CN108788141A - 选择性激光融化设备及打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了选择性激光融化设备及打印方法，其中，包括：一激光光源，其设置于选择性激光融化设备上方，充当金属粉末的加热源；一送粉缸，其下部有一个能够上下移动的第一活塞，一成型缸，其中，包括：一第二活塞，其位于成型缸下部，能够上下移动；一打印板，其固定于所述第二活塞上表面中间区域，并能够随着所述第二活塞的移动而移动；一密封板，其为中空板，设置于所述成型缸的上部的外围区域。本发明能够适用于打印不同形状的打印件，节约了价格昂贵的金属粉末。本发明能够重复将金属粉末容纳空间以外的金属粉末回收至回收缸，进一步节约了金属粉末的使用。本发明提高了打印质量。

Description

选择性激光融化设备及打印方法
技术领域
本发明涉及3D打印领域，尤其涉及选择性激光融化设备。
背景技术
增材制造工艺(Additive Manufacturing)是重要的3D打印技术之一， 增材制造工艺能够快速地将预先设计的CAD模型制造出来，而且能够在 较短的时间内制造出结构复杂的零部件。选择性激光熔化(Selected Laser Melting,SLM)工艺是增材制造(Additivemanufacturing)技术的一种， 其通过激光烧结的方式可快速地将与CAD模型相同的零部件制造出来。 目前选择性激光熔化工艺得到了广泛的应用。其中，激光充当激光加热 的热源，融化金属粉末在成型缸中来制造打印件。
如图1所示，现有技术的选择性激光融化设备包括成型缸100，其 中设置有一个活塞110，所述活塞110能够上下移动。活塞110上设置有 打印板130，打印板130上的空间放置金属粉末P。活塞110通过上下移 动来调整成型缸100内的打印空间，其中打印空间是根据打印件C的高 度来确定的。
但是，假如打印大尺寸的打印件，则需要根据大尺寸的打印件设置 可容纳该尺寸的大空间成型缸，例如成型缸可以从250mm×250mm原始 大小升级到400mm×400mm。然而，为了达到符合大尺寸打印件的预定 高度，成型缸中需要填充同样高度的金属粉末。即使是打印高度较高的 细长打印件，仍然需要在成型缸中填充同样高度的金属粉末，例如如图 1所示的细长型打印件140。例如，打印高度为200mm的圆筒型打印件， 成型缸中所需的金属粉末需要400×400×200mm3，金属粉末重量达到了 160kg，而该打印件的重量却仅有小于0.5kg。考虑到金属粉末的价格昂 贵，例如钛金属粉末的价格为每公斤高于400欧。
因此，现有技术的选择性激光融化技术打印大件要求成型缸大，对 金属粉末是极大浪费。
为了减少金属粉末的浪费，现有技术提出了两个方案。其中一个方 案是制造50mm×50mm这样的小型选择性激光熔化设备，这主要是用作 牙齿模型这样的小型打印件的制造。而为了能够打印不同尺寸的打印件， 需要采购不同尺寸大小的设备。
另一种方案是将金属粉末重复使用。然而，当在高融化温度下执行 激光融化制程时，用过的金属粉末会发生聚合和氧化等反应，质量降低， 纯净度也有所改变。此外，随着粉末用的此处增多，粉末尺寸也会发生 变化，而粉末尺寸变化以后打印参数也需要随之调整，参数的设置需要 很长时间，因此重新设置变得异常麻烦。另外，在有些要求严格的领域， 粉末严格要求只能用一次，即使金属粉末能够重复使用的领域，金属粉 末重复使用七八次以后，效果也会变差。
发明内容
本发明第一方面提供了选择性激光融化设备，其中，包括：一激光 光源，其设置于选择性激光融化设备上方，充当金属粉末的加热源；一 送粉缸，其下部有一个能够上下移动的第一活塞，一成型缸，其中，包 括：一第二活塞，其位于成型缸下部，能够上下移动；一打印板，其固 定于所述第二活塞上表面中间区域，并能够随着所述第二活塞的移动而 移动；一密封板，其为中空板，设置于所述成型缸的上部的外围区域。 本发明能够适用于打印不同形状的打印件，并且能够利用相对小的能够 容纳打印件的金属粉末容纳空间来容纳金属粉末，节约了价格昂贵的金 属粉末。本发明能够重复将金属粉末容纳空间以外的金属粉末回收至回 收缸，进一步节约了金属粉末的使用。本发明提高了打印质量。
进一步地，所述第二活塞上还固定有一支撑板，其中，所述打印板 固定于所述支撑板上表面中间区域。
进一步地，其还包括一回收缸，用于回收所述成型缸中的金属粉末 容纳空间以外的金属粉末。
进一步地，所述打印板和所述密封板相互咬合。
进一步地，所述打印板的形状是根据所述打印件的最大横切面的形 状来设置的。
本发明第二方面还提供了选择性激光融化打印方法，其中，所述打 印方法在本发明第一方面所述的选择性激光融化设备中进行，包括如下 步骤：铺设金属粉末至所述打印板的上表面；自上而下移动所述第二活 塞，在所述第二活塞下降至所述打印板的上表面低于所述密封板的下表 面之前，在打印板和密封板的边界执行激光扫描，并逐渐形成一个金属 粉末容纳空间；对金属粉末执行激光扫描，将金属粉末分解为粉末基体， 继续对所述粉末基体进行激光扫描直至使所述粉末基体自下而上地烧结 为预设形状的打印件。本发明能够适用于打印不同形状的打印件，并且 能够利用相对小的能够容纳打印件的金属粉末容纳空间来容纳金属粉 末，节约了价格昂贵的金属粉末。本发明能够重复将金属粉末容纳空间 以外的金属粉末回收至回收缸，进一步节约了金属粉末的使用。本发明 提高了打印质量。
进一步地，所述金属粉末容纳空间能够容纳所述打印件，并且在打 印过程中，所述金属粉末容纳空间的高度始终高于所述打印件的高度。
进一步地，在打印过程中，所述金属粉末容纳空间的高度始终高于 所述金属粉末铺设的高度。
进一步地，所述选择性激光融化打印方法还包括如下步骤：
-通过所述打印件的最大横切面形状来设置所述打印板的形状。
进一步地，所述选择性激光融化打印方法还包括如下步骤：将所述 成型缸中的金属粉末容纳空间以外的金属粉末回收到所述回收缸。
附图说明
图1a和1b是现有技术的选择性激光融化设备的结构示意图；
图2a和2b是根据本发明的一个具体实施例的选择性激光融化设备 的结构示意图；
图3a、3b和3c是根据本发明的一个具体实施例的选择性激光融化 打印的金属粉末容纳空间形成示意图；
图4a和4b是根据本发明的一个具体实施例的选择性激光融化打印 的打印板的形状示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。
图2a和2b是根据本发明的一个具体实施例的选择性激光融化设备 的结构示意图，如图2所示，所述选择性激光融化设备200包括一激光 光源(未示出)、一送粉缸210和一成型缸220。其中，激光光源设置于 选择性激光融化设上方，充当金属粉末P的加热源，即融化金属粉末P 来进行打印。其中，送粉缸210下部有一个能够上下移动的第一活塞212， 在送粉缸210的第一活塞212上面的腔体空间放置了备用的金属粉末P， 并随着第一活塞212的上下移动从送粉缸210将金属粉末P送入成型缸 220。
其中，成型缸220包括一第二活塞222、一打印板224和一密封板 226。第二活塞222位于成型缸下部，能够上下移动。打印板224固定于 第二活塞222上表面中间区域，并能够随着所述第二活塞222的移动而 移动。密封板226为中空板，设置于所述成型缸220的上部的外围区域。 特别地，所述打印板224和密封板226相互咬合。进一步地，所述第二 活塞222还固定有一支撑板228，其中，所述打印板224固定于所述支 撑板228上表面中间区域。特别地，支撑板228和打印板224可以用螺 栓进行固定。
其中，如图2a和2b所示，回收缸230用于回收成型缸220中的使 用过的金属粉末P。本发明用密封板226和打印板224两块板来代替现 有技术的一整块打印板。其中，打印板224通过螺栓等连接方式固定在 支撑板228上，并能够随着打印过程中第二活塞222的上下移动而移动。 在打印板224的周围设置了密封板226，其固定于成型缸220侧壁上方 以防止打印板224外面的金属粉末掉到成型缸里。因此，金属粉末只需 要填满横切面积为打印板224的体积，而无需填满整个成型缸220。
进一步地，所述打印板224的形状是根据所述打印件C的最大横切 面的形状来设置的。
本发明还提供了选择性激光融化打印方法，如图2a和2b所示，其 包括如下步骤：
首先执行步骤S1，铺设金属粉末P至所述打印板224的上表面。
然后执行步骤S2，自上而下移动所述第二活塞222，以在成型缸220 中形成打印空间。并且，在所述第二活塞222下降至所述打印板224的 上表面低于所述密封板226的下表面之前，在打印板224和密封板226 的边界执行激光扫描，并逐渐形成一个金属粉末容纳空间229。
其中，金属粉末容纳空间229和打印件C的形成过程并无绝对的先 后顺序，也可以同时进行。只要在所述第二活塞222下降至所述打印板 224的上表面低于所述密封板226的下表面之前开始形成不低于金属粉 末P铺设的高度的金属粉末容纳空间229即可，以避免金属粉末P漏到 成型缸220中金属粉末容纳空间229以外的空间，造成金属粉末浪费。
此外，金属粉末容纳空间229能够容纳所述打印件C，并且在打印 过程中，所述金属粉末容纳空间229的高度始终高于所述打印件C的高 度，以保证在足够打印空间的前提下，节省金属粉末。
并且，激光扫描的激光应设置于选择性激光融化设备的成型缸220 的上方，并通过调整一个振镜的角度调整激光的位置，通过振镜的调节 来决定激光融化哪个区域的金属粉末。送粉缸210还包括一个滚轮(未 示出)，金属粉末P堆设于第一活塞212的上表面，第一活塞212垂直地 自下而上移动传递金属粉末至送粉缸上部。滚轮可在金属粉末P上滚动，以将金属粉末P送至成型缸220中。由于金属粉末P的粒径较大，为10 微米至60微米，金属粉末P可均匀地被铺设于打印板224上，而不容易 聚在一起或飞起。
需要说明的是，由于打印件C是从无到有自下而上的形成的，因此， 金属粉末P最初是铺设在打印板224上的，然而，当打印件C开始逐渐 形成，部分金属粉末P除了铺设在打印板224上，还会铺设在打印件C 成型的那一部分成型件上。
从图3a、图3b和图3c是形成根据本发明一个优选实施例形成金属 粉末容纳空间的示意图，如图3a所示，在打印板224和密封板226的边 界执行激光扫描，以打印板224为横切面来开始形成金属粉末容纳空间。 如图3b所示，自下而上地通过激光扫描来烧结金属粉末容纳空间的侧 壁。最后如图3c所示，成型的金属粉末容纳空间228应当为一个以打印 板224为横切面的长方体形状。
最后执行步骤S3，对金属粉末P执行激光扫描，将金属粉末P分解 为粉末基体，继续对所述粉末基体进行激光扫描直至使所述粉末基体自 下而上地烧结为预设形状的打印件C。
利用本发明提供的选择性激光融化设备及打印方法，打印同样的高 度为200mm的圆筒形打印件，仅需要提供直径为30mm的打印板224。 因此，本发明仅需要体积为30×30×200mm3的金属粉末，和如图1所示 的现有技术需要400×400×200mm3的金属粉末相比节约了177倍。这足 以说明本发明的优越性。
优选地，所述选择性激光融化打印方法还包括如下步骤：通过所述 打印件的最大横切面形状来设置所述打印板的形状。
因此，打印板的面积可以根据打印件的不同具有各种形状，例如图 4a所示的T形打印板224a，以及如图4b所示的圆环形打印板224b。当 然，打印板还需和密封板配套使用，因此T形打印板224a具有设置在其 外围的密封板226a，所述圆环形打印板224b具有同样设置在其外围的 密封板226b。
本发明的选择性激光融化设备及打印方法还提供了一个额外的激光 扫描，其还有利于金属粉末的重复使用。这个额外的激光扫描集中在打 印件的内外侧面以在打印件外围形成金属粉末容纳空间。基于此，金属 粉末容纳空间靠近打印件，并易于被激光融化金属粉末制程所影响，因 此能够将金属粉末进一步重复使用，进一步节约金属粉末。可选地，假 设有金属粉末在制程中跑到金属粉末容纳空间以外，其并未被激光扫描 所融化，因此还具有极高的稳定性和质量，能够用回收缸230回收并重 复使用。
本发明能够适用于打印不同形状的打印件，并且能够利用相对小的 能够容纳打印件的金属粉末容纳空间来容纳金属粉末，节约了价格昂贵 的金属粉末。本发明能够重复将金属粉末容纳空间以外的金属粉末回收 至回收缸，进一步节约了金属粉末的使用。本发明提高了打印质量。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当 认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅 读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因 此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。此外，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；“包括”一词不排除 其它权利要求或说明书中未列出的装置或步骤；“第一”、“第二”等词语 仅用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (10)

1.选择性激光融化设备，其中，包括：
一激光光源，其设置于选择性激光融化设备(220)上方，充当金属粉末(P)的加热源；
一送粉缸(210)，其下部有一个能够上下移动的第一活塞(212)，
一成型缸(220)，其中，包括：
一第二活塞(222)，其位于成型缸(220)下部，能够上下移动；
一打印板(224)，其固定于所述第二活塞(222)上表面中间区域，并能够随着所述第二活塞(222)的移动而移动；
一密封板(226)，其为中空板，设置于所述成型缸(220)的上部的外围区域。
2.根据权利要求1所述的选择性激光融化设备，其特征在于，所述第二活塞(222)上还固定有一支撑板(228)，其中，所述打印板(224)固定于所述支撑板(228)的上表面中间区域。
3.根据权利要求1所述的选择性激光融化设备，其特征在于，其还包括一回收缸(230)，用于回收所述成型缸(220)中的金属粉末容纳空间(228)以外的金属粉末(P)。
4.根据权利要求1所述的选择性激光融化设备，其特征在于，所述打印板(224)和所述密封板(226)相互咬合。
5.根据权利要求1所述的选择性激光融化设备，其特征在于，所述打印板(224)的形状是根据所述打印件(C)的最大横切面的形状来设置的。
6.选择性激光融化打印方法，其中，所述选择性激光融化打印方法在如权利要求1至5任一项所述的选择性激光融化设备(200)中进行，所述选择性激光融化打印方法包括如下步骤：
铺设金属粉末(P)至所述打印板(224)的上表面；
自上而下移动所述第二活塞(222)，在所述第二活塞(222)下降至所述打印板(224)的上表面低于所述密封板(226)的下表面之前，在打印板(224)和密封板(226)的边界执行激光扫描，并逐渐形成一个金属粉末容纳空间(229)；
对金属粉末(P)执行激光扫描，将金属粉末(P)分解为粉末基体，继续对所述粉末基体进行激光扫描直至使所述粉末基体自下而上地烧结为预设形状的打印件(C)。
7.根据权利要求6所述的选择性激光融化打印方法，其特征在于，所述金属粉末容纳空间(229)能够容纳所述打印件(C)，并且在打印过程中，所述金属粉末容纳空间(229)的高度始终高于所述打印件(C)的高度。
8.根据权利要求6所述的选择性激光融化打印方法，其特征在于，在打印过程中，所述金属粉末容纳空间(229)的高度始终高于所述金属粉末(P)铺设的高度。
9.根据权利要求6所述的选择性激光融化打印方法，其特征在于，所述选择性激光融化打印方法还包括如下步骤：
-通过所述打印件(C)的最大横切面形状来设置所述打印板(224)的形状。
10.根据权利要求6所述的选择性激光融化打印方法，其特征在于，所述选择性激光融化打印方法还包括如下步骤：
-将所述成型缸(220)中的金属粉末容纳空间(228)以外的金属粉末(P)回收到所述回收缸(230)。
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