CN108673888A - 一种超声聚焦聚合物3d打印设备及加工方法 - Google Patents

一种超声聚焦聚合物3d打印设备及加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种超声聚焦聚合物3D打印设备及方法，先将聚合物粉末填满粉末腔，压紧板将聚合物粉末压紧。安装于金属机箱各内表面上的运动模组分别带动各超声波发生器按照预设轨迹进行二维运动。各超声波发射器移动位置和实时发射功率的调整共同作用实现各发生器发出的超声波聚焦于粉末腔内一点，位于该点聚合物粉末瞬间呈现熔融态。随着各超声波发生器的实时移动和功率的实时调整，能量聚集点移动路径上的聚合物均呈现熔融态。聚焦点移走后，路径涉及位置的聚合物熔体将逐渐冷却并固化为一体。聚焦点行走路径即为成型路径，被熔融的聚合物通过分子链间作用力结合为一体，聚焦点运动使点连成线，线间搭接成为面或体，以此实现三维制品打印。

Description

一种超声聚焦聚合物3D打印设备及加工方法
技术领域
本发明涉及3D打印成型方法，特别涉及一种基于超声聚焦原理的3D打印成型方法。
背景技术
激光选区烧结技术是一种增材制造技术，其被广泛应用工业制造、医疗等方面。该技术通常由激光发射器发射高能量激光束通过扫描振镜反射在粉末腔表面照射并实现粉末材料的熔融固化成型。但通过该方法制造的制品由于粉末腔内粉末为自由堆叠状态，粉末间孔隙较大，导致成型制品内部易存在空洞等缺陷且较小的制品密度导致了其强度薄弱。此外该方法由于激光扫描点温度较高，而周围粉末温度相对较低，较大的温差会产生热应力，且周围粉末无法对热应力导致的制品形变进行约束，易出现成型精度不佳的现象。这直接导致激光选区烧结技术成型制品难以在精密工业加工领域中直接应用，大幅限制了该工艺的实际应用场景。
发明内容
本发明针对现有3D打印机的不足，采用多组或阵列排布超声波发射器发出多束超声波在具有压紧功能并填满聚合物粉末的聚合物粉末腔中内的某点处聚焦，使该点处能量集中产生热量，瞬间将该点处聚合物熔融塑化。随着多组超声波发生器联动配合与各超声波发生器的功率调整的共同作用使超声波聚焦点在粉末腔内进行规律性空间三维移动。超声波聚焦点对移动路径上的聚合物进行逐点扫描，聚合物粉末熔融并与扫描路径上相邻熔体相连并冷却固化形成三维立体制品。
本发明提出的一种超声聚焦聚合物3D打印设备，主要包括粉末腔、压紧板、丝杠电机、超声波发生器、二维运动模组、压力传感器、粉末腔固定架和金属机箱，所述的粉末腔结构为无顶面的正六面体，粉末腔内预先填充满聚合物粉末，聚合物粉末从粉末腔顶部添加。粉末腔内壁设置有压力传感器。所述的金属机箱为正六面壳体形状，整体尺寸大于粉末腔，粉末腔由粉末腔固定架固定在金属机箱内部中心位置，使粉末腔各外表面与金属机箱各内表面距离相同。在金属机箱的六个内表面上均安装有二维运动模组，每个二维运动模组上安装一支超声波发生器，每支超声波发生器的传播方向均垂直于各自安装面并指向粉末腔内方向。在填充满聚合物粉末的粉末腔顶部放置有压紧板。压紧板四角竖直排布丝杠电机，丝杠电机均固定在金属机箱的上壳面内部。通过丝杠电机协同旋转的共同作用使压紧板可以实现竖直方向移动，可对粉末腔内部预装填粉末进行压实动作。
本发明一种超声聚焦聚合物3D打印设备涉及的金属机箱的几何形状与粉末腔相同，但各维度尺寸均大于粉末腔，粉末腔通过粉末腔固定架安装于金属机箱内部，并使粉末腔各外表面与金属机箱各内表面距离相同。此外，金属机箱的尺寸必须满足粉末腔各面距金属机箱各内表面距离均大于超声波发生器长度与发生器头部和粉末腔外表面间距离之和。
本发明一种超声聚焦聚合物3D打印设备涉及的超声波发生器通常与粉末腔以及压紧板不直接接触，而在太空中等不具有超声波传递介质的环境中超声波发生器在工作过程中必须与粉末腔及压紧板表面接触，以实现超声波的正常传递行为，使本发明设备在太空环境中可以正常工作。
本发明一种超声聚焦聚合物3D打印设备涉及的粉末腔可为无顶的球形壳体或无顶面多面壳体，不仅限于本发明提及的无顶面的正六面壳体造型。金属机箱的形状必须与粉末腔形状相同。粉末腔材质为聚合物或织物材质等对超声波传播阻隔作用较小的材质。
本发明一种超声聚焦聚合物3D打印设备涉及的超声波发生器和二维运动模组可按照本发明提及金属机箱每个内表面均安装一套超声波发生器以及二维运动模组的方法，亦可采用在水平面方向以90°夹角安装两支超声波发生器以及在垂直于超声波发生器方向上安装二维运动模组的方法。本发明一种超声聚焦聚合物3D打印设备涉及的超声波发生器至少具有两支。此外利用本发明成型方法另可采用在金属机箱的侧壁阵列排布超声波发生器，可避免二维运动模组的使用。此方法超声波发生器整列排布越密集成型精度则越高，可突破二维运动模组电机的物理精度极限且避免由运动模组运动带来的振动问题，可进一步提高本发明工艺的加工精度极限。
利用本发明一种超声聚焦聚合物3D打印设备进行打印的方法为：首先将聚合物粉末填满正六面壳体形状的粉末腔，位于上部的压紧板通过丝杠电机协同工作的共同作用使其向下运动，将聚合物粉末压紧直至粉末腔内部压力达到设定值。打印耗材预压准备完毕后，安装于金属机箱各内表面上的二维运动模组分别带动各超声波发生器在各自安装平面内按照预设轨迹进行二维运动。各超声波发生器在运动同时向粉末腔内部发射超声波。通过预设各超声波发射器移动位置和各超声波发生器的实时发射功率共同作用实现各超声波发生器发出的超声波聚焦于粉末腔空间内一点，在该点处产生能量聚集，使位于该点聚合物粉末瞬间达到其加工温度呈现熔融态。随着各超声波发生器位置的实时移动和功率的实时调整，多束超声波聚焦产生的能量聚集点在粉末腔内三维空间中移动路径上的聚合物均呈现熔融态且与相邻熔融聚合物的分子链发生缠绕和搭接，在聚焦点移走后，路径涉及位置的聚合物熔体将逐渐冷却并固化为一体。聚焦点行走路径即为成型路径，被熔融的聚合物通过分子链间作用力结合为一体，聚焦点运动使点连成线，线间搭接成为面或体。由于聚合物粉末在成型过程中发生固态-熔融态-固态的两次相变，在相变过程中不可避免会发生体积变化，为避免相变所产生的制品密度变化，加工过程中粉末腔内压力传感器一直处于工作状态，实时监测粉末腔内压力，并反馈至压紧板的丝杠电机位置，压紧板可实时调整竖直方向位置，保持粉末腔内部压力保持在设定值。在三维立体成型结束后压紧板上移，操作者将埋没在粉末腔内聚合物粉末中的成型制品拿出，并去除表面残余聚合物粉末，进而得到超声聚焦立体成型的聚合物3D打印制品。
本发明相比于传统激光选区烧结工艺相比，提高了最终制品的密度，限制了热应力导致的制品变形，进而提高了成型制品的强度和精度。此外通过多束超声波聚焦的运用替代了传统激光选取烧结方法和粉末预先装填与预先压紧的方法，可以实现立体结构不分层成型，打破了传统3D打印分层制造的概念，避免了由于激光烧结工艺分层打印导致制品层间结合力差以及水平方向抗剪切、冲击性能较弱的技术问题。为聚合物三维立体加工提供了一种全新的高性能的成型方法，为聚合物3D打印制品在工业实际应用提供了技术基础。
附图说明
图1是本发明一种超声聚焦聚合物3D打印设备整体示意图。
图2是本发明一种超声聚焦聚合物3D打印设备的二维模组和超声波发生器示意图。
图3是本发明一种超声聚焦聚合物3D打印设备采用超声波发生器阵列排布方法的设备整体示意图。
图中：1-粉末腔、2-二维运动模组、3-金属机箱、4-压紧板、5-超声波发生器、6-丝杠电机、7-粉末腔固定架。
具体实施方式
本发明一种超声聚焦聚合物3D打印设备，如图1所示，包括粉末腔1、二维运动模组2、金属机箱3、压紧板4、超声波发生器5、丝杠电机6、粉末腔固定架7和压力传感器组成。
本发明一种超声聚焦聚合物3D打印方法是：粉末腔1通过粉末腔固定架7安装在金属机箱3内部。将聚合物粉末填满正六面壳体形状的粉末腔1，位于上部的压紧板4通过丝杠电机6协同工作的共同作用使其向下运动，将聚合物粉末压紧直至粉末腔1内部压力达到设定值，见图1。打印耗材预压准备完毕后，安装于金属机箱3各内表面上的二维运动模组2分别带动各超声波发生器5在各自安装平面内按照预设轨迹进行二维运动，见图2。各超声波发生器5在运动同时向粉末腔1内部发射超声波。通过预设各超声波发生器5移动位置和各超声波发生器5的实时发射功率共同作用实现各超声波发生器5发出的超声波聚焦于粉末腔1空间内一点，在该点处产生能量聚集，使位于该点聚合物粉末瞬间达到其加工温度呈现熔融态。随着各超声波发生器5位置的实时移动和功率的实时调整，多束超声波聚焦产生的能量聚集点在粉末腔1内三维空间中移动路径上的聚合物均呈现熔融态且与相邻熔融聚合物的分子链发生缠绕和搭接，在聚焦点移走后，路径涉及位置的聚合物熔体将逐渐冷却并固化为一体。聚焦点行走路径即为成型路径，被熔融的聚合物通过分子链间作用力结合为一体，聚焦点运动使点连成线，线间搭接成为面或体。由于聚合物粉末在成型过程中发生固态-熔融态-固态的两次相变，在相变过程中不可避免会发生体积变化，为避免相变所产生的制品密度变化，加工过程中粉末腔1内压力传感器一直处于工作状态，实时监测粉末腔1内压力，并反馈至压紧板4的丝杠电机6位置，压紧板可实时调整竖直方向位置，保持粉末腔1内部压力保持在设定值。在三维立体成型结束后压紧板4上移，操作者将埋没在粉末腔1内聚合物粉末中的成型制品拿出，并去除表面残余聚合物粉末，进而得到超声聚焦立体成型的聚合物3D打印制品。
此外利用本发明成型方法亦可采用在金属机箱3的侧壁内侧阵列排布超声波发生器5，见图3，可避免二维运动模组2的使用。此方法超声波发生器5整列排布越密集成型精度则越高，可突破二维运动模组2电机的物理精度极限且避免由二维运动模组2运动带来的振动问题，可进一步提高本发明工艺的加工精度极限。

Claims (9)

1.一种超声聚焦聚合物3D打印设备，其特征在于：主要包括粉末腔、压紧板、丝杠电机、超声波发生器、二维运动模组、压力传感器、粉末腔固定架和金属机箱，所述的粉末腔结构为无顶面的正六面体，粉末腔内预先填充满聚合物粉末，聚合物粉末从粉末腔顶部添加；粉末腔内壁设置有压力传感器；所述的金属机箱为正六面壳体形状，整体尺寸大于粉末腔，粉末腔由粉末腔固定架固定在金属机箱内部中心位置，使粉末腔各外表面与金属机箱各内表面距离相同；在金属机箱的六个内表面上均安装有二维运动模组，每个二维运动模组上安装一支超声波发生器，每支超声波发生器的传播方向均垂直于各自安装面并指向粉末腔内方向；在填充满聚合物粉末的粉末腔顶部放置有压紧板；压紧板四角竖直排布丝杠电机，丝杠电机均固定在金属机箱的上壳面内部；通过丝杠电机协同旋转的共同作用使压紧板可以实现竖直方向移动，可对粉末腔内部预装填粉末进行压实动作。
2.根据权利要求1所述的一种超声聚焦聚合物3D打印设备，其特征在于：金属机箱的几何形状与粉末腔相同，但各维度尺寸均大于粉末腔，粉末腔通过粉末腔固定架安装于金属机箱内部，并使粉末腔各外表面与金属机箱各内表面距离相同。
3.根据权利要求1所述的一种超声聚焦聚合物3D打印设备，其特征在于：超声波发生器通常与粉末腔以及压紧板不直接接触，而在太空中等不具有超声波传递介质的环境中超声波发生器在工作过程中必须与粉末腔及压紧板表面接触，以实现超声波的正常传递行为，使本发明设备在太空环境中可以正常工作。
4.根据权利要求1所述的一种超声聚焦聚合物3D打印设备，其特征在于：粉末腔可为无顶的球形壳体或无顶面多面壳体。
5.根据权利要求1所述的一种超声聚焦聚合物3D打印设备，其特征在于：粉末腔材质为聚合物或织物材质等。
6.根据权利要求1所述的一种超声聚焦聚合物3D打印设备，其特征在于：金属机箱每个内表面均安装一套超声波发生器以及二维运动模组，亦可采用在水平面方向以90°夹角安装两支超声波发生器以及在垂直于超声波发生器方向上安装二维运动模组。
7.根据权利要求1所述的一种超声聚焦聚合物3D打印设备，其特征在于：在金属机箱的侧壁阵列排布超声波发生器，可避免二维运动模组的使用。
8.一种超声聚焦聚合物3D打印加工方法，其特征在于：首先将聚合物粉末填满正六面壳体形状的粉末腔，位于上部的压紧板通过丝杠电机协同工作的共同作用使其向下运动，将聚合物粉末压紧直至粉末腔内部压力达到设定值；打印耗材预压准备完毕后，安装于金属机箱各内表面上的二维运动模组分别带动各超声波发生器在各自安装平面内按照预设轨迹进行二维运动；各超声波发生器在运动同时向粉末腔内部发射超声波；通过预设各超声波发射器移动位置和各超声波发生器的实时发射功率共同作用实现各超声波发生器发出的超声波聚焦于粉末腔空间内一点，在该点处产生能量聚集，使位于该点聚合物粉末瞬间达到其加工温度呈现熔融态；随着各超声波发生器位置的实时移动和功率的实时调整，多束超声波聚焦产生的能量聚集点在粉末腔内三维空间中移动路径上的聚合物均呈现熔融态且与相邻熔融聚合物的分子链发生缠绕和搭接，在聚焦点移走后，路径涉及位置的聚合物熔体将逐渐冷却并固化为一体；在三维立体成型结束后压紧板上移，操作者将埋没在粉末腔内聚合物粉末中的成型制品拿出，并去除表面残余聚合物粉末，进而得到超声聚焦立体成型的聚合物3D打印制品。
9.根据权利要求8所述的一种超声聚焦聚合物3D打印加工方法，其特征在于：加工过程中粉末腔内压力传感器一直处于工作状态，实时监测粉末腔内压力，并反馈至压紧板的丝杠电机位置，压紧板可实时调整竖直方向位置，保持粉末腔内部压力保持在设定值。
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