CN105541108A - 基于3d打印技术的硫系玻璃元件制备方法 - Google Patents

基于3d打印技术的硫系玻璃元件制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明是关于一种基于3D打印技术的硫系玻璃元件制备方法，将基础的硫系玻璃耗材拉丝，缠绕至3D打印设备卷轴处，通过激光烧结、逐层铺丝和后续处理，得到所需形状的硫系玻璃元件。本发明不需要模具，尺寸精度可控，适用于各种微型和复杂形状硫系玻璃元件的快速、低成本制造，解决了玻璃3D打印成型技术中的玻璃输料供料、高温熔融、成型等问题，能有效的完成硫系玻璃元件的3D打印。

Description

基于3D打印技术的硫系玻璃元件制备方法
技术领域
本发明涉及一种硫系玻璃元件制备方法，特别是涉及一种基于3D打印技术的硫系玻璃元件制备方法。
背景技术
硫系玻璃是指以元素周期表ⅥA族元素S、Se、Te为主并引入一定量的其他元素所形成的玻璃。是一种具有优良的红外透过性能的特种玻璃材料，以其在红外波段透过光谱范围宽、光热特性稳定、化学稳定性优异、性能连续可调、制备成本低容易加工以及与单晶锗等红外晶体材料在一些性能上具有互补性等优点，可广泛应用于军用(夜视枪瞄、红外肩扛导弹、战机夜视巡航等)和民用(汽车夜视、安防监控等)红外系统中，其市场前景巨大。
硫系玻璃需要将其加工成形面复杂的光学元件来消除其自身较大色散系数对光学系统的影响，因此成形和加工技术，已成为红外硫系玻璃应用时，亟待突破技术难点之一。目前，硫系玻璃加工主要有以下三种方式：
(1)传统磨削加工：该方法周期长，成品率低，材料利用率低，无法加工复杂形面光学元件；
(2)金刚石单点车削：该方法可以加工复杂形面的光学元件，精度高，但具有加工效率低，成本高的缺点；
(3)精密模压成形：该方法适宜复杂形面光学元件的批量成形，但是精密成形模具成本过高，无法满足产品多样性。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种基于3D打印技术的硫系玻璃制备方法，所要解决的技术问题是使其可用于各种微型和复杂形状硫系玻璃元件的快速、低成本制造，从而更加适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种基于3D打印技术的硫系玻璃元件制备方法，将基础的硫系玻璃耗材拉丝，缠绕至3D打印设备卷轴处，通过激光烧结、逐层铺丝和粗退火处理，得到所需形状的硫系玻璃元件。
优选的，前述的基于3D打印技术的硫系玻璃元件制备方法，其中所述的硫系玻璃耗材拉丝长度不小于100m。
优选的，前述的基于3D打印技术的硫系玻璃元件制备方法，其中所述的3D打印设备的玻璃丝卷轴，其保护壳由上下两段通过螺栓、螺母紧固而成。
优选的，前述的基于3D打印技术的硫系玻璃元件制备方法，其中所述的3D打印过程在系统低于1.0×10-2Pa高真空环境下进行。
优选的，前述的基于3D打印技术的硫系玻璃元件制备方法，其中所述的激光熔融烧结，包括：使用具有功率和光斑直径可调节的激光发射器，用以预热并烧结待打印区域，通过调节激光功率和激光斑点的直径控制加热区域的温度。
优选的，前述的激光熔融烧结，其中所述的激光发射器功率为10-200W，光斑直径为0.1-1.0mm。
优选的，前述的基于3D打印技术的硫系玻璃元件制备方法，其中所述的逐层铺丝，是根据计算机事先设定程序，开始硫系玻璃丝3D逐层打印。
优选的，前述的基于3D打印技术的硫系玻璃元件制备方法，其中所述的粗退火处理为使用3D打印设备底部加热板和侧面辅助加热形式减少预制件的热应力，工作时温度控制在为100-300℃，控温精度±3℃。
优选的，前述的基于3D打印技术的硫系玻璃元件制备方法，其中所述的硫系玻璃元件在粗退火，破坏真空环境后，系统保持高纯惰性气体环境中。
借由上述技术方案，本发明一种基于3D打印技术的硫系玻璃元件制备方法至少具有下列优点：
(1)不需要模具，可解决复杂形状硫系玻璃元件成型困难、精度低、模具损耗大等难题。
(2)生产速度快，可提高形状复杂、多品种、小批量元件的生产效率和成品率。
(3)解决了玻璃3D打印成型技术中的玻璃输料供料、高温熔融、成型等问题，能有效的完成硫系玻璃元件的3D打印。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的一种基于3D打印技术的硫系玻璃元件制备方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
本发明的一个实施例提出的一种基于3D打印技术的硫系玻璃元件制备方法，将基础的硫系玻璃耗材拉丝，缠绕至3D打印设备卷轴处，通过激光烧结、逐层铺丝和后续处理，得到所需形状的硫系玻璃元件。
较佳的，本发明的另一个实施例提出的一种基于3D打印技术的硫系玻璃元件制备方法，包括：将Ge12Sb28Se60硫系玻璃拉制成直径厚度为0.2mm的玻璃丝，尺寸公差±0.01mm，长度200m；将拉制的玻璃丝缠绕到3D打印设备的卷轴处固定，对系统抽真空至3.0×10-3Pa；调节激光发射器功率200W，光斑直径1.0mm，将玻璃丝在200℃保持40min后，根据计算机事先设定程序，进行激光熔融烧结，开始硫系玻璃丝3D逐层打印，玻璃丝成为具有所需形状的元件；将上述元件在295℃原位粗退火2h，室温后取出。
较佳的，本发明的另一个实施例提出的一种基于3D打印技术的硫系玻璃元件制备方法，包括：将As40Se60硫系玻璃拉制成直径厚度为0.3mm的玻璃丝，尺寸公差±0.02mm，长度100m；将拉制的玻璃丝缠绕到3D打印设备的卷轴处固定，对系统抽真空至1.0×10-2Pa；调节激光发射器功率100W，光斑直径0.5mm，将玻璃丝在150℃保持60min后，根据计算机事先设定程序，进行激光熔融烧结，开始硫系玻璃丝3D逐层打印，玻璃丝成为具有所需形状和一定强度的元件；将上述元件在100℃原位粗退火3h，室温后取出，放入加热炉内继续精退火。
以上所述的3D打印技术是以计算机辅助设计、计算机辅助制造为基础发展而成，基本原理是通过计算机生成三维模型，再将其数字化成N层截面，打印喷头根据每层的形状，进行X-Y轴水平运动，打印实体Z轴上下运动，对材料的逐层叠加完成实体产品制造。在本发明实施例中所述的3D打印设备为现有技术。任何现有的可以应用于本发明的3D打印设备皆可以应用在本发明中。
例如，本发明的一个实施例采用的3D打印设备采用主控制器通过升降机构而驱动成型托板下降，以令成型托板的上方形成液态硫系玻璃，液态硫系玻璃固化而形成二维图形，每一层二维图形成型完成后，通过主控制器控制升降机构向下移动成型托板，移动距离为一层厚，使得成型托板上方再覆盖一层硫系玻璃，以实现逐层扫描照射，获得整个三维模型的实体成型产品。

Claims (9)

1.一种基于3D打印技术的硫系玻璃元件制备方法，其特征在于：将基础的硫系玻璃耗材拉丝，缠绕至3D打印设备卷轴处，通过激光烧结、逐层铺丝和粗退火处理，得到所需形状的硫系玻璃元件。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的硫系玻璃元件制备方法，其特征在于，所述的硫系玻璃耗材拉丝长度不小于100m。
3.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的硫系玻璃元件制备方法，其特征在于，所述的3D打印设备的玻璃丝卷轴，其保护壳由上下两段通过螺栓、螺母紧固而成。
4.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的硫系玻璃元件制备方法，其特征在于，所述的3D打印过程在系统低于1.0×10-2Pa高真空环境下进行。
5.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的硫系玻璃元件制备方法，其特征在于，所述的激光熔融烧结，包括：使用具有功率和光斑直径可调节的激光发射器，用以预热并烧结待打印区域，通过调节激光功率和激光斑点的直径控制加热区域的温度。
6.根据权利要求5所述的激光熔融烧结，其特征在于，所述的激光发射器功率为10-200W，光斑直径为0.1-1.0mm。
7.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的硫系玻璃元件制备方法，其特征在于，所述的逐层铺丝，是根据计算机事先设定程序，开始硫系玻璃丝3D逐层打印。
8.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的硫系玻璃元件制备方法，其特征在于，所述的粗退火处理为使用3D打印设备底部加热板和侧面辅助加热形式减少预制件的热应力，工作时温度控制在为100-300℃，控温精度±3℃。
9.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的硫系玻璃元件制备方法，其特征在于，所述的硫系玻璃元件在粗退火，破坏真空环境后，系统保持高纯惰性气体环境中。
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