CN106180712A - 一种双光源金属粉末三维打印系统及打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属粉末成型技术，具体地说是一种具有表面修饰功能的高精度金属粉末三维打印系统及打印方法。该系统由加工平台、光学系统以及分别和二者相连的控制系统组成，打印方法包括，校准、铺粉、扫描等一共7个步骤，采用该系统及打印方法能够将打印精度提高到20微米，同时还可实现打印的同时进行表面修饰的功能。

Description

一种双光源金属粉末三维打印系统及打印方法
技术领域
本发明的技术方案涉及金属粉末成型技术，具体地说是一种具有表面修饰功能的高精度金属粉末三维打印系统及打印方法。
背景技术
3D打印(三维打印)技术是一种新兴的快速成型技术，它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。3D打印技术由于其可根据设计要求制备出内部结构复杂的特殊器件，在需要内部复杂结构的产品加工中具有显著的优势。在工业设计、建筑、汽车，航空航天、医疗器械等众多领域均有巨大的潜在应用前景，因此，从其诞生之初就成为金属粉末成型领域的热点技术。
但是，目前金属粉末成型领域的3D打印技术存在打印精度较低、无法保证精密成型以及难以对产品内在结构进行可控的表面改性的缺点。打印精度的不足限制了3D打印技术在精密成型领域的应用及推广，同时也阻碍了精密产品生产效率的提高；产品内在结构表面的诸多特性，如表面亲水性、耐腐蚀性等，都对产品性能的发挥起着至关重要的作用。
目前，金属粉末的3D打印技术中，选择性激光烧结(SLS)技术能够有效的控制激光烧结光斑尺寸，能够获得较高的打印精度，是较常用的3D打印技术。然而，实际应用中，光纤激光与材料相互作用时，激光能量通过热传导的方式被材料吸收，导致材料液化后凝固或直接发生气化剥离，因此材料表面有很明显的热效应区，而选择性激光熔化(SLM)技术在应用过程中，复杂结构区域会有金属粉末液化不完全的部位存在，此时，未液化的金属粉末会被周围已经液化的金属粉末粘结，这就使得制件轮廓表面既有液态金属固化后形成的固体材料，也有被液态金属粘结的金属粉末，由于通常使用的金属粉末的颗粒直径在10-60um，因此导致制件轮廓尺寸偏大，制件表面光洁度差，其打印精度只能达到约100微米，限制了其在众多需要高尺寸精度产品中的应用。
通过金属粉末成型制得的产品，一般都要经过表面改性使其亲水性、耐腐蚀性等达标后才能进行实际应用，对于3D打印的产品，由于其所得制件内在结构复杂，很难做到先打印完成，再对内在结构的表面进行改性处理，从而限制了该技术的推广应用。
发明内容
本发明就是针对上述的问题，提供一种具有表面修饰功能且打印精度达到20微米的金属粉末3D打印系统及其打印方法，该系统采用具有双光源的光学系统，可于打印过程中在原位实现精度的调整和制件表面处理。
该系统由加工平台、光学系统以及分别和二者相连的控制系统组成。该加工平台包括有盛粉装置和送粉装置，盛粉装置由两块隔板依次分隔成储粉箱、加工箱和收粉箱，三个箱体内均设有活塞电机驱动的推拉活塞，储粉箱和收粉箱内壁顶端设有红外测高装置，用来实时检测箱体内粉层高度是否达到设定值，并可将信号反馈给控制程序；送粉装置包括推送辊、固定于盛粉装置两侧的平行传送履带、连于推送辊两侧的推送电机以及将推送电机和传送履带固定连接的固定块，其中固定块内设有多层卡槽，可以通过调整传送履带穿过的卡槽位置来对推送辊的高度进行调节，传送履带的四个转轴上方的盛粉装置外侧均设有限位柱，用以防止传送履带因控制程序出错发生过量传送，导致固定块和传送履带转轴的碰撞，甚至对设备造成损坏。
定义加工平台中两块隔板的高度为h，推送辊的半径为r，加工平台的宽度为s，被两块隔板分隔成的储粉箱、加工箱和收粉箱的长度分别为lC、lJ和lS，盛粉装置高度为H，那么在本发明中，有效矩形加工面积为(s-40um)×(lJ-40um)，h<H<h+r，2.5lC<lJ。
上述光学系统置于光学箱内，包括有一个光路控制器、一条输出光路和两条输入光路。其中，两条输入光路分别来自于串联了扩束镜的光纤激光器和串联了扩束镜的飞秒激光器；光路控制器包括可平移的反射镜及两台激光器的电源开关控制装置，以便实现两种类型激光的加工；输出光路经过振镜，最终通过光孔垂直入射到加工箱内，使得聚焦后的光腰位于当前粉末层的表面。
上述控制系统包括具有控制界面的显示器、带有外接口的主机箱、与加工平台和光学系统相连的通讯线以及加工控制程序。其中，通讯线在加工平台上与各个电机及红外测高装置相连，在光学系统中通讯线与光路控制器及振镜相连。
本发明提供的三维打印系统的打印方法包括如下步骤：
(1)光路校准：启动打印系统，分别校准光纤激光光路和飞秒激光光路后，光纤激光光路聚焦加工零点，所述的加工零点为有效矩形加工面积位于收粉箱侧的一个端点。
(2)图像校准：通过主机箱上的外接口输入打印模型的图像数据，确定图像零点，并将图像零点调节至加工零点。
(3)预铺粉：加工箱推拉活塞复位至箱顶零点，推送辊复位至储粉箱外侧，储粉箱推拉活塞上移，待金属粉体高度超出红外测高装置2-3mm时停止，传送履带带动推送辊从储粉箱侧运动到收粉箱侧，同时推送电机以与传送履带转轴相反的方向驱动推送辊自转，进行预铺粉，推送辊达收粉箱外侧后，在传送履带带动下复位至储粉箱外侧，同时推送辊以相反方向自转。
(4)铺粉：于控制系统的加工程序中设置加工粉层厚度为t，加工箱下降高度t，同时储粉箱上升高度推送辊以与预铺粉过程相同的运动方式，从储粉箱侧运动到收粉箱侧，而后再复位至储粉箱侧。
(5)扫描：开启光纤激光光路，控制程序根据图像加工数据调节光纤激光参数，计算光纤激光加工坐标并开始打印，本层打印结束后，关闭光纤激光光路，计算飞秒激光加工坐标，开启飞秒激光光路，根据图像精度加工和表面处理要求调节飞秒激光参数并完成本层的全部扫描，然后关闭飞秒激光光路，振镜复位至加工零点。
(6)重复4-5步，直至完成样件全部打印后，振镜和推送辊复位至各自零点。
(7)卸除加工箱的推拉活塞，取出样件后，安装加工箱推拉活塞，清理样件表面金属粉末，打印完成。
上述步骤(3)和(4)中传送履带的传送速度为10～50mm/s。
上述步骤(5)中光纤激光加工的图像加工坐标计算原则为，光纤激光扫描的轨迹靠内补偿，飞秒激光扫描的轨迹靠外补偿，即光纤激光扫描的轨迹为原加工图像的外轮廓向内部缩进光纤激光光斑半径大小后的新轮廓，飞秒激光扫描的轨迹为原加工图像的外轮廓向外延伸飞秒激光光斑半径大小后的新轮廓，所述的两种光源的光斑半径由设备安装后校正平板检测获得，其中光纤激光光斑半径r1为25±10um，飞秒激光光斑半径r2为15±5um。
上述光纤激光的功率为60W～500W，飞秒激光的功率3～20W，脉冲频率50K～80MHz，脉冲宽度50～400fs。
本发明的有益效果为：
1、本系统采用相同波长不同脉冲宽度的激光器作为光源：一种是光纤激光，另一种是飞秒激光，其中光纤激光用于熔化烧结金属粉末，飞秒激光用于对烧结成型后的截面轮廓进行清除以及表面处理。由于飞秒量级的激光在加工过程，激光与材料作用时间极短，能量直接被材料吸收，材料生成等离子体后被去除，激光能量没有足够时间进行热传导，因而材料表面无明显的热影响区，将飞秒激光聚焦到微米级，可实现几微米的祛除精度，且被祛除材料边缘清晰无残留。因此，采用飞秒激光作为轮廓清扫光源能够实现更高的零件成型精度。
2、本发明采用光纤激光进行3D打印，改善了成型产品的内表面结构，同时采用飞秒激光根据需求对产品表面进行结构化处理，可提高产品使用寿命，改善产品性能，扩大产品使用范围。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明实施例1提供的三维打印系统示意图。
图2为本发明实施例1提供的加工平台示意图。
图3为本发明实施例1提供的光学系统两种工作状态示意图。
图4为本发明实施例1打印出的骨钉实物照片。
图5为本发明实施例1中只用光纤激光加工完骨钉表面形貌。
图6为本发明实施例1中双光源加工后的骨钉表面形貌。
图7为本发明实施例1中双光源加工后骨钉表面形貌放大图。
图8为本发明实施例2打印出的骨钉实物照片。
图9为本发明实施例2中双光源加工后的骨钉表面形貌。
图10为本发明实施例2中只用光纤激光加工完骨钉表面形貌。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供的三维打印系统，如图1所示，由加工平台、光学系统3以及分别和二者相连的控制系统4组成。该加工平台，如图2所示，包括有盛粉装置和送粉装置，盛粉装置由两块隔板12依次分隔成储粉箱11、加工箱13和收粉箱14，三个箱体内均设有活塞电机驱动的推拉活塞15，储粉箱11和收粉箱14内壁顶端设有红外测高装置16，用来实时检测箱体内粉层高度是否达到设定值，并可将信号反馈给控制程序；送粉装置包括推送辊23、固定于盛粉装置两侧的平行传送履带21、连于推送辊23两侧的推送电机24以及将推送电机和传送履带固定连接的固定块25，其中固定块内设有多层卡槽，可以通过调整传送履带穿过的卡槽位置来对推送辊的高度进行调节，传送履带21的四个转轴上方的盛粉装置外侧均设有限位柱22，用以防止传送履带21因控制程序出错发生过量传送，导致固定块25和传送履带21转轴的碰撞，甚至对设备造成损坏。
定义加工平台中两块隔板的高度为h，推送辊的半径为r，加工平台的宽度为s，被两块隔板分隔成的储粉箱、加工箱和收粉箱的长度分别为lC、lJ和lS，盛粉装置高度为H，那么在本发明中，有效矩形加工面积为(s-40μm)×(lJ-40μm)，h<H<h+r，3lC＝lJ。
上述光学系统3置于光学箱内，包括有一个光路控制器33、一条输出光路和两条输入光路。其中，两条输入光路分别来自于串联了扩束镜32的光纤激光器35和串联了扩束镜32的飞秒激光器31；光路控制器33包括可平移的反射镜及两台激光器的电源开关控制装置，以便实现两种类型激光的加工；输出光路经过振镜34，最终通过光孔垂直入射到加工箱内，使得聚焦后的光腰位于当前粉末层的表面，两种工作状态如图3所示，工作状态(1)时光纤激光光路工作，飞秒激光光路关闭，工作状态(2)时飞秒激光光路工作，光纤激光光路关闭。
上述控制系统包括具有控制界面的显示器、带有外接口的主机箱、与加工平台和光学系统相连的通讯线以及加工控制程序。其中，通讯线在加工平台上与各个电机相连，在光学系统中通讯线与光路控制器及振镜34相连，整体设备安装完成后，经校正平板检测，其中光纤激光光斑半径r1为25um，飞秒激光光斑半径r2为15um。
本发明提供的三维打印系统的打印方法包括如下步骤：
(1)光路校准：启动打印系统，分别校准光纤激光光路和飞秒激光光路后，光纤激光光路聚焦加工零点，所述的加工零点为有效矩形加工面积位于收粉箱侧的一个端点。
(2)图像校准：通过主机箱上的外接口输入骨钉图像数据，确定骨钉尖端为图像零点，并将图像零点调节至加工零点。
(3)预铺粉：加工箱13推拉活塞复位至箱顶零点，推送辊23复位至储粉箱11外侧，储粉箱11推拉活塞上移，待金属粉体高度超出红外测高装置16高度2mm时停止，传送履带21带动推送辊23以20mm/s的速率从储粉箱11侧运动到收粉箱14侧，同时推送电机24以与传送履带21转轴相反的方向驱动推送辊23自转，进行预铺粉，推送辊23达收粉箱14外侧后，在传送履带21带动下复位至储粉箱11外侧，同时推送辊23以相反方向自转。
(4)铺粉：于控制系统的加工程序中设置加工粉层厚度t的数值，加工箱13下降高度t，同时储粉箱11上升高度推送辊23以与预铺粉过程相同的运动方式及速度，从储粉箱11侧运动到收粉箱14侧，而后再复位至储粉箱11侧。
(5)开启光纤激光光路，控制程序根据图像加工数据调节光纤激光功率为450W，以骨钉图像中轴线为基线，计算出骨钉图像轮廓坐标值，记为一组±l值，而后以±(l-25)为图像外轮廓记录加工坐标，即将骨钉图像轮廓内缩25um，并开始打印，本层打印结束后，关闭光纤激光光路，再以±(l+15)为图像外轮廓记录新的加工坐标，即将骨钉图像轮廓外延15um，开启飞秒激光光路，设定飞秒激光功率为10W，脉冲频率为50MHz，脉冲宽度为200fs，完成本层全部扫描后关闭飞秒激光光路，振镜34复位至加工零点。
(6)重复4-5步，直至完成样件全部打印后，振镜34和推送辊23复位至各自零点。
(7)卸除加工箱13的推拉活塞，取出样件后，安装加工箱13推拉活塞，清理样件表面金属粉末，打印完成，其打印后试样如图4所示。
图5为只采用光纤激光加工后的样件表面的场发射扫描电镜图片，其粗糙度Rz＝31um，表面明显有很多金属颗粒存在，这些颗粒在服役过程中很容易从样件表面脱落，引发炎症，最终导致植入失败，图6为本实施例加工后的样件表面的场发射扫描电镜图片，粗糙度Rz＝12um，表面已经见不到金属颗粒存在，且其表面存在微米级条纹结构，发大后如图7所示。
实施例2～4
该三个实施例提供的打印系统及打印方法除表1所列出的参数外与实施例1均相同，同时表1也给出了三个实施例加工所得样件的表面粗糙度。
表1实施例2～4与实施例1不同的参数及加工样件表面粗糙度
实施例2最终所得样件的照片如图8所示，其表面形貌如图9所示，粗糙度Rz＝11um，与其只完成光纤激光加工后的样件表面(图10所示，Rz＝36um)相比，粗糙度明显下降。
实施例3、4所得样件的照片及表面形貌类型与实施例1和2一致，为了避免赘述，本申请中予以省略。

Claims (10)

1.一种双光源金属粉末三维打印系统，由加工平台、光学系统以及分别和二者相连的控制系统组成，其特征在于，所述的加工平台包括有盛粉装置和送粉装置；所述的光学系统包括有一个光路控制器、一条输出光路和两条输入光路；所述的控制系统包括具有控制界面的显示器、带有外接口的主机箱、与加工平台和光学系统相连的通讯线以及加工控制程序。
2.根据权利要求1所述的一种双光源金属粉末三维打印系统，其特征在于，所述的盛粉装置由两块隔板依次分隔成储粉箱、加工箱和收粉箱，三个箱体内均设有活塞电机驱动的推拉活塞，储粉箱和收粉箱内壁顶端设有红外测高装置；所述的送粉装置包括推送辊、固定于盛粉装置两侧的平行传送履带、连于推送辊两侧的推送电机和将推送电机和传送履带固定连接的固定块，固定块内设有供传送履带穿过的多层卡槽，固定传送履带的四个履带转轴上方的盛粉箱体外侧均设有限位柱。
3.根据权利要求２所述的一种双光源金属粉末三维打印系统，其特征在于，所述两块隔板的高度小于所述盛粉装置高度，所述盛粉装置高度小于所述两块隔板的高度和所述推送辊半径之和，所述加工箱的长度大于所述储粉箱长度的2.5倍。
4.根据权利要求1所述的一种双光源金属粉末三维打印系统，其特征在于，所述的两条输入光路分别来自于串联了扩束镜的光纤激光器和串联了扩束镜的飞秒激光器；所述的光路控制器包括可平移的反射镜及两台激光器的电源开关控制装置。
5.根据权利要求4所述的一种双光源金属粉末三维打印系统，其特征在于，所述的光纤激光光斑半径r1为2510um，飞秒激光光斑半径r2为155um。
6.根据权利要求1所述的一种双光源金属粉末三维打印系统，其特征在于，所述的通讯线在加工平台上与各个电机及红外测高装置相连，在光学系统中通讯线与光路控制器及振镜相连。
7.一种应用权利要求1所述的双光源金属粉末三维打印系统的打印方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）光路校准：启动打印系统，分别校准光纤激光光路和飞秒激光光路后，光纤激光光路聚焦加工零点，所述的加工零点为有效矩形加工面积位于收粉箱侧的一个端点；
（2）图像校准：通过主机箱上的外接口输入打印模型的图像数据，确定图像零点，并将图像零点调节至加工零点；
（3）预铺粉：加工箱推拉活塞复位至箱顶零点，推送辊复位至储粉箱外侧，储粉箱推拉活塞上移，待金属粉体高度超出红外测高装置2-3mm时停止，传送履带带动推送辊从储粉箱侧运动到收粉箱侧，同时推送电机以与传送履带转轴相反的方向驱动推送辊自转，进行预铺粉，推送辊达收粉箱外侧后，在传送履带带动下复位至储粉箱外侧，同时推送辊以相反方向自转；
（4）铺粉：于控制系统的加工程序中设置加工粉层厚度为t，加工箱下降高度t，同时储粉箱上升高度，推送辊以与预铺粉过程相同的运动方式，从储粉箱侧运动到收粉箱侧，而后再复位至储粉箱侧；
（5）开启光纤激光光路，控制程序根据图像加工数据调节光纤激光参数，计算光纤激光加工坐标并开始打印，本层打印结束后，关闭光纤激光光路，计算飞秒激光加工坐标，开启飞秒激光光路，根据图像精度加工和表面处理要求调节飞秒激光参数并完成本层的全部扫描，然后关闭飞秒激光光路，振镜复位至加工零点；
（6）重复4-5步，直至完成样件全部打印后，振镜和推送辊复位至各自零点；
（7）卸除加工箱的推拉活塞，取出样件后，安装加工箱推拉活塞，清理样件表面金属粉末，打印完成。
8.根据权利要求7所述的应用权利要求1所述的双光源金属粉末三维打印系统的打印方法，其特征在于，步骤（3）中所述的传送履带的传送速度为10~50mm/s。
9.根据权利要求7所述的应用权利要求1所述的双光源金属粉末三维打印系统的打印方法，其特征在于，步骤（5）中所述的光纤激光加工的图像加工坐标计算原则为，光纤激光扫描的轨迹靠内补偿，飞秒激光扫描的轨迹靠外补偿，即光纤激光扫描的轨迹为原加工图像的外轮廓向内部缩进光纤激光光斑半径大小后的新轮廓，飞秒激光扫描的轨迹为原加工图像的外轮廓向外延伸飞秒激光光斑半径大小后的新轮廓。
10.根据权利要求7所述的应用权利要求1所述的双光源金属粉末三维打印系统的打印方法，其特征在于，步骤（5）中所述的光纤激光的功率为60W~500W；所述的飞秒激光的功率3~20W，脉冲频率50K~80MHz，脉冲宽度50~400fs。
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