CN102990933A - 一种选择性激光烧结工艺的实施方法以及纤维植入装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种选择性激光烧结工艺的实施方法以及纤维植入装置，其中实施方法是：在烧结时，在烧结粉末中植入由高长径比且有序排列的纤维构成的纤维层，烧结后，所述纤维层被包裹在烧结成型件中。具体地，所述纤维层可以通过利用纤维植入装置将纤维丝或纤维束等有序排列在烧结粉末层中形成，也可以由纤维布或纤维毡铺设而成。本发明的选择性激光烧结工艺的实施方法由于在每一烧结层中植入了由高长径比且有序排列的纤维构成的纤维层，与现有技术中在烧结粉末中混杂短小无序的纤维相比，本发明的烧结层中的纤维长径比大大提高，且有序排列，从而大大提高了成型件的强度，使之能够符合更高的强度使用要求。

Description

一种选择性激光烧结工艺的实施方法以及纤维植入装置
技术领域
本发明涉及一种选择性激光烧结工艺的实施方法及该方法中应用到的设备，具体涉及一种选择性激光烧结工艺的实施方法以及纤维植入装置。
背景技术
选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，简称SLS)是目前一种被广泛应用的快速成型技术，其成型工艺原理是：首先建立目标零件的计算机三维模型，然后用分层软件将三维模型进行切片处理，得到每一个加工层面的数据信息，在计算机控制下，根据切片层面信息，利用激光束对可热熔的粉末材料逐层扫描烧结，完成目标加工的制造。该技术的优势在于不受零件形状复杂程度的限制，不需要任何的工装模具，速度快，效率高，能够实现自由形状实体的自动化制造，正在受到越来越广泛的重视。
目前SLS技术所采用的原料为粉末材料，其种类包括：高分子粉末材料、高分子与无机物复合粉末材料、高分子与金属复合粉末材料、陶瓷粉末材料和金属粉末材料。粉末材料经过激光烧结之后，其成型件的强度较低，导致其强度不高的主要原因是其质地疏松、密度较低。虽然在粉末材料中混合玻璃纤维、玻璃微珠、矿物纤维、碳纤维等增强材料可以提高成型件的强度，但这些增强材料在粉末材料中的排列是杂乱无序的，而且增强材料在成型产品中的长径比比较低，导致最终成型件的强度特别是冲击强度仍然较低，达不到成型件机械性能测试要求或者作为最终产品直接使用的性能要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种选择性激光烧结工艺的实施方法，该实施方法可将连续长纤维有序地植入到选择性激光烧结产品中，从而大大提高成型件的强度。
本发明的目的还在于提供一种上述选择性激光烧结工艺的施工方法中所使用的纤维植入装置。
本发明实现上述目的的技术方案为：
一种选择性激光烧结工艺的实施方法，其特征在于，烧结时，在烧结粉末中植入由高长径比且有序排列的纤维构成的纤维层，烧结后，所述纤维层被包裹在烧结成型件中。
上述实施方法的一个优选方案，包括以下步骤：
(1)铺粉装置在烧结工作平面上铺覆底层烧结粉末材料层；
(2)利用纤维植入装置在底层烧结粉末材料层上铺设纤维层，铺设过程为：
(2.1)纤维植入装置将连续的长纤维丝输出，该输出的纤维丝铺设到底层烧结粉末材料层中；
(2.2)纤维植入装置中设置的切断机构根据所需的长度将纤维丝切断；
(2.3)纤维植入装置不断重复上述步骤(2.1)和步骤(2.2)，将纤维丝有序地铺设在底层烧结粉末材料层上，最终形成纤维层；
(3)铺粉装置在底层烧结粉末材料层上铺覆顶层烧结粉末材料层；
(4)利用激光装置发出的激光束对上述底层烧结粉末材料层和顶层烧结粉末材料层进行烧结，烧结后，纤维层被包裹在底层烧结粉末材料层和顶层烧结粉末材料层中，完成一个烧结层的烧结工作；
(5)不断重复上述步骤(1)～(4)，直至所有的烧结层均完成烧结，最终获得成型件。
上述优选方案中，在步骤(2.1)中，输出的纤维丝平铺在底层烧结粉末材料层上。
上述优选方案中，在步骤(2.1)中，输出的纤维丝的一头竖直或倾斜地插入到底层烧结粉末材料层；在步骤(2.2)中，纤维被切断后，该纤维的另一头伸出底层烧结粉末材料层。
上述优选方案中，在步骤(2.3)中，多根纤维相互平行铺设，或者相互交叉铺设形成网状。
上述优选方案中，在步骤(2.1)和步骤(2.2)中，纤维植入装置一次输出多根连续纤维，并由切断机构根据所需的长度将多根纤维一次切断。
上述优选方案中，也可用纤维布、纤维束或纤维毡替代步骤(2)中的纤维丝，以便提高铺设纤维层的速度，并提高纤维层的强度，进而提高整个成型件的强度。
本发明的选择性激光烧结工艺的实施方法，其中，所述纤维层中的纤维为玻璃纤维、碳纤维、尼龙纤维、芳纶纤维、氨纶纤维或金属纤维等。
一种上述选择性激光烧结工艺的施工方法中所使用的纤维植入装置，其特征在于，包括设在滑轨上的基座以及连接在基座上的纤维输送器，其中，纤维输送器包括支架以及设在支架上的牵引棍组，所述支架的端部设有用于切断纤维丝的切断机构；所述牵引辊组由两根牵引辊组成，连续的长纤维丝由该两根牵引辊之间穿过。
上述纤维植入装置的一个优选方案，其中，所述的滑轨为具有四个自由度的运动机构，所述四个自由度分别为沿X轴、Y轴以及Z轴方向的直线运动以及绕Z轴的转动。
上述纤维植入装置的一个优选方案，其中，所述支架与基座通过转动关节连接。具体地，该关节可以手动调节角度，也可以通过设置电机来自动调节角度。
上述纤维植入装置的一个优选方案，其中，所述的支架上还设有辅助辊组，该辅助辊组由两根辅助辊组成，连续的纤维丝由牵引辊组中的两牵引辊以及辅助辊组中的两辅助辊之间穿过；所述牵引辊或/和辅助辊上设有用于引导和定位纤维丝的环形的导向槽。
上述纤维植入装置的一个优选方案，其中，所述的切断机构包括上刀座、下刀座以及切刀，其中，上刀座和下刀座之间形成有让纤维丝穿过的间隙；所述切刀设置在上刀座内，其刀刃朝向下刀座，该切刀上连接有驱动其作上下运动的驱动机构。在驱动机构作用下，切刀山下运动，从而将纤维丝切断。
本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：
1、本发明的实施方法中，由于在每一烧结层中植入了由高长径比且有序排列的纤维构成的纤维层，与现有技术中在烧结粉末中混杂短小无序的纤维相比，本发明的烧结层中的纤维长径比大大提高，且有序排列，从而大大提高了成型件的强度，使之能够符合更高的强度使用要求。
2、本发明的纤维植入装置中，通过纤维输送器中的牵引辊组的作用，使得连续的长纤维丝得以连续地输出，并通过切断机构将其切断成需要的长度，从而确保了可在底层烧结粉末材料层上铺设长纤维丝(即长径比大的纤维丝)；并且通过滑轨的作用，纤维输送器可以在底层烧结粉末材料层上按需要的轨迹及目标位置移动，从而可实现纤维层中多根长纤维丝的有序排列；整个纤维植入装置实现了本发明的选择性激光烧结工艺的实施方法中纤维层的铺设，为生产具有高强度的选择性激光烧结产品提供了重要的技术支持。
附图说明
图1为本发明的实施例1中纤维植入装置的结构示意图。
图2为图1中的纤维输送器内部结构的结构示意图。
图3为图2中牵引辊的局部结构示意图。
图4为图2中辅助辊的局部结构示意图。
图5为图1中纤维输送器和基座的横向剖视图。
图6为图5的A-A剖视图。
图7为图6的B-B剖视图。
图8为本发明的实施例1中选择性激光烧结工艺的实施方法的原理图。
图9为实施例1的选择性激光烧结工艺的实施方法的实施过程示意图。
图10为实施例1的选择性激光烧结工艺的实施方法中纤维在烧结成型件中的有序排列示意图(切面图)。
图11为本发明的实施例2中选择性激光烧结工艺的实施方法的原理图。
图12为实施例2的选择性激光烧结工艺的实施方法的实施过程示意图。
具体实施方式
实施例1
参见图1，本发明的纤维植入装置主要由设在滑轨2上的基座1以及连接在基座1上的纤维输送器4构成，其中，
参见图1，所述的滑轨2为具有四个自由度的运动机构，该四个自由度分别为沿X轴、Y轴以及Z轴方向的直线运动以及绕Z轴的转动，各个运动由单独的一个步进电机驱动，这些步进电机由控制系统控制，使得与该滑轨2连接的基座1实现了在X轴、Y轴以及Z轴方向的移动以及绕Z轴的转动；具体实施方式可参照数控加工中心中工作台的滑轨机构来进行。
参见图1～7，所述纤维输送器4主要由支架、牵引辊组、辅助辊组以及切断机构7组成，其中，支架为由上壳体4-1和下壳体4-2组合而成的壳体，内部形成腔体，所述牵引辊组和辅助辊组设置于腔体内，所述切断机构7设置于壳体的一端。所述牵引辊组为两组，每一组由两根平行设置的牵引辊5组成，其中一根设在上壳体4-1上，另一根设在下壳体4-2上，上壳体4-1和下壳体4-2组合时两牵引辊5形成牵引辊组；所述辅助辊组为三组，每一组由两根平行设置的辅助辊6组成，其中一根设在上壳体4-1上，另一根设在下壳体4-2上，上壳体4-1和下壳体4-2组合时两辅助辊6形成辅助辊组；工作时，连续的纤维丝8从壳体的一头进入，并依次从三组辅助辊组中的两辅助辊6之间以及两组牵引辊组中的两牵引辊5之间穿过，最终从壳体的另一头伸出。所述两牵引辊组中，位于后方的牵引辊组中与下壳体4-2连接的牵引辊5上连接有驱动装置，该驱动装置为步进电机18，而位于前方的牵引滚组中与下壳体4-2连接的牵引辊5则通过皮带与上述连接有驱动装置的牵引辊5连接，使得两组牵引辊组均有动力驱动。所述牵引辊组的作用在于，通过转动将夹紧在两牵引辊5之间的纤维丝8向前输送，为了实现对纤维丝8的输送，对于由硬质材料制成的牵引辊5，两牵引辊5之间的间隙应小于纤维丝8的直径，但是采用硬质材料制作的牵引辊5存在以下不足：如果纤维丝8的直径变化，那么两牵引辊5之间需要重新调整，需要设置间隙调整机构；为了解决该问题，牵引辊5可采用具有弹性的材料制成，例如橡胶，这样两牵引辊5之间的间隙可设置为零，甚至两牵引辊5表面产生轻微的相互挤压变形，这样各种不同直径的纤维丝8从其中穿过，两牵引辊5均能有效地将该纤维丝8夹紧，而无需调整间隙；所述辅助辊组上没有设置驱动装置，用于对纤维丝8的输送起辅助的定位和导向作用，两辅助辊6之间的间隙可以等于或略大于纤维丝8的直径，以便不对纤维丝8的输送产生过大的阻力。参见图，3和图4，为了对纤维丝8的输送提供更好的定位和导向效果，所述牵引辊5和辅助辊6的表面分别设有环向的导向槽5-1和6-1，两牵引辊5或两辅助辊6之间的导向槽5-1或6-1组合在一起形成导向通道，纤维丝8由该导向通道中穿过；通常，纤维输送器4会同时输送若干根纤维丝8，此时通过设置多个并列的导向槽5-1或6-1，每一导向槽5-1或6-1对应一根纤维丝8，多根纤维丝8之间便不会发生干涉，可有序地向外输送。所述牵引辊5上的步进电机18与控制系统连接，通过调节该步进电机18的转速，可调节纤维丝8的输送速度。
参见图5～图7，，所述切断机构7设置在壳体上纤维丝8输出的一端，包括刀座、切刀7-4以及驱动机构，其中，刀座由连接在上壳体4-1端部的上刀座7-1和连接在下壳体4-2端部的下刀座7-2组合而成，上刀座7-1与下刀座7-2之间形成有间隙，纤维丝8由该间隙中穿过。上刀座7-1与下刀座7-2的相对面上分别设有向里凹陷的凹槽7-5，其中，所述的切刀7-4设置在上刀座7-1的凹槽7-5内，该切刀7-4由刀体7-6和刀头7-7两部分构成，刀体7-6的刀刃部朝向下刀座7-2的凹槽7-5，上刀座7-1的中部设有向上延伸至上刀座7-1顶面的通孔7-3，切刀7-4的刀头7-7由该通孔7-3中伸出上刀座7-1的上端面。所述的驱动机构由拉力弹簧10以及驱动装置组成，其中，拉力弹簧7-10设在刀体7-6的顶部与上刀座7-1之间，常态下该拉力弹簧7-10拉住切刀7-4，使该切刀7-4的刀刃部位于上刀座7-1的凹槽7-5内；所述驱动装置用于驱动切刀7-4向下运动，对纤维丝8进行切断，该驱动装置由驱动电机7-8和凸轮7-9组成，其中，凸轮7-9与切刀7-4的刀头7-7的顶面相接触，驱动电机7-8与控制系统连接，工作时，驱动电机7-8带动凸轮7-9转动，凸轮7-9的最高点与刀头7-7顶面接触时，切刀7-4的刀刃被推动向下切入下刀座7-2的凹槽7-5，从而将纤维丝8切断，随后在拉力弹簧7-10作用下切刀7-4自动复位。在纤维输送器4输送纤维丝8的速度确定的情况下，控制切刀7-4切割纤维丝8的频率便可控制被切断纤维丝8的长度。
参见图1、图2和图5，支架与基座1通过转动关节连接，具体地，支架的一端与基座1的下端通过转轴3连接，使得支架与基座1之间的角度可调整，亦即可调整支架与烧结工作平面9的倾斜角度，从而满足按不同的倾斜角度将纤维丝8插入烧结粉末材料层的工艺要求。本实施例中，支架与基座1之间的角度的调节通过一旋钮16手动实现，该旋钮16与基座1面之间设有刻度，以便能准确调整角度。
参见图8、图9和图10，本发明的选择性激光烧结工艺的实施方法，包括以下步骤：
(1)工作缸11下降一定距离，供粉缸12上升一定距离，由铺粉装置13在烧结工作平面9上铺覆单层或多层烧结粉末材料14，形成底层烧结粉末材料层14-1；
(2)利用纤维植入装置在底层烧结粉末材料层14-1上铺设纤维层，铺设过程为：
(2.1)纤维植入装置中的滑轨2在控制系统的控制下，将纤维输送器4移动到目标位置；纤维输送器4同时将多根连续的长纤维丝8平行输出，在输出纤维丝8的同时纤维输送器4向后退，使得这些输出的纤维丝8能够平铺在底层烧结粉末材料层14-1中；
(2.2)在控制系统的控制下，纤维植入装置中的切断机构7根据所需的长度将纤维丝8切断，具体地，控制系统通过控制切断机构7中的控制切刀7-4切割纤维丝8的频率来控制被切断的纤维丝8的长度；
(2.3)纤维植入装置不断重复上述步骤(2.1)和步骤(2.2)，将纤维丝8有序地铺设在底层烧结粉末材料层14-1上，最终形成纤维层，具体为：纤维输送器4完成一次纤维丝8的输送和切断后，滑轨2带动纤维输送器4平移到下一个目标位置，纤维输送器4再将多根纤维丝8输出平铺到底层烧结粉末材料层14-1并切断，如此循环，最终在底层烧结粉末材料层14-1中布满平行有序排列的纤维丝8，形成纤维层；
(3)工作缸11再下降一定距离，供粉缸12上升一定距离，由铺粉装置13在底层烧结粉末材料层14-1上铺覆单层或多层烧结粉末材料14，形成覆盖纤维层的顶层烧结粉末材料层14-2；
(4)利用激光装置19发出的激光束10对上述底层烧结粉末材料层14-1和顶层烧结粉末材料层14-2进行烧结，烧结时，激光束10只照射烧结粉末材料14中与成型件15本体对应的部位，其余部位不烧结，仍然为粉末状；烧结后，纤维层被包裹在底层烧结粉末材料层14-1和顶层烧结粉末材料层14-2中，完成一个烧结层20的烧结工作；
(5)不断重复上述步骤(1)～(4)，该过程中，由计算机程序根据指令判断成型件15的所有烧结层20是否均完成烧结，如是，则完成成型件15的烧结工作，如否，则重复执行，直至成型件15的烧结工作完成。
本实施例中，所述成型件15中的纤维丝8平行有序地嵌设在其体内，使得该成型件15在纤维的排列方向上获得最高的力学性能，纤维排列方向上拉伸强度和拉伸模量最大。
本实施例中，所述纤维层中纤维的材质可以是玻璃纤维、碳纤维、尼龙纤维、芳纶纤维、氨纶纤维和金属纤维等。
实施例2
参见图9，本实施例中，所使用的纤维植入装置为两套，这两套纤维植入装置中的纤维输送器4倾斜相对设置，两者输出的纤维丝8相互交叉。该两纤维植入装置中，纤维输送器4中的支架与基座1之间的连接关节处设有角度调整电机17，该角度调整电机17为由控制系统控制的步进电机，从而实现对支架的倾斜角度的自动调整。本实施例的纤维植入装置的其他实施方式与实施例1相同。
参见图9和图10，本实施例的选择性激光烧结工艺的实施方法利用上述的两套纤维植入装置实现，其与实施例1的实施方法的不同之处在于：
在步骤(2.1)中，两个纤维输送器4固定在一个位置同时将多根连续的长纤维丝8平行输出，两者输出的纤维丝8的一头插入底层烧结粉末材料层14-1中，另一头伸出底层烧结粉末材料层14-1外，并且两纤维输送器4输出的纤维丝8相互交叉。
在步骤(2.3)中，最终在底层烧结粉末材料层14-1上形成相互交叉铺设成网状的纤维层，该纤维层的一头插入底层烧结粉末材料层14-1中，另一头伸出底层烧结粉末材料层14-1外。
本实施例中，所述成型件15中的纤维丝8相互交叉成网状并有序地嵌设在其体内，与实施例1相比不同的是，实施例2使得该成型件15具有较好的整体性能，即在各个不同方向上的力学性能较为均衡。
本实施例的实施方法的其他实施方式可参照实施例1来进行。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于，在选择性激光烧结工艺的实施方法中，用纤维束替代步骤(2)中的纤维丝8。
本实施例的实施方法的其他实施方式可参照实施例1来进行。
实施例4
本实施例与实施例1的不同之处在于，在选择性激光烧结工艺的实施方法中，用纤维布或纤维毡替代步骤(2)中的纤维丝8。
在纤维植入装置中，牵引辊5和辅助辊6上无需设置导向槽。
本实施例的实施方法的其他实施方式可参照实施例1来进行。
实施例5
本实施例与实施例1的不同之处在于，在选择性激光烧结工艺的实施方法中，所述纤维层由纤维布构成，该纤维布无需通过纤维植入装置植入，而是通过人工或其他设备铺设在底层烧结粉末材料层14-1中。
本实施例的实施方法的其他实施方式可参照实施例1来进行。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种选择性激光烧结工艺的实施方法，其特征在于，烧结时，在烧结粉末中植入由高长径比且有序排列的纤维构成的纤维层，烧结后，所述纤维层被包裹在烧结成型件中。
2.根据权利要求1所述的选择性激光烧结工艺的实施方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)铺粉装置在烧结工作平面上铺覆底层烧结粉末材料层；
(2)利用纤维植入装置在底层烧结粉末材料层上铺设纤维层，铺设过程为：
(2.1)纤维植入装置将连续的长纤维丝输出，该输出的纤维丝铺设到底层烧结粉末材料层中；
(2.2)纤维植入装置中设置的切断机构根据所需的长度将纤维丝切断；
(2.3)纤维植入装置不断重复上述步骤(2.1)和步骤(2.2)，将纤维丝有序地铺设在底层烧结粉末材料层上，最终形成纤维层；
(3)铺粉装置在底层烧结粉末材料层上铺覆顶层烧结粉末材料层；
(4)利用激光装置发出的激光束对上述底层烧结粉末材料层和顶层烧结粉末材料层进行烧结，烧结后，纤维层被包裹在底层烧结粉末材料层和顶层烧结粉末材料层中，完成一个烧结层的烧结工作；
(5)不断重复上述步骤(1)～(4)，直至所有的烧结层均完成烧结，最终获得成型件。
3.根据权利要求2所述的选择性激光烧结工艺的实施方法，其特征在于，在步骤(2.1)中，输出的纤维丝平铺在底层烧结粉末材料层上。
4.根据权利要求2所述的选择性激光烧结工艺的实施方法，其特征在于，在步骤(2.1)中，输出的纤维丝的一头竖直或倾斜地插入到底层烧结粉末材料层；在步骤(2.2)中，纤维丝被切断后，该纤维丝的另一头伸出底层烧结粉末材料层。
5.根据权利要求3或4所述的选择性激光烧结工艺的实施方法，其特征在于，在步骤(2.3)中，多根纤维相互平行铺设，或者相互交叉铺设形成网状。
6.根据权利要求2所述的选择性激光烧结工艺的实施方法，其特征在于，在步骤(2.1)和步骤(2.2)中，纤维植入装置一次输出多根连续纤维，并由切断机构根据所需的长度将多根纤维一次切断。
7.根据权利要求2～4中任一项所述的选择性激光烧结工艺的实施方法，其特征在于，用纤维布、纤维束或纤维毡替代步骤(2)中的纤维丝。
8.根据权利要求1～4或6中任一项所述的选择性激光烧结工艺的实施方法，其特征在于，所述纤维层中的纤维为玻璃纤维、碳纤维、尼龙纤维、芳纶纤维、氨纶纤维或金属纤维。
9.权利要求2～6任一项选择性激光烧结工艺的施工方法中所使用的纤维植入装置，其特征在于，包括设在滑轨上的基座以及连接在基座上的纤维输送器，其中，纤维输送器包括支架以及设在支架上的牵引棍组，所述支架的端部设有用于切断纤维丝的切断机构；所述牵引辊组由两根牵引辊组成，连续的长纤维丝由该两根牵引辊之间穿过。
10.根据权利要求9所述的纤维植入装置，其特征在于，所述的滑轨为具有四个自由度的运动机构，所述四个自由度分别为沿X轴、Y轴以及Z轴方向的直线运动以及绕Z轴的转动。
11.根据权利要求9或10所述的纤维植入装置，其特征在于，所述支架与基座通过转动关节连接。
12.根据权利要求11所述的纤维植入装置，其特征在于，所述的支架上还设有辅助辊组，该辅助辊组由两根辅助辊组成，连续的纤维丝由牵引辊组中的两牵引辊以及辅助辊组中的两辅助辊之间穿过；所述牵引辊或/和辅助辊上设有用于引导和定位纤维丝的环形的导向槽。
13.根据权利要求9或10所述的纤维植入装置，其特征在于，所述的切断机构包括上刀座、下刀座以及切刀，其中，上刀座和下刀座之间形成有让纤维丝穿过的间隙；所述切刀设置在上刀座内，其刀刃朝向下刀座，该切刀上连接有驱动其作上下运动的驱动机构。
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