CN104827034A - 3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及3D打印装置，包括：轮廓形成元件，用于对加工平面的待成型材料进行处理，和/或在所述加工平面设置待成型材料，以在加工平面逐层形成轮廓层；材料去除元件，用于在形成每层轮廓层后和/或形成轮廓层的过程中，去除该层轮廓层中超出预设区域的材料，和/或去除该轮廓层中超出预设高度的材料。通过在每层轮廓形成后，或在每层轮廓成型过程中，利用飞秒激光或皮秒激光去除超出预设区域的材料，可以提高形成的每层轮廓的精度和表面质量，从而提高形成的三维器件的精度和表面质量。

Description

3D打印装置

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体而言，涉及3D打印装置。

背景技术

现有的3D打印装置主要包括以下三种：SLS(Selective LaserSintering)、SLM(Selective Laser Melting)和DMLS(Direct Metal LaserSintering)。上述三种3D打印装置结构图如图1所示，工作原理如下：

先在计算机上利用pro/e、UG、CATIA等三维造型软件设计出零件的三维实体模型，然后通过切片软件对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，由轮廓数据生成填充扫描路径，设备将按照这些填充扫描线，控制激光束选区加工材料材料，逐步堆叠成三维零件。

(1)激光束开始扫描前，通过送粉缸或者其他装置送入一定量的材料，铺粉辊或者铺粉刮板等将材料带到工作平面的基板上，形成一个均匀平整的粉层；

(2)在计算机控制下，激光束根据零件CAD模型的的第一层数据信息选择性地熔化粉层中某一区域的材料，以成形零件的一个水平方向二维截面；

(3)该层轮廓熔扫描完毕后，工作缸下降一个切片层厚的距离，通过送粉缸或者其他装置送入一定量的材料，铺粉辊或者铺粉刮板等将材料再将材料送到已经熔化的材料上部，形成一个层厚的均匀粉层，计算机调入下一个层面的二维轮廓信息，并进行加工；

(4)如此层层加工，直至成形过程完成，得到与三维实体模型相同的三维零件。

上述3D打印装置的加工具有以下缺点：

加工过程都是一个对材料的熔化凝固或烧结凝固的过程，加工精度以及成型之后的表面质量都与融化凝固或烧结凝固的熔池的大小密切相关。通常的加工精度仅能达到0.05mm，成型表面质量在15um到50um之间，相比于传统的减材制造(如切削等)，虽然，成型件经过简单的手工打磨或者采用喷丸、电解抛光等后续处理能够获得良好的表面质量，但是当零件内部复杂且为关键部位功能，或者是一些精细零件时，上述后续处理方式将不再适用。

逐层加工过程中，前一层水平面的表面质量直接影响到下一层的铺粉均匀性，影响加工精度。金属材料的打印中如果前一层的表面粗糙度值很大，甚至存在球化现象，则可能导致下一层的铺粉过程无法完成，从而使得成型加工无法继续。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，如何提高3D打印形成器件的精度和表面质量。

为此目的，本发明提出了一种3D打印装置，包括：

轮廓形成元件，用于对加工平面的待成型材料进行处理，和/或在所述加工平面设置待成型材料，以在加工平面逐层形成轮廓层；

材料去除元件，用于在形成每层轮廓层后和/或形成所述轮廓层的过程中，去除该层轮廓层中超出预设区域的材料，和/或去除该轮廓层中超出预设高度的材料。

优选地，所述轮廓形成元件包括熔融激光器、成型电子束发射器或成型材料喷头，所述材料去除元件包括去除激光器或去除电子束发射器。

优选地，在所述轮廓形成元件为熔融激光器时，所述3D打印装置还包括：

合束器，设置于所述熔融激光器的第一方向，所述去除激光器的第二方向，用于将所述熔融激光器射出的第一激光和所述去除激光器射出的第二激光的传播方向调整至预设方向；

激光振镜，设置于所述合束器的第三方向，用于偏转所述第一激光以熔融或烧结材料形成所述轮廓层，或偏转所述去除激光以去除所述轮廓层中超出预设区域的材料，和/或去除该轮廓层中超出预设高度的材料。

优选地，在所述轮廓形成元件为熔融激光器，所述材料去除元件为去除激光器时，所述3D打印装置还包括：

第一激光振镜，设置于所述熔融激光器的第四方向，用于偏转所述熔融激光器射出的第一激光以熔融或烧结材料形成所述轮廓层；

第二激光振镜，设置于所述去除激光器的第五方向，用于偏转所述去除激光器射出的第二激光以去除所述轮廓层中超出预设区域的材料，和/或去除该轮廓层中超出预设高度的材料。

优选地，在所述轮廓形成元件为熔融激光器，所述材料去除元件为去除激光器时，所述3D打印装置还包括：

反射元件，位于第一位置时，使所述熔融激光器射出的第一激光射向激光振镜，位于第二位置时，使所述去除激光器射出的第二激光射向所述激光振镜；

所述激光振镜，设置于所述反射元件的第六方向，用于偏转所述第一激光以熔融或烧结材料形成轮廓层，或偏转所述去除激光以去除所述轮廓层中超出预设区域的材料，和/或去除该轮廓层中超出预设高度的材料。

优选地，在所述材料去除元件为去除激光器时，所述去除激光器射出的第二激光为飞秒激光和/或皮秒激光。

优选地，还包括：

激光选择元件，用于控制所述材料去除元件射出飞秒激光和/或皮秒激光。

优选地，在所述轮廓形成元件为成型电子束发射器，所述材料去除元件为去除电子束发射器时，所述3D打印装置还包括：

第一电子偏转器，设置于所述成型电子束发射器的第四方向，用于偏转所述成型电子束发射器射出的第一电子束以形成所述轮廓层；

第二电子偏转器，设置于所述去除电子束发射器的第五方向，用于偏转所述去除电子束发射器射出的第二电子束以去除所述轮廓层中超出预设区域的材料，和/或去除该轮廓层中超出预设高度的材料。

优选地，所述材料去除元件还用于在所述轮廓层的表面形成预设图形。

优选地，还包括：

送粉缸，用于向成型缸的加工平面上传输材料；

所述成型缸，用于控制所述加工平面运动，以根据每层轮廓层形成三维器件。

根据上述技术方案，通过在每层轮廓形成后，或在每层轮廓成型过程中，利用飞秒激光或皮秒激光去除超出预设区域和/或预设高度的材料，可以提高形成的每层轮廓的精度和表面质量，从而提高形成的三维器件的精度和表面质量。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了现有技术中3D打印装置的结构示意图；

图2示出了根据本发明一个实施例的3D打印装置的结构示意图；

图3示出了根据本发明又一个实施例的3D打印装置的结构示意图；

图4和图5示出了根据本发明又一个实施例的3D打印装置的结构示意图。

附图标号说明：

图2中：11-熔融激光器；12-去除激光器；13-合束器；14-激光振镜；15-成型缸；16-送粉缸；17-三维器件。

图3中：21-熔融激光器；22-去除激光器；23-第一激光振镜；24-第二激光振镜；25-成型缸；26-送粉缸；27-三维器件；

图4和图5中：

31-熔融激光器；32-去除激光器；33-反射元件；34-激光振镜；25-成型缸；26-送粉缸；27-三维器件。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

根据本发明一个实施例的3D打印装置，包括：

轮廓形成元件，用于对加工平面的待成型材料进行处理，和/或在加工平面设置待成型材料，以在加工平面逐层形成轮廓层；

材料去除元件，用于在形成每层轮廓层后和/或在轮廓形成元件形成轮廓层的过程中，去除该层轮廓层中超出预设区域的材料，和/或去除该轮廓层中超出预设高度的材料。

通过在每层轮廓形成后，或在每层轮廓成型过程中，利用材料去除元件，例如去除激光器，射出激光去除轮廓层中超出预设区域(预设区域可以是相应层的标准轮廓)和/或预设高度的材料，可以保证形成的每层轮廓均与相应层的标准轮廓相同，从而提高形成的每层轮廓的精度和表面质量，并使得每层材料可以平整地铺设于加工平面，提高形成的三维器件的精度和表面质量。

优选地，轮廓形成元件包括但不仅限于熔融激光器、成型电子束发射器或成型材料喷头，材料去除元件包括去除激光器或去除电子束发射器。

实施例一

如图2所示，在轮廓形成元件为熔融激光器11，材料去除元件为去除激光器12时，3D打印装置还包括：

合束器13，设置于熔融激光器11的第一方向，去除激光器12的第二方向，用于将熔融激光器11射出的第一激光和去除激光器12射出的第二激光的传播方向调整至预设方向；

例如，合束器13可以设置于直角坐标系的原点，熔融激光器11设置于x轴正方向，材料去除元件12设置于y轴正方向，合束器13可以使得从x轴正方向射出的激光和从y轴正方向射出的激光均朝激光振镜传播；

具体地，可以先开启第一激光器11形成一层轮廓层之后，再开启第二激光器12，从而使得去除激光作用于轮廓层上预设区域之外的材料；

激光振镜14，设置于合束器的第三方向，例如设置于x轴负方向，用于偏转第一激光以熔融或烧结材料形成轮廓层，或偏转去除激光以去除轮廓层中超出预设区域的材料，激光振镜14可以将去除激光偏转至预设区域的边沿，并沿着预设区域边沿运动，从而去除轮廓层中预设区域以外的材料。

采用材料去除元件去除轮廓层中预设区域和/或预设高度以外的材料，相对于现有技术中在器件成型后采用手工打磨或者采用喷丸、电解抛光等处理，由于是对于每一层都进行处理，可以保证复杂器件内部的每个部位都得到良好的处理，适用范围更广，而且处理精度更高。

实施例二

如图3所示，在轮廓形成元件为熔融激光器21，材料去除元件为去除激光器22时，3D打印装置还包括：

第一激光振镜23，设置于熔融激光器21的第四方向，用于偏转熔融激光器21射出的第一激光以熔融或烧结材料形成轮廓层；

第二激光振镜24，设置于去除激光器22的第五方向，用于偏转去除激光器22射出的第二激光以去除轮廓层中超出预设区域的材料，和/或去除该轮廓层中超出预设高度的材料。

实施例二与实施例一相比，可以通过不同的激光振镜分别偏转第一激光和第二激光，省去了合束器。

实施例三

如图4和图5所示，在轮廓形成元件为熔融激光器31，材料去除元件为去除激光器32时，3D打印装置还包括：

反射元件33，位于第一位置时，使熔融激光器31射出的第一激光射向激光振镜34(如图4所示)，此时为了节约功耗，可以关闭第二激光器32，位于第二位置时，使材料去除元件32射出的第二激光射向激光振镜34(如图5所示)，此时为了节约功耗，可以关闭第一激光器31；

通过调整反射元件33的位置，选择遮挡第一激光，并使得第二激光反射射向激光振镜34。当然，若第一激光器31与第二激光器32的位置对调，则可以通过调整反射元件33的位置，选择遮挡第二激光，并使得第一激光反射射向激光振镜34；

激光振镜34，设置于反射元件33的第六方向，用于偏转第一激光以熔融或烧结材料形成轮廓层，或偏转去除激光以去除轮廓层中超出预设区域的材料，和/或去除该轮廓层中超出预设高度的材料。

优选地，在材料去除元件为去除激光器时，去除激光器射出的第二激光为飞秒激光和/或皮秒激光。

优选地，材料去除元件还用于在轮廓层的表面形成预设图形。

例如，轮廓层的厚度为0.02mm，材料去除元件可以根据设置在轮廓层表面形成深度为10nm至100nm的图形。

优选地，还包括：

送粉缸16，用于向成型缸15的加工平面上传输材料；

成型缸15，用于控制加工平面运动，以根据每层轮廓层形成三维器件17。

具体地，飞秒激光和材料(例如粉末状材料)作用过程中，材料中的电子通过对入射激光的多光子非线性吸收方式获得受激能量，获得的能量仅在几个纳米厚度的吸收层上，迅速聚积，作用区域内的温度瞬间急剧上升，并远远超过材料的熔化和汽化温度值，使物质发生高度电离，最终处于高温、高压和高密度的等离子体状态；由于受辐射持续时间只有飞秒量级(即10^-15s)，远小于材料中受激电子通过转移、转化等形式的能量释放时间，因而从根本上避免了热扩散的存在和影响；同时飞秒量级脉冲有着非常高的瞬时功率，产生的光电场强度比原子内部库仑场高数倍，材料内部原有的束缚力已不足以遏止高密度离子、电子的迅速膨胀，最终使作用区域内的材料以等离子体向外喷发的形式得到去除，实现了激光对材料的非热熔性加工，即在去除预设区域以外的材料时，不会再次熔融材料(即在轮廓形成元件为熔融激光器时，熔融激光器通过熔融材料在加工平面上形成轮廓层，由于材料以熔融的方式被加工，熔融态的材料会产生不规则流动，从而超出预设区域，导致形成的器件表面不光滑或不够规则，而材料去除元件仅起到去除效果，而不会在去除材料的同时熔融材料)，从而保证处理后的轮廓表面光滑。

飞秒激光加工过程中，脉冲的超高峰值使得材料对入射激光进行多光子吸收，而非线性共振方式吸收，使得飞秒激光加工高度依赖于激光强度，并具有确定阈值的特性。多光子吸收程度和电离阈值仅依赖于材料中的原子特性，与其中的自由电子浓度无关。因此当脉冲持续时间足够短、峰值足够高时，飞秒激光可以实现对任何材质的材料的精细加工、修复和处理，而与材料的种类和特性无关，从铼、钛等高熔点金属到生物的心脏柔软组织，甚至是细胞内部的线粒体都可以进行加工，具有广泛的加工特性，从而可以对多种多样的材料进行去除。

飞秒激光在极短的时间和极小的空间内与物质相互作用，由于没有能量扩散等影响，向作用区域内集中注入的能量获得有效的高度积聚，等离子体的喷发几乎带走了原有全部的热量，作用区域内的温度获得骤然下降，大致恢复到激光作用前的状态，这从根本上消除了类似于长脉冲加工过程中的熔融区、热影响区、冲击波等多种效应对周围材料造成的影响和热损伤，大大减弱和消除了传统加工中热效应带来的如裂纹等负面影响，实现了相对意义上的冷加工。由于加工过程所涉及的空间范围大大缩小，决不会伤及其他非目标材料，提高了激光加工的精确程度

在飞秒激光和物质作用的过程中，材料对激光能量的吸收与光子强度的n次方成正比。由于激光强度在空间上一般呈高斯型分布,即入射激光经过聚焦后在焦斑中心的位置强度最大，趋向于焦斑边缘时,强度逐渐减弱，因此调节入射激光束，使得焦斑的中心强度刚好满足材料的多光子电离阈值，则加工过程中的能量吸收和作用范围就被仅限于焦点中心位置处的很小一部分体积内，而非整个聚焦光斑所辐照的区域。因此飞秒激光加工可以突破光束衍射极限的限制，实现尺寸小于波长的亚微米或纳米级操作。

与飞秒激光类似，皮秒激光的脉冲时间在皮秒这个数量级，比飞秒要长。但现阶段皮秒激光能达到的输出功率比飞秒激光大得多，所以可以通过采用皮秒激光来进行材料去除，以提高去除效率。

优选地，还包括：

激光选择元件，用于控制材料去除元件射出飞秒激光和/或皮秒激光。

在去除材料时，可以根据所需去除区域的大小和厚度等因素切换材料去除元件射出的激光，例如去除区域较小且较薄，则可以控制材料去除元件射出飞秒激光，以精确去除超出预设区域的材料，若去除区域较大且较厚，则可以控制材料去除元件射出皮秒激光，以快速去除超出预设区域的材料，然后再控制材料去除元件射出飞秒激光，进行精确去除，从而实现去除速度与去除精度的兼顾。

优选地，在轮廓形成元件为成型电子束发射器，材料去除元件为去除电子束发射器时，3D打印装置还包括：

第一电子偏转器，设置于成型电子束发射器的第四方向，用于偏转成型电子束发射器射出的第一电子束以形成轮廓层；

第二电子偏转器，设置于去除电子束发射器的第五方向，用于偏转去除电子束发射器射出的第二电子束以去除轮廓层中超出预设区域的材料，和/或去除该轮廓层中超出预设高度的材料。

其中，第一电子偏转器和第二电子偏转器可以通过产生的磁场分别偏转成型电子束发射器和去除电子束发射器射出的电子束，以形成轮廓层或去除轮廓层中的材料。

以上结合附图详细说明了本发明的技术方案，考虑到现有技术中，在3D打印技术中，难以处理成型器件复杂部位的粗糙部。根据本发明的技术方案，通过在每层轮廓形成后，或在每层轮廓成型过程中，利用飞秒激光或皮秒激光去除超出预设区域的材料，可以提高形成的每层轮廓的精度和表面质量，从而提高形成的三维器件的精度和表面质量。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种3D打印装置，其特征在于，包括：

轮廓形成元件，用于对加工平面的待成型材料进行处理，和/或在所述加工平面设置待成型材料，以在加工平面逐层形成轮廓层；

材料去除元件，用于在形成每层轮廓层后和/或形成所述轮廓层的过程中，去除该层轮廓层中超出预设区域的材料，和/或去除该轮廓层中超出预设高度的材料。

2.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述轮廓形成元件包括熔融激光器、成型电子束发射器或成型材料喷头，所述材料去除元件包括去除激光器或去除电子束发射器。

3.根据权利要求2所述的3D打印装置，其特征在于，在所述轮廓形成元件为熔融激光器，所述材料去除元件为去除激光器时，所述3D打印装置还包括：

合束器，设置于所述熔融激光器的第一方向，所述去除激光器的第二方向，用于将所述熔融激光器射出的第一激光和所述去除激光器射出的第二激光的传播方向调整至预设方向；

激光振镜，设置于所述合束器的第三方向，用于偏转所述第一激光以熔融或烧结材料形成所述轮廓层，或偏转所述去除激光以去除所述轮廓层中超出预设区域的材料，和/或去除该轮廓层中超出预设高度的材料。

4.根据权利要求2所述的3D打印装置，其特征在于，在所述轮廓形成元件为熔融激光器，所述材料去除元件为去除激光器时，所述3D打印装置还包括：

第一激光振镜，设置于所述熔融激光器的第四方向，用于偏转所述熔融激光器射出的第一激光以熔融或烧结材料形成所述轮廓层；

第二激光振镜，设置于所述去除激光器的第五方向，用于偏转所述去除激光器射出的第二激光以去除所述轮廓层中超出预设区域的材料，和/或去除该轮廓层中超出预设高度的材料。

5.根据权利要求2所述的3D打印装置，其特征在于，在所述轮廓形成元件为熔融激光器，所述材料去除元件为去除激光器时，所述3D打印装置还包括：

反射元件，位于第一位置时，使所述熔融激光器射出的第一激光射向激光振镜，位于第二位置时，使所述去除激光器射出的第二激光射向所述激光振镜；

所述激光振镜，设置于所述反射元件的第六方向，用于偏转所述第一激光以熔融或烧结材料形成轮廓层，或偏转所述去除激光以去除所述轮廓层中超出预设区域的材料，和/或去除该轮廓层中超出预设高度的材料。

6.根据权利要求2所述的3D打印装置，其特征在于，在所述材料去除元件为去除激光器时，所述去除激光器射出的第二激光为飞秒激光和/或皮秒激光。

7.根据权利要求6所述的3D打印装置，其特征在于，还包括：

激光选择元件，用于控制所述材料去除元件射出飞秒激光和/或皮秒激光。

8.根据权利要求2所述的3D打印装置，其特征在于，在所述轮廓形成元件为成型电子束发射器，所述材料去除元件为去除电子束发射器时，所述3D打印装置还包括：

第一电子偏转器，设置于所述成型电子束发射器的第四方向，用于偏转所述成型电子束发射器射出的第一电子束以形成所述轮廓层；

第二电子偏转器，设置于所述去除电子束发射器的第五方向，用于偏转所述去除电子束发射器射出的第二电子束以去除所述轮廓层中超出预设区域的材料，和/或去除该轮廓层中超出预设高度的材料。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的3D打印装置，其特征在于，所述材料去除元件还用于在所述轮廓层的表面形成预设图形。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的3D打印装置，其特征在于，还包括：

送粉缸，用于向成型缸的加工平面上传输材料；

所述成型缸，用于控制所述加工平面运动，以根据每层轮廓层形成三维器件。