CN110091413A - 一种梯度功能材料3d打印装置及工作方法 - Google Patents

一种梯度功能材料3d打印装置及工作方法 Download PDF

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邹斌
邢宏宇
王鑫锋
刘晓艳
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    • B28B1/00—Producing shaped prefabricated articles from the material
    • B28B1/001—Rapid manufacturing of 3D objects by additive depositing, agglomerating or laminating of material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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Abstract

本发明涉及一种梯度功能材料3D打印装置及工作方法，包括：一种梯度功能材料3D打印装置，包括：原料仓：原料仓内具有与第一升降机构连接的活塞；成型平台：位于原料仓一侧，与第二升降机构连接；刀架：与设置在成型平台两侧的第一导轨滑动连接，并连接有第二驱动机构，第二驱动机构能够驱动刀架做第一方向的滑动，与第一方向垂直的刀架的两个端面滑动连接有刮刀，刮刀与第三升降机构连接；料筒：具有多个，与固定在刀架的第一驱动机构连接，第一驱动机构用于驱动料筒沿与第一方向垂直的第二方向的运动，所述料筒与挤料机构连接；激光固化机构：用于产生激光射线，本发明的3D打印装置能实现基于SL技术的功能梯度材料的3D打印。

Description

一种梯度功能材料3D打印装置及工作方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种梯度功能材料3D打印装置及工作方法。
背景技术
梯度功能材料(functionally gradient materials,FGM)是两种或多种材料复合且成分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料，是应现代航天航空工业等高技术领域的需要，为满足在极限环境下能反复地正常工作而发展起来的一种新型功能材料。研究显示，从材料的结构角度来讲，梯度功能材料与均一材料、复合材料不同。它由两种(或多种)性能不同的材料，通过连续地改变这两种(或多种)材料的组成和结构，使其界面消失导致材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化，形成梯度功能材料。梯度功能陶瓷材料主要包含金属/陶瓷、陶瓷/陶瓷等组合方式。其中，金属/陶瓷梯度功能陶瓷可以将陶瓷材料优良的硬度、耐高温、耐腐蚀等优点与金属的良好韧性相结合，被认为是本世纪在生物医学、航空航天等领域具有巨大潜力与前景的明星材料。
目前，制备陶瓷梯度功能材料的制备方法众多，但是有鉴于陶瓷材料硬度高、脆性大、难加工的特征，依然较难实现复杂形状梯度功能陶瓷器件的制备。而陶瓷3D打印技术有望解决这一难题。
基于立体光刻原理的陶瓷SL(Stereo Lithography)3D打印技术具有成形质量高、制备零件尺寸精度高、致密度接近理论值等优势，能较好的解决以上问题。2016年法国3DCeram公司推出了陶瓷SL-3D打印设备，但只实现了氧化铝、氧化锆等单相陶瓷零件的打印制备。国内有相关专利CN105599306与CN104816479A分别报道了可应用于陶瓷制备的一种基于SLA技术的高精度3D打印装置与一种大幅面光固化3D打印机。但是发明人发现，以上设备与专利均只能在打印时提供单一原料，无法实现多组分陶瓷材料的梯度打印，无法满足市场对复杂形状陶瓷梯度功能材料(陶瓷/陶瓷，陶瓷/金属等)的迫切需求。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种梯度功能材料3D打印装置，满足了基于SL技术制备功能梯度材料的工件的需求。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种梯度功能材料3D打印装置，包括：
原料仓：原料仓内具有与第一升降机构连接的活塞，用于将原料仓内的膏料挤出；
成型平台：位于原料仓一侧，与第二升降机构连接；
刀架：与设置在成型平台两侧的第二驱动机构连接，第二驱动机构能够驱动刀架做第一方向的滑动，与第一方向垂直的刀架的两个端面滑动连接有刮刀，刮刀与第三升降机构连接；
料筒：具有多个，与固定在刀架的第一驱动机构连接，第一驱动机构用于驱动料筒沿与第一方向垂直的第二方向的运动，所述料筒与挤料机构连接，挤料机构用于将料筒内的膏料挤出；
激光固化机构：用于产生激光射线，对成型平台的膏料进行固化。
进一步的，所述第一驱动机构包括第一电机，所述第一电机与刀架固定连接，第一电机的输出轴连接有第一丝杠，所述第一丝杠连接有料筒夹具，所述料筒夹具用于放置料筒，第一丝杠能够带动料筒夹具沿第二方向运动。
进一步的，所述第二驱动机构包括第二电机，所述第二电机连接有第二丝杠，所述刀架与第二丝杠连接，所述刀架还与设置在成型平台两侧的第一导轨滑动连接，第二丝杠的转动能够带动刀架沿第一方向的运动。
进一步的，所述刀架与第一方向垂直的两个端面连接有第二导轨，所述第二导轨与刮刀滑动连接。
进一步的，所述第三升降结构采用牵引式电磁铁，所述牵引式电磁铁与刮刀固定连接。
进一步的，所述挤料机构包括用于对料筒顶部注料口进行打开和封闭的筒盖，所述筒盖固定有第三电机，所述第三电机与伸入料筒内部的挤料螺杆连接。
进一步的，所述成型平台的一侧还设有膏料回收平台，膏料回收平台与原料仓分别位于成型平台的两侧，膏料回收平台用于回收多余的膏料。
进一步的，所述激光固化机构包括激光器及激光振镜，激光器产生的紫外激光能够通过激光振镜对成型平台上的膏料进行激光固化。
本发明还公开了一种梯度功能材料3D打印装置的工作方法：包括以下步骤：
步骤1：将基体膏料填充在原料仓内，将不同配比的多组分膏料分别填充在料筒内，每个料筒对应填充一种配比的多组分膏料。
步骤2：将基体膏料均匀涂铺与成型平台上，并用激光固化机构进行固化。
步骤3：第一驱动机构与一个料筒对应的挤料机构同时工作，将料筒内的多组分膏料挤出，刀架沿成型平台运动，刮刀将挤出的多组分膏料铺平，激光固化机构对铺平的多组分膏料进行激光固化，采用相同的方法依次完成多个料筒内多组分膏料的挤出、铺平及激光固化。
步骤4：拆卸下盛放基体膏料的原料仓，替换为盛放目标膏料的原料仓，采用步骤2的方法将目标膏料涂铺在最上层的多组分膏料上。
进一步的，所述步骤2的具体步骤为：刀架运动至原料仓所在的成型平台一侧端部，活塞挤出2倍层厚的基体膏料，位于原料仓所在一侧的刀架端面的刮刀落下，刀架沿成型平台运动，将第一层基体膏料均匀铺平在成型平台，落下的刮刀抬起，激光固化机构对铺平的第一层基体膏料进行固化，刀架另一侧端面的刮刀落下，刀架沿成型平台向原料仓的方向运动，对第二层基体膏料进行均匀铺平，激光固化机构对第二层基体膏料进行固化。
进一步的，步骤3中所述多组分膏料由基体膏料的材料和目标膏料的材料混合而成，不同料筒的多组分膏料中，基体膏料材料的质量占比不同，多个料筒多组分膏料的挤出、铺平、激光固化顺序满足：沿基体膏料层至目标膏料层方向，多组分膏料层中的基体膏料材料质量占比依次减小，目标膏料材料质量占比依次增大。
本发明的有益效果：
1.本发明的3D打印装置，具有激光固化机构，利用SL技术进行3D打印，打印的尺寸精度高、表面质量好，致密度高。
2.本发明的3D打印装置，具有与刀架连接的多个料筒，料筒内盛放有不同组分配伍的多组分膏料，能够实现多种组分膏料的供料，实现了多组分材料的梯度打印，满足了复杂形状梯度功能材料元件的制备。
3.本发明的3D打印装置的工作方法，沿基体膏料层至目标膏料层方向，多组分膏料层中的基体膏料材料质量占比依次减小，目标膏料材料质量占比依次增大，大大减缓了不同材料之间的应力冲突。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1为本发明实施例1俯视示意图；
图2为本发明实施例1主视示意图；
图3为本发明实施例2打印的零件膏料层分布示意图；
图4为本发明实施例3打印的零件膏料层分布示意图；
其中，1.成型平台，2.原料仓，3.第一升降机构，4.第二升降机构，5.刀架，6.轴承，7.第一导轨，8.第二导轨，9.第一刮刀，10.第二刮刀，11.牵引式电磁铁，12.料筒夹具，13.第一电机，14.第三电机，15.料筒，16.膏料回收平台，17.第一丝杠，18.活塞，19.第二电机，20.第二丝杠。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有的基于SLA原理的3D打印装置在打印时提供单一原料，无法实现多组分材料的梯度打印，针对上述问题，本申请提出了一种梯度功能材料3D打印装置。
本申请的一种典型实施方式实施例1中，如图1-2所示，一种梯度功能材料3D打印装置，包括成型平台1，所述成型平台的面积大于300mmX300mmX100mm,所述成型平台左侧设有原料仓2，所述原料仓内设有第一升降机构3，所述第一升降机构与设置于原料仓内部的活塞18连接，所述第一升降机构用于带动活塞的升降运动，将原料仓内的膏料挤出，所述成型平台底面与第二升降机构4连接，所述第二升降机构能够驱动成型平台做升降运动，所述成型平台的右侧设有膏料回收平台16，膏料回收平台的面积大于300mmX200mm，膏料回收平台用于回收多余的膏料。
所述第一升降机构及第二升降机构可采用现有的液压升降台或电动升降台，其具体结构在此不进行详细叙述。
所述成型平台两侧设有第一导轨7，所述第一导轨固定设置，可固定在成型平台的外周结构上，第一导轨滑动连接刀架5，所述刀架能够沿做第一方向的运动，所述成型平台的两个与第一方向平行的端面分别连接有两个轴承6，所述轴承嵌入第一导轨7中，刀架能够通过轴承沿第一方向运动。
所述刀架与第二驱动机构连接，所述第二驱动机构采用对称设置的第二电机19，所述第二电机的输出轴通过联轴器连接有第二丝杠20，所述第二丝杠与刀架连接，第二电机带动第二丝杠转动，第二丝杠能够驱动刀架沿第一方向的运动，所述第二丝杠的端部连接带座轴承，利用带座轴承进行支撑。
所述刀架与第一方向垂直的两个端面分别设置有两个第二导轨8，位于刀架左侧端面的第二导轨与第一刮刀9滑动连接，位于刀架右侧端面的第二导轨与第二刮刀10滑动连接，所述第一刮刀及第二刮刀能够沿第二导轨做升降运动，所述第一刮刀及第二刮刀均与第三升降机构连接，所述第三升降机构采用固定在刀架的牵引式电磁铁，第一刮刀连接有一个牵引式电磁铁，第二刮刀连接有一个牵引式电磁铁，牵引式电磁铁断电时，刮刀能够在重力的作用下下落，牵引式电磁铁通电后，能够带动刮刀上升。
所述刀架上固定有第一驱动机构，所述第一驱动机构与料筒夹具12连接，第一驱动机构能够驱动料筒夹具沿与第一方向垂直的第二方向运动，所述料筒夹具设置有4-8个放置口，所述放置口处能够放置料筒15。
所述料筒容积为100ml-300ml，料筒顶部具有注料口，底端具有出料口，出料口与成型平台上表面所在平面之间具有0.5mm-5mm的间隙，所述注料口处设有筒盖，所述筒盖能够控制注料口的打开和关闭，所述筒盖上固定有第三电机14，所述第三电机的输出轴通过联轴器与伸入料筒内部的挤料螺杆连接，第三电机带动挤料螺杆转动，可将料筒内部的膏料通过出料口基础，可利用第三电机可以提供0ml/s-3ml/s供料流量，所述料筒的顶端可设有外径大于放置口直径的环状凸台，利用环状凸台和放置口放置与料筒夹具上。
所述第一驱动机构包括固定在刀架与第一方向平行的一侧端面的第一电机13，所述第一电机的输出轴通过联轴器与第一丝杠17的一端连接，第一丝杠的轴线与第二方向平行，第一丝杠另一端与刀架转动连接，所述丝杠与料筒夹具连接，第一电机带动丝杠转动，第一丝杠可以带动料筒夹具做沿第二方向的运动，料筒夹具的运动速度在0mm/s-30mm/s的范围内调控。
所述的梯度功能材料3D打印装置还包括激光固化机构，所述激光固化机构设置在成型平台的上方，包括激光器及激光振镜，所述激光器能够产生355nm波长的紫外激光，功率0mW-1000mW可调节，光斑半径约30um，所述激光器产生的紫外激光可通过激光振镜进行辅助照射，对膏料层进行激光固化，激光振镜的激光扫描速度在0mm/s-9000mm/s内可调。
所述第一升降机构、第二升降机构、第三升降机构、第一电机、第二电机及第三电机均与控制器连接，由控制器控制其工作，所述控制器与上位计算机连接，操作人员可通过上位计算机向控制器发送指令。
实施例2：
本实施例公开了一种梯度功能材料3D打印装置的工作方法：如图3所示，包括以下步骤：
步骤1：将基体膏料填充在原料仓内，将不同配比的多组分膏料分别填充在料筒内，每个料筒对应填充一种配比的多组分膏料。
本实施例中，基体膏料采用Al2O3膏料，多组分膏料分别为含有20％Si3N4成分的Al2O3陶瓷膏料、40％Si3N4成分的Al2O3陶瓷膏料、60％Si3N4成分的Al2O3陶瓷膏料、80％Si3N4成分的Al2O3陶瓷膏料，目标膏料为Si3N4膏料，将四中配伍的多组分膏料分别注入四个料筒中，将料筒放置在料筒夹具上，并利用上位计算机在控制器中做好标记。
步骤2：将待打印的零件信息通过上位计算机输入控制器，刀架运动至成型平台原料仓所在一侧的原点，根据控制器计算与控制，第一升降机构带动活塞上升，挤出两倍于1个层厚(50um)的Al2O3膏料，牵引式电磁铁控制第一刮刀落下，刀架沿第一导轨向成型平台的右侧运动，将Al2O3膏料均匀涂铺于成型平台，当刀架运动至成型平台右端时，第一刮刀在牵引式电磁铁的作用下抬起，激光器以150mW功率对成型平台上铺设的第一层Al2O3膏料层进行选择性固化，固化完成后，成型平台下降1个层厚(50um)的距离，第二刮刀落下，刀架沿成型平台向左侧运动回至原点，第二刮刀抬起，激光器对第二层Al2O3膏料进行固化，完成原料仓中叠层制造的一个循环。
步骤3：原料仓中的Al2O3膏料完成设定厚度的3D打印后，刀架回到原点，控制器控制第一电机及盛装20％Si3N4成分的Al2O3陶瓷膏料的料筒所对应的第三电机工作，将20％Si3N4成分的Al2O3陶瓷膏料从相应的料筒中挤出，第一丝杠带动料筒沿第二方向运动完成供料，第一刮刀下落，刀架向成型平台右侧方向运动，将20％Si3N4成分的Al2O3陶瓷膏料进行铺平，然后第一刮刀抬起，激光器以150mW功率对20％Si3N4成分的Al2O3陶瓷膏料选择性固化，成型平台下降一个层厚，第三电机及第一电机工作，将20％Si3N4成分的Al2O3陶瓷膏料挤出，第二刮刀下落，刀架向左侧运动至原点，将挤出的20％Si3N4成分的Al2O3陶瓷膏料铺平，利用激光器进行固化，完成20％Si3N4成分的Al2O3陶瓷膏料供料、铺平及激光固化的一个循环，采用相同的方法，依次对40％Si3N4成分的Al2O3陶瓷膏料、60％Si3N4成分的Al2O3陶瓷膏料、80％Si3N4成分的Al2O3陶瓷膏料完成供料、铺平及激光固化的循环。
步骤4：将盛放有Al2O3膏料的原料仓拆卸下，替换为盛放有Si3N4膏料目标膏料的原料仓，采用步骤2的方法，对Si3N4膏料进行挤出、铺平及激光固化，直至零件打印完成。
采用本实施例打印而成的齿轮，结构表面光滑，经过脱脂烧结后零件致密度大于95％，残余碳含量小于0.3％，达到了较高的形状、尺寸精度。
本实施例中，采用第一刮刀及第二刮刀，刀架往复运动一次，膏料可以铺设两层，提高了工作效率。
实施例3：
本实施例公开了一种梯度功能材料3D打印装置的工作方法，如图4所示，基体膏料采用ZrO2膏料，目标膏料采用不锈钢316膏料，多组分膏料为含有10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％不锈钢316成分的ZrO2陶瓷膏料，分别填充如8个料筒中，其零件打印方法与实施例2相同，区别在于基体膏料层的一个层后为30um，激光器的功率为210mW，得到的齿轮结构表面光滑，基本无变形。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种梯度功能材料3D打印装置，包括：
原料仓：原料仓内具有与第一升降机构连接的活塞，用于将原料仓内的膏料挤出；
成型平台：位于原料仓一侧，与第二升降机构连接；
刀架：与设置在成型平台两侧的第二驱动机构连接，第二驱动机构能够驱动刀架做第一方向的滑动，与第一方向垂直的刀架的两个端面滑动连接有刮刀，刮刀与第三升降机构连接；
料筒：具有多个，与固定在刀架的第一驱动机构连接，第一驱动机构用于驱动料筒沿与第一方向垂直的第二方向的运动，所述料筒与挤料机构连接，挤料机构用于将料筒内的膏料挤出；
激光固化机构：用于产生激光射线，对成型平台的膏料进行固化。
2.如权利要求1所述的一种梯度功能材料3D打印装置，其特征在于，所述第一驱动机构包括第一电机，所述第一电机与刀架固定连接，第一电机的输出轴连接有第一丝杠，所述第一丝杠连接有料筒夹具，所述料筒夹具用于放置料筒，第一丝杠能够带动料筒夹具沿第二方向运动。
3.如权利要求1所述的一种梯度功能材料3D打印装置，其特征在于，所述第二驱动机构包括第二电机，所述第二电机连接有第二丝杠，所述刀架与第二丝杠连接，所述刀架还与设置在成型平台两侧的第一导轨滑动连接，第二丝杠的转动能够带动刀架沿第一方向的运动。
4.如权利要求1所述的一种梯度功能材料3D打印装置，其特征在于，所述第三升降结构采用牵引式电磁铁，所述牵引式电磁铁与刮刀固定连接。
5.如权利要求1所述的一种梯度功能材料3D打印装置，其特征在于，所述挤料机构包括用于对料筒顶部注料口进行打开和封闭的筒盖，所述筒盖固定有第三电机，所述第三电机与伸入料筒内部的挤料螺杆连接。
6.如权利要求1所述的一种梯度功能材料3D打印装置，其特征在于，所述成型平台的一侧还设有膏料回收平台，膏料回收平台与原料仓分别位于成型平台的两侧，膏料回收平台用于回收多余的膏料。
7.如权利要求1所述的一种梯度功能材料3D打印装置，其特征在于，所述激光固化机构包括紫外线激光器及激光振镜，紫外线激光器产生的紫外激光能够通过激光振镜对成型平台上的膏料进行激光固化。
8.一种权利要求1-7任一项所述的梯度功能材料3D打印装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将基体膏料填充在原料仓内，将不同配比的多组分膏料分别填充在料筒内，每个料筒对应填充一种配比的多组分膏料；
步骤2：将基体膏料均匀涂铺与成型平台上，并用激光固化机构进行固化；
步骤3：第一驱动机构与一个料筒对应的挤料机构同时工作，将料筒内的多组分膏料挤出，刀架沿成型平台运动，刮刀将挤出的多组分膏料铺平，激光固化机构对铺平的多组分膏料进行激光固化，采用相同的方法依次完成多个料筒内多组分膏料的挤出、铺平及激光固化；
步骤4：拆卸下盛放基体膏料的原料仓，替换为盛放目标膏料的原料仓，采用步骤2的方法将目标膏料涂铺在最上层的多组分膏料上。
9.如权利要求8所述的工作方法，其特征在于：所述步骤2的具体步骤为：刀架运动至原料仓所在的成型平台一侧端部，活塞挤出2倍层厚的基体膏料，位于原料仓所在一侧的刀架端面的刮刀落下，刀架沿成型平台运动，将第一层基体膏料均匀铺平在成型平台，落下的刮刀抬起，激光固化机构对铺平的第一层基体膏料进行固化，刀架另一侧端面的刮刀落下，刀架沿成型平台向原料仓的方向运动，对第二层基体膏料进行均匀铺平，激光固化机构对第二层基体膏料进行固化。
10.如权利要求8所述的工作方法，其特征在于，步骤3中所述多组分膏料由基体膏料的材料和目标膏料的材料混合而成，不同料筒的多组分膏料中，基体膏料材料的质量占比不同，多个料筒多组分膏料的挤出、铺平、激光固化顺序满足：沿基体膏料层至目标膏料层方向，多组分膏料层中的基体膏料材料质量占比依次减小，目标膏料材料质量占比依次增大。
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