CN103978685B - 一种应用纳秒激光精确控温3d打印高分子材料的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用纳秒激光精确控温3D打印高分子材料的装置。该装置包括：两激光器，扩束器，光束扫描控制器，预热室，进粉器，工作平台，两温度传感器以及控制模块。通过使用该装置，在激光烧结式打印工艺过程中，可以通过控制脉冲激光器输出脉冲重复频率的增减，来精确地控制激光器在单位时间内发射的能量，从而使高分子材料粉末在预热与烧结过程中维持在足够精度的范围内，使材料内部的温度梯度均匀分布，使成型的工件内部的缺陷大大减少，并且使工件成型质量较好，保持较高的加工精度。

Description

一种应用纳秒激光精确控温3D打印高分子材料的装置

技术领域

本发明涉及3D打印技术，具体涉及一种应用纳秒激光精确控温3D打印高分子材料的装置。

背景技术

3D打印(3D printing)，即快速成型技术的一种。此技术以数字模型文件为基础，将所需成型的复杂3D形体通过计算机处理成简单的2D截面组合，运用金属或塑料等可粘合材料，使其沿着确定方向逐层沉积成一系列2D截面层，再采用一些方式使截面层互相粘结并堆积为所需的3D工件。3D打印相较于传统的制造技术具有制造复杂物品不增加成本、无须组装、灵活便携、可以多材料组合、减少废弃原材料以及精确地实体复制等优势。目前主要的3D打印方式有熔融沉积式、光固化式、粘合剂式以及激光烧结式等。

其中激光烧结式工艺是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功(美国专利4863538),此工艺是利用粉末状材料来实现成型的。首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后在刮平辊子的作用下将粉末铺平，再利用计算机控制激光束根据分层截面信息在平铺的粉末层上进行扫描，使材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接，一层完成后再进行下一层，直至全部烧结完后去掉多余的粉末，则可以得到一烧结好的零件。此工艺最大的优点在于选材较为广泛，如尼龙、聚碳酸脂等高分子材料，金属和陶瓷粉末等都可以作为烧结对象；并且由于激光优异的光束质量特性和可控性，可以方便地实现高分辨率打印及高扫描速度打印。

但是目前的激光烧结式3D打印技术有很大的局限性，对于高分子材料的打印过程而言，激光照射烧结时，温度往往上下浮动，难以精确控制。如果温度过低，激光无法使材料充分熔融；若温度过高，则高分子材料会发生降解，无法有效的利用。这将会导致工件成型质量较差，加工精度降低。而在材料粉末被烧结前的预热阶段，如果无法精确地控制预热温度，则会导致与烧结时的温度差出现较大的波动，使材料内部的温度梯度出现不均匀分布，进而使成型的工件含有一定的缺陷，如裂纹、缩孔等。以上这两种局限性会导致最终完成的工件在机械、电气、力学等性能上与产品实际的要求相差较远。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种应用纳秒激光精确控温3D打印高分子材料的装置。其可实现打印过程以及预热过程中同时对材料进行精确地温度控制，从而完成高精度、高质量的工件制造。

本发明通过如下技术方案实现：

一种应用纳秒激光精确控温3D打印高分子材料的装置，其包括两台纳秒级激光器，水平依次布置的预热室、进粉器和工作平台，在预热室的上方一段距离布置有用于对激光进行扩束以覆盖所需区域的扩束器和用于预热并控制高分子材料粉末的温度的第一激光器；在工作平台的上方一段距离布置有用于烧结并控制高分子材料粉末的温度的第二激光器和用于控制第二激光器发射的激光束按照既定路线扫描照射材料粉末的光束扫描控制器；进粉器连接到工作平台，用于将经预热室预热后的粉末均匀铺设在平台上，在预热室和工作平台上分别固定有用于实时探测与传递材料的温度的第一温度传感器和第二温度传感器，所述装置还包括控制模块，其通过信号线分别与所述传感器和激光器连接，用于根据温度传感器输入的信号，向激光器发出计算分析得出的脉冲控制信号。

优选地，第一激光器为脉冲工作方式，输出波长为1064nm，重复频率为20-100kHz可调节，单脉冲宽度小于100ns，功率为0-50W；第二激光器为脉冲工作方式，输出波长为532nm，重复频率为20-100kHz可调节；单脉冲宽度小于100ns，功率为0-100W。

优选地，扩束器由一系列消像差透镜组成，每个透镜光学表面均镀制对应激光器激光波长的高透射膜层。

优选地，光束扫描控制器内含两只激光扫描振镜，由控制模块控制驱动。

优选地，预热室为透明封闭结构，室壁采用石英，表面镀制对应激光器激光波长的高透射膜层。

优选地，温度传感器为铂电阻或者是K型热电偶。

优选地，高分子材料选自：尼龙6(PA6)、尼龙12(PA12)、尼龙66(PA66)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯醚(PPO)、聚乳酸(PLA)、聚醚醚酮(PEEK)。

通过使用该应用纳秒激光精确控温3D打印高分子材料的装置，在工艺过程中，可以通过控制脉冲激光器输出脉冲重复频率的增减，来精确地控制激光器在单位时间内发射的能量，从而使高分子材料粉末在预热过程中维持在足够精度的温度范围内，与烧结时的温度差尽可能地保持稳定，进而使材料内部的温度梯度均匀分布，使成型的工件内部的缺陷大大减少；又可以使高分子材料粉末在烧结过程中维持在足够精度的温度范围内，避免温度过低导致激光无法使材料充分熔融以及温度过高导致高分子材料发生降解而无法有效的利用，使工件成型质量较好，保持较高的加工精度。

附图说明

图1为本发明一种应用纳秒激光精确控温3D打印高分子材料的装置的结构示意图

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。但本领域技术人员了解，下述内容不是对本发明保护范围的限制，任何在本发明基础上做出的改进和变化，都在本发明的保护范围之内。

图1示出了本发明提出的一种应用纳秒激光精确控温3D打印高分子材料的装置的结构，如图1所示，3D打印装置包括两台纳米级激光器11和12，水平依次布置的预热室4、进粉器5和工作平台6，在预热室4的上方一段距离布置有扩束器2和第一激光器11，其中第一激光器11用于预热并控制高分子材料粉末的温度，为脉冲工作方式，输出波长为1064nm，重复频率为20-100kHz可调节，单脉冲宽度(半高全宽)小于100ns，功率为0-50W，扩束器2由一系列消像差透镜组成，每个透镜光学表面均镀制对应激光器激光波长的高透射膜层，用于将所述第一激光器11发射的激光束进行扩束，使其可以覆盖需要的区域；在工作平台6的上方一段距离布置有光束扫描控制器3和第二激光器12，其中光束扫描控制器3用于控制第二激光器12发射的激光束按照既定路线扫描照射材料粉末，内含激光扫描振镜，由计算机控制驱动(图中未示出)；第二激光器12用于烧结并控制高分子材料粉末的温度，为脉冲工作方式，输出波长为532nm，重复频率为20-100kHz可调节。单脉冲宽度(半高全宽)小于100ns，功率为0-100W。

预热室4用于盛放待预热处理的高分子材料粉末并在其内完成预热，为封闭结构，室壁采用石英，表面镀制对1064nm激光的高透射膜层；进粉器5，其用于将经过所述预热室4后预热的粉末均匀铺设，由电机带动(图中未示出)；工作平台6，其用于承载待烧结的高分子材料粉末，所述进粉器5将经过所述预热室4后预热的粉末均匀铺设于此工作平台上；在预热室4和工作平台6上分别固定第一温度传感器71和第二温度传感器72，上述传感器分别用于实时探测与传递材料的温度；其中温度传感器优选为铂电阻或者是K型热电偶，测温精度为±0.1℃；控制模块8，由信号线分别与所述第一和第二温度传感器71，72以及所述的激光器11与12连接，用于接收所述温度传感器71与72输入的信号，分析处理后得到所需的激光器11与12的脉冲控制信号，并传递给激光器。

以下将以高分子材料聚甲醛(POM)为例，说明上述打印装置的运行方法。其中待加工高分子材料为聚甲醛(POM)，其熔融温度为175℃，其降解温度为220℃；

采用本发明的装置，实现高分子材料3D打印的方法如下：

首先对预热室4内的高分子材料聚甲醛(POM)粉末进行激光照射预热，通过控制模块8调整预热室4外第一激光器11发射激光脉冲的平均功率至合适范围(0-50W)，重复频率初始设定为60kHz，使其对材料粉末进行加热的同时不损伤材料，调整扩束器2使1064nm激光束可以均匀完整的覆盖需要预热的材料，同时通过温度传感器实时监测材料粉末的温度。预设预热温度为165℃，当实际温度超过此预设温度时，控制模块8向第一激光器11发射信号使激光器脉冲的重复频率降低，这样使单位时间内激光器发射的脉冲数目减少，进而使材料在单位时间内吸收的激光能量减少，如此可使材料温度降低回到预设温度；当实际温度低于预设温度时，控制模块8向第一激光器11发射信号使激光器脉冲的重复频率升高，这样使单位时间内激光器发射的脉冲数目增加，进而使材料在单位时间内吸收的激光能量增加，如此可使材料温度升高回到预设温度。由于激光器的重复频率达到几十千赫兹，而脉冲宽度小于100ns，故通过控制激光器重复频率的增减(20-100kHz)，可以非常精确地控制激光器在极短时间内发射的能量，进而实现对预热过程中材料粉末高精确度的控温。

预热完成后，由进粉器5将粉末均匀铺设至工作平台6上的指定加工位置。通过计算机控制光束扫描控制器3内的激光扫描振镜，控制第二激光器12发射的532nm激光束按照既定路线扫描照射材料粉末。对工作平台6上的高分子材料粉末进行激光照射烧结时，通过控制模块8调整工作平台外激光器发射脉冲的平均功率至合适范围(0-100W)，重复频率初始设定为60kHz，使其在烧结的过程中不损伤材料。同理，再通过控制激光器重复频率的增减(20-100kHz)，来非常精确地控制激光器在单位时间内发射的能量，进而实现对待烧结材料粉末高精确度的控温。并且在控制激光器重复频率增减的过程中，激光可以一直保持照射烧结状态。

以上的方法可使高分子材料POM(聚甲醛)粉末在预热过程中维持在精确的温度点165±0.5℃，与烧结时的温度差保持恒定，使材料内部的温度梯度均匀分布，使成型的工件内部的缺陷大大减少；又可以使聚甲醛(POM)粉末在烧结过程中维持在精确的温度点200±0.5℃，避免温度过低导致激光无法使材料充分熔融以及温度过高导致高分子材料发生降解而无法有效的利用，使工件成型质量较好，保持较高的加工精度。在本发明中，上述实施例并不局限于通过用激光加工头来辐射粉末床的表面而使粉末熔化。产品原料可以由任何在相转变后形成固体的材料例如，由尼龙6(PA6)、尼龙12(PA12)、尼龙66(PA66)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯醚(PPO)、聚乳酸(PLA)、聚醚醚酮(PEEK)构成。

Claims (7)

1.一种应用纳秒激光精确控温3D打印高分子材料的装置，其特征在于包括两台纳秒级激光器、水平依次布置的预热室、进粉器和工作平台，在预热室的上方一段距离布置有用于对激光进行扩束以覆盖所需区域的扩束器和用于预热并控制高分子材料粉末的温度的第一激光器；在工作平台的上方一段距离布置有用于烧结并控制高分子材料粉末的温度的第二激光器和用于控制第二激光器发射的激光束按照既定路线扫描照射材料粉末的光束扫描控制器；进粉器连接到工作平台，用于将经预热室预热后的粉末均匀铺设在平台上，在预热室和工作平台上分别固定有用于实时探测与传递材料的温度的第一温度传感器和第二温度传感器，所述打印装置还包括控制模块，其通过信号线分别与所述传感器和激光器连接，用于根据温度传感器输入的信号，向激光器发出计算分析得出的脉冲控制信号。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第一激光器为脉冲工作方式，输出波长为1064nm，重复频率为20-100kHz可调节，单脉冲宽度小于100ns，功率为0-50W；第二激光器为脉冲工作方式，输出波长为532nm，重复频率为20-100kHz可调节；单脉冲宽度小于100ns，功率为0-100W。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述扩束器由一系列消像差透镜组成，每个透镜光学表面均镀制对应激光器激光波长的高透射膜层。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述光束扫描控制器内含两只激光扫描振镜，由控制模块控制驱动。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述预热室为透明封闭结构，室壁采用石英，表面镀制对应激光器激光波长的高透射膜层，底板为导热性良好的金属材料。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述温度传感器分别固定于预热室与工作平台上，为铂电阻或者是K型热电偶。

7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述高分子材料选自：尼龙6(PA6)、尼龙12(PA12)、尼龙66(PA66)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯醚(PPO)、聚乳酸(PLA)、聚醚醚酮(PEEK)。