CN108161010B - 基于快速烧结的3d打印方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种基于快速烧结的3D打印方法和系统，所述3D打印方法包括以下步骤：在成形基台的成形区域铺覆一层粉末；根据待成形二维图形向所述粉末喷射液态的偶联剂或者粉末状的偶联剂；通过加热器加热所述偶联剂，直至所述偶联剂固化并粘接所述粉末。本发明提供的基于快速烧结的3D打印方法和系统通过将偶联剂喷射覆盖在待成形的粉末上，然后对粉末快速加热固化形成三维实体零件，能够极大地改变金属增材制造的局限性，有效提高了3D打印的成形速度，降低制造成本。

Description

基于快速烧结的3D打印方法及系统

技术领域

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种基于快速烧结的3D打印方法及系统。

背景技术

金属增材制造技术现已成为制造复杂结构零部件的重要手段，金属增材制造常用的方法有选择性激光烧结成形(SLS)、选区激光熔化技术(SLM)和激光直接成形技术(LDS)。SLM技术打印的产品精度高，质量好，但成形的效率和尺寸受到限制。LDS技术成形效率高，尺寸不受限制，然而成形精度和表面粗糙度难以达到结构零件的精度要求。

目前，为提高增材制造的成形效率，国外几家著名公司已开始采用面扫描加热的方式以提高扫描的速度和零件成形周期，主要用于尼龙材料等产品制造，但是如果面扫描加热的材料熔点很高(金属材料)则光束能量密度很难达到熔化粉末的要求。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种基于快速烧结的3D打印方法和系统，以提高3D打印的成形速度。

为此，本发明首先提供了一种基于快速烧结的3D打印方法，包括以下步骤：

在成形基台的成形区域铺覆一层粉末；

根据待成形二维图形向所述粉末喷射液态的偶联剂或者粉末状的偶联剂；

通过加热器加热所述偶联剂，直至所述偶联剂固化并粘接所述粉末。

进一步的，在加热所述偶联剂直至所述偶联剂固化并粘接所述粉末之后，还包括：

所述成形基台下降一层粉末厚度，进入下一层打印直至形成打印件。

进一步的，在形成所述打印件之后，还包括：

根据所述打印件的材料确定所述打印件的烧结温度；

对所述打印件进行烧结处理，烧结时间为6-10小时。

进一步的，通过加热器加热所述偶联剂包括：

所述加热器呈平面在所述成形基台的上方移动，以面扫描的方式对所述粉末进行加热。

本发明还提供了一种基于快速烧结的3D打印系统，包括成形室，还包括

成形基台，设置于所述成形室内；

铺粉装置，用于在所述成形基台的成形区域铺设粉末；

喷头机构，移动地设于所述成形基台的上方，用于根据待成形二维图形向所述成形基台的成形区域的粉末喷射液态或者粉末状的偶联剂；

加热器，移动地设于所述成形基台的上方，用于加热所述粉末中的偶联剂直至所述偶联剂固化并粘接所述粉末。

进一步的，所述喷头结构包括若干个喷头，所述偶联剂从所述喷头喷出。

进一步的，所述偶联剂，固化温度为180～250℃。

进一步的，所述加热器包括一加热基板，所述加热基板平行设置于所述成形基台的上方，并且所述加热基板设有若干阵列式排布的红外辐射器。

进一步的，所述成形基台设有电热元件，用对所述粉末进行预热。

进一步的，所述粉末为金属粉末、陶瓷粉末或者金属与陶瓷的混合粉末。

进一步的，所述金属粉末的材料为不锈钢、镍基合金、钛合金、钴基合金、铝合金中的一种或多种，所述陶瓷粉末为Sic、Al₂O₃、ZrO₂中的一种或多种。

相较于现有技术，本发明提供的基于快速烧结的3D打印方法和系统通过将偶联剂喷射覆盖在待成形的粉末上，然后对粉末快速加热固化形成三维实体零件，能够极大地改变金属增材制造的局限性，有效提高了3D打印的成形速度和缩短零件制造周期，并且不需要采用成本昂贵的光纤激光器和扫描振镜，降低制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明第一实施方式提供的基于快速烧结的3D打印系统的结构示意图。

图2是本发明第一实施方式提供的基于快速烧结的3D打印系统的成形基台的结构示意图。

图3是本发明第一实施方式提供的基于快速烧结的3D打印系统的加热器的结构示意图。

图4是本发明第二实施方式提供的基于快速烧结的3D打印方法的流程图。

图5是本发明第二实施方式提供的基于快速烧结的3D打印方法中在成形基台上铺粉的示意图。

图6是本发明第二实施方式提供的基于快速烧结的3D打印方法中向粉末喷色偶联剂的示意图。

图7是本发明第二实施方式提供的基于快速烧结的3D打印方法中加热固化偶联剂的示意图。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

在本发明的各实施例中，为了便于描述而非限制本发明，本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的术语"连接"并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。"上"、"下"、"下方"、"左"、"右"等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

图1是本发明第一实施方式提供的基于快速烧结的3D打印系统的结构示意图，如图1所示，该基于快速烧结的3D打印系统包括成形室10、成形基台52、铺粉装置60、喷头31机构30和加热器20。

所述成形室10为封闭密封腔，其内为真空或充盈预定浓度的惰性气体。优选地，所述成形室10内的氧气浓度＜100ppm，以避免对金属粉末或成型件的氧化损害。所述成形室10大致呈方形，可以理解的是，所述成形室10的形状也可以是其他任意适宜的形状，例如圆形等。

所述成形室10内还设有成形缸50，所述成形缸50内设有所述成形基台52。所述成形基台52大致水平设置，粉末55被铺设于所述成形基台52的成形区域内，在所述成形区域被加工。所述成形缸50还包括与所述成形基台52连接的成形缸升降杆51。在一些实施例中，所述成形基台52可为方形或圆形不锈钢板，所述成形缸升降杆51可为活塞杆。所述成形基台52能在所述成形缸升降杆51的驱动下沿大致垂直于所述成形基台52的方向移动，以便能形成多层打印结构。

图2是本发明第一实施方式提供的基于快速烧结的3D打印系统的成形基台52的结构示意图。如图2所示，所述成形基台52的下方设有电热元件53，用对所述粉末55进行预热。电热元件53可以是电阻式电热器或者电感式电热器，将电能转换为热能使得成形基台52的温度升高，从而可以在喷射偶联剂之前对成形基台52上的粉末55进行预热。然而，本领域技术人员也可以使用其他能源转换为热能对成形基台52加热，本发明对此不作限制。本实施方式中，使用加热器进行预热的预热温度优选为160℃左右，预热温度的偏差为±5℃，即预热温度为155℃～165℃。

所述铺粉装置60用于在所述工作平台上铺设预定厚度的粉末55。在图1所示的实施例中，所述铺粉装置60设置在所述成形室10内，包括铺粉缸62及铺粉件61。所述铺粉缸62用于将所述粉末55推送至与所述成形基台52大致平齐的位置，所述铺粉件61用于将所述粉末55铺设至所述成形基台52上，在一些实施例中，所述铺粉件61可为刮刀或铺粉辊。可以理解的是，所述铺粉缸62也可不设置在图所示的位置，只要能将所述粉末55推送至与所述成形基台52大致平行的位置即可。例如，所述铺粉缸62可以设置在所述成形室10的旁边或上方，所述粉末55相应地从所述成形室10的侧边或上方输送至与所述成形基台52大致平行的位置，再由所述铺粉件61将所述粉末55均匀地铺设至所述成形基台52即可。所述铺粉件61的位置设置在与所述成形基台52大致平行的平台上，位置与铺粉缸62的位置相对应，所述铺粉缸62的粉末输出口正好位于所述铺粉件61的附近，以便于所述铺粉件61将从所述粉末输出口输出的粉末55铺设至所述成形基台52。所述铺粉缸62结构可类似于所述成形缸50，包括铺粉缸基台63及设置在所述铺粉缸基台63一端的铺粉缸升降杆64，所述粉末55设置于所述铺粉缸基台63远离所述成形基台52的一侧。所述铺粉缸基台63能够在所述铺粉缸升降杆64的驱动下沿大致垂直于所述成形基台52的方向移动，以推送所述粉末从所述粉末输出口输出。在一些实施例中，所述铺粉缸基台63可为方形或圆形不锈钢板，所述铺粉缸升降杆64可为活塞杆。可以理解的是，所述成形缸50和所述铺粉缸均可与一控制系统相连接，以根据打印需要精确控制所述成形基台52的高度及所述粉末55的厚度。

本实施方式中，铺粉缸62的数量可以是一个，也可以是两个或者两个以上。所述粉末放置于所述铺粉缸62内，所述粉末可以是金属粉末，也可以是陶瓷粉末，或者金属粉末与陶瓷粉末的混合粉末。其中，所述金属粉末的材料可以是不锈钢、镍基合金、钛合金、钴基合金、铝合金中的一种或多种混合，所述陶瓷粉末为SiC、Al₂O₃、ZrO₂中的一种或多种混合。

喷头机构30移动地设于所述成形基台52的上方，用于根据待成形二维图形向所述成形基台52的成形区域的粉末55喷射液态的偶联剂或者粉末状的偶联剂。喷头机构30包括若干个喷头31，例如2个、3个等，优选5个以上的喷头31。所述喷头31与存储有偶联剂的存储罐连通，偶联剂可以从所述喷头31喷出。喷头31通过横向移动机构40和纵向移动机构(图未示出)连接，使得喷头31可以在所述成形基台52的上方的一平行于成形基台52的平面内移动。此外，喷头31还可以与竖直移动机构连接，使得喷头31可以沿靠近或者远离所述成形基台52的方向移动。上述的横向移动机构、纵向移动机构和竖直移动机构可以是本领域技术人员关于的滑块滑轨结构、滚珠丝杠机构等方式实现，本领域技术人员可以根据需要选择合适的机械机构实现喷头31沿横向、纵向和竖直方向三个方向移动，实现喷头31的三维移动功能。本实施方式中，各喷头31固定在同一槽体上实现整体的并行移动。偶联剂作为一种粘接剂，优选采用高分子材料的偶联剂，例如可以是硅烷偶联剂(例如型号为KH550，KH560，KH570，KH792，DL602，DL171的偶联剂)，也可以是钛酸酯偶联剂。本申请中，偶联剂为液态或者粉末状材料，偶联剂从喷头31精准喷射覆盖在所述粉末55的待成形的表面后，偶联剂会覆盖在粉末55表面或者沁入粉末55内与粉末55结合。在高温加热时，偶联剂与粉末55粘接固化，形成成形图形54，完成一层3D打印。其中，所述偶联剂的固化温度可以是180～250℃，例如200℃、200～220℃、200～230℃，优选为200～230℃。

图3是本发明第一实施方式提供的基于快速烧结的3D打印系统的加热器20的结构示意图。如图3所示，所述加热器20设于所述成形基台52的上方，用于加热所述粉末55中的偶联剂直至所述偶联剂固化并粘接所述粉末55。本实施方式中，所述加热器20优选为面型加热器，即加热器20的发热部位呈平面，包括一加热基板21，所述加热基板21大致呈一平面，平行地设置于所述成形基台52的上方并与移动机构连接。所述加热基板21设有若干阵列式排布的红外辐射器22，使得加热器20呈平面状，在喷头31完成偶联剂扫描后可以对粉末55快速进行面扫描加热。本实施方式中，红外辐射器22辐射的红外线波长处在从750纳米到1毫米的电磁波谱范围之内，在红色的可见光谱区域和微波之间，包括红外线石英辐射器、碳化硅管红外线辐射器等，本领域技术人员可以选择合适类型的红外辐射器，本发明对此不作限制。加热器20在加热时，加热基板21通过移动机构在成形基台51的上方沿笛卡尔坐标系的三维方向移动，以面扫描的方式对成形基台51上的粉末55进行加热。其中，所述的移动机构可以包括横向移动机构、纵向移动机构和竖直移动机构，使得加热器20可以在成形基台51的上方沿横向、纵向和竖直方向三个方向移动。上述的横向移动机构、纵向移动机构和竖直移动机构可以是本领域技术人员关于的滑块滑轨结构、滚珠丝杠机构等方式实现，本领域技术人员可以根据需要选择合适的机械机构实加热器20沿横向、纵向和竖直方向三个方向移动，实现加热器20的三维移动功能。

图4是本发明第二实施方式提供的基于快速烧结的3D打印方法的流程图。如图4所示，为了更为清楚的阐述本发明的精神和实质，如下将结合图5～7介绍对利用第一实施方式提供的基于快速烧结的3D打印系统实施的3D打印方法。

步骤S401：在成形基台52的成形区域铺覆一层粉末55。如图5所示，粉末55按照预定厚度被铺覆于成形基台53的成形区域。所述粉末55可以是金属粉末，也可以是陶瓷粉末，或者金属粉末与陶瓷粉末的混合粉末。所述金属粉末的材料为不锈钢、镍基合金、钛合金、钴基合金、铝合金中的一种或多种，所述陶瓷粉末为SiC、Al₂O₃、ZrO₂中的一种或多种。

步骤S402：根据待成形二维图形向所述粉末55喷射液态的偶联剂或者粉末状的偶联剂。如图6所示，向粉末55喷射偶联剂后，偶联剂与粉末55结合的区域形成成形图形54。

步骤S403：如图7所示，通过加热器20加热所述偶联剂，直至所述偶联剂固化并粘接所述粉末55形成成形图形54。加热器20优选为加热部位为面状的加热器，以提高加热效率，通过面扫描的方式对成形基台51上的粉末55进行加热。

在加热所述偶联剂直至所述偶联剂固化并粘接所述粉末55之后，所述成形基台52下降一层粉末厚度，进入下一层打印直至形成打印件。

优选地，在形成所述打印件之后，还包括：

根据所述打印件的材料确定所述打印件的烧结温度，然后，对所述打印件进行烧结处理，烧结时间为6-10小时。

本实施方式提供的基于快速烧结的3D打印方法和系统通过将偶联剂喷射覆盖在待成形的粉末55上，然后对粉末55快速加热固化形成三维实体零件，能够极大地改变金属增材制造的局限性，有效提高了3D打印的成形速度和缩短了零件的制造周期，降低制造成本。

在本发明所提供的几个具体实施方式中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种基于快速烧结的3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

在成形基台的成形区域铺覆一层粉末，所述粉末为金属粉末、陶瓷粉末或者金属与陶瓷的混合粉末；

根据待成形二维图形向所述粉末喷射液态的偶联剂或者粉末状的偶联剂；

通过加热器加热所述偶联剂，直至所述偶联剂固化并粘接所述粉末；

所述成形基台下降一层粉末厚度，进入下一层打印直至形成打印件；

根据所述打印件的材料确定所述打印件的烧结温度；

对所述打印件进行烧结处理，烧结时间为6-10小时；通过加热器加热所述偶联剂包括：

所述加热器呈平面在所述成形基台的上方移动，以面扫描的方式对所述粉末进行加热；

所述加热器包括一加热基板，所述加热基板平行设置于所述成形基台的上方，并且所述加热基板设有若干阵列式排布的红外辐射器；

所述成形基台设有电热元件，用于对所述粉末进行预热。

2.一种基于快速烧结的3D打印系统，包括成形室，其特征在于，所述基于快速烧结的3D打印系统用于执行如权利要求1所述的基于快速烧结的3D打印方法，所述基于快速烧结的3D打印系统包括

成形基台，设置于所述成形室内；

铺粉装置，用于在所述成形基台的成形区域铺设粉末，所述粉末为金属粉末、陶瓷粉末或者金属与陶瓷的混合粉末；

喷头机构，移动地设于所述成形基台的上方，用于根据待成形二维图形向所述成形基台的成形区域的粉末喷射液态的偶联剂或者粉末状的偶联剂；

加热器，所述加热器用于呈平面可移动地设于成形基台的上方，并用于以面扫描的方式加热所述金属粉末中的偶联剂直至所述偶联剂固化并粘接所述金属粉末；

所述加热器包括一加热基板，所述加热基板平行设置于所述成形基台的上方，并且所述加热基板设有若干阵列式排布的红外辐射器；

所述成形基台设有电热元件，用于对所述粉末进行预热。

3.如权利要求2所述的基于快速烧结的3D打印系统，其特征在于，所述喷头机构包括若干个喷头，所述偶联剂从所述喷头喷出。

4.如权利要求2所述的基于快速烧结的3D打印系统，其特征在于，所述偶联剂的固化温度为180~250℃。

5.如权利要求2所述的基于快速烧结的3D打印系统，其特征在于，所述金属粉末的材料为不锈钢、镍基合金、钛合金、钴基合金、铝合金中的一种或多种，所述陶瓷粉末为SiC 、Al₂O₃、ZrO₂中的一种或多种。