CN104289711A - 一种激光3d打印设备及打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光3D打印设备及打印方法。激光3D打印设备包括机架、工作腔、激光扫描系统、铺粉系统、气氛保护净化系统和预热系统，激光扫描系统安装在工作腔外顶部的上方，并且连接有信号控制线。工作腔内还设有预热系统、送粉缸、成型缸、回收缸，预热系统安装于工作腔内的顶部下方，通过辐射照射预热置于送粉缸和成型缸中的粉末；激光扫描系统逐层扫描成型缸中的粉末，将粉末熔/融成型。依据本发明提供的激光3D打印设备及打印方法，确保了熔化层的激光成型质量，提高了粉末的利用率，能有效减少成型零件内部产生的内应力，防止工件尤其是复杂薄壁工件的变形和产生裂纹，实现高精度零件的成型加工，保护操作人员不受有害粉尘的伤害。

Description

一种激光3D打印设备及打印方法

技术领域

本发明属于增材制造领域，特别是涉及一种基于扫描振镜利用激光将粉末逐层熔化/融化堆积成型的激光3D打印设备以及3D打印成型方法。

背景技术

激光3D打印作为一种增材制造技术，具有较高的打印精度和打印速度，材料适用范围广，适用于多种金属或非金属材料的加工成型，近年来发展迅速。与挤出成型的3D打印方式不同，激光3D打印是一种基于扫描振镜利用激光将平铺好的粉末逐层熔化/融化，然后固化堆积成型的3D打印成型方法。其原理是先由CAD三维造型软件设计出所需零件的计算机三维实体模型，然后按工艺要求将其按一定厚度分解成一系列二维截面，即把原来的三维立体信息变成二维平面信息，激光通过扫描振镜扫描待成型粉末，一层熔化/融化成型固化后，再在上面覆盖一层粉末，逐层扫描熔化/融化叠加，最终形成了所需要的原型或零件，适合于制造高精度和表面光洁度的零部件。

为确保成型精度，减少或消除因为粉末加工前后温差过大造成的热应力，在激光扫描将粉末熔化的前后，需要将粉末预热到较为接近其熔融温度。因此，成型工作腔内的温度较高，热膨胀对激光3D打印设备的运动部件如铺粉装置造成不利影响，降低运动精度。为降低这种不利影响，就需要尽可能使控制运动精度的部件远离温度影响区。

CN201300207Y公开了“一种金属零件选区激光熔化快速成型设备”，包括激光器、扫描振镜、成型缸、送粉缸以及铺粉装置、加热板等，其加热板位于固定在成型缸的基板下方，成型粉末铺设在基板之上，加热板通过热传导对粉末进行预热。这种设备的温度影响区较小，而且铺粉装置悬于热影响区的上方，基本上不受热传导的影响，可保证铺粉装置的运动精度。然而这种设备的送粉缸中的粉末并未得到预热，需要由铺粉装置将粉术铺设在成型缸后才能得到预热，增加了成型等待时间，而且随着待成型工件在基板上逐层叠加打印，厚度不断增加，热量难以传递到铺设在工件已成型部分表面上的待成型粉末，待成型粉末不能得到充分预热，影响成型效果。因此，这种装备适用于导热性能良好的金属粉末的激光3D打印，而且对零件的厚度尺寸也有一定限制。对于导热性能不佳或大厚度尺寸的成型工件，由于热传导温度梯度的存在，待成型粉末不能得到有效预热，加工成型困难。

发明内容：

为解决现有技术的缺陷，本发明提供一种新型的激光3D打印设备，可对粉末进行有效预热，同时避免预热温度对各运动部件的影响，确保机构的运动精度。本发明的技术方案如下：

一种激光3D打印设备，包括机架、工作腔、激光扫描系统、铺粉系统、气氛保护净化系统和预热系统，所述激光扫描系统安装在工作腔外顶部的上方，并且连接有信号控制线，通过信号线接受激光扫描的控制信号；工作腔内还设有预热系统、送粉缸、成型缸、回收缸，预热系统安装于工作腔内的顶部下方，通过辐射照射加热置于送粉缸和成型缸中的粉末，对粉末进行预热；激光扫描系统产生激光并按照控制信号的要求逐层扫描成型缸中的粉末，将粉末按特定形状熔/融成型。

送粉缸和成型缸内设有可上下运动的活动板，活动板可沿送粉缸和成型缸的内壁上下运动，活动板的底部装有活动板驱动机构和活动板导向机构，以保持活动板上下运动的灵活性和稳定性。

所述活动板驱动机构是一种由伺服电机驱动的丝杠副，所述导向机构为导柱，伺服电机接受到驱动信号后，带动螺母按设定角度旋转，从而使活动板按规定的距离向上或向下移动。

所述铺粉系统包括刮板驱动装置、刮板导向装置、悬壁式刮板装置，刮板驱动装置和刮板导向装置设置在工作腔外的铺粉系统安装座内，刮板驱动装置是由电机带动的丝杠副，刮板导向装置为滑轨副，悬壁式刮板装置的安装板的一端安装在滑轨副的滑块上，并且与丝杠副的螺母固定在一起，安装板的另一端则装有刮板，设置在送粉缸的上方。铺粉系统工作时，由电机带动丝杆旋转，螺母带动刮板装置沿滑轨作水平方向的直线运动，刮板依次经过送粉缸、成型缸和回收缸的上方，把送粉缸内的粉末平铺到成型缸的活动板上。

所述工作腔的顶板、侧板、背板以及面板均为保温隔热板，背板是工作腔和铺粉系统安装座之间的分隔板，上面设有长槽，避免对悬壁式刮板装置的安装板的运动造成干涉，工作腔的正面还设有窗口镜，窗口镜关闭状态下，工作腔、送粉缸、成型缸、回收缸以及铺粉系统安装座构成封闭空间，可减少工作腔内的热量外传，而且工作腔内的的背板阻挡了热量向铺粉系统安装座的传递，预热温度对安装座的影响较小，保证了刮板装置的运动精度。

所述刮板装置设有刮板高度调节装置，调节装置为两对称设置的斜块，安装在悬壁式安装板上，刮板两端带有对称斜面，刮板的斜面分别与斜块的斜面紧贴安装，如果缩短两斜块之间的距离，刮板高度上升，反之刮板高度下降，以调节刮板的高度，并且可以始终保持刮板处于水平状态。

所述气氛保护净化系统包括贮气罐、气泵、过滤装置以及连接管路，管路与工作腔相连，构成气体封闭循环系统。成型加工前，气罐向工作腔内充入保护性气体，并且排出工作腔内的空气；成型加工开始后，贮气罐关闭，气泵启动，进入循环工作模式，工作腔内的保护性气体经由吸气管路、过滤装置、气泵入口、气泵出口，再经排气管路进入工作腔，使保护性气体得到净化和循环使用，避免待加工粉末的氧化。

本发明的激光3D打印设备的打印方法如下：

(1)刮板移动至初始位置，送粉缸活动板高度降至一定位置，送粉缸内装满一定数量和粒径的待加工粉末，粉末粒径不大于10μm，调整刮板至合适高度，使刮板的底边处于激光扫描系统的光斑聚集平面上，并且与送粉缸内的粉末接触，成型缸的活动板升至激光扫描系统的光斑聚集平面以下，成型缸活动板的上表面距距光斑聚集平面的距离为b，b值在10～50μm之间选取；

(2)启动气氛保护净化系统，向工作腔内充入保护性气体(氮气、氩气、氦气或上述气体组成的混合气体)，排出工作腔内的空气，待工作腔内充满保护性气体后，充气停止，气氛保护净化系统启动循环工作模式；

(3)启动预热系统，将送粉缸内的粉末表层、成型缸活动板加热至预设温度；

(4)送粉缸伺服电机接受控制信号，驱动送粉缸活动板上升一定距离a，且a值不小于b值，a值在0.5～2mm之间选取；

(5)刮板由初始位置开始水平运动，经由送粉缸、成型缸，最后止于回收缸上方，刮去送粉缸内厚度为a的表层粉末，平铺在成型缸的活动板上面，在成型缸内增加一层厚度为b的均匀粉末层，铺粉过程中多余的粉末落入回收缸中；

(6)启动激光扫描系统，使聚焦激光束按照输入信号设定的运动轨迹扫描置于成型缸内处于扫描基准平面的粉末，在一定的激光成型工艺参数下将厚度为b的粉末层按规定形状熔化成型，一层加工完成后，关闭激光扫描系统；

(7)成型缸伺服电机接受控制信号，驱动成型缸活动板下降一定距离b，刮板返回到初始位置；

(8)重复上述步骤(4)、(5)、(6)和(7)，直至完成整个零件的熔化堆积制造。

(9)预热系统停止工作，待成型缸活动板及其表面生长的零件的温度降至室温后，气氛保护净化系统停止工作，将成型的零件取出。

本发明采用了分隔式工作腔和安装座、辐照预热、可调刮板铺粉等新设计，大幅度提高了成型件的成型效率、成型精度和质量，能够获得精密、少或无缺陷的成型零件，与现有激光3D打印设备相比，本发明具有以下技术效果：

(1)采用三缸设置，保证了成型缸中新的待成型粉末具有恒定的厚度，并且始终处于激光聚集扫描的基准平面上，确保了熔化层的激光成型质量，每一层铺粉完毕后，刮板将铺粉过程中多余的粉末刮入回收缸中，贮存在回收缸中的粉末可重新利用，提高了粉末的利用率。

(2)采用辐射照射预热待加工粉末层，粉末受热均匀，避免了热传导产生的温度梯度，温度控制精确，能有效减少成型零件内部产生的内应力，防止工件尤其是复杂薄壁工件的变形和产生裂纹。

(3)刮板装置的安装座与工作腔分隔设置，刮板驱动装置和刮板导向装置受到的热影响小，保证了刮板的运动精度，确保了成型缸的待成型粉末层具有较高的平整度，实现高精度零件的成型加工。

(4)刮板高度可调，且能始终使刮板处于水平状态，保证了初次铺粉以及后续铺粉的精度。

(5)激光3D打印成型在封闭的腔体内进行，气氛保护净化系统不但能防止成型零件氧化，而且能过滤吸收激光成型过程中产生的烟尘，使激光聚焦镜免受污染，同时保护操作人员不受有害粉尘的伤害。

附图说明

图1是本发明实施例的装配结构示意图。

图2是本发明实施例内部结构示意图。

图3是图2中A-A剖视图。

图4是本发明工作腔和铺粉系统的立体结构分解示意图。

具体实施方式

为更清晰地理解本发明，以下结合附图对本发明的内容作进一步的说明。

参见图1～图4，本发明的激光3D打印包括机架1、工作腔3、激光扫描系统5、铺粉系统6、气氛保护净化系统2和预热系统4，工作腔3安装在机架1的上方。激光扫描系统5安装在工作腔3顶部的上方，通过信号线51接受控制信号；预热系统4是一种辐射照射加热源，安装在工作腔3内的顶部下方，通过辐射照射加热置于送粉缸31和成型缸32中的粉末，对粉末进行预热；送粉缸31、成型缸32、回收缸33设置在工作腔3的下部，成型缸32位于送粉缸31和回收缸33之间；工作腔3的顶板35、侧板38、背板34以及面板36均为保温隔热板，面板36上设有可转动的窗口镜37，背板34的下部设有槽341；铺粉系统6的安装座61设置在工作腔3的背板34之后，安装座61与工作腔3之间用背板34分隔，悬壁式刮板装置62的安装板621的一端安装在安装座61内，另一端穿过槽341伸入工作腔3。气氛保护净化系统2包括贮气罐21、气泵22、过滤装置23以及管路24，管路24与工作腔3相连，构成气体封闭循环系统。

送粉缸31和成型缸32内设有可上下运动的活动板311和活动板321，活动板311和活动板321均设有驱动机构和导向机构，驱动机构是伺服电机驱动的丝杠副，导向机构是导柱。如图2所示，送粉缸31的活动板311的的底部固定在丝杠副的丝杆312的端部，并且和导柱313的端部固定在一起，螺母315安装在机架1上，导柱313和导柱套314为滑动配合，导柱套314固定在机架1上，伺服电机316驱动螺母315旋转，从而带动活动板311沿内壁318向上或向下运动。依同样结构，也可实现成型缸32的活动板321向下或向上运动。

参见图2和图4，铺粉系统6的刮板驱动装置为电机带动的丝杠副，丝杆63通过轴承座64被安装在安装座61内，丝杆63的一端装有电机65；刮板导向装置为滑轨副，滑轨66固定在安装座61内，滑块661与滑轨66为滑动配合；悬壁式刮板装置62的安装板621的一端安装在滑轨副的滑块661上，并且与丝杠副的螺母631固定在一起，安装板621的另一端则装有刮板622，设置在送粉缸31的上方；刮板装置62设有刮板高度调节装置，调节装置为在安装板621上对称设置的两个斜块623，刮板622的两端带有对称斜面，刮板622的斜面分别与斜块623的斜面紧贴安装，缩短两斜块623之间的距离，刮板622的高度上升，反之刮板622的高度下降，以便调整刮板622的高度，并且保持刮板622始终处于水平状态。

本发明实施例的激光3D打印设备的打印方法如下：

(1)刮板622移动至送粉缸31边沿的初始位置(见图3)，送粉缸活动板311下降一定距离，送粉缸31内装满粒径不大于10μm的待加工粉末，粉末粒径均匀，调整刮板622，使刮板622的底边处于激光扫描系统5的光斑聚集平面上，并且与送粉缸31内的粉末表面接触，成型缸32的活动板321升至激光扫描系统5的光斑聚集平面以下10～50μm处，激光功率为50～200W，聚集光斑直径为10～100μm，调整激光功率和聚集光斑直径，以适用于塑料、陶瓷或金属材料的加工；

(2)关闭窗口镜37，启动气氛保护净化系统2，向工作腔3内充入保护性气体(氮气、氩气、氦气或上述气体组成的混合气体)，替换排出工作腔3内的空气，待工作腔3内的氧含量降至1PPM以下时，充气停止，气氛保护净化系统3启动循环工作模式，保护性气体由管路24进入过滤装置23净化后，再通过气泵22排入工作腔3内，使工作腔3始终保持气氛环境净化且氧含量在1PPM以下；

(3)启动预热系统4，根据零件材料的要求，将送粉缸31内的粉末表层、成型缸32的活动板321加热至80～100℃，并始终保持温度在预设的规定值范围；

(4)伺服电机316接受控制信号，送粉缸31的活动板311上升0.5～2mm，活动板311上升的高度不小于活动板321距光斑聚集平面的距离；

(5)刮板622以1～10m/min的速度由初始位置开始水平运动，经由送粉缸31、成型缸32，最后在回收缸33中间位置的上方停止，经过成型缸32时将粉末平铺在活动板321的表面，刮去送粉缸31内0.5～2mm厚的表层粉末，平铺在成型缸32的活动板321上面，在成型缸32内增加一层厚度为10～50μm的均匀粉末层，铺粉过程中多余的粉末落入回收缸33中；

(6)启动激光扫描系统5，使聚焦激光束按照输入信号设定的运动轨迹扫描置于成型缸32内处于光斑聚集平面的粉末，将平铺在活动板321上的新粉末层按规定形状熔化成型，一层加工完成后，关闭激光扫描系统；

(7)伺服电机317控制成型缸32的活动板321下降10～50μm，刮板622返回到送粉缸31边沿的初始位置；

(8)重复上述步骤(4)、(5)、(6)和(7)，直至完成整个零件的熔化堆积制造。

(9)预热系统4停止工作，待成型缸32的活动板321及其表面生长的零件的温度降至室温后，气氛保护净化系统2停止工作，打开窗口镜37，将成型的零件取出。

依本发明公开的实施例，本发明的机架、工作腔、激光扫描系统、铺粉系统、气氛保护净化系统和预热系统，本领域技术人员均可通过商业化采购或以多种方式设计加工来实现。

Claims (9)

1.一种激光3D打印设备，包括机架、工作腔、激光扫描系统、铺粉系统、气氛保护净化系统和预热系统，所述激光扫描系统安装在工作腔外顶部的上方，并且连接有信号控制线，通过信号线接受激光扫描的控制信号，其特征在于所述工作腔内还设有预热系统、送粉缸、成型缸、回收缸，预热系统安装于工作腔内的顶部下方。

2.根据权利要求1所述的一种激光3D打印设备，其特征在于所述送粉缸和成型缸内设有可上下运动的活动板，活动板的底部装有活动板驱动机构和活动板导向机构。

3.根据权利要求2所述的一种激光3D打印设备，其特征在于所述活动板驱动机构是由伺服电机驱动的丝杠副，所述导向机构为导柱。

4.根据权利要求1或2所述的一种激光3D打印设备，其特征在于所述铺粉系统包括刮板驱动装置、刮板导向装置、悬壁式刮板装置，刮板驱动装置和刮板导向装置设置在工作腔外的铺粉系统安装座内，刮板驱动装置是由电机带动的丝杠副，刮板导向装置为滑轨副，悬壁式刮板装置的安装板的一端安装在滑轨副的滑块上，并且与丝杠副的螺母固定在一起，安装板的另一端则装有刮板，设置在送粉缸的上方。

5.根据权利要求4所述的一种激光3D打印设备，其特征在于所述工作腔的顶板、侧板、背板以及面板均为保温隔热板，背板是工作腔和铺粉系统安装座之间的分隔板，上面设有长槽，工作腔的正面还设有窗口镜。

6.根据权利要求4所述的一种激光3D打印设备，其特征在于所述刮板装置设有刮板高度调节装置，调节装置为两对称设置的斜块，安装在悬壁式安装板上，刮板两端带有对称斜面，刮板的斜面分别与斜块的斜面紧贴安装。

7.根据权利要求4所述的一种激光3D打印设备，其特征在于所述气氛保护净化系统包括贮气罐、气泵、过滤装置以及连接管路，管路与工作腔相连，构成气体封闭循环系统。

8.一种如权利要求7所述的激光3D打印设备的打印方法，其特征如下：

(1)刮板移动至初始位置，送粉缸活动板高度降至一定位置，送粉缸内装满一定粒径的待加工粉末，调整刮板至合适高度，使刮板的底边处于激光扫描系统的光斑聚集平面上，并且与送粉缸内的粉末接触，成型缸的活动板升至激光扫描系统的光斑聚集平面以下，成型缸活动板的上表面距距光斑聚集平面的距离为b；

(2)启动气氛保护净化系统，向工作腔内充入保护性气体(氮气、氩气、氦气或上述气体组成的混合气体)，排出工作腔内的空气，待工作腔内充满保护性气体后，充气停止，气氛保护净化系统启动循环工作模式；

(3)启动预热系统，将送粉缸内的粉末表层、成型缸活动板加热至预设温度；

(4)送粉缸伺服电机驱动送粉缸活动板上升一定距离a，且a值不小于b值；

(5)刮板由初始位置开始水平运动，经由送粉缸、成型缸，最后止于回收缸上方，刮去送粉缸内厚度为a的表层粉末，平铺在成型缸的活动板上面，在成型缸内增加一层厚度为b的均匀粉末层，铺粉过程中多余的粉末落入回收缸中；

(6)启动激光扫描系统，使聚焦激光束按照输入信号设定的运动轨迹扫描置于成型缸内处于扫描基准平面的粉末，在一定的激光成型工艺参数下将厚度为b的粉末层按规定形状熔化成型，一层加工完成后，关闭激光扫描系统；

(7)成型缸伺服电机驱动成型缸活动板下降一定距离b，刮板返回到初始位置；

(8)重复上述步骤(4)、(5)、(6)和(7)，直至完成整个零件的熔化堆积制造。

预热系统停止工作，待成型缸活动板及其表面生长的零件的温度降至室温后，气氛保护净化系统停止工作，将成型的零件取出。

9.根据权利要求8所述的一种激光3D打印设备的打印方法，其特征在于所述待加工粉末粒径不大于10μm，所述a值在0.5～2mm之间选取，b值在10～50μm之间选取。