CN106975750A - 一种激光熔融沉积成型装置及其运行方法 - Google Patents

一种激光熔融沉积成型装置及其运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光熔融沉积成型装置及其运行方法；包括二氧化碳激光发生器、复合打印头、多路送丝机构；二氧化碳激光发生器通过光纤连接复合打印头，并与其内的移动镜组和聚焦镜片形成光路连接；复合打印头的下端为圆锥形结构，沿圆锥形结构的外周壁分布有多个丝材导向通道；来自多路送丝机构的丝材穿入丝材导向通道内；二氧化碳激光发生器作为熔融丝材的热源，激光焦点聚焦在丝材端部并将其熔融；X、Y向运动机构携带复合打印头，将熔融后的丝材熔液按照规划路径熔融沉积在热床上。本装置有机整合了二氧化碳激光器及复合打印头，丝材熔融发生在复合打印头外部，解决现有打印头在打印过程中容易出现喷头堵塞，等问题。

Description

一种激光熔融沉积成型装置及其运行方法
技术领域
本发明涉及增材制造3D打印领域，尤其涉及一种激光熔融沉积成型装置及其运行方法。
背景技术
传统的非金属桌面熔融沉积FDM的工作原理是将丝状原料通过送丝部件送入热熔喷头，然后在喷头内被加热融化，在电脑控制下喷头沿着零件截面轮廓和填充轨迹运动，将半流动状态的材料送到指定位置并最终凝固，同时与周围材料粘结，选择性的逐层熔化与覆盖，最终形成成品。熔融沉积成型是上世纪八十年代末，由美国Stratasys公司发明的技术。1992年，Stratasys公司推出了世界上第一台基于FDM技术的3D打印机——“3D造型者(3DModeler)”，这也标志着FDM技术步入商用阶段。国内方面，对于FDM技术的研究最早在包括清华大学、西安交大、华中科大等几所高校进行，其中清华大学下属的企业于2000年推出了基于FDM技术的商用3D打印机，近年来也涌现出北京太尔时代、杭州先临三维等多家将3D打印机技术商业化的企业。
FDM其特点具有成型材料范围较广，ABS、PLA、PC、PP等热塑性材料均可作为FDM路径的成型材料，易于取得，且成本较低。环境污染较小，在整个过程中只涉及热塑材料的熔融和凝固，且在较为封闭的3D打印室内进行，且不涉及高温、高压，没有有毒有害物质排放，因此环境友好程度较高。然而也有相对的缺陷，成型时间不易过长，由于喷头运动是机械运动，成型过程中速度受到一定的限制，因此一般成型时间较长，不适于制造大型部件。精度低，与其他3D打印路径相比，采用FDM路径的成品精度相对较低，表面有明显的纹路。需要支撑材料，在成型过程中需要加入支撑材料，在打印完成后要进行剥离，对于一些复杂构件来说，剥离存在一定的困难。打印头易堵塞，在成形过程中打印头往往容易堵塞，造成成形过程中断。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种结构简单、加工效率高的激光熔融沉积成型装置及其运行方法。解决现有打印头在打印过程中容易出现喷头堵塞，等问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种激光熔融沉积成型装置，包括二氧化碳激光发生器4、复合打印头1、多路送丝机构2、热床6；所述复合打印头1内部为空腔，自上而下设置有移动镜组8和聚焦镜片9；所述二氧化碳激光发生器4通过光纤7连接复合打印头1，并与其内的移动镜组8和聚焦镜片9形成光路连接；
所述复合打印头1的下端为圆锥形结构，沿圆锥形结构的外周壁分布有多个丝材导向通道10；来自多路送丝机构2的丝材3穿入丝材导向通道10内；复合打印头1由X、Y向运动机构驱动；热床6由Z向运动机构驱动；
二氧化碳激光发生器4作为熔融丝材3的热源，激光焦点聚焦在丝材3端部并将其熔融；X、Y向运动机构携带复合打印头1，将熔融后的丝材熔液按照规划路径熔融沉积在热床6上。
所述复合打印头1本体上外置有一调节手柄，用于调节移动镜组8与聚焦镜片9的距离，进而改变聚焦在丝材端部的焦点的大小。
所述丝材导向通道10的下端出口的内侧为斜口。
所述丝材导向通道10的数量为3至5个，其孔径相同或者各不相同。
本发明激光熔融沉积成型装置的运行方法如下：
打印过程中，复合打印头1由X、Y向运动机构带动其在规划路径的X、Y向平面内运动；热床6根据规划路径，通过Z向运动机构驱动其上下运动；
二氧化碳激光发生器4作为熔融丝材3的热源，激光焦点聚焦在丝材3端部并将其熔融；多路送丝机构2将丝材3不断输送至丝材导向通道10，X、Y向运动机构携带复合打印头1，将熔融后的丝材熔液按照规划路径熔融沉积在热床10上；在熔融沉积成型过程中，每成型一层，Z向运动机构根据规划路径，下降一个层厚，直至整个工件5熔融沉积成型。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
1、成型方法上的创新：传统的熔融沉积(FDM)成型设备，使用加热喷头的方式使耗材熔融沉积，使用前需要等待喷头加热，打印过程中容易出现喷头堵塞，磨损和更换麻烦的问题，耗材容易出现拉丝，断丝的问题。本发明使用二氧化碳激光器作为加热源，丝材熔融发生在复合打印头外部，并使用整合了多路送丝机构，可以根据实际需要选择输送耗材路数并通过控制激光束焦点位置，调控光斑大小，保证工作状态时，输送的多路耗材在光斑范围内，对耗材进行加热熔融。
2、成型效率上的进步：与普通的单喷头熔融沉积成型设备相比，本发明使用多路送丝复合打印头可以实现多路送丝快速填充内部高效打印，从而加快了成形效率；同时激光能量密度集中，热影响区小的特点能在较短时间熔融耗材，因而可以加快耗材输送，从而加快成型速率。
3、成型技术上的进步：多路送丝复合打印头，不仅高效，也具有多喷嘴的优点。在可以实现单路精细打印的同时，多路送丝复合打印头装置可以实现多色打印，混色打印的方案，同时可输送水溶性支撑耗材解决去除支撑的难题。
4、开辟了激光熔融沉积(LFDM)的新领域：本发明为熔融沉积技术提供了新的发展方向，在解决了传统装备存在的一些问题的同时，也赋予了新型装置更多的功能，为熔融沉积成型技术提供了更多的可能与解决问题的方法与思路。
附图说明
图1为本发明激光熔融沉积成型装置结构示意图。
图2为复合打印头主视图；
图3为复合打印头仰视图；
图4为复合打印头等轴视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1至4所示。本发明公开了一种激光熔融沉积成型装置，包括二氧化碳激光发生器4、复合打印头1、多路送丝机构2、热床6；所述复合打印头1内部为空腔，自上而下设置有移动镜组8和聚焦镜片9；所述二氧化碳激光发生器4通过光纤7连接复合打印头1，并与其内的移动镜组8和聚焦镜片9形成光路连接；所述复合打印头1的下端为圆锥形结构，沿圆锥形结构的外周壁分布有多个丝材导向通道10；来自多路送丝机构2的丝材3(耗材)穿入丝材导向通道10内；圆锥形结构保证各丝材导向通道10输出的丝材向激光光路通道中间聚集齐。
复合打印头1由X、Y向运动机构驱动；热床6由Z向运动机构驱动；
二氧化碳激光发生器4作为熔融丝材3的热源，激光焦点聚焦在丝材3端部并将其熔融；X、Y向运动机构携带复合打印头1，将熔融后的丝材熔液按照规划路径熔融沉积在热床6上。
所述复合打印头1本体上外置有一调节手柄，用于调节移动镜组8与聚焦镜片9的距离，进而改变聚焦在丝材端部的焦点的大小，以保证在耗材聚集齐处的光路大小使全部耗材得以融化成型。
所述丝材导向通道10的下端出口的内侧为斜口。所述丝材导向通道10的数量为3至5个，其孔径相同或者各不相同，可根据实际需要输送多种不同颜色，不同数量，不同种类的丝材(耗耗)。
在工作时，多路送丝机构2根据系统的控制，运行相应的挤出机，以获得所需耗材。
多路送丝机构2根据不同情况输送多种不同颜色，不同数量，不同种类的耗材。在打印薄壁以及精细结构时，能从单喷头输送耗材；在打印大面积填充时，能从多喷头同时输送直径较大的耗材，加快打印速度；根据打印件颜色的需要，可以输送不同颜色的耗材；在打印支撑时，切换材料使喷头输送水溶性支撑耗材，方便后期处理去除支撑。
在实际的激光熔融沉积成型过程中，打印开始前，先将编好的零件的文件数据导入成型设备控制系统。根据实际成型零件的需要，在多路送丝机构2中安装好相应颜色种类的耗材，调整好坐标值，调平热床6并进行加热，无须加热复合打印头，准备打印。
打印过程中，热床6通过直线丝杆模组，在电机驱动下，Z轴方向上的运动，复合打印头通过直线导轨以及电机的驱动，实现在X轴、Y轴方向上的的移动，逐层进行成型。根据实际需要选择输送耗材路数并通过调节移动镜组与聚焦镜头的距离，调激光束焦点位置，调控光斑大小，保证工作状态时，输送的多路耗材在光斑范围内，对耗材进行加热熔融。复合打印头在系统的控制下，可实现多色打印，混色打印、单色打印等；若需要打印支撑时，则可输送水溶性支撑材料；打印薄壁或其他精细结构时，使用单喷嘴精细打印；若打印内部填充时，可多路送丝以提高效率。
成型结束，热床6回归原点，从热床6上取下打印件，进行去除水溶性支撑，表面处理等后期处理，完成成型工作。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种激光熔融沉积成型装置，其特征在于：包括二氧化碳激光发生器(4)、复合打印头(1)、多路送丝机构(2)、热床(6)；所述复合打印头(1)内部为空腔，自上而下设置有移动镜组(8)和聚焦镜片(9)；所述二氧化碳激光发生器(4)通过光纤(7)连接复合打印头(1)，并与其内的移动镜组(8)和聚焦镜片(9)形成光路连接；
所述复合打印头(1)的下端为圆锥形结构，沿圆锥形结构的外周壁分布有多个丝材导向通道(10)；来自多路送丝机构(2)的丝材(3)穿入丝材导向通道(10)内；复合打印头(1)由X、Y向运动机构驱动；热床(6)由Z向运动机构驱动；
二氧化碳激光发生器(4)作为熔融丝材(3)的热源，激光焦点聚焦在丝材(3)端部并将其熔融；X、Y向运动机构携带复合打印头(1)，将熔融后的丝材熔液按照规划路径熔融沉积在热床(6)上。
2.根据权利要求1所述激光熔融沉积成型装置，其特征在于：所述复合打印头(1)本体上外置有一调节手柄，用于调节移动镜组(8)与聚焦镜片(9)的距离，进而改变聚焦在丝材端部的焦点的大小。
3.根据权利要求1所述激光熔融沉积成型装置，其特征在于：所述丝材导向通道(10)的下端出口的内侧为斜口。
4.根据权利要求1所述激光熔融沉积成型装置，其特征在于：所述丝材导向通道(10)的数量为3至5个，其孔径相同或者各不相同。
5.权利要求4所述激光熔融沉积成型装置的运行方法，其特征在于包括如下步骤：
打印过程中，复合打印头(1)由X、Y向运动机构带动其在规划路径的X、Y向平面内运动；热床(6)根据规划路径，通过Z向运动机构驱动其上下运动；
二氧化碳激光发生器(4)作为熔融丝材(3)的热源，激光焦点聚焦在丝材(3)端部并将其熔融；多路送丝机构(2)将丝材(3)不断输送至丝材导向通道(10)，X、Y向运动机构携带复合打印头(1)，将熔融后的丝材熔液按照规划路径熔融沉积在热床10上；在熔融沉积成型过程中，每成型一层，Z向运动机构根据规划路径，下降一个层厚，直至整个工件(5)熔融沉积成型。
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