CN106835303B - 激光烧结与电纺碳纤维相结合的金属3d打印装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光烧结与电纺碳纤维相结合的金属3D打印装置及方法，基板通过XY二维运动平台固定于机架的底部，竖向运动装置固定于机架的侧面，激光器设置于竖向运动装置的侧面，针头及喷嘴固定于竖向运动装置的底部，且针头的出口、喷嘴的出口及激光器均正对基板，高压电源的正极及负极分别与针头及基板相连接，碳纤维溶液料筒及金属原料料筒均固定于机架的顶部，且碳纤维溶液料筒的出口与针头的入口相连通，金属原料料筒的出口与喷嘴的入口相连通，计算机与XY二维运动平台的控制端及竖向运动装置的控制端相连接，该装置及方法制备出强度及硬度较好的工件，工件的表面较为光滑，并且制备过程中不挥发异味，制作过程较为简单。

Description

激光烧结与电纺碳纤维相结合的金属3D打印装置及方法
技术领域
本发明属于金属基碳纤维增强材料的快速成型技术领域，具体涉及一种激光烧结与电纺碳纤维相结合的金属3D打印装置及方法。
背景技术
自从Formhals等在1934年利用电纺技术实现纳米纤维无纺布的构建之后，静电纺丝技术就为大家所熟知。这一技术的核心是使带电流体在静电场中流动与变形，最终得到纤维状物质。当给注射器针尖和收集板之间加上静电高压时，电场力克服针尖液滴的表面张力，高速射流被拉伸，然后形成泰勒锥，静电力使射流分岔，变成极细的丝状纤维。最后溶剂挥发，收集板收集到无序的无纺布式纳米级纤维。碳纤维(carbonfiber,CF)是静电纺丝的常用材料，该材料由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化和石墨化处理而得到的微晶石墨材料。质量轻但强度却高于钢铁材料，并且具有耐腐蚀、、耐高温高模量等特性，是非常稳定的纤维增强材料。
快速成型技术(Rapid Prototyping，简称RP)是一项集激光、材料、信息及控制等于一体的高新制造技术，其突出优点就是不需要任何工装夹具便能根据产品的CAD数据快捷地制造出具有一定结构和功能的原型甚至产品，是制造领域的一次重大技术突破，与并行工程一起被列为当代两项最重要的制造技术。其中，选择性激光烧结(selectinglasersintering SLS)利用粉末材料在激光照射下烧结的原理，由计算机控制层叠堆积成型。一般的步骤是首先铺一层粉末材料，将材料预热到接近熔化点，再使用激光在该层截面上扫描，使粉末温度升至熔化点，然后烧结形成粘接，接着不断重复铺粉、烧结的过程，直至完成整个模型成型。该工艺材料适用面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件，特别是可以直接制造金属零件。该技术的优点为：可采用多种材料、制作工艺简单、无需支撑结构、材料利用率高。但该方法加工出的制作表面粗糙、烧结过程挥发异味、制作过程需要比较复杂的辅助工艺等，特别是制造出来的工件的强度和硬度与锻件相比都有很大的差异，很难作为结构件直接使用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种激光烧结与电纺碳纤维相结合的金属3D打印装置及方法，该装置及方法制备出强度及硬度较好的工件，工件的表面较为光滑，并且制备过程中不挥发异味，制作过程较为简单。
为达到上述目的，本发明所述的激光烧结与电纺碳纤维相结合的金属3D打印装置包括计算机、机架、基板、XY二维运动平台、竖向运动装置、激光烧结装置及静电纺丝装置，其中激光烧结装置包括激光器、喷嘴及金属原料料筒，静电纺丝装置包括高压电源、针头及碳纤维溶液料筒；
基板通过XY二维运动平台固定于机架的底部，竖向运动装置固定于机架的侧面，激光器设置于竖向运动装置的侧面，针头及喷嘴固定于竖向运动装置的底部，且针头的出口、喷嘴的出口及激光器均正对基板，高压电源的正极及负极分别与针头及基板相连接，碳纤维溶液料筒及金属原料料筒均固定于机架的顶部，且碳纤维溶液料筒的出口与针头的入口相连通，金属原料料筒的出口与喷嘴的入口相连通，计算机与XY二维运动平台的控制端及竖向运动装置的控制端相连接。
金属原料料筒的出口通过金属送料管与喷嘴的入口相连通。
金属原料料筒的出口处设有金属原料调节阀，金属原料调节阀的控制端与计算机相连接。
碳纤维溶液料筒的出口通过碳纤维送料管与针头的入口相连通。
碳纤维溶液料筒的出口处设有碳纤维溶液调节阀，碳纤维溶液调节阀的控制端与计算机相连接。
本发明所述的激光烧结与电纺碳纤维相结合的金属3D打印方法包括以下步骤：
计算机根据待打印工件的三维模型通过XY二维移动平台调整基板在水平面内的位置，计算机根据待打印工件的三维模型通过竖向运动装置调节喷嘴、针头及激光器在竖向方向上的位置，同时金属原料料筒中的金属原料经喷嘴掉落到基板上，激光器发出的激光照射到金属原料上，使金属原料融化、烧结成型，与此同时，碳纤维溶液料筒中的碳纤维溶液经针头喷出，高压电源在针头与基板之间形成高压电，使针头喷出的碳纤维溶液液滴克服表面张力被拉伸形成泰勒锥，同时在静电力的作用下射流分岔形成丝状碳纤维，并掉落到金属原料的烧结区域内，再经激光器烧结，最终排布在工件的内部及表面，得待打印工件。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的激光烧结与电纺碳纤维相结合的金属3D打印装置及方法在具体操作时，将静电纺丝技术与激光烧结成型技术相结合，根据待打印工件的形状调整基板、喷嘴及针头的位置，并在金属原料激光烧结的过程中在烧结区域加入丝状碳纤维，从而制备出任意复杂形状的工件，工件的强度及耐磨性得到大幅的提高，工件的表面光滑，并且制备过程中不挥发异味，操作较为简单，避免传统加工工序多、效率低下的弊端，同时不需要使用工装夹具就能快速的获得金属功能工件，有效的解决激光烧结直接成型的功能工件强度低的问题。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明的主视图。
其中，1为基板、2为喷嘴、3为机架、4为金属送料管、5为金属原料调节阀、6为金属原料料筒，7为碳纤维溶液料筒、8为碳纤维溶液调节阀、9为碳纤维送料管、10为竖向运动装置、11为转动盘、12为激光器、13为绝缘套、14为针头、15为纵向运动装置、16为横向运动装置、17为高压电源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的激光烧结与电纺碳纤维相结合的金属3D打印装置包括计算机、机架3、基板1、XY二维运动平台、竖向运动装置10、激光烧结装置及静电纺丝装置，其中激光烧结装置包括激光器12、喷嘴2及金属原料料筒6，静电纺丝装置包括高压电源17、针头14及碳纤维溶液料筒7；基板1通过XY二维运动平台固定于机架3的底部，竖向运动装置10固定于机架3的侧面，激光器12设置于竖向运动装置10的侧面，针头14及喷嘴2固定于竖向运动装置10的底部，且针头14的出口、喷嘴2的出口及激光器12均正对基板1，高压电源17的正极及负极分别与针头14及基板1相连接，碳纤维溶液料筒7及金属原料料筒6均固定于机架3的顶部，且碳纤维溶液料筒7的出口与针头14的入口相连通，金属原料料筒6的出口与喷嘴2的入口相连通，计算机与XY二维运动平台的控制端及竖向运动装置10的控制端相连接。
金属原料料筒6的出口通过金属送料管4与喷嘴2的入口相连通；金属原料料筒6的出口处设有金属原料调节阀5，金属原料调节阀5的控制端与计算机相连接；碳纤维溶液料筒7的出口通过碳纤维送料管9与针头14的入口相连通；碳纤维溶液料筒7的出口处设有碳纤维溶液调节阀8，碳纤维溶液调节阀8的控制端与计算机相连接。
激光器12通过转动盘11固定于竖向运动装置10上，通过安装在180°转动台上的激光器12，使激光在烧结层的截面上扫描；XY二维运动平台由纵向运动装置15及横向运动装置16组成；针头14通过绝缘套13固定于竖向运动装置10上。
本发明所述的激光烧结与电纺碳纤维相结合的金属3D打印方法包括以下步骤：
计算机根据待打印工件的三维模型通过XY二维移动平台调整基板1在水平面内的位置，计算机根据待打印工件的三维模型通过竖向运动装置10调节喷嘴2、针头14及激光器12在竖向方向上的位置，同时金属原料料筒6中的金属原料经喷嘴2掉落到基板1上，激光器12发出的激光照射到金属原料上，使金属原料融化、烧结成型，与此同时，碳纤维溶液料筒7中的碳纤维溶液经针头14喷出，高压电源17在针头14与基板1之间形成高压电，使针头14喷出的碳纤维溶液液滴克服表面张力被拉伸形成泰勒锥，同时在静电力的作用下射流分岔形成丝状碳纤维，并掉落到金属原料的烧结区域内，再经激光器12烧结，最终排布在工件的内部及表面，得待打印工件。
本发明通过计算机控制碳纤维溶液调节阀8及金属原料调节阀5，同时或间歇输出金属颗粒及碳纤维原丝，再经激光烧结后，可以制备出任意复杂形状的零件，并能获得高的强度及耐磨性，可以直接作为功能件使用。

Claims (4)

1.一种激光烧结与电纺碳纤维相结合的金属3D打印装置，其特征在于，包括计算机、机架(3)、基板(1)、XY二维运动平台、竖向运动装置(10)、激光烧结装置及静电纺丝装置，其中激光烧结装置包括激光器(12)、喷嘴(2)及金属原料料筒(6)，静电纺丝装置包括高压电源(17)、针头(14)及碳纤维溶液料筒(7)；
基板(1)通过XY二维运动平台固定于机架(3)的底部，竖向运动装置(10)固定于机架(3)的侧面，激光器(12)设置于竖向运动装置(10)的侧面，针头(14)及喷嘴(2)固定于竖向运动装置(10)的底部，且针头(14)的出口、喷嘴(2)的出口及激光器(12)均正对基板(1)，高压电源(17)的正极及负极分别与针头(14)及基板(1)相连接，碳纤维溶液料筒(7)及金属原料料筒(6)均固定于机架(3)的顶部，且碳纤维溶液料筒(7)的出口与针头(14)的入口相连通，金属原料料筒(6)的出口与喷嘴(2)的入口相连通，计算机与XY二维运动平台的控制端及竖向运动装置(10)的控制端相连接；
金属原料料筒(6)的出口通过金属送料管(4)与喷嘴(2)的入口相连通；
碳纤维溶液料筒(7)的出口通过碳纤维送料管(9)与针头(14)的入口相连通。
2.根据权利要求1所述的激光烧结与电纺碳纤维相结合的金属3D打印装置，其特征在于，金属原料料筒(6)的出口处设有金属原料调节阀(5)，金属原料调节阀(5)的控制端与计算机相连接。
3.根据权利要求1所述的激光烧结与电纺碳纤维相结合的金属3D打印装置，其特征在于，碳纤维溶液料筒(7)的出口处设有碳纤维溶液调节阀(8)，碳纤维溶液调节阀(8)的控制端与计算机相连接。
4.一种激光烧结与电纺碳纤维相结合的金属3D打印方法，其特征在于，基于权利要求1所述的激光烧结与电纺碳纤维相结合的金属3D打印装置，包括以下步骤：
计算机根据待打印工件的三维模型通过XY二维移动平台调整基板(1)在水平面内的位置，计算机根据待打印工件的三维模型通过竖向运动装置(10)调节喷嘴(2)、针头(14)及激光器(12)在竖向方向上的位置，同时金属原料料筒(6)中的金属原料经喷嘴(2)掉落到基板(1)上，激光器(12)发出的激光照射到金属原料上，使金属原料融化、烧结成型，与此同时，碳纤维溶液料筒(7)中的碳纤维溶液经针头(14)喷出，高压电源(17)在针头(14)与基板(1)之间形成高压电，使针头(14)喷出的碳纤维溶液液滴克服表面张力被拉伸形成泰勒锥，同时在静电力的作用下射流分岔形成丝状碳纤维，并掉落到金属原料的烧结区域内，再经激光器(12)烧结，最终排布在工件的内部及表面，得待打印工件。
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