CN109824247A - 一种复杂形状玻璃制品的3d打印机及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种复杂形状玻璃制品的3D打印机及制备方法，通过二氧化碳激光器聚焦在玻璃3D打印的离散原料使其熔融然后退火冷却形成玻璃，并且成型，由基板移动控制成型区，通过送粉装置或者送丝装置不断提供玻璃3D打印原料来保证3D打印的连续性，是一种“点‑线‑面‑体”增材制造过程，本发明实现了复杂形状玻璃制品的3D打印。

Description

一种复杂形状玻璃制品的3D打印机及制备方法

技术领域

本发明属于激光3D打印的技术领域，尤其涉及一种复杂形状玻璃制品的3D打印机及制备方法。

背景技术

玻璃器皿是日常生活中广泛使用的生活及装饰用品，目前我国玻璃模具的需求量很大，玻璃器皿造型日趋个性化的需要，会带来更大的模具市场。利用传统的木模方式铸造复杂曲面形状的玻璃模具毛坯，生产周期比较长，而且不便于铸造生产。另外，玻璃模具具有单件且加工曲面复杂多样的特点，采用数控加工方法显然很费时间，而且由于数控设备的造价较高，数控系统、刀具等费用也很高，导致加工成本很高，不适合玻璃模具加工的要求。

玻璃成型条件是非常苛刻的，因为玻璃是非晶体，所以无固定熔沸点。玻璃由固体转变为液体是一定温度区域(即软化温度范围)内进行的，它与结晶物质不同，没有固定的熔点。软化温度范围Tg-T1，Tg为转变温度，T1为液相线温度，对应的黏度分别为1013.4Pa·s、104-106Pa·s，尽管不同成分的玻璃的软化点温度不同，但是大部分玻璃的软化温度都在600摄氏度以上甚至更高，另外玻璃冷却的过程相比于晶体材料而言难以控制。这些缺点导致3D打印技术应用于玻璃的3D打印是非常困难的。

激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应来加工的激光加工不需要工具、加工速度快、表面变形小，可加工各种材料。用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。某些具有亚稳态能级的物质，在外来光子的激发下会吸收光能，使处于高能级原子的数目大于低能级原子的数目——粒子数反转，若有一束光照射，光子的能量等于这两个能相对应的差，这时就会产生受激辐射，输出大量的光能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复杂形状玻璃制品的3D打印机及制备方法，能够成型复杂结构的玻璃样件，并且保证了玻璃具有一定的工艺性能，拓展了3D打印的材料领域。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种复杂形状玻璃制品的3D打印机，其特征在于，包括机架、二氧化碳激光器、供料装置、基板及基板移动装置，所述机架为三角形横梁和立柱组成的三角形框架，所述二氧化碳激光器垂直固定于机架顶部中心，所述供料装置固定于机架顶部，所述基板通过基板移动装置与机架的立柱相连。

按上述方案，所述基板移动装置包括移动导轨、电机、滑块、连接杆，所述移动导轨铺设于所述立柱上，所述滑块与移动导轨相配置，所述连接杆两端分别与滑块及所述基板相铰接，所述电机驱动滑块沿移动导轨上下滑动。

按上述方案，所述供料装置为送丝机构，所述送丝机构包括送丝盘和丝材喷嘴，玻璃纤维丝材盘绕在送丝盘上，端头伸入丝材喷嘴内部，丝材喷嘴的出丝端与所述二氧化碳激光器相对应设置。

按上述方案，所述供料装置为粉末喷射机构，所述粉末喷射机构包括粉末供料缸、气泵、喷气管和连接软管，所述粉末供料缸两端分别与所述气泵及连接软管一端相连，连接软管另一端与所述喷气管相连，喷气管的出料口与所述二氧化碳激光器相对应设置。

按上述方案，所述基板底面上设有温控装置。

一种复杂形状玻璃制品的3D打印机进行打印制备的方法，其特征在于，包括如下步骤：

A)将三维模型文件导入至激光3D打印成型设备中，程序将根据模型的切片信息来确定基板的移动路径；根据打印材料的理化表征调整对应激光的功率参数和基板的相对运动的速率；设置打印层厚，打开基板的温控装置并调整至合适的温度，调整送料速率；

B)采用二氧化碳激光对打印材料进行熔融成液滴后在基板的表面进行冷却成型，基板按照“点-线-面”的成型方式进行平面运动进而控制第一层的成型过程，完成一层厚度的打印后，基板下降一个层面的厚度，将进行第二层的打印，该过程反复进行，逐层叠加直至整个得到最终的三维立体的玻璃零件；

C)成型后的玻璃在基板上进行退火冷却，基板底部具有温控装置，提前设置好基板保温温度使得玻璃冷却成型时得以进行退火防止碎裂。

按上述方案，所述温控装置调整至合适的温度为380～420℃，打印层厚设置范围为0.2mm～1.5mm，激光功率调至10w～30w。

本发明的有益效果是：本发明提供一种复杂形状玻璃制品的3D打印机及制备方法，开发一种针对玻璃的离散材料作为原料进行3D打印的工艺，能够成型复杂结构的玻璃样件，并且保证了玻璃具有一定的工艺性能，拓展了3D打印的材料领域，基板可以进行x-y-z三个方向上运动，二氧化碳激光器维持不动，保证激光的稳定性，提高打印精度及质量。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构示意图。

图2为本发明一个实施例的工作原理示意图。

图3为本发明另一个实施例的结构示意图。

图4为本发明另一个实施例的工作原理示意图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

一种复杂形状玻璃制品的3D打印机，包括机架1、二氧化碳激光器2、供料装置、基板3及基板移动装置，机架为三角形横梁和立柱组成的三角形框架，二氧化碳激光器垂直固定于机架顶部中心，供料装置固定于机架顶部，基板通过基板移动装置与机架的立柱相连。

基板移动装置包括移动导轨4、电机、滑块5、连接杆6，移动导轨铺设于立柱上，滑块与移动导轨相配置，连接杆两端分别与滑块及基板相铰接，电机驱动滑块沿移动导轨上下滑动。连接杆为六根，两两一组与同一滑块相连，当其中一个滑块下移，另外两个滑块上移时，连接杆分别发生转动，带动基板在水平面上的移动；当三个滑块同步移动时，基板在垂直方向上发生移动，通过电机控制滑块移动，进而精准控制基板的运动轨迹。

如图1、图2所示，供料装置为送丝机构，送丝盘7和丝材喷嘴8，玻璃纤维丝材9盘绕在送丝盘上，端头伸入丝材喷嘴内部，丝材喷嘴的出丝端与二氧化碳激光器相对应设置。

如图3、图4所示，供料装置为粉末喷射机构，包括粉末供料缸10、气泵11、喷气管12和连接软管13，粉末供料缸两端分别与气泵及连接软管一端相连，连接软管另一端与喷气管相连，喷气管的出料口与二氧化碳激光器相对应设置。

基板底面上设有温控装置14。

实施例一

本案例选用钠钙玻璃纤维丝作为3D打印材料。

将三维模型文件导入至激光3D打印成型设备中，程序将根据模型的切片信息来确定三维移动基板的移动路径。

根据玻璃纤维的理化表征调整对应激光的功率参数，材料为钠钙玻璃纤维丝可将激光功率调至20w-25w，本案例采用的是20w。

调整三维平台的相对运动的速率，x-y方向为平面运动，设置平台移动速率为1mm/s,z方向为垂直运动方向，设置平台z方向移动速率为10mm/s。

设置打印层厚，打印层厚设置范围为0.5mm-1.5mm，可根据玻璃纤维的理化性质进行适当调整，本案例设置打印层厚为0.6mm。

将玻璃纤维正确的安装在送丝盘上。

打开三维移动基板的加热装置并调整至合适的温度，钠钙玻璃纤维丝材退火温度设置为400℃，保证了玻璃成型之后的退火，防止玻璃成型之后碎裂。

送丝盘将玻璃纤维按照一定的速率送入丝材喷嘴装置,送丝速率为1mm/s。

开始打印，二氧化碳激光器聚焦在玻璃纤维表面，玻璃纤维吸收激光的能量处于熔融状态进而附着在三维移动基板上，三维移动基板按照给定的移动路径不断的进行x-y方向运动保证了熔融的玻璃纤维附着在指定的位置，一层打印完成之后三维移动基板下降一个层的厚度，熔融的玻璃纤维附着在上一层的表面，如此逐层打印直至整个零件15完成。

实施例二

本案例选用的材料为钠钙玻璃粉末。

将三维模型文件导入至激光3D打印成型设备中，程序将根据模型的切片信息来确定三维移动基板的移动路径。

将玻璃粉末放入粉料供给装置内，粉末颗粒的平均直径为50μm，粉末颗粒的形状为球形。

根据粉末的理化表征调整对应激光的功率参数，选用的激光功率范围为10w-30w。

根据粉末的理化性质调整对应的三维移动基板的相对运动的速率，三维移动基板的速度应该与选用的激光速率相对应以保证激光的能量密度在适当的范围内，x-y方向平台移动速率选用范围为10mm/s-30mm/s，z方向平台垂直移动速率选用范围为＞20mm/s。

设置打印层厚，打印层厚选用范围为0.2mm-1mm，可根据玻璃粉末的理化性质进行适当调整，本案例采用的打印层厚为0.5mm。

打开三维移动基板的加热装置并调整至合适的温度,采用的钠钙玻璃粉末的退火温度为400℃，保证了玻璃成型之后的退火，防止玻璃成型之后碎裂。

开启载气装置，通过调整载气装置的气压大小来调整粉末供给速率。

开始打印，粉末被载气装置通过导管输送到罩式进气口，通过喷嘴被喷射到激光聚焦点，二氧化碳激光器聚焦在粉末时，粉末颗粒受热处于熔融状态落在三维移动基板上并冷却。

三维移动基板根据给定的移动路径进行不断的移动，保证了熔融粉末凝固在三维移动基板上。

熔融的粉末颗粒按照模型的二维切片形状凝固成一层玻璃薄片，三维移动基板下降一个层的厚度，熔融的玻璃颗粒继续新一层的成型，逐层打印直到整个零件成型完成。

同时，可以根据样件的实际形状的复杂情况使用五轴联动装置进行复杂形状的打印，五轴联动装置可以进行完成x、y、z、倾斜以及旋转运动，保证了复杂形状的3D打印的可行性以及精确性。

本发明并不局限于上述的实施例，不代表本发明的全部内容，凡在本发明的框架和思想结构内的任何修改、替换及改进均应包含在本的阐述范围之内。

Claims (7)

1.一种复杂形状玻璃制品的3D打印机，其特征在于，包括机架、二氧化碳激光器、供料装置、基板及基板移动装置，所述机架为三角形横梁和立柱组成的三角形框架，所述二氧化碳激光器垂直固定于机架顶部中心，所述供料装置固定于机架顶部，所述基板通过基板移动装置与机架的立柱相连。

2.根据权利要求1所述的一种复杂形状玻璃制品的3D打印机，其特征在于，所述基板移动装置包括移动导轨、电机、滑块、连接杆，所述移动导轨铺设于所述立柱上，所述滑块与移动导轨相配置，所述连接杆两端分别与滑块及所述基板相铰接，所述电机驱动滑块沿移动导轨上下滑动。

3.根据权利要求2所述的一种复杂形状玻璃制品的3D打印机，其特征在于，所述供料装置为送丝机构，所述送丝机构包括送丝盘和丝材喷嘴，玻璃纤维丝材盘绕在送丝盘上，端头伸入丝材喷嘴内部，丝材喷嘴的出丝端与所述二氧化碳激光器相对应设置。

4.根据权利要求2所述的一种复杂形状玻璃制品的3D打印机，其特征在于，所述供料装置为粉末喷射机构，所述粉末喷射机构包括粉末供料缸、气泵、喷气管和连接软管，所述粉末供料缸两端分别与所述气泵及连接软管一端相连，连接软管另一端与所述喷气管相连，喷气管的出料口与所述二氧化碳激光器相对应设置。

5.根据权利要求3或4所述的一种复杂形状玻璃制品的3D打印机，其特征在于，所述基板底面上设有温控装置。

6.采用上述权利要求5所述的一种复杂形状玻璃制品的3D打印机进行打印制备的方法，其特征在于，包括如下步骤：

A)将三维模型文件导入至激光3D打印成型设备中，程序将根据模型的切片信息来确定基板的移动路径；根据打印材料的理化表征调整对应激光的功率参数和基板的相对运动的速率；设置打印层厚，打开基板的温控装置并调整至合适的温度，调整送料速率；

B)采用二氧化碳激光对打印材料进行熔融成液滴后在基板的表面进行冷却成型，基板按照“点-线-面”的成型方式进行平面运动进而控制第一层的成型过程，完成一层厚度的打印后，基板下降一个层面的厚度，将进行第二层的打印，该过程反复进行，逐层叠加直至整个得到最终的三维立体的玻璃零件；

C)成型后的玻璃在基板上进行退火冷却，基板底部具有温控装置，提前设置好基板保温温度使得玻璃冷却成型时得以进行退火防止碎裂。

7.根据权利要求6所述的一种复杂形状玻璃制品的3D打印制备方法，其特征在于，所述温控装置调整至合适的温度为380～420℃，打印层厚设置范围为0.2mm～1.5mm，激光功率调至10w～30w。