CN105711104A - 激光3d打印系统及其打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光3D打印系统及其打印方法，其打印系统包括：激光器、与该激光器连接的扫描镜头及光学系统、真空腔体、位于该真空腔体外的气瓶、与该气瓶连接并伸入该真空腔体的气管、位于该真空腔体内的工作腔体和辐射热源、位于该工作腔体上的铺粉辊，其中，所述工作腔体内设有原料腔、成型腔、以及废料腔。本发明使用特氟龙粉末作为耗材进行3D打印，通过采用激光选区烧结技术，同时控制成型的环境及工艺，根据特氟龙材料特性，针对其加工预热温度、激光能量分布、对于基板的附着力提升、已经成型环境的检测和控制，实现了可采用特氟龙材质系列的快速成型加工。
Description
技术领域
本发明属于特氟龙加工技术领域，具体涉及一种激光3D打印系统及其打印方法。
背景技术
现有采用激光选区烧结的快速成型技术(3D打印)日渐成熟，国内外开发出了适用于不同领域、具有不同功效的3D打印机。对于3D打印机制备模型来说，虽然具有传统加工方式不具备的种种优势，如材料利用率接近100％、无成型形状限制及设计周期短、成本低等。
目前市场上采用激光选区烧结技术的3D打印设备及产品，主要加工原料为金属粉末、ABS粉末及尼龙粉末。成型产品因此被限定为金属、尼龙及ABS材料的制成品。成型材料方面的原因在一定程度上限制了3D打印机的规模化生产及广泛应用。
特氟龙系列材料作为打印耗材，特氟龙材料的化学名称为聚四氟乙烯，被称作“塑料王”。聚四氟乙烯产品具有如下优点：1、耐热性：具有优良的耐高低温特性，在-180℃～260℃之间可长期使用；2、耐腐蚀性：对大多数化学药品和溶剂表现出惰性、能耐强酸强碱、王水和各种有机溶剂；3、耐大气老化性：长期暴露于大气中表面及性能保持不变，有塑料中最佳的老化寿命；4、不粘性：具有固体材料中最小的表面张力而不粘附任何物质；5、绝缘性：具有很强的介电性能(介电强度为10kv/mm)；6、润滑耐磨性：其是固体材料中摩擦系数最低的，负载滑动时摩擦系数产生变化，但数值仅在0.04～0.1之间，正是由于其具备较强的润滑性，从而在耐磨上也表现的很突出；7、毒性：具有生理惰性，可作为人工血管和脏器长期植入体内。
特氟龙由于其具有上述优点，尤其适用于电子设备生产中强酸碱溶液的运输、储存部件，以及医疗卫生领域的血管、脏器辅助装置。这些领域产品的生产一般存在定制化程度高，需求产品生产周期短，产品需求量小，产品精度高等特点。
目前，特氟龙加工主要采用开模注塑、喷涂或切削方式，开模或切削等加工方式存在生产周期长，定制化成本高，特异型结构无法加工的缺点，喷涂只适用于特氟龙涂层制备，可进行处理的结构及材质有限。因此，将特氟龙系列材料引入3D打印加工体系，扩大了3D打印机可打印的材料领域，同时也扩大了特氟龙系列材料的使用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用激光选区烧结技术、同时控制成型的环境及工艺、扩展了特氟龙材料应用领域的激光3D打印系统及其打印方法。
本发明提供一种激光3D打印系统，其包括：激光器、与该激光器连接的扫描镜头及光学系统、真空腔体、位于该真空腔体外的气瓶、与该气瓶连接并伸入该真空腔体的气管、位于该真空腔体内的工作腔体和辐射热源、位于该工作腔体上的铺粉辊，其中，所述工作腔体内设有原料腔、成型腔、以及废料腔。
本发明又提供一种激光3D打印方法，其包括如下步骤：
步骤S101：氮气通过气管向真空腔体通入保护气体；
步骤S102：加热辐射热源使真空腔体内达到设定温度并保持恒温；
步骤S103：调整成型腔在工作腔体内的高度，使其相对原料腔下降一定高度；
步骤S104：铺粉辊推送装载原料腔的特氟龙粉末至成型腔并将粉末压实，剩余粉末推送至废料腔；
步骤S105：特氟龙粉末在成型腔内铺展及熔化后粘附；
步骤S106：激光器1出光并经过扫描镜头及光学系统，激光束在成型腔的工作面进行聚焦，对特氟龙粉末加工。
本发明使用特氟龙粉末作为耗材进行3D打印，通过采用激光选区烧结技术，同时控制成型的环境及工艺，根据特氟龙材料特性，针对其加工预热温度、激光能量分布、对于基板的附着力提升、已经成型环境的检测和控制，实现了可采用特氟龙材质系列的快速成型加工；本发明扩展了特氟龙材料在电子零件生产领域、医疗卫生领域的应用；本发明实现了电子设备生产领域的个性化、定制化、快捷以及特殊结构的加工，扩展了特氟龙系列产品的适用领域，同时也提升了3D打印设备的加工能力。
附图说明
图1为本发明激光3D打印系统的结构示意图；
图2为本发明激光3D打印方法的流程图。
图号说明：
1-激光器、2-扫描镜头及光学系统、3-真空腔体、4-气瓶、41-气路、5-辐射热源、6-铺粉辊、7-原料腔、8-成型腔、9-废料腔、10-电机、11-控制系统、111-线路。
具体实施方式
图1是根据本发明一个实施例的激光3D打印机系统的示意性，本发明采用激光选区烧结技术，激光选区烧结(SelectedLaserSintering,SLS)采用CO2激光器对粉末材料(塑料粉、陶瓷与粘结剂的混合粉、金属与粘结剂的混合粉等)进行选择性烧结，是一种由离散点一层层堆积成三维实体的工艺方法。
本激光3D打印系统包括：激光器1、与该激光器1连接的扫描镜头及光学系统2、真空腔体3、位于该真空腔2外的气瓶4和控制系统11、与该气瓶4连接并伸入该真空腔体3的气管41、位于该真空腔体3内工作腔体12和辐射热源5、铺粉辊6、原料腔7、成型腔8、废料腔9、多个电机10、以及与该控制系统11连接并伸入工作腔体12的线路111。其中，激光器1和扫描镜头及光学系统2也位于真空腔体3外；原料腔7、成型腔8、和废料腔9并排设置在工作腔体12内，该成型腔8位于原料腔7和废料腔9之间；该电机10设有3个，该多个电机10分别与原料腔7、成型腔8、废料腔9连接；铺粉辊6位于工作腔体12上，该铺粉辊6对位于激光烧结位置A的特氟龙粉末层层铺粉形成3D成型。
其中，激光器1为CO2激光器，其功率为100W，通过振镜扫描对成型腔8内的特氟龙粉末烧结，形成激光烧结位置A；气瓶4内装设氮气；原料腔7内装设特氟龙粉末。本激光烧结指定区域A内的特氟龙粉末，通过铺粉辊6层层铺粉堆叠实现三维零件的成型，在较短时间内制备特氟龙材质的成型，使零件的强度达到注塑水平，成型尺寸精度达到机加工水平。
本激光3D打印方法，该方法至少包括步骤S101至步骤S106，如图2所示，具体如下：
步骤S101：氮气通过气管41向真空腔体通入保护气体。
具体为：气瓶4装入氮气，氮气通过气管41通入真空腔体3并形成工作环境的保护气氛，并使真空腔体3内达到10Pa气压，工作腔体12达到0.1个标准大气压。
步骤S102：加热辐射热源5使真空腔体3内达到设定温度并保持恒温。
具体为：加热辐射热源5，使真空腔体3内的工作范围温度达到预热温度150℃，并保持恒温。
步骤S103：调整成型腔8在工作腔体12内的高度，使其相对原料腔7下降一定高度。
具体为：成型腔8平台由电机10带动下降一个30μm-50μm，使该成型腔8的上端面相对原料腔7的山端面低于30um-50um，其具体高度由本成型腔8要求确定。
步骤S104：铺粉辊6推送装载原料腔7的特氟龙粉末至成型腔8并将粉末压实，剩余粉末推送至废料腔9。
具体为：铺粉辊6推送装载在原料腔7的特氟龙粉末，粉末颗粒直径约3μm，推送粉末至成型腔8并将粉末压实，剩余粉末推送至废料腔9。
步骤S105：特氟龙粉末在成型腔8内铺展及熔化后粘附，使特氟龙粉末在激光烧结位置A。
具体为：成型腔8的底板经过高温氧化，喷砂处理，成型腔8的底板保持清洁并易于特氟龙粉末的铺展及熔化后粘附。
步骤S106：激光器1出光并经过扫描镜头及光学系统2，激光束在成型腔8的工作面进行聚焦，对特氟龙粉末加工。
激光器1采用CO2激光器，出光并经过扫描镜头及光学系统2，激光束聚焦于成型腔8工作面，激光光斑直径50μm，最高可实现2500Hz的脉冲频率，实现单层成型；激光束经过光学镜片，能量分布由高斯分布转变为“高帽型”能量分布，实现特氟龙粉末的均匀加工，避免出现气化、孔洞及飞溅等缺陷。
步骤S107：重复步骤S104和步骤S106的动作，实现制品的3D成型。
具体为：激光烧结指定区域A内的特氟龙粉末，通过铺粉辊6层层铺粉堆叠实现三维零件的成型，在较短时间内制备特氟龙材质的成型。
整个过程由控制系统11实现加工精度及工艺的控制。
本发明使用特氟龙粉末作为耗材进行3D打印，通过采用激光选区烧结技术，同时控制成型的环境及工艺，根据特氟龙材料特性，针对其加工预热温度、激光能量分布、对于基板的附着力提升、已经成型环境的检测和控制，实现了可采用特氟龙材质系列的快速成型加工；本发明扩展了特氟龙材料在电子零件生产领域、医疗卫生领域的应用；本发明实现了电子设备生产领域的个性化、定制化、快捷以及特殊结构的加工，扩展了特氟龙系列产品的适用领域，同时也提升了3D打印设备的加工能力。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种激光3D打印系统，其特征在于，其包括：激光器、与该激光器连接的扫描镜头及光学系统、真空腔体、位于该真空腔体外的气瓶、与该气瓶连接并伸入该真空腔体的气管、位于该真空腔体内的工作腔体和辐射热源、位于该工作腔体上的铺粉辊，其中，所述工作腔体内设有原料腔、成型腔、以及废料腔。
2.根据权利要求1所述的激光3D打印系统，其特征在于：还包括分别与原料腔、成型腔、以及废料腔连接的电机。
3.根据权利要求1所述的激光3D打印系统，其特征在于：还包括位于该真空腔体外的控制系统、以及分别与该控制系统和工作腔体连接的线路。
4.根据权利要求1所述的激光3D打印系统，其特征在于：所述原料腔、成型腔、和废料腔并排设置于工作腔体内。
5.根据权利要求1所述的激光3D打印系统，其特征在于：所述原料腔内装设特氟龙粉末。
6.根据权利要求1所述的激光3D打印系统，其特征在于：所述气瓶内装设氮气。
7.根据权利要求1-6任一所述的激光3D打印系统的打印方法，其特征在于，其包括如下步骤：
步骤S101：氮气通过气管向真空腔体通入保护气体；
步骤S102：加热辐射热源使真空腔体内达到设定温度并保持恒温；
步骤S103：调整成型腔在工作腔体内的高度，使其相对原料腔下降一定高度；
步骤S104：铺粉辊推送装载原料腔的特氟龙粉末至成型腔并将粉末压实，剩余粉末推送至废料腔；
步骤S105：特氟龙粉末在成型腔内铺展及熔化后粘附；
步骤S106：激光器出光并经过扫描镜头及光学系统，激光束在成型腔的工作面进行聚焦，对特氟龙粉末加工。
8.根据权利要求7所述的激光3D打印方法，其特征在于：所述步骤101，氮气通入真空腔体，使真空腔体内达到10Pa气压，工作腔体达到0.1个标准大气压。
9.根据权利要求7所述的激光3D打印方法，其特征在于：还包括步骤S107，步骤S107的内容为：重复步骤S104和步骤S106的动作，实现制品的3D成型。
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