CN105081320A - 3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及3D打印装置，包括：电子束发射器和功率密度调节元件，功率密度调节元件调节电子束发射器聚焦点的功率密度，使电子束发射器发射电子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，或使电子束发射器在形成每层轮廓层后和/或形成轮廓层的过程中，发射电子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。在每层轮廓形成后，或在每层轮廓成型过程中，通过电子束发射器发射电子束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。

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(SelectiveLaserSintering)、SLM(SelectiveLaserMelting)和DMLS(DirectMetalLaserSintering)。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：电子束发射器和功率密度调节元件，

所述功率密度调节元件在接收到第一指令时，将所述电子束发射器聚焦点的功率密度调节为第一功率密度，以使所述电子束发射器发射电子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；

所述功率密度调节元件在接收到第二指令时，将所述电子束发射器聚焦点的功率密度调节为第二功率密度，以使所述电子束发射器在形成每层轮廓层后和/或形成所述轮廓层的过程中，发射电子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，还包括：

真空室，其中，所述待成型材料位于所述真空室中；

抽真空元件，用于抽出所述真空室中的气体。

优选地，所述功率密度调节元件在接收到第三指令时，将所述电子束发射器聚焦点的发射功率密度调节为第三功率密度，以使所述电子束发射器发射电子在所述轮廓层的表面形成预设图形。

优选地，所述功率密度调节元件包括：

功率调节元件，根据接收到的指令调节所述电子束发射器发射电子的功率；

和/或

电子偏转元件，根据接收到的指令调节所述电子束发射器发射电子的偏转方向；

还包括：

时间控制元件，用于控制所述电子束发射器按照预定的工作时间和休止时间比发射电子。

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。

本发明还提出了一种3D打印装置，包括：激光发射器和功率密度调节元件，

所述功率密度调节元件在接收到第四指令时，将所述激光发射器聚焦点的功率密度调节为第四功率密度，以使所述激光发射器发射激光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；

所述功率密度调节元件在接收到第五指令时，将所述激光发射器聚焦点的功率密度调节为第五功率密度，以使所述激光发射器在形成每层轮廓层后和/或形成所述轮廓层的过程中，发射激光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。

本发明还提出了一种3D打印装置，包括：

第一电子束发射器，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；

第二电子束发射器，用于在所述第一电子束发射器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，还包括：

电子偏转元件，根据接收到的指令调节所述第一电子束发射器和/或第二电子束发射器发射电子的偏转方向；

时间控制元件，用于控制所述第一电子束发射器和/或第二电子束发射器按照预定的工作时间和休止时间比发射电子。

优选地，还包括：

真空室，其中，所述待成型材料位于所述真空室中；

抽真空元件，用于抽出所述真空室中的气体。

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，可以通过电子束发射器发射电子束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。

附图标号说明：

图2中：11-电子束发射器；12-功率密度调节元件；121-功率调节元件；122-电子偏转元件；13-真空室；14-抽真空元件；15-成型缸；16-送粉缸；17-三维器件；

图3中：21-第一电子束发射器；22-第二电子束发射器；23-电子偏转元件；24-真空室；25-抽真空元件；26-送粉缸；27-三维器件；28-三维器件。

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。

如图2所示，根据本发明一个实施例的3D打印装置，包括：电子束发射器11和功率密度调节元件12，

功率密度调节元件12在接收到第一指令时，将电子束发射器11聚焦点的功率密度调节为第一功率密度，以使电子束发射器11发射电子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；

功率密度调节元件12在接收到第二指令时，将电子束发射器11聚焦点的功率密度调节为第二功率密度，以使电子束发射器11在形成每层轮廓层后和/或形成轮廓层的过程中，发射电子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。

在本实施例中，可以在每层轮廓形成后，或在每层轮廓成型过程中，通过电子束发射器11发射电子束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。

并且本实施例功率密度调节元件12来调节电子束发射器11的功率，实现了通过一个电子束发射器11在加工平面逐层形成轮廓层，以及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，无需分别设置形成轮廓层的元件和去除材料的元件，节省了装置占用的空间。

通过电子束熔融材料或去除材料具有以下优点：

1)电子束可以实现精准的聚焦，使得加工处的精度能够达到0.1微米，束斑和强度的误差在1％以内，便于进行精确加工，不易对其他区域造成热影响；

2)电子束的功率可以调节的很高，在去除材料时，能够使得材料的温度急剧上升，材料未经融化直接变为了气体(即升华)，去除过程中无机械力作用，工件产生的应力和形变都很小，适用于对各种材料的产品进行加工，例如脆性材料、导体材料、半导体材料等。

优选地，还包括：

真空室13，其中，待成型材料位于真空室13中；

抽真空元件14，用于抽出真空室13中的气体。

通过真空室13和抽真空元件14可以保证电子束在真空环境下进行加工，使得电子束在照射到工件之前，不易与其他粒子碰撞而损失能量，保证电子束的加工效果。还可以避免电子束发射器的灯丝被氧化而损坏。

需要说明的是，在真空室13和电子束发射器11之间还可以设置有电子偏转元件122，用于将电子束发射器11发射的电子偏转至加工平面的预设区域，以便对加工平面上的材料进行加工。

优选地，功率密度调节元件12在接收到第三指令时，将电子束发射器11聚焦点的功率密度调节为第三功率密度，以使电子束发射器11发射电子在轮廓层的表面形成预设图形。

例如，轮廓层的厚度为0.02mm，那么可以调节电子束发射器11发射电子的功率和移动速度，使得电子束发射器11不将轮廓层完全烧穿，而仅去除轮廓层一定厚度内的材料，例如可以根据设置在轮廓层表面形成深度为10nm至100nm的图形。

所述功率密度调节元件12包括：

功率调节元件121，根据接收到的指令调节所述电子束发射器11发射电子的功率；

和/或

电子偏转元件122，根据接收到的指令调节所述电子束发射器11发射电子的偏转方向；

还包括：

时间控制元件，用于控制电子束发射器11按照预定的工作时间和休止时间比发射电子。

调节功率密度的方式可以有多种，例如通过功率调节元件121增加电子束发射器11的发射功率，可以使得发射出的电子束功率得到提升，从而在聚焦点的功率密度也相应地提升。也可以通过电子偏转元件122来控制电子束的偏转，使得电子束在聚焦点更加集中，从而增大在聚焦点的功率密度。

通过时间控制元件来使得电子束发射器11按照预定的工作时间和休止时间比发射电子，可以保证电子束发射器11聚焦点的功率密度调节为第二功率密度时，向待去除材料发射电子时间不会过长，从而避免待去除材料发生热扩散而导致熔融，保证了电子束能够良好地去除相应材料。其中的工作时间和休止时间比可以根据具体需要进行设置。

优选地，还包括：

送粉缸15，用于向成型缸的加工平面上传输材料，其中传输的材料可以是涂层，从而避免被抽真空元件14抽出，例如通过铺粉辊或者铺粉刮板将粉末形成均匀的材料涂层；

成型缸16，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，成型缸16和电子偏转元件122可以由处理器控制，根据三维器件17的CAD模型的每层的二维轮廓信息，分别控制加工平面进行运动，以及产生相应的电场控制电子偏转对材料指定区域进行加工，从而形成相应的层结构，然后再通过改变电子束发射器11功率，将烧结凝固和融化凝固的材料去除，从而完成该层的处理，成型缸16下降一个层的厚度，以形成下一层结构，直至形成完整的三维器件17。

本发明还提出了一种3D打印装置，包括：激光发射器和功率密度调节元件，

所述功率密度调节元件在接收到第四指令时，将所述激光发射器聚焦点的功率密度调节为第四功率密度，以使所述激光发射器发射激光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；

所述功率密度调节元件在接收到第五指令时，将所述激光发射器聚焦点的功率密度调节为第五功率密度，以使所述激光发射器在形成每层轮廓层后和/或形成所述轮廓层的过程中，发射激光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。

通过激光也可以进行熔融和去除操作，而且对于操作环境的要求较低，易于降低成本。

如图3所示，根据本发明一个实施例的3D打印装置，包括：

第一电子束发射器21，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；

第二电子束发射器22，用于在第一电子束发射器21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。

本实施例中通过两个电子束发射器分别实现形成轮廓层和去除材料的操作，无需调节电子束发射器的功率，较为容易实现调节和控制。

优选地，还包括：

电子偏转元件23，用于将所述第一电子束发射器21发射的电子和/或所述第二电子束发射器22发射的电子偏转至所述加工平面的预设区域；

时间控制元件，用于控制第一电子束发射器21和/或第二电子束发射器22按照预定的工作时间和休止时间比发射电子。

优选地，还包括：

真空室24，其中，待成型材料位于真空室24中；

抽真空元件25，用于抽出真空室24中的气体。

优选地，还包括：

送粉缸26，用于向成型缸的加工平面上传输材料；

成型缸27，用于控制加工平面运动，以根据每层轮廓层形成三维器件28。

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，可以通过电子束发射器发射电子束去除超出预设区域和/或预设高度的材料，从而提高形成的每层轮廓的精度和表面质量，进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”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：电子束发射器和功率密度调节元件，

所述功率密度调节元件在接收到第一指令时，将所述电子束发射器聚焦点的功率密度调节为第一功率密度，以使所述电子束发射器发射电子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；

所述功率密度调节元件在接收到第二指令时，将所述电子束发射器聚焦点的功率密度调节为第二功率密度，以使所述电子束发射器在形成每层轮廓层后和/或形成所述轮廓层的过程中，发射电子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，还包括：

真空室，其中，所述待成型材料位于所述真空室中；

抽真空元件，用于抽出所述真空室中的气体。

3.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述功率密度调节元件在接收到第三指令时，将所述电子束发射器聚焦点的功率密度调节为第三功率密度，以使所述电子束发射器发射电子在所述轮廓层的表面形成预设图形。

4.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述功率密度调节元件包括：

功率调节元件，根据接收到的指令调节所述电子束发射器发射电子的功率；

和/或

电子偏转元件，根据接收到的指令调节所述电子束发射器发射电子的偏转方向；

还包括：

时间控制元件，用于控制所述电子束发射器按照预定的工作时间和休止时间比发射电子。

5.根据权利要求1至3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。

6.一种3D打印装置，其特征在于，包括：激光发射器和功率密度调节元件，

所述功率密度调节元件在接收到第四指令时，将所述激光发射器聚焦点的功率密度调节为第四功率密度，以使所述激光发射器发射激光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；

所述功率密度调节元件在接收到第五指令时，将所述激光发射器聚焦点的功率密度调节为第五功率密度，以使所述激光发射器在形成每层轮廓层后和/或形成所述轮廓层的过程中，发射激光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。

7.一种3D打印装置，其特征在于，包括：

第一电子束发射器，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；

第二电子束发射器，用于在所述第一电子束发射器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。

8.根据权利要求6所述的3D打印装置，其特征在于，还包括：

电子偏转元件，根据接收到的指令调节所述第一电子束发射器和/或第二电子束发射器发射电子的偏转方向；

时间控制元件，用于控制所述第一电子束发射器和/或第二电子束发射器按照预定的工作时间和休止时间比发射电子。

9.根据权利要求6所述的3D打印装置，其特征在于，还包括：

真空室，其中，所述待成型材料位于所述真空室中；

抽真空元件，用于抽出所述真空室中的气体。

10.根据权利要求7至9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。