CN105397088A - 激光烧结和3dp综合的3d打印加工系统及打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光烧结和3DP综合的3D打印加工系统及打印方法，本发明使用选择性激光烧结(SLS)和三维打印(3DP)两种增材制造技术，可以便捷的打印出梯度材料、功能材料、复合材料、彩色制件等，更大的优点是可以制备多种材料组成的零件、部件及一体化功能器件，甚至实现整体制造。

Description

激光烧结和3DP综合的3D打印加工系统及打印方法
技术领域
本发明涉及多材料铺粉选择性3D打印领域，特别涉及一种激光烧结和3DP综合的3D打印加工系统及打印方法。
背景技术
3D打印技术是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，是“增材制造”的主要实现形式。“增材制造”的理念区别于传统的“去除型”制造。传统数控制造一般是在原材料基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余部分，得到零部件，再以拼装、焊接等方法组合成最终产品。而“增材制造”与之不同，无需原胚和模具，就能直接根据计算机图形数据，通过增加材料的方法生成任何形状的物体，简化产品的制造程序，缩短产品的研制周期，提高效率并降低成本。
粉末床工艺是3D打印的一种主要工艺，其原理是将粉末材料在可以升降的缸内铺设薄薄一层，之后在特定区域选择性的运用激光烧结或者喷射粘结剂，使其固化，之后再铺设下一层粉末，再固化，如此循环层层累积成三维实体。
粉末床3D打印技术的成型方法主要包括选择性激光烧结(selectivelasersintering，简称SLS)、和三维打印(Three-DimensionalPrinting，简称3DP)两种技术。
选择性激光烧结是粉末床3D打印工艺的快速成型方法之一，其通过激光逐层烧结粉末材料层层堆积实现制件的三维成型。该类成型方法有着制造工艺简单，柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜，成本低、材料利用率高，成型速度快等特点。
三维打印(3DP)，是利用喷头喷射液体粘结剂，粘结铺设在粉床上的粉末逐层叠加而成三维实体。该技术通过在粉末床上喷射彩色粘接剂的方法实现彩色技术，由于彩色粘接剂特性与彩色墨水类似，通过混合渐变可实现真彩色制件打印。其具有成型材料范围广、制造速度快、可实现全彩色制造的特点。
近年来，3D打印技术受到越来越多的关注，其独特的制造原理，实现了“自由制造”，粉末床3D打印技术也随之得到了快速发展，但是目前多数都停留在单材均质加工方面，而实际上大多数零部件或产品均由多种材料构成，因此多材料、多功能、梯度材料、复合材料、彩色制件的一体化部件的粉末床3D打印技术对于实现整体制造具有重大意义。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种多材料铺粉选择性激光烧结和3DP综合的3D打印加工系统及打印方法。
本发明之3D打印加工系统包括床身、第一立柱、第二立柱、顶板、激光器系统、3DP打印头系统、送铺粉装置、吸粉装置、成型腔、工作台系统、回收粉装置，床身后侧设有第一立柱和第二立柱，第一立柱和第二立柱上设有第一横梁、第二横梁和顶板，顶板上安装激光器系统，第一横梁和第二横梁上分别装有可左右滑动的第一悬臂和第二悬臂，第一悬臂上安装送铺粉装置，送铺粉装置包括装有多个粉料盒及等数量刮刀的可旋转圆盘形送粉库，粉料盒壁内侧布有加热丝，第二悬臂上安装吸粉装置，第三横梁设在第二横梁的下方，安装有可左右运动的3DP打印头系统，床身上安装工作台系统及成型腔，床身下方工作台左侧安装有回收粉装置。
本发明还包括冷却系统、安全系统、加热温度调控系统、软件分析系统、机床控制系统、激光控制系统和三维打印(3DP)的打印头控制系统。
所述的第一横梁、第二横梁、第三横梁上均开有滑槽，滑槽安装有滑块及控制系统，带动第一悬臂、第二悬臂及3DP打印头系统实现左右运动。
所述的送铺粉装置包括可旋转圆盘形送粉库，类似于数控加工中的刀库，可旋转圆盘形送粉库上装有多个粉料盒及等数量的刮刀，粉料盒是分体的，由内部的弹簧系统联接，同时盒壁内侧布有加热丝，起预先加热粉末作用，温度调控系统可实现分别调控每个粉料盒的温度，粉料盒的下粉口宽度大于成型腔的宽度，保证撒粉能够覆盖到成型腔的任何位置。刮刀上也装有弹簧系统。第一悬臂上设有活塞缸，用来控制正对下方的粉料盒及刮刀送铺粉。
所述的吸粉装置包括吸粉嘴、吸式离心风机、过滤网、电磁阀、与粉料盒数量相同的收粉盒；吸粉嘴与吸式离心风机的进口连通，吸式离心风机的出口通过电磁阀与收粉盒连通，吸粉嘴内设有过滤网。吸粉嘴形状是鸭嘴形，由控制系统带动可实现上下运动。
所述的工作台系统包括工作台支架、实现上下运动滚珠丝杠和伺服电机。
所述的成型腔外面套有侧收粉盒，作用是回收从成型腔其它三个侧面撒出的粉末。
所述的回收粉装置包括转盘和与粉料盒数量相同的回收粉盒，类似摩天轮结构，伺服电机带动轴进而带动转盘做旋转运动，实现更换收粉盒的功能。实现分类回收刮刀刮平后的多余粉末。
一种激光烧结和3DP综合的3D打印方法，该方法包括如下步骤：
步骤(1)：建立用颜色区分材料的多材料物体三维模型，并进行切片数据转换处理，生成STL格式文件，将此文件输入3D打印机，打印机运用软件分析系统生成打印信息路径及机床控制路径。
步骤(2)：按照用量，取钛(Ti)金属粉末、铜(Cu)金属粉末、硅对羟基磷灰石(HA)生物陶瓷粉末，干燥后，放入相应的送粉盒中。
步骤(3)：对整个3D打印中心进行安全调试，调试好后，等待打印。
步骤(4)：设置钛(Ti)金属粉料盒的温度为300℃，铜(Cu)金属粉料盒的温度为200℃，硅对羟基磷灰石(HA)粉料盒的温度为100℃，调控系统自行对其控制。
步骤(5)：根据打印信息路径及机床控制路径的信息，工作台下降第一个切片厚度
步骤(6)：可旋转圆盘形送粉库预先选好第一个需要撒粉的钛(Ti)金属送粉盒并将其精确旋转到活塞缸正对的下方，第一悬臂带动可旋转圆盘形送粉库从机床左侧向右运动，自动判断预设的起始撒粉位置，到达后，活塞缸活塞下行，同时按压刮刀和粉料盒上盖，此时粉料盒下方打开并撒粉，刮刀与成型腔上表面接触刮粉，并将多余的粉末送入回收粉装置预先选定的回收粉盒，刮刀到达预设的终止撒粉位置后，活塞缸活塞上行回到原位，同时粉料盒闭合，刮刀回复原位，第一悬臂带动可旋转圆盘形送粉库返回机床最左侧，停止水平运动，进行选盒旋转运动，将下一个粉料盒转到活塞缸正对的下方，准备接下来铺粉。
步骤(7)：机床控制激光器或3DP打印头，将代表第一种材料的颜色区域精确固化成型，之后激光器停止打印。
步骤(8)：第二悬臂带动吸粉嘴从机床右侧向左运动，到达成型腔正上方后，吸式离心风机打开，吸粉嘴开始吸粉，自动判断位置来做上下运动，同时电磁阀打通预选好的收粉盒通道并收粉。当吸粉嘴到达预定吸粉范围末端，将本层未固化钛(Ti)金属的全部粉末吸完，吸粉嘴回到原位，吸式离心风机关闭，停止吸粉，第二悬臂带动吸粉嘴返回机床右侧停止，准备下次吸粉。
步骤(9)：第一悬臂带动可旋转圆盘形送粉库从机床左侧向右运动，开始第二种材料铜(Cu)金属铺粉，第三种材料硅对羟基磷灰石(HA)……，每种材料的铺粉、刮粉、固化成型、吸粉的整个过程均重复步骤(6)、步骤(7)和步骤(8)，直到本层内所有材料固化成型。
步骤(10)：工作台系统下降第二个切片厚度，重复步骤(6)、步骤(7)、步骤(8)和步骤(9)，从而层层叠加而成三维实体。
本发明的有益效果是，
综合使用选择性激光烧结(SLS)和三维打印(3DP)两种增材制造技术，可以便捷的打印出梯度材料、功能材料、复合材料、彩色制件等，更大的优点是可以制备多种材料组成的零件、部件及一体化功能器件，甚至实现整体制造。
附图说明
图1为本发明实施例的立体示意图。
图2为本发明实施例的激光器系统和3DP打印头系统立体示意图。
图3为本发明实施例的圆盘形送粉库示意图。
图4为本发明实施例的吸粉装置示意图。
图5为本发明实施例的成型腔外套的侧收粉盒结构图。
图6为本发明实施例的回收粉装置示意图。
图中：1—床身；2—可旋转圆盘形送粉库；3—刮刀；4—粉料盒；5—成型腔；6—第一悬臂；7—吸粉嘴；8—第二悬臂；9—活塞缸；10—轴；11—第一立柱；12—第二立柱；13—第一横梁；14—第二横梁；15—吸式离心风机；16—电磁阀；17—收粉盒；18—转盘；19—回收粉盒；20—轴；21—滑块；22—滑槽；23—工作台系统；24—激光器系统；25—顶板；26—第三横梁；27—3DP打印头系统；28—侧收粉盒。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明之3D打印加工系统包括床身1、第一立柱11、第二立柱12、顶板25、激光器系统24、3DP打印头系统27、送铺粉装置、吸粉装置、成型腔5、工作台系统23、回收粉装置，床身1后侧设有第一立柱11和第二立柱12，第一立柱11和第二立柱12上设有第一横梁13、第二横梁14和顶板25，顶板25上安装激光器系统24，第一横梁13和第二横梁14上分别装有可左右滑动的第一悬臂6和第二悬臂8，第一悬臂6上安装送铺粉装置，送铺粉装置包括装有多个粉料盒4及等数量刮刀3的可旋转圆盘形送粉库2，粉料盒4壁内侧布有加热丝，第二悬臂8上安装吸粉装置，第三横梁26设在第二横梁14的下方，安装有可左右运动的3DP打印头系统27，床身1上安装工作台系统23及成型腔5，床身1下方工作台左侧安装有回收粉装置。
本发明还包括冷却系统、安全系统、加热温度调控系统、软件分析系统、机床控制系统、激光控制系统和三维打印(3DP)的打印头控制系统。
所述的第一横梁13、第二横梁14、第三横梁26上开有滑槽22，滑槽22安装有滑块21及控制系统，带动第一悬臂6、第二悬臂8及3DP打印头系统27实现左右运动。
所述的送铺粉装置包括可旋转圆盘形送粉库2，如图1和图3所示，类似于数控加工中的刀库，可旋转圆盘形送粉库2上装有多个粉料盒4及等数量的刮刀3，粉料盒4是分体的，由内部的弹簧系统联接，同时盒壁内侧布有加热丝，起预先加热粉末作用，温度调控系统可实现分别调控每个粉料盒的温度，粉料盒4的下粉口宽度大于成型腔5的宽度，保证撒粉能够覆盖到成型腔的任何位置。刮刀3上也装有弹簧系统。第一悬臂6上设有活塞缸9，用来控制正对下方的粉料盒4及刮刀3送铺粉。
如图4所示，所述的吸粉装置包括吸粉嘴7、吸式离心风机15、过滤网、电磁阀16、与粉料盒4数量相同的收粉盒17；吸粉嘴7与吸式离心风机15的进口连通，吸式离心风机15的出口通过电磁阀16与收粉盒17连通，吸粉嘴7内设有过滤网。吸粉嘴7形状是鸭嘴形，由控制系统带动可实现上下运动。
所述的工作台系统23包括工作台支架、实现上下运动滚珠丝杠和伺服电机。
所述的成型腔5外面套有侧收粉盒28，如图5所示，作用是回收从成型腔其它三个侧面撒出的粉末。
如图6所示，所述的回收粉装置包括转盘18和与粉料盒数量相同的回收粉盒19，类似摩天轮结构，伺服电机带动轴20进而带动转盘18做旋转运动，实现更换收粉盒的功能。实现分类回收刮刀3刮平后的多余粉末。
一种激光烧结和3DP综合的3D打印方法，该方法包括如下步骤：
步骤(1)：建立用颜色区分材料的多材料物体三维模型，并进行切片数据转换处理，生成STL格式文件，将此文件输入3D打印机，打印机运用软件分析系统生成打印信息路径及机床控制路径。
步骤(2)：按照用量，取钛(Ti)金属粉末、铜(Cu)金属粉末、硅对羟基磷灰石(HA)生物陶瓷粉末，干燥后，放入相应的送粉盒中。
步骤(3)：对整个3D打印中心进行安全调试，调试好后，等待打印。
步骤(4)：设置钛(Ti)金属粉料盒的温度为300℃，铜(Cu)金属粉料盒的温度为200℃，硅对羟基磷灰石(HA)粉料盒的温度为100℃，调控系统自行对其控制。
步骤(5)：根据打印信息路径及机床控制路径的信息，工作台下降第一个切片厚度
步骤(6)：可旋转圆盘形送粉库2预先选好第一个需要撒粉的钛(Ti)金属送粉盒并将其精确旋转到活塞缸正对的下方，第一悬臂带动可旋转圆盘形送粉库2从机床左侧向右运动，自动判断预设的起始撒粉位置，到达后，活塞缸9活塞下行，同时按压刮刀3和粉料盒4上盖，此时粉料盒4下方打开并撒粉，刮刀3与成型腔5上表面接触刮粉，并将多余的粉末送入回收粉装置预先选定的回收粉盒19，刮刀3到达预设的终止撒粉位置后，活塞缸9活塞上行回到原位，同时粉料盒4闭合，刮刀3回复原位，第一悬臂6带动可旋转圆盘形送粉库2返回机床最左侧，停止水平运动，进行选盒旋转运动，将下一个粉料盒4转到活塞缸9正对的下方，准备接下来铺粉。
步骤(7)：机床控制激光器或3DP打印头，将代表第一种材料的颜色区域精确固化成型，之后激光器停止打印。
步骤(8)：第二悬臂8带动吸粉嘴7从机床右侧向左运动，到达成型腔5正上方后，吸式离心风机15打开，吸粉嘴7开始吸粉，自动判断位置来做上下运动，同时电磁阀16打通预选好的收粉盒17通道并收粉。当吸粉嘴7到达预定吸粉范围末端，将本层未固化钛(Ti)金属的全部粉末吸完，吸粉嘴7回到原位，吸式离心风机15关闭，停止吸粉，第二悬臂8带动吸粉嘴7返回机床右侧停止，准备下次吸粉。
步骤(9)：第一悬臂6带动可旋转圆盘形送粉库2从机床左侧向右运动，开始第二种材料铜(Cu)金属铺粉，第三种材料硅对羟基磷灰石(HA)……，每种材料的铺粉、刮粉、固化成型、吸粉的整个过程均重复步骤(6)、步骤(7)和步骤(8)，直到本层内所有材料固化成型。
步骤(10)：工作台系统23下降第二个切片厚度，重复步骤(6)、步骤(7)、步骤(8)和步骤(9)，从而层层叠加而成三维实体。

Claims (8)

1.一种激光烧结和3DP综合的3D打印加工系统，其特征在于：包括床身(1)、第一立柱(11)、第二立柱(12)、顶板(25)、激光器系统(24)、3DP打印头系统(27)、送铺粉装置、吸粉装置、成型腔(5)、工作台系统(23)、回收粉装置，床身(1)后侧设有第一立柱(11)和第二立柱(12)，第一立柱(11)和第二立柱(12)上设有第一横梁(13)、第二横梁(14)和顶板(25)，顶板(25)上安装激光器系统(24)，第一横梁(13)和第二横梁(14)上分别装有可左右滑动的第一悬臂(6)和第二悬臂(8)，第一悬臂(6)上安装送铺粉装置，送铺粉装置包括装有多个粉料盒(4)及等数量刮刀(3)的可旋转圆盘形送粉库(2)，粉料盒(4)壁内侧布有加热丝，第二悬臂(8)上安装吸粉装置，第三横梁(26)设在第二横梁(14)的下方，安装有可左右运动的3DP打印头系统(27)，床身(1)上安装工作台系统(23)及成型腔(5)，床身(1)下方工作台左侧安装有回收粉装置；所述的第一横梁(13)上均开有滑槽(22)，滑槽(22)安装有滑块(21)及控制系统，带动第一悬臂(6)及3DP打印头系统(27)实现左右运动。
2.根据权利要求1所述的一种激光烧结和3DP综合的3D打印加工系统，其特征在于：还包括有冷却系统、安全系统、加热温度调控系统、软件分析系统、机床控制系统、激光控制系统和3DP打印头的控制系统。
3.根据权利要求1所述的一种激光烧结和3DP综合的3D打印加工系统，其特征在于：所述的送铺粉装置包括可旋转圆盘形送粉库(2)，可旋转圆盘形送粉库(2)上装有多个粉料盒(4)及等数量的刮刀(3)，粉料盒(4)是分体的，由内部的弹簧系统联接，粉料盒(4)盒壁内侧布有加热丝，起预先加热粉末作用，粉料盒(4)的下粉口宽度大于成型腔(5)的宽度，保证撒粉能够覆盖到成型腔的任何位置；刮刀(3)上也装有弹簧系统；第一悬臂(6)上设有活塞缸(9)，用来控制正对下方的粉料盒(4)及刮刀(3)送铺粉。
4.根据权利要求1所述的一种激光烧结和3DP综合的3D打印加工系统，其特征在于：所述的吸粉装置包括吸粉嘴(7)、吸式离心风机(15)、过滤网、电磁阀(16)、与粉料盒(4)数量相同的收粉盒(17)；吸粉嘴(7)与吸式离心风机(15)的进口连通，吸式离心风机(15)的出口通过电磁阀(16)与收粉盒(17)连通，吸粉嘴(7)内设有过滤网。
5.根据权利要求1所述的一种激光烧结和3DP综合的3D打印加工系统，其特征在于：所述的工作台系统(23)包括工作台支架、实现上下运动滚珠丝杠和伺服电机。
6.根据权利要求1所述的一种激光烧结和3DP综合的3D打印加工系统，其特征在于：所述的成型腔(5)外面套有侧收粉盒(28)，作用是回收从成型腔其它三个侧面撒出的粉末。
7.根据权利要求1所述的一种激光烧结和3DP综合的3D打印加工系统，其特征在于：所述的回收粉装置包括转盘(18)和与粉料盒数量相同的回收粉盒(19)，伺服电机带动轴(20)进而带动转盘(18)做旋转运动，实现更换收粉盒的功能。
8.权利要求1所述激光烧结和3DP综合的3D打印加工系统的打印方法，该方法包括如下步骤：
步骤(一)：建立用颜色区分材料的多材料物体三维模型，并进行切片数据转换处理，生成STL格式文件，将此文件输入3D打印机，打印机运用软件分析系统生成打印信息路径及机床控制路径；
步骤(二)：按照用量，取钛金属粉末、铜金属粉末、硅对羟基磷灰石生物陶瓷粉末，干燥后，放入相应的送粉盒中；
步骤(三)：对整个3D打印中心进行安全调试，调试好后，等待打印；
步骤(四)：设置钛金属粉料盒的温度为300℃，铜金属粉料盒的温度为200℃，硅对羟基磷灰石粉料盒的温度为100℃，调控系统自行对其控制；
步骤(五)：根据打印信息路径及机床控制路径的信息，工作台下降第一个切片厚度；
步骤(六)：可旋转圆盘形送粉库(2)预先选好第一个需要撒粉的钛金属送粉盒并将其精确旋转到活塞缸正对的下方，第一悬臂带动可旋转圆盘形送粉库(2)从机床左侧向右运动，自动判断预设的起始撒粉位置，到达后，活塞缸(9)活塞下行，同时按压刮刀(3)和粉料盒(4)上盖，此时粉料盒(4)下方打开并撒粉，刮刀(3)与成型腔(5)上表面接触刮粉，并将多余的粉末送入回收粉装置预先选定的回收粉盒(19)，刮刀(3)到达预设的终止撒粉位置后，活塞缸(9)活塞上行回到原位，同时粉料盒(4)闭合，刮刀(3)回复原位，第一悬臂(6)带动可旋转圆盘形送粉库(2)返回机床最左侧，停止水平运动，进行选盒旋转运动，将下一个粉料盒(4)转到活塞缸(9)正对的下方，准备接下来铺粉；
步骤(七)：机床控制激光器或3DP打印头，将代表第一种材料的颜色区域精确固化成型，之后激光器停止打印；
步骤(八)：第二悬臂(8)带动吸粉嘴(7)从机床右侧向左运动，到达成型腔(5)正上方后，吸式离心风机(15)打开，吸粉嘴(7)开始吸粉，自动判断位置来做上下运动，同时电磁阀(16)打通预选好的收粉盒(17)通道并收粉；当吸粉嘴(7)到达预定吸粉范围末端，将本层未固化钛金属的全部粉末吸完，吸粉嘴(7)回到原位，吸式离心风机(15)关闭，停止吸粉，第二悬臂(8)带动吸粉嘴(7)返回机床右侧停止，准备下次吸粉；
步骤(九)：第一悬臂(6)带动可旋转圆盘形送粉库(2)从机床左侧向右运动，开始第二种材料铜(Cu)金属铺粉，第三种材料硅对羟基磷灰石……，每种材料的铺粉、刮粉、固化成型、吸粉的整个过程均重复步骤(六)、步骤(七)和步骤(八)，直到本层内所有材料固化成型；
步骤(十)：工作台系统(23)下降第二个切片厚度，重复步骤(六)、步骤(七)、步骤(八)和步骤(九)，从而层层叠加而成三维实体。
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