CN112757436A - 基于激光烧结的挤出式3d打印喷头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光烧结的挤出式3D打印喷头，包括送料斗、激光烧结组件和支撑及工作台组件；送料斗中设有供料腔体以及在入口处设有盖合的密封盖，供料腔体由外部壳体和内部壳体组成；激光烧结组件放置在送料斗上，激光光路穿过挤出口对浆体材料直接烧结；支撑及工作台组件包括用于夹持送料斗的夹具、固定支承夹具的支撑架以及工作台组成，工作台位于挤出口的正下方。本发明在送料斗中设置供料腔体，搭配激光烧结组件实现零部件的一体化成型；通过控制加热组件的温度提高浆体材料挤出的均匀性；利用敷设在平台上的磁感线圈促使金属颗粒紧密连接，提高样件的加工质量，实现稳定可靠的挤出式3D打印喷头，具有广泛的实用性及普适性。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工喷头领域，尤其涉及一种基于激光烧结的挤出式3D打印喷头。
背景技术
增材制造是近年来产生并迅速发展起来的一种特种加工技术。与传统机械加工方法相比，该技术以其可以实现零件的快速制造及自由成型，被越来越广泛地应用到各个领域。
挤出式增材制造技术是经由喷嘴挤出材料至工作台上的一种工艺。操作人员在压力的帮助下推动推杆将管内材料慢慢挤出至工作台上，通过控制喷头的压力、浆料的粘度等工艺参数实现对浆体挤出速度的控制，并在此基础上控制平移台的移动速度，实现浆料在工作台上的增材制造加工。同时，利用激光器实现对浆体材料的实时烧结。
挤出式增材制造技术具有广阔的应用前景，由于该技术产生的较晚，尚未完全成熟，还需进一步的研究分析和优化。该工艺的应用在目前市面上主要是用于陶瓷材料的加工，但由于加工精度不足、烧结强度不足等问题严重限制了其向需求更大的方向，如微电子、微电池等领域的应用。
发明内容
发明目的：本发明目的是为了解决现有技术加工精度低、装置构造复杂、加工材料的体积及精度难以控制的问题，提供一种基于激光烧结的挤出式3D打印喷头，实现打印喷头与激光烧结一体化成型，提高打印精度及拓宽应用范围。
技术方案：本发明提供一种基于激光烧结的挤出式3D打印喷头，包括送料斗、激光烧结组件和支撑及工作台组件；送料斗中设有供料腔体以及在入口处设有盖合的密封盖，供料腔体由外部壳体和内部壳体组成，浆体材料从外部壳体和内部壳体之间倒入；激光烧结组件放置在送料斗上，激光光路穿过挤出口对浆体材料直接烧结；支撑及工作台组件包括用于夹持送料斗的夹具、固定支承夹具的支撑架以及工作台组成，工作台位于挤出口的正下方。
进一步地，挤出口为圆弧状向内喷射结构。
进一步地，外部壳体外侧套有加热组件用于加热供料腔体内的浆体材料。
进一步地，挤出口大小可调。
进一步地，激光烧结组件中的小型激光器放置于激光器垫块之上，小型激光器的出光口对应放置于激光器垫块上开出的圆孔内，激光器垫块固定架设在密封盖上。
进一步地，工作台敷设有磁感线圈，磁感线圈用于固定所要打印浆体材料中金属颗粒的位置。
进一步地，夹具内壁处设有吸震材料用于稳固送料斗。
进一步地，工作台采用三维移动平台，包括Z方向移动控制器、Y方向移动控制器以及X方向移动控制器；三个方向的控制器采用迭代学习控制算法智能控制。
工作原理：浆体材料从供料腔体外壳和内壁之间倒入，在供料腔体的外壳处添加了加热组件能够使得浆体材料顺利喷出；为了防止材料受热氧化、受污染或溢出，在供料腔体顶部设置了密封盖，供料腔体下方的挤出口采用圆弧状向内喷射结构，促进材料被激光有效地烧结，挤出口中间的空隙主要是为了让激光进行直接烧结使用；激光烧结组件包括激光器以及支撑模块，其中激光器放置于支撑模块上，支撑模块放置于封盖之上，为了保证光路的通畅，在出光口处的支撑模块部位进行开孔；支撑及工作台组件，主要包括夹具、支撑架以及工作台，夹具主要是起到固定送料斗的作用，位于送料斗的上半部分，支撑架主要起到支撑作用，连接夹具，工作台在挤出口下方，但为了保证加工精度，挤出口和工作台之间的距离需要根据材料的性质进行调整。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的优点：在送料斗中设置供料腔体，搭配激光烧结组件实现零部件的一体化成型；该结构通过控制加热组件的温度，调节送料斗整体温度，提高浆体材料挤出的均匀性并对挤出速度进行控制；通过改变激光功率实现对不同材料，不同流出速度的烧结功率进行调控；通过控制工作台三维运动，实现材料在不同位置的增材制造加工并防止拉丝现象；采用激光实时烧结，提高浆料打印样件整体加工强度，拓宽其应用范围；利用敷设在平台上的磁感线圈促使金属颗粒紧密连接，提高样件的加工质量。
附图说明
图1为本发明的正视图；
图2为本发明的立体图；
图3为本发明的供料装置结构示意图1；
图4为本发明的供料装置结构示意图2；
图5为本发明的供料装置加热组件示意图；
图6为本发明的供料腔部位放大示意图；
图7为本发明的小型激光器示意图；
图8为本发明的激光器垫块示意图；
图9为本发明的支撑及工作台组件示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1至图2所示为本发明整体示意图，包括送料斗100、激光烧结组件200以及支撑及工作台组件300。激光烧结组件200放置在送料斗100上，支撑及工作台组件主要分为支撑和工作台两个作用，支撑部位可以根据实际加工量进行调整，工作台303位于挤出口104的正下方。
如图3所示,送料斗100由封盖101、供料腔体102、加热组件103以及挤出口104组成。封盖101提供密封以及支撑作用，供料腔体102主要起到送料的作用，加热组件103主要起到加热被加工浆体，加速其流动的作用，挤出口104主要起到缩小挤出浆料尺寸，提高加工精度的作用。
加热组件103根据所加工的材料性质不同，选择不同加热组件温度、数量及位置，保证浆体材料流出的流畅性。
封盖101的类型包括两种：密封型封盖及非密封型封盖。密封型封盖主要为了加工那些易受氧化材料，防止浆体在加工过程中出现氧化，影响加工性能。非密封型封盖主要为了加工大型样件，方便在加工过程中实时进行供料，简单材料的供给过程。
如图4所示，挤出口104的大小可以调控，挤出口104为了保证浆体的挤出流畅性，需要保证加工浆体的粉末尺寸相对统一，防止出现堵塞；一般来说根据所加工材料的粘度、粒径等性质进行调节，保证该喷头结构的适用范围广泛。
如图5所示，加热组件103套设在供料腔体的外部，通过控制实际加热温度，加热位置以及加热数量控制整个供料腔体内部的材料的温度。由于加工材料为浆体，所以通过加热的方式可以有效增加浆体材料的流动性，提高挤出材料的流畅度，从而保证整体加工精度。
如图6所示，供料腔体102为两层结构，由外部壳体102-1以及内部壳体102-2组成。外部壳体102-1主要起到固定、密封、加热作用，内部壳体102-2的存在主要为了让内部形成一个密闭的环路，促使浆体材料按照想要的位置102-3进行流动。在送料斗100内部需要放置光学透镜，使得光路在工作台上聚焦，让浆体材料可以直接被激光烧结。
如图7和图8所示，激光烧结组件200中的小型激光器201放置于激光器垫块202之上，其中小型激光器201的出光口放置于激光器垫块202上开出的圆孔内，其中激光光路可以穿过挤出口104实现浆体材料的直接烧结。
如图9所示，支撑及工作台组件300由夹具301、支撑架302以及工作台303组成。夹具301的实际夹紧位置以及数量根据填料重量调整及增减，防止喷头下滑、转动等影响实际加工精度。
夹具301在爪处添加加薄海绵等吸震材料进行固定，防止由于加工导致的震颤，同时为了进一步固定喷头，可以在支撑架的多个位置设置多个夹具对喷头进行固定。
工作台303采用三维移动平台，其中包括Z方向移动控制器、Y方向移动控制器以及X方向移动控制器。三个方向的控制器全部都采用迭代学习控制算法进行智能控制，补偿由于浆体粘性、粒径等差异带来的打印精度不足。
Claims (8)
1.一种基于激光烧结的挤出式3D打印喷头，其特征在于，包括送料斗(100)、激光烧结组件(200)和支撑及工作台组件(300)；所述送料斗(100)中设有供料腔体(102)以及在入口处设有盖合的密封盖(101)，所述供料腔体(102)由外部壳体(102-1)和内部壳体(102-2)组成，浆体材料从外部壳体(102-1)和内部壳体(102-2)之间倒入；所述激光烧结组件(200)放置在送料斗(100)上，激光光路穿过挤出口(104)对浆体材料直接烧结；所述支撑及工作台组件(300)包括用于夹持送料斗(100)的夹具(301)、固定支承夹具(301)的支撑架(302)以及工作台(303)组成，所述工作台(303)位于挤出口(104)的正下方。
2.根据权利要求1所述的基于激光烧结的挤出式3D打印喷头，其特征在于，所述挤出口(104)为圆弧状向内喷射结构。
3.根据权利要求1所述的基于激光烧结的挤出式3D打印喷头，其特征在于，所述外部壳体(102-1)外侧套有加热组件(103)用于加热供料腔体(102)内的浆体材料。
4.根据权利要求1所述的基于激光烧结的挤出式3D打印喷头，其特征在于，所述挤出口(104)大小可调。
5.根据权利要求1所述的基于激光烧结的挤出式3D打印喷头，其特征在于，所述激光烧结组件(200)中的小型激光器(201)放置于激光器垫块(202)之上，所述小型激光器(201)的出光口对应放置于激光器垫块(202)上开出的圆孔内，所述激光器垫块(202)固定架设在密封盖(101)上。
6.根据权利要求1所述的基于激光烧结的挤出式3D打印喷头，其特征在于，所述工作台(303)敷设有磁感线圈，所述磁感线圈(302)用于固定所要打印浆体材料中金属颗粒的位置。
7.根据权利要求1所述的基于激光烧结的挤出式3D打印喷头，其特征在于，所述夹具(301)内壁处设有吸震材料用于稳固送料斗(100)。
8.根据权利要求1所述的基于激光烧结的挤出式3D打印喷头，其特征在于，所述工作台(303)采用三维移动平台，包括Z方向移动控制器、Y方向移动控制器以及X方向移动控制器；所述三个方向的控制器采用迭代学习控制算法进行智能控制。
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