CN110815490B - 基于slm技术的3d陶瓷打印设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于SLM技术的3D陶瓷打印设备，包括：罩壳；设置于罩壳内的工作台；用于实现陶瓷粉体成型为陶瓷件的送铺粉系统；提供激光束而对陶瓷粉体实施SLM成型工艺的激光器及扫描系统；气体保护系统和控制系统。送铺粉系统包括：设置于工作台上方且开设有出粉槽的送粉仓；设置于送粉仓内的预热机构；将送粉仓内经预热的陶瓷粉体送至工作台上的上料区域内的上送粉机构；转移上料区域内的陶瓷粉体而使陶瓷粉体铺设到加工区域中的铺粉机构；设置于工作台下并供陶瓷粉体成型为陶瓷件的成型机构。本发明具有结构简单紧凑、性能优良的优点，能够提高陶瓷3D打印产品质量。

Description

基于SLM技术的3D陶瓷打印设备

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，特别涉及一种基于SLM技术的3D陶瓷打印设备。

背景技术

1774 年，法国医学家 Duchateau将陶瓷材料应用在口腔修复中的成功案例开启了生物陶瓷口腔医学领域的应用。传统陶瓷牙齿制作需经过车铣刨磨等一系列复杂工艺且精度不高，难以普及。然而因意外事故或人口老龄化造成牙齿缺失，并不能依靠患者自身修复。自3D打印技术问世以后，陶瓷作为生物材料的三大系列之一，被用作特定的生物或生理功能的修复材料逐渐进入人们的视野。生物陶瓷材料分为生物活性陶瓷和生物惰性陶瓷，生物活性陶瓷与生物聚合物结合的复合支架正广泛应于骨组织工程中；生物惰性陶瓷具有良好的耐磨性能、稳定的化学性能等特点，如氧化铝、氧化锆，又由于没有毒副作用，与生物体组织有良好的生物相容性，表面光泽度高，能恢复牙体组织的天然色彩，越来越受人们的青睐。

目前国内外3D打印陶瓷仍主要以激光烧结技术为主，但这种方法不仅会使成型陶瓷夹杂杂质，还有可能降低成型陶瓷的力学性能，尤其是应用于义齿制造中，难以达到令人满意的效果。

SLM（Selective laser melting，选择性激光融化）技术是另一种激光打印技术，该技术起步较晚，研究成果较少，通过SLM设备实施后存在一系列问题，如成型件表面质量差、精度低、内部存在孔洞导致致密度低、成型过程中容易出现翘曲变形及裂纹、成形件强度达不到使用要求等。这些不足使得该技术的应用受到限制。

因此，针对SLM技术，需要改进其工艺和设备，来改善产品成型质量，解决目前SLM陶瓷技术面临的难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够改善3D打印陶瓷产品重量，使得陶瓷产品满足使用要求的基于SLM技术的3D陶瓷打印设备。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于SLM技术的3D陶瓷打印设备，包括：

内部形成封闭加工空间的罩壳；

设置于所述罩壳内且具有上料区域和加工区域的工作台；

设置于所述罩壳内而用于实现陶瓷粉体成型为陶瓷件的送铺粉系统；

设置于所述罩壳外并向所述加工区域提供激光束而对所述陶瓷粉体实施SLM成型工艺的激光器及扫描系统；

用于使所述加工空间内形成实施SLM成型工艺所需保护气氛的气体保护系统；

控制系统；所述控制系统分别与所述激光器及扫描系统、所述送铺粉系统、所述气体保护系统相信号连接；

所述送铺粉系统包括：

设置于所述工作台上方并用于存储所述陶瓷粉体且开设有出粉槽的送粉仓；

设置于所述送粉仓内并用于预热所述送粉仓中的所述陶瓷粉体的预热机构；

设置于所述工作台上方且与所述送粉仓相连接，并将经预热的所述陶瓷粉体送至所述工作台上的上料区域内的上送粉机构；

设置于所述工作台上方并转移所述上料区域内的所述陶瓷粉体而使所述陶瓷粉体均匀且致密地铺设到所述加工区域中的铺粉机构；

设置于所述工作台下并供所述陶瓷粉体成型为陶瓷件的成型机构，所述成型机构与所述加工区域相对应设置。

所述上送粉机构包括能够推拉移动而封闭或打开所述出粉槽的板件、用于拉动所述板件而使其打开所述出粉槽的电磁铁、用于推动所述板件而使其封闭所述出粉槽的弹性件。

所述铺粉机构包括能够沿所述工作台移动的刮板、随所述刮板共同移动且同时转动的辊轮、用于带动所述刮板和所述辊轮移动的平移机构。

所述平移机构包括用于安装所述刮板和所述滚轮的本体、与所述本体相连接的直线轴承、沿所述工作台设置并与所述直线轴承相配合的导向轴、用于带动所述直线轴承在所述导向轴上往复运动的直线电机。

所述成型机构包括设置于所述工作台下的筒状仓体、活动设置于所述筒状仓体内且与所述筒状仓体的内径相匹配的推板、设置于所述工作台下的安装板、设置于所述安装板上并用于带动所述推板上下移动的传动装置。

所述推板的上表面设置有隔热垫。

所述传动装置包括与所述推板相连接的连接杆、通过固定座安装在所述安装板上并竖直设置的丝杆、与所述丝杆相匹配且与所述连接杆相连接的螺母、用于带动所述丝杆转动的伺服电机、设置于所述安装板上并对用于限制所述螺母转动的直线导轨。

所述预热机构包括设置于所述送粉仓内并由所述控制系统控制的钨浆板。

气体保护系统包括用于将所述加工空间内抽真空的抽真空机构、用于向所述加工空间内充入惰性气体的充气机构。

所述激光器及扫描系统包括用于发出激光的激光器、用于对所述激光器所发出的激光进行扩束和准直的准直镜、用于对所述准直镜输出的激光束进行扫描的振镜、用于将激光束动态聚焦于所述工作区域的场镜。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明具有结构简单紧凑、性能优良的优点，能够提高陶瓷3D打印产品质量。

附图说明

附图1为本发明的总体方案框图。

附图2为本发明的整体示意图。

附图3为本发明中罩壳内的放大示意图。

附图4为本发明中上送粉机构的局部示意图。

附图5为本发明中成型仓体的局部示意图。

以上附图中：1、罩壳；2、工作台；3、送铺粉系统；4、激光器及扫描系统；5、控制系统；6、激光器；7、准直镜；8、振镜；9、场镜；10、水冷装置；11、送粉仓；12、板件；13、电磁铁；14、刮板；15、辊轮；16、本体；17、直线轴承；18、导向轴；19、直线电机；20、成型仓体；21、推板；22、安装板；23、隔热垫；24、连接杆；25、固定座；26、丝杆；27、螺母；28、伺服电机；29、直线导轨；30、联轴器；31、回收仓；32、工控机。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：如附图1所示，一种基于SLM技术的3D陶瓷打印设备，包括罩壳1、工作台2、送铺粉系统3、激光器及扫描系统4、气体保护系统和控制系统5这几大部分。控制系统5分别与激光器及扫描系统4、送铺粉系统3、气体保护系统相信号连接。

罩壳1为长方体，其内部形成封闭的加工空间。工作台2水平设置于罩壳1内，工作台2上具有上料区域和加工区域。

激光激光器及扫描系统4设置于罩壳1外，其用于向罩壳1工作台2上的加工区域提供激光束，从而对陶瓷粉体实施SLM成型工艺。激光器及扫描系统4包括用于发出激光的激光器6、用于对激光器6所发出的激光进行扩束和准直的准直镜7、用于对准直镜7输出的激光束进行扫描的振镜8、用于将激光束动态聚焦于工作区域的场镜9。罩壳1上表面开设通孔以供激光穿过。其中，激光器6和振镜8均由控制系统5进行控制。本实施例中，激光器6采用光纤单模激光器6，并根据激光器6的功率和场镜9聚焦后的光斑大小选择振镜8，振镜8通过水冷装置10降温。经场镜9聚焦后的光斑越小越好。光纤单模激光器6相比于其他类型激光器6，具有性能稳定、易于操作和维护、光束质量好、散热性能好等优点。

送铺粉系统3设置于罩壳1内，其用于实现陶瓷粉体成型为陶瓷件。陶瓷粉体成行为陶瓷件的过程大致分为如下几个阶段：送粉、铺粉和加工成型，对应该过程，送铺粉系统3划分为几个模块，包括送粉仓11、预热机构、上送粉机构、铺粉机构和成型机构。

送粉仓11设置于工作台2上方，其内部存储有待加工的陶瓷粉体。送粉仓11的底部开设有出粉槽，陶瓷粉体可以通过该出粉槽而由送粉仓11内送至工作台2上的上料区域。

氧化锆陶瓷在SLM过程中，脆性大，导热性能差，熔点高，并且在骤冷骤热的情况下，内部应力难以消除，容易产生微裂纹，并且伴随着SLM加工过程，微裂纹逐渐增大最终会形成大裂纹以及翘曲与变形等，为了避免产生这些现象，可以通过对粉体预热的方式降低裂纹的产生。因此，本方案设置预热机构，并将预热机构设置于送粉仓11内，从而用于预热送粉仓11中的陶瓷粉体。本实施例中，预热机构包括设置于送粉仓11内并的钨浆板。可以在送粉仓11的两侧设置两块该钨浆板，钨浆板所连接的引线导出并连接至控制系统5而由控制系统5进行控制，或者接入单独的PID温度控制仪进行温度调节控制。钨浆板由钨粉、无机粘结和有机载体三部分组成，并采用印刷工艺制得，其热系数较小，随着使用温度升高其塑性增大，元件不易弯曲和变形，预热温度可达800-1000℃。钨浆板预热相比于电磁感应预热、电阻丝预热和激光预热等方式，具有能耗较低、结构简单、无热冲击、预热效果较好等优点。

上送粉机构设置于工作台2上方，且与送粉仓11相连接，位于送粉仓11的底部，其用于将经预热的陶瓷粉体送至工作台2上的上料区域内。上送粉机构包括能够推拉移动而封闭或打开出粉槽的板件12、用于拉动板件12而使其打开出粉槽的电磁铁13、用于推动板件12而使其封闭出粉槽的弹性件。电磁铁13与控制系统5相连接而由控制系统5对其实现上电控制。电磁铁13通电时，板件12被电磁铁13拉动而打开出粉槽时，陶瓷粉体在重力的作用下自由下落，可以省去部分结构。电磁铁13断电时，板件12靠弹性件的推力推动而堵住出粉槽。上送粉机构结构简单、控制容易，且可以节省部分空间。

铺粉机构设置于工作台2上方，其用于转移上料区域内的陶瓷粉体而使陶瓷粉体均匀且致密地铺设到加工区域中。铺粉机构包括能够沿工作台2移动的刮板14、随刮板14共同移动且同时转动的辊轮15、用于带动刮板14和辊轮15移动的平移机构。平移机构包括用于安装刮板14和滚轮的本体16、与本体16相连接的直线轴承17、沿工作台2设置并与直线轴承17相配合的导向轴18、用于带动直线轴承17在导向轴18上往复运动的直线电机19。直线电机19由控制系统5进行控制。当直线电机19工作时，其带动直线轴承17在导向轴18上往复运动，从而可以通过本体16带动刮板14和滚轮完成铺粉动作。刮板14可以通过螺栓安装在本体16上，从而能够实现相对工作台2的高度调节。刮板14方式结构简单，可以使铺粉运动平稳，且一般可以保证铺粉后陶瓷粉体的均匀性。而辊轮15可以推动压实陶瓷粉体，增加其致密性。通过刮板14和辊轮15的配合，可以将陶瓷粉体转移到加工区域中，且均匀且致密地铺设到加工区域中。

送粉仓11和上送粉机构也可以安装在平移机构的本体16上，将送粉仓11安装在本体16的一侧，并位于刮板14上方的位置，将上送粉机构的电磁铁13安装在本体16内并位于刮板14和辊轮15之间处，以节省空间，缩小设备尺寸。

成型机构设置于工作台2下方，其用于供陶瓷粉体成型为陶瓷件，成型机构与加工区域相对应设置。成型机构包括设置于工作台2下的筒状的成型仓体20、活动设置于筒状的成型仓体20内且与筒状的成型仓体20的内径相匹配的推板21、设置于工作台2下的安装板22、设置于安装板22上并用于带动推板21上下移动的传动装置。推板21的上表面设置有隔热垫23。传动装置包括与推板21相连接的连接杆24、通过若干个固定座25安装在安装板22上并竖直设置的丝杆26、与丝杆26相匹配且与连接杆24相连接的螺母27、用于带动丝杆26转动的伺服电机28、设置于安装板22上并对用于限制螺母27转动的直线导轨29，伺服电机28通过联轴器30与丝杆26相连接。伺服电机28由控制系统5控制。推板21的外缘与成型仓体20内壁之间的尺寸配合需合适，既不能过大而使陶瓷粉体沿着边缘滑落，又不能过小而增加推板21移动过程中与成型仓体20内壁之间的摩擦系数、产生划痕和磨损，避免审查卡死现象。因此，可以设计推板21表面粗糙度Ra<=8，设计精度为六级精度。成型藏的容积设计为∅30*80mm。考虑到铺粉过程中余料的回收，需在旁边设置一个回收仓31，并且为了回收方便，通过钣金折弯制得一个简易小型抽屉安装于工作表面下方作为回收仓31。

本实施例是为了打印陶瓷义齿而设计的设备，根据患者牙齿的体积一般不超过10mm*10mm*10mm的限制，因此可以设置较小型的成型仓体20，避免增加陶瓷粉体的铺粉量，避免影响工作效率。推板21上的石墨材质的隔热垫23可以避免激光使推板21熔融变形。成型仓体20可以设置为圆柱筒形，圆形的横截面可以使摩擦力均匀化、避免偶尔推力过大而引起卡死现象，且圆形仓体可以节省粉料，降低成本。

在义齿成型的熔融过程中，传动装置带动推板21下降，每次下降的高度不低于陶瓷粉体直径的两倍。电机开启时带动丝杆26转动，螺母27在丝杆26上移动，并由直线导轨29防止其转动，螺母27移动而带动推板21在成型仓体20内垂直滑动，进而通过激光对陶瓷义齿进行成型打印。丝杆26传动具有精度高、效率高、运动平稳、无爬行现象、运动具有可逆性、使用寿命长的优点。

陶瓷SLM加工过程中熔点温度极高，在成型过程中为了避免微观组织在高温下被污染及氧化，气体保护是一个非常关键的成型条件。故设置气体保护系统，用于使加工空间内形成实施SLM成型工艺所需保护气氛。气体保护系统包括用于将加工空间内抽真空的抽真空机构、用于向加工空间内充入惰性气体的充气机构。抽真空机构包括抽真空管路和设置于其上的真空泵，充气机构包括与惰性气体储罐相连接的充气管路和设置于其上的抽气泵。抽真空管路和充气管路的部分可共用。通过气体保护系统，首先将加工空间内抽成真空状态，然后充入惰性气体（如氩气），惰性气体在成型过程中不会和陶瓷发生物理、化学反应，从而使成型零件表面粗糙度减小、精度优良、内部性能稳定。

控制系统5可以采用集中式控制或分布式控制，本实施例中，为了能够完美地保证义齿加工工程中所以部件的协调性，控制系统5采用一台工控机32和数台控制卡组成。利用嵌入式软件开发工具，对AMCP控制平台开发，实现完美的信息交流。

上述基于SLM技术的3D陶瓷打印设备针对陶瓷熔融成形机理、裂纹及孔洞的形成等展开探索并优化成形工艺，改善成形质量，提高成型件的力学性能，解决了目前SLM陶瓷技术难题。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于SLM技术的3D陶瓷打印设备，其特征在于：所述基于SLM技术的3D陶瓷打印设备包括：

内部形成封闭加工空间的罩壳；

设置于所述罩壳内且具有上料区域和加工区域的工作台；

设置于所述罩壳内而用于实现陶瓷粉体成型为陶瓷件的送铺粉系统；

设置于所述罩壳外并向所述加工区域提供激光束而对所述陶瓷粉体实施SLM成型工艺的激光器及扫描系统；

用于使所述加工空间内形成实施SLM成型工艺所需保护气氛的气体保护系统；气体保护系统包括用于将所述加工空间内抽真空的抽真空机构、用于向所述加工空间内充入惰性气体的充气机构；

控制系统；

所述控制系统分别与所述激光器及扫描系统、所述送铺粉系统、所述气体保护系统相信号连接；

所述送铺粉系统包括：

设置于所述工作台上方并用于存储所述陶瓷粉体且开设有出粉槽的送粉仓；

设置于所述送粉仓内并用于预热所述送粉仓中的所述陶瓷粉体的预热机构；所述预热机构包括设置于所述送粉仓内并由所述控制系统控制的钨浆板；

设置于所述工作台上方且与所述送粉仓相连接，并将经预热的所述陶瓷粉体送至所述工作台上的上料区域内的上送粉机构；所述上送粉机构包括能够推拉移动而封闭或打开所述出粉槽的板件、用于拉动所述板件而使其打开所述出粉槽的电磁铁、用于推动所述板件而使其封闭所述出粉槽的弹性件；所述电磁铁通电时，所述板件被所述电磁铁拉动而打开所述出粉槽，所述陶瓷粉体在重力的作用下自由下落；所述电磁铁断电时，所述板件靠所述弹性件的推力推动而堵住所述出粉槽；

设置于所述工作台上方并转移所述上料区域内的所述陶瓷粉体而使所述陶瓷粉体均匀且致密地铺设到所述加工区域中的铺粉机构；所述铺粉机构包括能够沿所述工作台移动的刮板、随所述刮板共同移动且同时转动的辊轮、用于带动所述刮板和所述辊轮移动的平移机构；所述平移机构包括用于安装所述刮板和所述辊轮的本体、与所述本体相连接的直线轴承、沿所述工作台设置并与所述直线轴承相配合的导向轴、用于带动所述直线轴承在所述导向轴上往复运动的直线电机；

设置于所述工作台下并供所述陶瓷粉体成型为陶瓷件的成型机构，所述成型机构与所述加工区域相对应设置；所述成型机构包括设置于所述工作台下的筒状仓体、活动设置于所述筒状仓体内且与所述筒状仓体的内径相匹配的推板、设置于所述工作台下的安装板、设置于所述安装板上并用于带动所述推板上下移动的传动装置；所述推板的上表面设置有隔热垫；所述传动装置包括与所述推板相连接的连接杆、通过固定座安装在所述安装板上并竖直设置的丝杆、与所述丝杆相匹配且与所述连接杆相连接的螺母、用于带动所述丝杆转动的伺服电机、设置于所述安装板上并用于限制所述螺母转动的直线导轨。

2.根据权利要求1所述的基于SLM技术的3D陶瓷打印设备，其特征在于：所述激光器及扫描系统包括用于发出激光的激光器、用于对所述激光器所发出的激光进行扩束和准直的准直镜、用于对所述准直镜输出的激光束进行扫描的振镜、用于将激光束动态聚焦于所述加工区域的场镜。

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