CN110293681A - 激光烧结与静电纺丝相结合的快速成型装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光烧结与静电纺丝相结合的快速成型装置及方法，装置包括计算机、激光烧结装置、静电纺丝装置以及并排设置的供粉缸和成型缸，在供粉缸和成型缸上分别设有铺粉器和混粉器，激光烧结装置和静电纺丝装置设置在成型缸的上方，可用于对成型缸内非金属粉末材料进行照射烧结和向成型缸内粉末材料沉积电纺纤维。本发明可以将电纺纤维材料与非金属粉末材料进行均匀混合，保证经过烧结之后的三维实体成型件内部及表面组织拥有优良的一致均匀性，从而制备出强度性能良好的非金属实体，有效解决了以往选择性激光烧结非金属实体强度低、无法直接使用的问题。

Description

激光烧结与静电纺丝相结合的快速成型装置及方法
技术领域
本发明属于快速成型制造设备技术领域，具体涉及一种激光烧结与静电纺丝相结合的快速成型装置及方法。
背景技术
自从Formhals等在1934年利用电纺技术实现纳米纤维纺布的构建后，静电纺丝技术就为大家所熟知。这一技术的核心是使带电流体在静电场中流动与变形，最终得到纤维状物质。当给注射器针尖和收集板之间加上静电高压时，电场力克服针尖液滴的表面张力，高速射流被拉伸，然后形成泰勒锥，静电力使射流分岔，变成极细的丝状纤维。最后溶剂挥发，收集板收集到无序的无纺布式纳米级纤维。
快速成型技术(Rapid Prototyping,简称RP)是一项集激光、材料、信息及控制等于一体的高新制造技术，其突出优点就是不需要任何工装夹具便能根据产品的CAD数据快捷地制造出具有一定结构和功能的原型甚至产品，是制造领域中的一次重大技术突破，与并行工程一起被列为当代两项最重要的制造技术。其中，选择性激光烧结(selectinglaser sintering,SLS)利用粉末材料在激光照射作用下烧结的原理，由计算机控制层叠堆积成型。其一般的制作步骤是首先铺一层粉末状材料，将材料预热到接近熔化点，再使用激光在该层截面上扫描，使粉末温度升至熔化点，然后烧结形成粘结，接着不断重复上述的铺粉、烧结的过程，直至完成整个模型成型。该工艺材料适用面广，不仅能制造塑料实体，还能制造陶瓷、石蜡等材料的实体。该技术的优点为：可采用多种材料、制造工艺简单、无需支撑结构、材料利用率高。但是该方法制造出来的实体的强度和硬度与锻件相比都有很大的差异，很难作为功能件直接使用。
发明内容
本发明的目的在于对现有SLS增材制造技术存在的非金属成型件强度差不能作为功能件使用等问题加以解决，提供一种激光烧结与静电纺丝相结合的快速成型装置，同时提供一种利用该装置进行激光烧结与静电纺丝相结合的快速成型方法，采用本发明所述的快速成型装置及方法可以将电纺材料及非金属粉末材料进行均匀的混合，保证经过烧结之后的三维实体产品内部及表面的组织结构拥有较好的一致均匀性，从而能够制备出强度较好的非金属实体。
为实现上述发明目的而采用的技术方案如下所述。
一种激光烧结与静电纺丝相结合的快速成型装置，包括计算机以及由计算机控制的工作缸、激光烧结装置、静电纺丝装置，所述的工作缸由按左右并排设置的供粉缸和成型缸组成，在两缸内均设有升降活动底板，供粉缸内盛有非金属粉末材料，在供粉缸的上沿一侧设有可沿工作缸面做平向往复运动的铺粉器，在成型缸的上沿设有可沿成型缸面做平向往复运动的混粉器，激光烧结装置和静电纺丝装置设置在成型缸的上方，其中所述的激光烧结装置包括用于对成型缸内粉末材料进行照射烧结的激光器和扫描系统，所述的静电纺丝装置包括由计算机控制的高压电源和内装电纺溶液的溶液料筒，溶液料筒的下端出口通过调节阀连装有一个喷射电纺溶液的针头，高压电源的正极以及负极分别与针头以及成型缸相连接。
上述激光烧结与静电纺丝相结合的快速成型装置中，混粉器可以在计算机的控制之下往返于成型缸上沿的两侧之间，实现电纺纤维的破碎以及与非金属粉末材料的混合。
采用上述快速成型装置的激光烧结与静电纺丝相结合的快速成型方法包括以下步骤：
[1]、在计算机中绘制三维实体模型；
[2]、利用分层软件对三维实体模型进行分层处理，获得分层截面信息；
[3]、调节供粉缸内升降活动底板使之上升一层高度，使供粉缸中非金属粉末材料高出缸沿，通过计算机控制设于供粉缸左侧的铺粉器自左向右运动进行非金属粉末材料的平铺，将高出供粉缸缸沿部分的非金属粉末材料平铺至成型缸工作面上，平铺结束后铺粉器返回左侧原位；
[4]、计算机控制静电纺丝装置进行纺丝，将电纺纤维沉积在成型缸先前铺好的粉末床体之上；
[5]、使供粉缸再上升一层的高度，并通过计算机控制铺粉器自左向右运动，再次进行非金属粉末材料的平铺，将高出供粉缸缸沿部分的非金属粉末材料平铺在成型缸电纺纤维沉积层上，平铺结束后铺粉器返回原位；
[6]、设置在成型缸上沿右侧的混粉器在计算机的控制下自右向左运动，在对电纺纤维进行破碎的同时使之与非金属粉末材料均匀混合；
[7]、已位于成型缸上沿左侧的混粉器在计算机的控制下，自左向右运动对已做首次混合的电纺纤维与非金属粉末材料的混合粉进行二次混粉，直至混粉器运动至右侧原位；
[8]、通过计算机控制铺粉器自左向右运动对电纺纤维与非金属粉末材料(2)的二次混合粉进行紧密压实，紧密压实结束后铺粉器返回原位；
[9]、在计算机的控制之下，激光烧结装置依据分层软件给定的分层截面信息按照相应的路径和相应的激光工艺参数对紧密压实的电纺纤维与非金属粉末材料的二次混合粉进行烧结成型，得到三维实体的一层面；
[10]、使成型缸内升降活动底板下降一层高度，重复步骤[3]～[9]进行三维实体其余层面的加工，直至整个非金属三维实体成型件烧结完成。
本发明具有以下的有益效果：
本发明采用激光烧结与静电纺丝相结合的快速成型装置及方法，将电纺纤维材料与非金属粉末材料进行混合，按照相应的路径对均匀混合材料进行烧结并层层堆积，从而可以成型制作出任意复杂形状的实体，与单一选择性激光烧结装置制备的实体性能以及与现有的同类技术相比，本发明可以将电纺材料与非金属粉末材料进行均匀混合，保证经过烧结之后的三维实体成型件内部及表面组织拥有优良好的一致均匀性，从而制备出强度性能良好的非金属实体，有效解决了以往选择性激光烧结非金属实体件强度低、无法直接使用的问题，并且此方法工作流程安排简单，制备过程中无需人工混粉，可自动混粉，易于实现产品的大批量快速制造，避免了传统加工技术工序多、效率低下的弊端。
附图说明
图1是本发明所述激光烧结与静电纺丝相结合的快速成型装置的主要工作原理结构示意图。
图2是本发明装置进行混粉工作过程的示意图。
图3是本发明装置进行铺粉紧密压实工作过程的示意图。
图中各数字标号名称分别是：1－供粉缸，2－非金属粉末材料，3－铺粉器，4－电纺纤维,5－激光器，6－扫描系统，7－溶液料筒，8－调节阀，9－针头，10－混粉器，11－成型件，12－高压电源，13－成型缸，14－计算机，15－非金属粉末与电纺纤维均匀混合材料。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的说明，但本发明的实际制作结构和具体工作方式并不仅限于下述的实施例。
参见附图，本发明所述的激光烧结与静电纺丝相结合的快速成型装置包括计算机14以及由计算机14控制的工作缸、激光烧结装置和静电纺丝装置。工作缸由按左右并排设置的供粉缸1和成型缸13组成，在供粉缸1和成型缸13中设有可在计算机14控制下按照相应距离(层距)和速度上下运动的升降活动底板，可分别用于实现非金属粉末的供给以及三维实体原型成型过程中的层层堆积。供粉缸1内盛有非金属粉末材料2，所述的非金属粉末材料2包括聚苯乙烯、覆膜砂、尼龙、碳纤维等粉末物质。在供粉缸1的上沿左侧设有可在计算机14控制下沿工作缸面做平向往复运动的铺粉器3，用于实现对粉层的紧密平铺。在成型缸13的上沿右侧设有混粉器10，混粉器10可以在计算机14的控制之下往返于成型缸13上沿的两侧之间，用于实现对电纺纤维4的破碎以及电纺纤维4与粉末材料2的均匀混合。激光烧结装置设置在成型缸13的上方，由用于对成型缸13内非金属粉末材料2进行照射烧结的激光器5和扫描系统6组成，激光烧结装置可以在计算机14的控制之下，依据分层软件给定的截面信息按照一定的路径对原材料(非金属粉末与电纺纤维混合物)进行烧结成型。静电纺丝装置也设置在成型缸13的上方，由溶液料筒7、调节阀8、针头9以及高压电源12组成，其中溶液料筒7内贮溶液为碳纤维等电纺溶液，在溶液料筒7的下端出口通过调节阀8连装有喷射电纺溶液的针头9，调节阀8可以在计算机14的控制下调节从针头9内喷出电纺溶液的量；高压电源12的正极以及负极分别与针头9以及成型缸13内的升降活动底板相连接。高压电源12可以在计算机14的控制下调节电源电压的大小，从而改变静电场场强的大小。
本发明所述的激光烧结与静电纺丝相结合的快速成型方法包括包括以下步骤：
[1]、在计算机14中绘制三维实体模型；
[2]、利用分层软件对三维实体模型进行分层处理，获得分层截面信息；
[3]、调节供粉缸1内升降活动底板使之上升一层高度，使供粉缸1中非金属粉末材料2高出缸沿，通过计算机14控制设于供粉缸1左侧的铺粉器3自左向右运动进行非金属粉末材料2的平铺，将高出供粉缸1缸沿部分的非金属粉末材料2平铺至成型缸13工作面上，平铺结束后铺粉器3返回左侧原位；
[4]、计算机14控制静电纺丝装置进行纺丝，将电纺纤维4沉积在成型缸13先前铺好的粉末床体之上；
[5]、使供粉缸1再上升一层的高度，并通过计算机14控制铺粉器3自左向右运动，再次进行非金属粉末材料2的平铺，将高出供粉缸1缸沿部分的非金属粉末材料2平铺在成型缸13电纺纤维沉积层上，平铺结束后铺粉器3返回原位；
[6]、设置在成型缸13上沿右侧的混粉器10在计算机14的控制下自右向左运动，在对电纺纤维4进行破碎的同时使之与非金属粉末材料2均匀混合；
[7]、已位于成型缸13上沿左侧的混粉器10在计算机14的控制下，自左向右运动对已做首次混合的电纺纤维4与非金属粉末材料2的混合粉进行二次混粉，直至混粉器10运动至右侧原位；
[8]、通过计算机14控制铺粉器3自左向右运动对电纺纤维4与非金属粉末材料2的二次混合粉进行紧密压实，紧密压实结束后铺粉器3返回原位；
[9]、在计算机14的控制之下，激光烧结装置依据分层软件给定的分层截面信息按照相应的路径和相应的激光工艺参数对紧密压实的电纺纤维4与非金属粉末材料2的二次混合粉进行烧结成型，得到三维实体的一层面；
[10]、使成型缸13内升降活动底板下降一层高度，重复步骤[3]～[9]进行三维实体其余层面的加工，直至整个非金属三维实体成型件烧结完成。

Claims (3)

1.一种激光烧结与静电纺丝相结合的快速成型装置，其特征在于：包括计算机(14)以及由计算机(14)控制的工作缸、激光烧结装置、静电纺丝装置，所述的工作缸由按左右并排设置的供粉缸(1)和成型缸(13)组成，在两缸内均设有升降活动底板，供粉缸(1)内盛有非金属粉末材料(2)，在供粉缸(1)的上沿一侧设有可沿工作缸面做平向往复运动的铺粉器(3)，在成型缸(13)的上沿设有可沿成型缸面做平向往复运动的混粉器(10)，激光烧结装置和静电纺丝装置设置在成型缸(13)的上方，其中所述的激光烧结装置包括用于对成型缸(13)内粉末材料(2)进行照射烧结的激光器(5)和扫描系统(6)，所述的静电纺丝装置包括由计算机(14)控制的高压电源(12)和内装电纺溶液的溶液料筒(7)，溶液料筒(7)的下端出口通过调节阀(8)连装有一个喷射电纺溶液的针头(9)，高压电源(12)的正极以及负极分别与针头(9)以及成型缸(13)相连接。
2.根据权利要求1所述的激光烧结与静电纺丝相结合的快速成型装置，其特征在于：所述的混粉器(10)可以在计算机(14)的控制之下往返于成型缸(13)上沿的两侧之间，实现电纺纤维的破碎以及与非金属粉末材料(2)的混合。
3.一种采用权利要求1所述快速成型装置的激光烧结与静电纺丝相结合的快速成型方法，其特征在于包括以下步骤：
[1]、在计算机(14)中绘制三维实体模型；
[2]、利用分层软件对三维实体模型进行分层处理，获得分层截面信息；
[3]、调节供粉缸(1)内升降活动底板使之上升一层高度，使供粉缸(1)中非金属粉末材料(2)高出缸沿，通过计算机(14)控制设于供粉缸(1)左侧的铺粉器(3)自左向右运动进行非金属粉末材料(2)的平铺，将高出供粉缸(1)缸沿部分的非金属粉末材料(2)平铺至成型缸(13)工作面上，平铺结束后铺粉器(3)返回左侧原位；
[4]、计算机(14)控制静电纺丝装置进行纺丝，将电纺纤维(4)沉积在成型缸(13)先前铺好的粉末床体之上；
[5]、使供粉缸(1)再上升一层的高度，并通过计算机(14)控制铺粉器(3)自左向右运动，再次进行非金属粉末材料(2)的平铺，将高出供粉缸(1)缸沿部分的非金属粉末材料(2)平铺在成型缸(13)电纺纤维沉积层上，平铺结束后铺粉器(3)返回原位；
[6]、设置在成型缸(13)上沿右侧的混粉器(10)在计算机(14)的控制下自右向左运动，在对电纺纤维(4)进行破碎的同时使之与非金属粉末材料(2)均匀混合；
[7]、已位于成型缸(13)上沿左侧的混粉器(10)在计算机(14)的控制下，自左向右运动对已做首次混合的电纺纤维(4)与非金属粉末材料(2)的混合粉进行二次混粉，直至混粉器(10)运动至右侧原位；
[8]、通过计算机(14)控制铺粉器(3)自左向右运动对电纺纤维(4)与非金属粉末材料(2)的二次混合粉进行紧密压实，紧密压实结束后铺粉器(3)返回原位；
[9]、在计算机(14)的控制之下，激光烧结装置依据分层软件给定的分层截面信息按照相应的路径和相应的激光工艺参数对紧密压实的电纺纤维(4)与非金属粉末材料(2)的二次混合粉进行烧结成型，得到三维实体的一层面；
[10]、使成型缸(13)内升降活动底板下降一层高度，重复步骤[3]～[9]进行三维实体其余层面的加工，直至整个非金属三维实体成型件烧结完成。
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