CN109849326B - 一种3d打印方法与双束3d打印设备 - Google Patents

一种3d打印方法与双束3d打印设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及3D打印领域，具体涉及一种3D打印方法与双束3D打印设备。本发明的3D打印方法包括以下步骤：将打印材料输送至打印束喷嘴；驱动打印束喷嘴移动并喷出打印材料在基底上形成打印层；重复上述操作在打印层上形成多层上下层叠的打印层；对基底与打印层以及打印层与打印层之间的界面采用强脉冲能量束/粒子束进行辐照在界面处形成连续渐变过渡层，即得。本发明3D打印方法，采用强脉冲能量束/粒子束对界面进行冷加工，使界面处原子瞬间相互扩散、熔融并固化形成连续渐变过渡层，消除了界面上热学和力学性质的突变，以及热加工产生的热应力与打印点、线、面上的晶格缺陷，大幅提高3D打印增材产品的耐用寿命及耐高温、耐高压能力。

Description

一种3D打印方法与双束3D打印设备
技术领域
本发明涉及3D打印领域，具体涉及一种3D打印方法与双束3D打印设备。
背景技术
3D打印先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。打印机打出的截面的厚度(即Z方向)以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi(像素每英寸)或者微米来计算的，一般的厚度为几微米到上百微米。
3D打印技术一般采用高功率连续激光器或电子束使打印材料熔融和固化，但这些“热加工”方法会导致打印点、线、面上的热应力集中与晶格破坏。3D打印制造或再制造具有涂层的工件如飞机发动机涡轮叶片时，要在高温合金(镍基合金、钛合金等)基底上打印高温涂层(氧化铝、氧化锆等)，基底与涂层的界面上、涂层与其它涂层的界面上，其热学(热膨胀系数)和力学(杨氏模量)的差异还会导致在高温高压下基底与涂层、涂层与其它涂层之间容易开裂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种3D打印方法，可使材料界面附近的原子瞬间(几十飞秒到几百纳秒)互相扩散、熔融并固化形成连续渐变过渡层。采用这种冷加工方法，可以消除界面上热学(热膨胀系数)和力学(杨氏模量)性质的突变，以及传统3D打印热加工方法产生的热应力与打印点、线、面上的晶格缺陷，大幅提高3D打印增材产品的耐用寿命及耐高温、耐高压能力。
本发明的第二个目的在于提供一种用于上述3D打印方法的双束3D打印设备。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种3D打印方法，包括以下步骤：
1)将打印材料输送至打印束喷嘴；
2)驱动所述打印束喷嘴按照预设轨迹移动并喷出所述打印材料在基底上形成打印层；
3)重复步骤2)中的操作在步骤2)中的打印层上形成多层上下层叠的打印层；对基底与打印层之间的界面以及打印层与打印层之间的界面采用强脉冲能量束/粒子束进行辐照在所述界面处形成连续渐变过渡层。
所述辐照的单脉冲能量密度d由下式得到：d＝P/(f×S)，式中d为单脉冲能量密度，单位J/mm2；P为功率，单位W或J/sec；f为频率，单位为脉冲数/sec；S为能量束/粒子束聚焦面积，单位mm2。所述单脉冲能量密度d为强脉冲能量束/粒子束的单脉冲能量密度。
所述辐照的强脉冲能量束/粒子束总能量密度D由下式得到：D＝d×f×t，式中，D为脉冲能量束/粒子束总能量密度，单位J/mm2；d为单脉冲能量密度，单位J/mm2；f为频率，单位为脉冲数/sec；t为辐照时间，单位为sec。
步骤3)中强脉冲能量束为同步辐射、飞秒强脉冲激光束、皮秒强脉冲激光束、纳秒强脉冲激光束中的任意一种；步骤3)中强脉冲粒子束为强脉冲电子束、强脉冲离子束中的任意一种。
步骤3)中的辐照为边打印边对界面进行辐照或者形成一层或多层打印层之后再对界面进行辐照。
步骤3)中的辐照为边打印边对界面进行辐照，所述强脉冲能量束的辐照时间为0.01sec～10sec，辐照面积为10-6mm2～10-2mm2，频率为1～100,000/sec，单脉冲的脉宽为10-14sec～10-7sec，单脉冲的能量密度为1mJ/mm2～10J/mm2，强脉冲能量束的总能量密度为0.1J/mm2～10J/mm2。
步骤3)中的辐照为形成一层或多层打印层后再对界面进行辐照，所述强脉冲能量束的辐照时间为0.1sec～100sec，辐照面积为10-2mm2～104mm2，频率为1～1,000/sec，单脉冲的脉宽为10-14sec～10-7sec，单脉冲的能量密度为1mJ/mm2～10J/mm2，强脉冲能量束的总能量密度为0.1J/mm2～10J/mm2。
步骤3)中的辐照为边打印边对界面进行辐照或者形成一层或多层打印层之后再对界面进行辐照，所述强脉冲粒子束中单脉冲的脉宽为10-14sec～10-7sec，辐照时间为0.01sec～100sec，单脉冲粒子束的能量密度为1mJ/mm2～10J/mm2。
在脉冲能量束总能量密度D一定时，所述辐照面积与所述辐照时间成正比。
所述打印材料为同一种打印粉末/液体或不同种类的打印粉末/液体；对所述同一种打印粉末/液体之间形成的界面进行辐照时，辐照所需单脉冲能量密度的大小与形成打印层的厚度呈正相关。
一种用于上述3D打印方法的双束3D打印设备，包括3D打印机及产生所述强脉冲能量束/粒子束的强脉冲能量束/粒子束发生装置。
所述强脉冲能量束/粒子束发生装置处于3D打印机的打印束喷嘴附近或处于3D打印机之外通过光纤或真空管与所述3D打印机连接。
本发明的3D打印方法采用双束3D打印设备，即在原3D打印机的基础上增加强脉冲能量束/粒子束发生装置。所述强脉冲能量束/粒子束发生装置位于3D打印机的喷嘴附近或者位于3D打印机之外。
所述强脉冲能量束/粒子束的发生装置及能量/粒子出口与工件成一定的夹角。
本发明的3D打印方法，采用强脉冲能量束/粒子束对3D打印的界面进行冷加工，使界面处原子瞬间(几十飞秒到几百纳秒)相互扩散、熔融并固化形成连续渐变过渡层，消除了界面上热学(热膨胀系数等)和力学(杨氏模量等)性质的突变，以及热加工产生的热应力与打印点、线、面上的晶格缺陷，可以大幅提高3D打印制造和再制造航空发动机涡轮叶片的耐用寿命及耐高温、耐高压能力。应用本发明的3D打印方法制造或再制造的金属或带涂层的金属产品(如医用植入假体、数控刀具、模具、轴承齿轮等)，其耐用寿命会更长、耐高温高压、耐磨损、耐腐蚀等性能也会更好。
附图说明
图1为实施例1中的双束3D打印设备的结构示意简图；
图2为实施例2中的双束3D打印设备的结构示意简图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
本发明的3D打印方法，包括以下步骤：
1)将打印材料输送至打印束喷嘴；
2)驱动所述打印束喷嘴按照预设轨迹移动并喷出所述打印材料在基底上形成打印层；
3)重复步骤2)中的操作在步骤2)中的打印层上形成多层上下层叠的打印层；对基底与打印层之间的界面以及打印层与打印层之间的界面采用强脉冲能量束/粒子束进行辐照在所述界面处形成连续渐变过渡层。
所述辐照的单脉冲能量密度d由下式得到：d＝P/(f×S)，式中d为单脉冲能量密度，单位J/mm2；P为功率，单位W或J/sec；f为频率，单位为脉冲数/sec；S为能量束/粒子束聚焦面积，单位mm2。
所述辐照的脉冲能量束/粒子束总能量密度D由下式得到：D＝d×f×t，式中，D为脉冲能量束/粒子束总能量密度，单位J/mm2；d为单脉冲能量密度，单位J/mm2；f为频率，单位为脉冲数/sec；t为辐照时间，单位为sec。
步骤3)中强脉冲能量束为同步辐射、飞秒强脉冲激光束、皮秒强脉冲激光束、纳秒强脉冲激光束中的任意一种；步骤3)中强脉冲粒子束为强脉冲电子束、强脉冲离子束中的任意一种。
步骤3)中的辐照为边打印边对界面进行辐照或者形成一层或多层打印层之后再对界面进行辐照。
步骤3)中的辐照为边打印边对界面进行辐照，所述强脉冲能量束的辐照时间为0.01sec～10sec，辐照面积为10-6mm2～10-2mm2，频率为1～100,000/sec，单脉冲的脉宽为10-14sec～10-7sec，单脉冲的能量密度为1mJ/mm2～10J/mm2，强脉冲能量束的总能量密度为0.1J/mm2～10J/mm2。
步骤3)中的辐照为形成一层或多层打印层后再对界面进行辐照，所述强脉冲能量束的辐照时间为0.1sec～100sec，辐照面积为10-2mm2～104mm2，频率为1～1,000/sec，单脉冲的脉宽为10-14sec～10-7sec，单脉冲的能量密度为1mJ/mm2～10J/mm2，强脉冲能量束的总能量密度为0.1J/mm2～10J/mm2。
步骤3)中的辐照为边打印边对界面进行辐照或者形成一层或多层打印层之后再对界面进行辐照，所述强脉冲粒子束中单脉冲的脉宽为10-14sec～10-7sec，辐照时间为0.01sec～100sec，单脉冲粒子束的能量密度为1mJ/mm2～10J/mm2。
在脉冲能量束总能量密度D一定时，所述辐照面积与所述辐照时间成正比。
所述打印材料为同一种打印粉末/液体或不同种类的打印粉末/液体；对所述同一种打印粉末/液体之间形成的界面进行辐照时，辐照所需单脉冲能量密度大小与形成打印层的厚度呈正相关。
本发明用于上述3D打印方法的双束3D打印设备，包括3D打印机及产生所述强脉冲能量束/粒子束的强脉冲能量束/粒子束发生装置。
所述强脉冲能量束/粒子束发生装置处于3D打印机的打印束喷嘴附近或处于3D打印机之外通过光纤或真空管与所述3D打印机连接。
实施例1
本实施例的3D打印方法，包括以下步骤：
1)将镍合金打印粉末输送至打印束喷嘴，喷出形成基底镍合金层，所述基底镍合金层的厚度为1mm；
2)将铝硅打印粉末输送至打印束喷嘴，喷出在镍合金层上形成铝硅层；所述铝硅层的厚度为0.005mm；
3)一边打印一边对镍合金层与铝硅层之间的界面采用飞秒强脉冲能量束辐照在所述界面处形成连续渐变过渡层，即得；所述辐照时间为1sec，辐照面积为1×10-4mm2，频率为1,000/sec，波长为1064nm，所述飞秒脉冲能量束中单脉冲的脉宽为1.5×10-13sec，单脉冲的能量密度为1mJ/mm2，飞秒强脉冲能量束总能量密度为1J/mm2。
本实施例3D打印方法采用的3D打印设备为双束3D打印设备，即在原3D打印机的基础上增加飞秒强脉冲能量束的发生装置。本实施例的3D打印设备，如图1所示，包括3D打印机1及产生飞秒强脉冲能量束的强脉冲能量束发生装置3；所述3D打印机1内设有打印束喷嘴2，所述强脉冲能量束发生装置3位于所述3D打印机外通过光纤连接再传输到辐照区域。
实施例2
本实施例的3D打印方法，包括以下步骤：
1)将镍基合金打印粉末输送至打印束喷嘴，喷出形成基底镍基合金层，所述基底镍基合金层的厚度为1mm；
2)将铝硅打印粉末输送至打印束喷嘴，喷出在镍基合金层上形成铝硅层；所述铝硅层的厚度为0.005mm；
3)形成一层打印层后，对镍基合金层与铝硅层之间的界面采用皮秒强脉冲能量束进行辐照在所述界面处形成连续渐变过渡层，即得；所述辐照时间为10sec，辐照面积为10mm2，频率为100/sec，波长为1064nm，所述皮秒强脉冲能量束中单脉冲的脉宽为2×10- 10sec，单脉冲的能量密度为1mJ/mm2，皮秒强脉冲能量束总能量密度为1J/mm2。
本实施例3D打印方法采用的双束3D打印设备，在原3D打印机的基础上增加产生皮秒强脉冲能量束的强脉冲能量束发生装置。本实施例的双束3D打印设备，如图2所示，包括3D打印机1及产生皮秒强脉冲能量束的强脉冲能量束发生装置3；所述3D打印机1内设有打印束喷嘴2，所述强脉冲能量束发生装置3位于所述3D打印机之外通过光纤连接再传输到辐照区域。
实施例3
本实施例的3D打印方法，包括以下步骤：
1)将镍基合金打印粉末输送至打印束喷嘴，喷出形成基底镍基合金层，所述基底镍基合金层的厚度为1mm；
2)将铝硅打印粉末输送至打印束喷嘴，喷出在镍基合金层上形成铝硅层；所述铝硅层的厚度为0.005mm；
3)形成一层打印层后，对上述层与层之间的界面采用纳秒强脉冲能量进行辐照在所述界面处形成连续渐变过渡层，即得；所述辐照时间为10sec，辐照面积为100mm2，频率为100/sec，波长为1064nm，所述纳秒强脉冲能量束中单脉冲的脉宽为1×10-8sec，单脉冲的能量密度为1mJ/mm2，纳秒强脉冲能量束总能量密度为1J/mm2。
本实施例3D打印方法采用的3D打印设备为双束3D打印设备，即在原3D打印机的基础上增加产生纳秒强脉冲能量束的强脉冲能量束发生装置。本实施例的3D打印设备，包括3D打印机及产生纳秒强脉冲能量束的强脉冲能量束发生装置；所述3D打印机内设有打印束喷嘴，所述强脉冲能量束发生装置位于所述3D打印机内且处于所述打印束喷嘴附近。
本发明3D打印方法采用的打印材料种类及其形态并不仅限于上述实施例，可以为金属材料或其它本领域常用的打印材料，其形态可以为打印粉末或打印液体。
实验例1
以实施例1为例，对实施例1中打印层界面处形成的连续渐变过渡层进行卢瑟福背散射分析，结果如表1所示：
表1实施例1中打印层镍-铝原子比例
Figure BDA0001978614420000081
Figure BDA0001978614420000091
实验例2
以实施例2为例，对实施例2中打印层界面处形成的连续渐变过渡层进行卢瑟福背散射分析，结果如表2所示：
表2实施例2中打印层镍-铝原子比例
打印层 深度 镍 铝
铝硅层 2500nm 0 100
铝硅层 300nm 0 100
渐变过渡层 300nm 1 99
渐变过渡层 300nm 3 97
渐变过渡层 300nm 7 93
渐变过渡层 300nm 12 88
渐变过渡层 300nm 19 81
渐变过渡层 300nm 28 72
渐变过渡层 300nm 42 58
渐变过渡层 300nm 64 36
渐变过渡层 300nm 81 19
渐变过渡层 300nm 92 8
渐变过渡层 300nm 98 2
渐变过渡层 300nm 99 1
基底 300nm 100 0
基底 1000nm 100 0
实验例3
以实施例3为例，对实施例3中打印层界面处形成的连续渐变过渡层进行卢瑟福背散射分析，结果如表3所示：
表3实施例3中打印层镍-铝原子比例
Figure BDA0001978614420000092
Figure BDA0001978614420000101
同步辐射是强脉冲能量束的一种，其对3D打印层界面的辐照方法及效果与实施例1～3相似。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将打印材料输送至3D打印机的打印束喷嘴；
2）驱动所述打印束喷嘴按照预设轨迹移动并喷出所述打印材料在基底上形成打印层；所述基底为由所述打印束喷嘴将镍合金打印粉末喷出形成的镍合金层，所述打印层为由所述打印束喷嘴将铝硅打印粉末喷出在所述镍合金层上形成的铝硅层；
3）重复步骤2）中的操作在步骤2）中的打印层上形成多层上下层叠的打印层，多层上下层叠的所述打印层由所述3D打印机产生的连续高功率激光束/电子束对所述打印材料进行高温熔融而形成；采用强脉冲能量束发生装置产生的皮秒强脉冲能量束，对所述基底与所述打印层之间的界面以及所述打印层与所述打印层之间的界面进行辐照，以在所述基底与所述打印层之间的界面处以及所述打印层与所述打印层之间的界面处分别冷加工形成连续渐变过渡层；所述强脉冲能量束的辐照时间为0.01sec～10sec，辐照面积为10-6mm2～10- 2mm2，频率为1～100,000/sec，单脉冲的脉宽为10-14sec～2×10-10sec，单脉冲的能量密度为1mJ/mm2～10J/mm2，强脉冲能量束总能量密度为0.1J/mm2～10J/mm2；所述辐照的单脉冲能量密度d由下式得到：d＝P/(f×S)，式中d为单脉冲能量密度，单位J/mm2；P为功率，单位W或J/sec；f为频率，单位为脉冲数/sec；S为能量束聚焦面积，单位mm2；所述辐照的强脉冲能量束总能量密度D由下式得到：D＝d×f×t，式中，D为强脉冲能量束总能量密度，单位J/mm2；d为单脉冲能量密度，单位J/mm2；f为频率，单位为脉冲数/sec；t为辐照时间，单位为sec。
2.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，步骤3）中强脉冲能量束为飞秒强脉冲激光束、皮秒强脉冲激光束、纳秒强脉冲激光束、强脉冲电子束和强脉冲离子束中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，步骤3）中的辐照为边打印边对界面进行辐照或者形成一层或多层打印层之后再对界面进行辐照。
4.一种使用权利要求1所述的3D打印方法的双束3D打印设备，其特征在于，包括3D打印机及产生所述强脉冲能量束的强脉冲能量束发生装置。
5.根据权利要求4所述的双束3D打印设备，其特征在于，所述强脉冲能量束发生装置处于3D打印机的打印束喷嘴附近或处于3D打印机之外通过光纤或真空管与所述3D打印机连接。
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