用于向打印成形区刮送粉料（7）的刮刀（6），对应打印成形区设置的抽气盒（17），所述密封成型室（4）上部的两侧边分别设置有进气口（18）和排气口（5），其特征在于，所述的粉料（7）是由质量分数为95～97%的金属粉和质量分数为3～5%的高分子聚合物粉构成的混合粉，所述的密封成型室（4）上端面对应打印成形区镶嵌有第一光学透镜（213）和第二光学透镜（223），所述密封成型室（4）的上方对应所述的第一光学透镜（213）设置有用于扫描所要打印工件的第一扫描单元，对应所述第二光学透镜（223）设置有用于扫描支撑件的第二扫描单元，所述密封成型室（4）下面对应供料区设置有供料机构和收集余料的第一集料缸（8），所述的供料机构包括有装有粉料（7）的料缸（10），对应打印成形区设置有打印成形机构和收集剩料的第二集料缸（19）；
所述的第一扫描单元包括有依次设置在同一光路上的光纤激光器（1）、第一可变式扩束准直镜（211）和第一扫描振镜（212），其中，所述的第一扫描振镜（212）的输出光路对应所述的第一光学透镜（213）；
所述的第二扫描单元包括有依次设置在同一光路上的CO2激光器（3）、第二可变式扩束准直镜（221）和第二扫描振镜（222），其中，所述第二扫描振镜（222）的输出光路对应所述的第二光学透镜（223）；
所述的打印成形机构包括有成型缸（12），所述成型缸（12）内设置有在导杆（21）的驱动下能够沿成型缸（12）的内壁上、下移动的成形平台（20），所述成形平台（20）的上端面上设置有用于承载打印出的零件（16）和支撑件（15）的基板（14），所述成形平台（20）内设置有用于对基板（14）进行预热的电阻丝（13）。
2.一种用于权利要求1所述的双激光器双区金属熔融烧结成型3D打印装置的打印方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）启动双激光器双区金属熔融烧结成型3D打印装置，包括打开抽气盒（17），向中央控制机导入所要打印部件的三维模型，并布设在设定的位置处；
2）打开进气口（18）和排气口（5）通入循环惰性保护气体氮气/氩气，通过刮刀（6）向成形区的基板（14）上铺上第一层粉料层，通过电阻丝（13）对基板（14）和粉料层进行预热至50~200℃；
所述的粉料层是由质量分数为95～97%的金属粉和质量分数为3～5%的高分子聚合物粉构成的混合粉，所述的金属粉是316L不锈钢粉，或是AlSi12粉，或是Ti6Al4V粉，所述的高分子聚合物粉是环氧树脂粉E12，或是尼龙粉PA ，或是光敏树脂粉PMMA，或是聚碳酸酯粉PC，所述高分子聚合物粉在熔融状态下具有粘接特性；
3）中央控制机控制CO2激光器3、第二可变式扩束准直镜（221）、第二扫描振镜（222）和第二光学透镜（223）对所铺的该层粉料层中的零件支撑区进行扫描烧结，控制CO2激光器（3）的功率5~40W，控制第二扫描振镜（222）的扫描速度300~7000mm/s，扫描间距0.05~0.3mm，扫描线宽0.05-0.3mm，使该层粉料层中高分子聚合物粉熔化为粘结剂并和金属粉通过分子间结合力相粘结，生成非致密性金属支撑区；
4）中央控制机控制光纤激光器（1）、第一可变式扩束准直镜（211）、第一扫描振镜（212）和第一光学透镜（213）对所铺的该层粉料层中的零件实体区扫描烧结，控制光纤激光器（1）的功率60~400W，控制第一扫描振镜（212）的扫描速度300~7000mm/s，扫描间距为0.05~0.3mm，扫描线宽0.05-0.3mm，使该层粉料层中高分子聚合物粉高温气化，金属粉熔融烧结生成金属实体区；
5）对所述的粉料层扫描完成后，使成形平台（20）下降0.02～0.15mm高度，同时使平台（9）上升0.02～0.15mm高度；
6）通过刮刀（6）向成形区的基板上再铺上一层粉料层；
7）重复步骤3）、步骤4）、步骤5）和步骤6）直至完成整个零件的扫描；
8）将成型零件放入真空烧结炉中采用高温脱脂方法去除金属零件中的支撑件，所述的高温脱脂方法所采用的温度T<850℃。
3.根据权利要求2所述的打印方法，其特征在于，步骤1）所述的部件的三维模型包括已经过处理后的零件模型和支撑件模型，其中所述的处理包括修模、参数设定和切片。
4.根据权利要求2所述的打印方法，其特征在于，步骤2）或步骤6）所述的粉料层的厚度为0.05～0.15mm。
5.根据权利要求2所述的打印方法，其特征在于，步骤3）所述的高分子聚合物粉熔化温度T=50~300℃。
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