CN106393975A - 结合喷墨打印和选择性激光熔融的3d打印设备及其工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印设备及其工艺。该设备包括用于存储墨水的储料罐、成型腔和气体循环装置，成型腔内包含单个或多个喷墨打印头，气体循环装置可除去墨水中的挥发性溶剂。采用喷墨打印头结合基板的移动的方式在基板上打印所需图案，并采用选择性激光熔融获得单层致密图案，以此实现多层打印与层间结合而获得3维块体材料。与现有选择性激光熔融设备相比，本发明中的设备可提高原材料的利用率并可同时打印包含多种材料种类的零件。

Description

结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印设备及其工艺
技术领域
本发明涉及3D打印领域，更具体地说，涉及一种结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印设备及其工艺。
背景技术
目前3D打印技术作为一种快速成型工艺越来越受到工业界的重视，针对不同的材料种类和应用领域也发展出不同的3D打印技术。金属材料作为应用最广的材料种类，其3D打印技术也是日益成熟，工业界获得应用的主要工艺有两种：选择性激光熔融技术(Selective Laser Melting)和聚焦电子束选区熔融技术(Electron Beam Selective Melting)。该类技术的基本原理是：在基板上均匀的铺满一层金属材料粉体(粉床)，采用激光或聚焦电子束对粉床设定区域进行加热熔化后凝固，获得致密薄层材料的同时实现和基板的粘结；基板下降一个薄层的高度后，在获得的薄层材料上再次铺粉、熔化并使层间结合，这样按照CAD数据重复打印若干层并使其粘结在一起而获得最终的3维零件。
现有的商业化金属3D打印技术在至少以下两个方面存在技术上的不足：
1.粉体必须铺满整个粉床，而实际零件打印的区域可能远远小于粉床的面积，原料的利用率较低。粉床上多余的粉末需要通过后续工艺回收，这也增加了零件的整体制造成本。
2.由于是采用刮刀铺粉的方式，粉床上的粉体材料必定为同种组成。对于一些包含两种、更多材料种类以及梯度组分的金属零件而言，是无法采用现有的技术一次打印成型的。
最近有文献报道【宋长辉.基于激光选区熔化技术的个性化植入体设计与直接制造研究[博士]:华南理工大学】通过引入多组分送粉装置，可以在某一方向上实现组分的梯度，但无法实现在任意方向上的组成梯度。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印设备及其工艺。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印设备，包括储料罐、成型腔和气体循环装置，所述成形腔顶部设有激光入射窗口，所述成型腔内设有喷墨打印装置，所述喷墨打印装置包括基板和喷墨打印头，所述储料罐用于存储墨水，并将墨水供给至所述喷墨打印头，所述气体循环装置包括密封腔体，密封腔体内部设有过滤层、干燥层和循环风机，所述密封腔体上与所述成形腔密封连接。
上述方案中，所述喷墨打印装置还包括带x向位移台的底座，所述x向位移台上放置基板，底座上设置带y向位移台的支架，y向位移台上固定z向位移台，z向位移台上固定喷墨打印头，所述喷墨打印头位于基板上方。
上述方案中，所述基板下方设有平板加热器。
上述方案中，所述成型腔壁上设有对腔体内气体中的可挥发性溶剂的含量进行监测的溶剂气体浓度探测器。
上述方案中，所述成型腔壁上设有对腔体内气体中的水蒸汽含量进行监测的水蒸气含量探测器。
上述方案中，包括以下步骤：
a.储料罐中的墨水注入到喷墨打印头中；
b.喷墨打印头采用喷墨打印的方式在基板上打印所需单层图案；
c.控制基板的温度，使墨水中的溶剂快速挥发，通过气体循环装置中的干燥层而快速除去，将干燥的工作气体返回到成型腔体内部；
d.喷墨打印头从基板上方移开后，基板回到原点，基板上的图案通过选区激光熔融进行成型和连接，获得单层致密薄层材料；
e.重复以上过程获得多层致密块体材料。
上述方案中，成型腔内工作气体为Ar或N2。
上述方案中，步骤c之后，成型腔内工作气体的水含量降低到100ppm以下后，才执行步骤d。
上述方案中，成型腔内工作气体的氧含量降低到100ppm以下后，才执行步骤d。
本发明还提供了另外一种结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印设备，其特征在于，包括成型腔、气体循环装置和至少两个储料罐，所述成形腔顶部设有激光入射窗口，所述成型腔内设有喷墨打印装置，所述喷墨打印装置包括基板和至少两个喷墨打印头，所述储料罐用于存储墨水，并将墨水供给至所述喷墨打印头，所述气体循环装置包括密封腔体，密封腔体内部设有过滤层、干燥层和循环风机，所述密封腔体上与所述成形腔密封连接。
上述方案中，所述喷墨打印装置还包括带x向位移台的底座，所述x向位移台上放置基板，底座上设置带y向位移台的支架，y向位移台上固定z向位移台，z向位移台上固定喷墨打印头，所述喷墨打印头位于基板上方。
上述方案中，两个或两个以上喷墨打印头平行等距放置，墨水喷射方向为竖直方向。
上述方案中，所述喷墨打印头数量为三个，中间喷墨打印头竖直放置，左右喷墨打印头倾斜对称放置，喷墨打印头中心线延长线在基板表面相交。
本发明还提供了一种上述的结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印设备的打印工艺，包括以下步骤：
a.将储料罐中的墨水作用下注入到成型腔对应的喷墨打印头中；
b.多个喷墨打印头结合基板的移动采用喷墨打印的方式在基板上打印对应材料单层图案；
c.控制基板的温度，使墨水中的溶剂快速挥发，通过气体循环装置中的干燥层而快速除去，将干燥的工作气体返回到成型腔体内部；
d.喷墨打印头从基板上方移开后，基板回到原点，基板上的图案通过选区激光熔融进行成型和连接，获得单层致密薄层材料；
e.重复以上过程获得多层致密块体材料。
上述方案中，其特征在于，步骤b中打印方式为多个喷墨打印头逐一打印对应材料。
上述方案中，步骤b中打印方式为多个喷墨打印头同时工作打印对应材料的图案。
上述方案中，步骤d中激光扫描方式为对不同材料依次扫描。
上述方案中，步骤d中激光扫描方式为按空间排布方式依次扫描。
实施本发明的结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印设备及其工艺，具有以下有益效果：
1、粉体采用喷墨打印的方式平铺在基板上，因而可以根据物体横截面的形状铺满对应的区域即可，而不必铺满整个基板。
2、喷墨打印可以采用多个送料通道很方便的处理不同种类的材料，因而本发明可以打印包含两种或更多种不同材料的零件。
3、本发明由于采用喷墨打印的方式送粉，单层粉料的厚度可以很薄，且粉料的厚度可在较大的范围内控制，有利于对成型精度进行调控。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是设备整体结构示意图；
图2a是单喷头打印装置示意图；
图2b是图2a的侧视图；
图3是气体循环系统示意图；
图4是喷墨打印图案和激光扫描区域图案示意图；
图5是多喷头设备整体结构示意图；
图6a是双喷头打印装置示意图；
图6b是图6的侧视图；
图7是三喷头平行竖直放置打印装置示意图；
图8是三喷头倾斜聚焦放置打印装置示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
实施例1
一种结合喷墨打印和选择性激光熔融技术的3D打印设备，包含有成型腔1、用于存储墨水的储料罐3、气体循环系统4和溶剂气体浓度探测器5(图1)。
成型腔1内放置一喷墨打印装置2，该部分可在成腔体1内整体上下运动。喷墨打印装置2(图2a、图2b)包含一带x方向运动的位移台的底座21，该x向位移台上依次放置一平板加热器26和基板25。底座上设置一支架22，支架22上带有可沿y方向运动的位移台，该y向位移台上再固定一可沿z方向运动的位移台23，该z向位移台23上固定一喷墨打印头24、喷墨打印头24位于基板25上方。
储料罐3中的墨水可通过管道输送至成型腔内的喷墨打印头24。气体循环系统4(图3)包含一密封腔体31，腔体顶部设置有一进风口36，侧面设置有一出风口32，腔体内部从上至下设置有一干燥层35、过滤层34和循环风机33。
本实施例的结合喷墨打印和选择性激光熔融技术的3D打印设备，其打印为：
储料罐3中的墨水输送到喷墨打印头24中，喷墨打印头24将墨水喷射出来沉积到基板25表面，通过喷头24和基板25的相对运动在基板25上打印第一层图案，基板25的温度控制在溶剂的沸点以下，使溶剂水快速挥发，水蒸气和工作气体Ar或N2混合通过气体循环装置4后被干燥层35吸附而去除。墨水干燥后，基板25回到原点。采用溶剂气体浓度水探测器5检测混合气体中水蒸气的浓度，当其含量在100ppm时，采用选择性激光熔融的工艺基板25上的粉末薄层材料进行扫描而固化成型并和基板25连接。重复以上过程获得多层致密块体材料。在以上过程中，选择性激光熔融工艺扫描的范围42在喷墨打印的范围41之内(图4)。
实施例2
在本发明的另外一种结合喷墨打印和选择性激光熔融技术的3D打印设备可同时打印多种不同材料的设备实施例中，设备包含：成型腔1、多头喷墨打印装置51、用于存储三种不同墨水的储料罐52、53和54、气体循环系统4和溶剂气体浓度探测器5。
所述多头喷墨打印装置51可以是双头喷墨装置，包含2个平行竖直放置的喷墨打印头61和62，通过喷头固定夹具53和支架连接(图5)；
所述的多头喷墨打印装置51也可以是3头喷墨装置，包含3个喷墨打印头(图6，图7)，3个喷头71、72和73可平行竖直放置。
本实施例中的结合喷墨打印和选择性激光熔融技术的3D打印设备可同时打印多种不同材料的设备，其打印工艺为：储料罐52、53和54中的墨水分别输送至喷墨打印头71、72和73中。喷头71首先工作在基板25上打印出对于材料的图案、接着喷头72和73依次工作，在基板25上打印各自对应的图案；控制基板25的温度为80℃，使墨水中的水快速挥发，通过气体循环系统4中的干燥层35而快速除去，将干燥的工作气体Ar返回到成型腔1内部；喷墨打印头从基板25上方移开后，基板25回到原点，基板25上的图案通过选区激光熔融进行成型和连接，获得单层致密薄层材料。重复以上过程获得多层致密块体材料。
实施例3
本实施例中，发明的装置和实施例2中的区别中间喷墨打印头82竖直放置，左右喷墨打印头81和83倾斜对称放置，喷墨打印头中心线延长线在基板表面相交。
在具体喷墨打印头的工作方式上，三个喷头81、82和83共同协作完成单层图案，即3个喷头可同时工作，喷头的启停取决于喷头所处位置基板上的图案。如果此时基板上的图案对于的是喷头81所包含的材料，则喷头81工作，喷头82和83处于待机状态。在进行激光扫描的过程时，激光扫描路径可以跟据材料的种类而规划，即激光扫描完材料A所在的区域后，然后再对材料B所在的区域进行扫描。完成单层扫描后，重复以上过程获得多层致密块体材料。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (18)

1.一种结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印设备，其特征在于，包括储料罐、成型腔和气体循环装置，所述成形腔顶部设有激光入射窗口，所述成型腔内设有喷墨打印装置，所述喷墨打印装置包括基板和喷墨打印头，所述储料罐用于存储墨水，并将墨水供给至所述喷墨打印头，所述气体循环装置包括密封腔体，密封腔体内部设有过滤层、干燥层和循环风机，所述密封腔体上与所述成形腔密封连接。
2.根据权利要求1所述的结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印设备，其特征在于，所述喷墨打印装置还包括带x向位移台的底座，所述x向位移台上放置基板，底座上设置带y向位移台的支架，y向位移台上固定z向位移台，z向位移台上固定喷墨打印头，所述喷墨打印头位于基板上方。
3.根据权利要求2所述的结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印设备，其特征在于，所述基板下方设有平板加热器。
4.根据权利要求1所述的结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印设备，其特征在于，所述成型腔壁上设有对腔体内气体中的可挥发性溶剂的含量进行监测的溶剂气体浓度探测器。
5.根据权利要求1所述的结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印设备，其特征在于，所述成型腔壁上设有对腔体内气体中的水蒸汽含量进行监测的水蒸气含量探测器。
6.一种权利要求1-5任意一项所述的结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印设备的打印工艺，其特征在于，包括以下步骤：
a.储料罐中的墨水注入到喷墨打印头中；
b.喷墨打印头采用喷墨打印的方式在基板上打印所需单层图案；
c.控制基板的温度，使墨水中的溶剂快速挥发，通过气体循环装置中的干燥层而快速除去，将干燥的工作气体返回到成型腔体内部；
d.喷墨打印头从基板上方移开后，基板回到原点，基板上的图案通过选区激光熔融进行成型和连接，获得单层致密薄层材料；
e.重复以上过程获得多层致密块体材料。
7.根据权利要求6所述的结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印设备的打印工艺，其特征在于，成型腔内工作气体为Ar或N2。
8.根据权利要求6所述的结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印设备的打印工艺，其特征在于，步骤c之后，成型腔内工作气体的水含量降低到100ppm以下后，才执行步骤d。
9.根据权利要求6所述的结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印设备的打印工艺，其特征在于，成型腔内工作气体的氧含量降低到100ppm以下后，才执行步骤d。
10.一种结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印设备，其特征在于，包括成型腔、气体循环装置和至少两个储料罐，所述成形腔顶部设有激光入射窗口，所述成型腔内设有喷墨打印装置，所述喷墨打印装置包括基板和至少两个喷墨打印头，所述储料罐用于存储墨水，并将墨水供给至所述喷墨打印头，所述气体循环装置包括密封腔体，密封腔体内部设有过滤层、干燥层和循环风机，所述密封腔体上与所述成形腔密封连接。
11.根据权利要求10所述的结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印设备，其特征在于，所述喷墨打印装置还包括带x向位移台的底座，所述x向位移台上放置基板，底座上设置带y向位移台的支架，y向位移台上固定z向位移台，z向位移台上固定喷墨打印头，所述喷墨打印头位于基板上方。
12.根据权利要求10所述的结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印设备，其特征在于，两个或两个以上喷墨打印头平行等距放置，墨水喷射方向为竖直方向。
13.根据权利要求10所述的结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印设备，其特征在于，所述喷墨打印头数量为三个，中间喷墨打印头竖直放置，左右喷墨打印头倾斜对称放置，喷墨打印头中心线延长线在基板表面相交。
14.一种权利要求10-13任意一项所述的结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印设备的打印工艺，其特征在于，包括以下步骤：
a.将储料罐中的墨水作用下注入到成型腔对应的喷墨打印头中；
b.多个喷墨打印头结合基板的移动采用喷墨打印的方式在基板上打印对应材料单层图案；
c.控制基板的温度，使墨水中的溶剂快速挥发，通过气体循环装置中的干燥层而快速除去，将干燥的工作气体返回到成型腔体内部；
d.喷墨打印头从基板上方移开后，基板回到原点，基板上的图案通过选区激光熔融进行成型和连接，获得单层致密薄层材料；
e.重复以上过程获得多层致密块体材料。
15.根据权利要求14所述的结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印设备的打印工艺，其特征在于，步骤b中打印方式为多个喷墨打印头逐一打印对应材料。
16.根据权利要求14所述的结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印设备的打印工艺，其特征在于，步骤b中打印方式为多个喷墨打印头同时工作打印对应材料的图案。
17.根据权利要求14所述的结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印设备的打印工艺，其特征在于，步骤d中激光扫描方式为对不同材料依次扫描。
18.根据权利要求14所述的结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印设备的打印工艺，其特征在于，步骤d中激光扫描方式为按空间排布方式依次扫描。
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