CN108943730A - 一种密度可控的sls型3d打印系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及3D打印领域内一种密度可控的SLS型3D打印系统，该打印系统包括模型分析系统，将零部件模型文件根据密度做分片层处理并将分片层结果返回用户，用户可赋予片层密度值；数据系统，事先存储部分经验数据，包括X型、Y型、XY交叉型性和V型扫描轨迹下其他打印工艺参数（扫描温度、激光功率、扫描间距和扫描层厚）和相应的密度值；计算系统，建立扫描轨迹下其他扫描轨迹和密度值之间的非线性关系，对约束条件下的数学模型求解，根据低耗高效原则对打印工艺参数筛选；控制系统，将筛选后的打印工艺参数转化成相应的信号传递给相应的机构，存储信号。本发明的提出实现了复杂结构非金属零部件的密度可控打印，避免了现有方法打印出来的零部件模型因密度不满足要求而无法使用的现象，提高了打印效率和成型材料的使用率。

Description

一种密度可控的SLS型3D打印系统
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体的来说，是涉及一种密度可控的SLS型3D打印系统。
背景技术
选择性激光烧结（selective laser sintering，简称SLS）工艺，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功。SLS工艺的原理是通过利用激光能有选择性地熔化粉末材料来成型零部件，也就是文中针对非金属零部件密度可控的SLS型3D打印技术研究的应用技术平台。目前SLS类型的3D打印设备的主要构成如图1所示，运行原理如下：在供粉室3填装好材料粉末 ，控制升降平台1上升一个层厚的距离，材料粉末在铺粉辊4的作用下进入到成型室5并均匀铺散在升降平台2上，镭射器9所发射的激光10在偏转镜8的作用下对材料粉末烧结形成零部件6截面，当材料粉末烧结成形后，升降平台2下降一个层厚的距离，升降平台1上升一个层厚的距离，重复以上的过程，粉末温度控制器7在供粉室和成型室自由移动以保证了材料粉末的温度基本处于同一温度，进气通道11和进气通道22保证了供粉室和成型室的环境湿度。
近年来，不断发展的SLS工艺和成熟的3D打印设备成功的解决了结构复杂非金属零部件的精密加工难题，如何利用快速发展的SLS工艺实现结构复杂非金属零部件的密度可控打印，已成为国内外研究的重点。
目前现有的SLS型打印工艺受设备本身结构以及现有打印工艺技术的限制，难以实现结构复杂非金属零部件的密度可控打印。打印工艺参数（主要包括扫描温度、激光功率、扫描间距、扫面层厚和扫描轨迹）对非金属零部件的密度影响程度较大，且通过控制打印工艺参数进而控制结构复杂非金属零部件密度的方法仍未在市场上现有的SLS型3D打印机中得到应用。
因此，若想在SLS型3D打印机中实现结构复杂非金属零部件密度可控，就需要提出一种密度可控的SLS型3D打印系统。
发明内容
本发明针对现有的SLS型3D打印机难以实现结构复杂非金属零部件密度可控打印的问题，提出了一种密度可控的SLS型3D打印系统。
为实现上述目的，本发明提出的一种密度可控的SLS型3D打印系统包括模型分析系统、数据系统、计算系统和控制系统。其中，模型分析系统包括分片层功能和密度赋予功能；数据系统包括存储和读写打印工艺参数及相应打印工艺参数下密度值功能，数据系统事先存有打印工艺参数和密度经验值；计算系统包括数学模型拟合功能和求解功能；控制系统主要功能是向SLS型3D打印设备发出指令。
进一步的，模型分析系统包括的分片层功能和密度赋予功能具体为:用户向模型分析系统提供提供零部件模型图和零部件相应部位的密度，模型分析系统根据用户提供的零部件模型图及对零部件各部分密度的需求将零部件进行分片层处理，将分片层结果返回给用户，用户对其进行检查。如果满足同一片层密度相同的要求，则以此分片层结果为打印模型；如果不满足，则重新划分。
进一步的，数据系统包括存储和读写打印工艺参数及相应打印工艺参数下密度值功能具体为：数据系统所存储的打印工艺参数包括扫描温度、激光功率、扫描间距、扫描层厚和扫描轨迹。其中，扫描轨迹分为X型（X单方向型和X双方向性）、Y型（Y单方向型和Y双方向性）、XY交叉型（XY“尾尾相交”型、XY“头头相交”型和XY“头尾相交”型）、V型四种扫描轨迹，分别图2、图3、图4和图5所示。取不同的扫描轨迹，对扫描温度、激光功率、扫描间距、扫描层厚取值，测量成型产品的密度值。将以上扫描轨迹的类型、打印工艺参数的取值和密度值作为参考数据存入数据系统。用户可根据需要对数据系统存储的打印工艺参数进行添加、修改和删除。
进一步的，计算系统包括的数学模型拟合功能和求解功能具体为：建立各种扫面轨迹下其他打印工艺参数和密度值之间的非线性关系，得到相应的数学模型。对相应的数学模型进行求解，可求得打印工艺参数下成型件密度的预估值或者求得满足成型件密度要求的打印工艺参数值。
进一步的，控制系统的功能具体为：将计算系统求解而得的打印工艺参数转化成相应的信号，并将相应的信号传递给与相应打印工艺参数有关的SLS型3D打印机结构，SLS型3D打印机则进入工作状态。
由此可见，本发明所提出的一种密度可控的SLS型3D打印系统可以实现结构复杂非金属零部件密度可控打印，扩大了现有SLS型3D打印设备的使用范围，有效避免了现有设备打印出来的零部件模型因密度不满足要求而无法使用的现象，提高了打印效率和成型材料的使用率。
附图说明
图1是现有SLS型3D打印设备结构示意图。
图2是X型扫描轨迹示意图。
图3是Y型扫描轨迹示意图。
图4是XY交叉型扫描轨迹示意图。
图5是V型扫描轨迹示意图。
图6是本发明一种密度可控的SLS型3D打印系统实施例的流成图。
图7是应用本发明一种密度可控的SLS型3D打印系统实施例的打印物体的结构示意图。
图8是应用本发明一种密度可控的SLS型3D打印系统实施例的打印物体的分片层结果示意图。
图中，1.升降平台，2.升降平台，3.供粉室，4.铺粉辊，5.成型室，6.零部件，7.粉末温度控制器，8.偏转镜，9.雷射器，10.激光，11.进气通道，12.排气通道。
具体实施方式
本发明一种密度可控的SLS型3D打印系统包括模型分析系统、数据系统、计算系统和控制系统。采用上述的系统可实现结构复杂非金属零部件密度可控打印，避免了现有方法打印出来的零部件模型因密度不满足要求而无法使用的现象，提高了打印效率和成型材料的使用率。
一种密度可控的SLS型3D打印系统实施例：
图7是实施例三维结构示意图。根据实际需求，实施例应有三种不同的密度，因此实施例由三部分组件装配而成，分别为组件1（密度为p1）、组件2（密度为p2）和组件3（密度为p3），为实现实施例按照密度需求完成打印，步骤如 下所述。
步骤一：将实施例三维结构图转化为3D打印机所需要的格式文件，模型分析系统将格式文件进行分片层处理，分为3部分，分别为片层1、片层2和片层3，如图8所示。系统将分片层处理结果返回用户，若用户对分片层结果满意，则对每部分赋予密度值并提交；若不满意，则模型分析系统将重新进行分片层处理。
步骤二：对片层3进行处理。根据用户输入的片层3的密度值，对数据系统各扫描轨迹下的密度值进行查找，查找顺序为X型、Y型、XY交叉型和V型。查找规则如下:将用户输入的密度值和X型轨迹下所存储的密度值依次进行对比，找到与用户输入密度值最接近的存储密度值，记录两者差为△1。按上述查找规则对Y型、XY交叉型和V型轨迹下所存储的密度值进行查找，依次记为△2、△3、△4。若△4>△2>△3>△1,则选定片层3的扫描轨迹为X型。依此类推，取密度差值最小的扫描轨迹为零部件扫描轨迹。
步骤三：计算系统对步骤二中选定的扫描轨迹下的打印工艺参数和密度之间建立非线性关系，得到密度和打印工艺参数之间的数学模型，对数学模型进行约束，约束条件为最大和最小激光功率、最大和最小扫描温度、最大和最小扫描间距、最大和最小扫描层厚。运用计算系统内置的算法，对约束下的数学模型求解，求得满足密度要求的多组打印工艺参数数值。
步骤四：对步骤三种求得的多组打印工艺参数进行筛选，筛选原则为低耗高效。激光功率和扫描温度与3D打印设备的能耗相关，激光功率和扫描温度越低，3D打印设备的能耗越低；扫面间距和扫面层厚与零部件的打印效率相关，扫面间距和扫面层厚越大，零部件的打印效率越高。因此，打印工艺参数的筛选顺序为：激光功率、扫描温度、扫面间距、扫描层厚。
步骤五：控制系统将步骤二中选定的轨迹和步骤四中选定的打印工艺参数转化为相应的信号，并将相应的信号传递给与相应打印工艺参数有关的SLS型3D打印机结构，进行存储。
步骤六：按步骤二至步骤五的操作方法对片层2和片层1进行处理，处理完成后SLS型3D打印机进入工作状态。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的技术的实现方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的思想和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种密度可控的SLS型3D打印系统，其特征在于，包括模型分析系统、数据系统、计算系统和控制系统;其中，模型分析系统包括分片层功能和密度赋予功能；数据系统包括存储和读写打印工艺参数及相应打印工艺参数下密度值功能，数据系统事先存有打印工艺参数和密度经验值；计算系统包括数学模型拟合功能和求解功能；控制系统主要功能是向SLS型3D打印设备发出指令。
2.根据权利要求1所述的一种密度可控的SLS型3D打印系统，其特征在于，所述的模型分析系统根据构成模型文件的组件的边缘特征，对模型文件进行分片层处理。
3.根据权利要求1所述的一种密度可控的SLS型3D打印系统，其特征在于，所述的模型分析系统可将分片层结果返回用户，用户可输入每部分片层密度。
4.根据权利要求1所述的一种密度可控的SLS型3D打印系统，其特征在于，所述的数据系统事先存有SLS型3D打印机打印工艺参数经验值和相应的密度值，用户可删除、修改、增加数据系统内的打印工艺参数。
5.根据权利要求1所述的一种密度可控的SLS型3D打印系统，其特征在于，所述的数据系统包含的打印工艺参数为扫描轨迹、扫面温度、激光功率、扫面间距和扫描层厚。
6.根据权利要求1所述的一种密度可控的SLS型3D打印系统，其特征在于，所述的数据系统包含的扫描轨迹分别为X型（X单方向型和X双方向性）、Y型（Y单方向型和Y双方向性）、XY交叉型（XY“尾尾相交”型、XY“头头相交”型和XY“头尾相交”型）和V型。
7.根据权利要求1所述的一种密度可控的SLS型3D打印系统，其特征在于，所述的计算系统可建立各种扫描轨迹下打印工艺和密度值之间的非线性关系并设置约束条件；计算系统内置算法可对数学模型求解。
8.根据权利要求1所述的一种密度可控的SLS型3D打印系统，其特征在于，所述的计算系统根据低耗高效原则筛取打印工艺参数，筛选顺序为：激光功率、扫描温度、扫面间距、扫描层厚。
9.根据权利要求1所述的一种密度可控的SLS型3D打印系统，其特征在于，所述的控制系统可将筛选后的打印工艺参数转化成相应的信号传递给相应的机构。
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