CN112958765A - 一种激光辅助复杂曲面异形结构共形3d打印的方法 - Google Patents
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Abstract
一种激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印的方法，本发明涉及一种曲面异形结构共形3D打印的方法。针对现有直接书写式等接触式3D打印技术难以实现复杂非展开曲面结构表面的共形制造，打印线宽精度低的问题。方法：一、称取；二、制备激光固化浆料；三、涂覆；四、激光器与基板的固定；五、3D激光打印；六、清洗；七、烧结。本发明用于激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印。
Description
技术领域
本发明涉及一种曲面异形结构共形3D打印的方法。
背景技术
目前复杂曲面结构共形制造成型精度低，直接书写式3D打印技术属于接触型3D打印，其成型精度受曲面基板表面粗糙度影响极大，曲面基板表面加工精度、粗糙度不均匀导致打印针头与曲面基板间距不一致，从而严重影响打印线宽精度，难以实现复杂非展开曲面结构表面的共形制造及其高精度共形3D打印。而光固化打印方式为平面型底座，无法实现曲面基底的表面加工。
发明内容
本发明要解决现有直接书写式等接触式3D打印技术难以实现复杂非展开曲面结构表面的共形制造，打印线宽精度低的问题，而提供一种激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印的方法。
一种激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印的方法，它是按以下步骤进行：
一、称取：
按质量份数称取0.5份～4份光引发剂、0.5份～4份光敏树脂单体、1份～6份粘结剂、0.5份～5份分散剂、50份～85份待打印材料及1份～5份溶剂；
二、制备激光固化浆料：
将0.5份～4份光引发剂、0.5份～4份光敏树脂单体、1份～5份溶剂、1份～6份粘结剂及0.5份～5份分散剂混合，得到光敏体系材料，然后将光敏体系材料加入到50份～85份待打印材料中，利用真空脱泡搅拌机均匀分散，得到激光固化浆料；
三、涂覆：
将激光固化浆料均匀涂覆在曲面基板上，且涂覆厚度不大于200μm，得到涂覆后的曲面基板；
四、激光器与基板的固定：
将激光器固定在3轴移动平台的移动轴上，将激光器开关信号与打印机打印信号同步，将涂覆后的曲面基板置于3轴移动平台上；
所述的激光器的激光波长为350nm～520nm，所述的激光器功率为500mw到30w；
五、3D激光打印：
设置曲面基板的共形结构模型并进行切片，输出G代码，打开激光器，使用G代码进行曲面结构的3D激光照射处理，得到打印后的曲面结构；
六、清洗：
将打印后的曲面结构置于清洗液中，清除多余浆料，得到曲面共形结构；
七、烧结：
将曲面共形结构进行后处理，然后利用高温对曲面共形结构进行烧结处理，即完成激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印的方法。
一种激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印的方法，它是按以下步骤进行：
一、称取：
按质量份数称取5份～8份粘结剂、7份～12份分散剂、80份～88份待打印材料及1份～5份溶剂；
二、制备激光固化浆料：
将1份～5份溶剂、5份～8份粘结剂、7份～12份分散剂及80份～88份待打印材料混合，利用真空脱泡搅拌机均匀分散，得到激光固化浆料；
三、涂覆：
将激光固化浆料均匀涂覆在曲面基板上，且涂覆厚度不大于200μm，得到涂覆后的曲面基板；
四、激光器与基板的固定：
将激光器固定在3轴移动平台的移动轴上，将激光器开关信号与打印机打印信号同步，将涂覆后的曲面基板置于3轴移动平台上；
所述的激光器的激光波长为350nm～520nm，所述的激光器功率为500mw到5500w；
五、3D激光打印：
设置曲面基板的共形结构模型并进行切片，输出G代码，打开激光器，使用G代码进行曲面结构的3D激光照射处理，得到打印后的曲面结构；
六、清洗：
将打印后的曲面结构置于清洗液中，清除多余浆料，得到曲面共形结构；
七、烧结：
利用高温对曲面共形结构进行烧结处理，即完成激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印的方法。
本发明的有益效果是：
本发明使用激光器结合相匹配浆料进行非接触式曲面共形3D打印，通过浆料中粘结剂与稀释剂比例以及固相含量的调控，实现了高固相含量浆料在曲面基底上的稳定涂覆，浆料在静止状态下的高粘度(100Pa.s～500Pa.s)保证了浆料在曲面基底上的稳定粘结。激光的使用可以选择性固化浆料，使得固化后的浆料稳定粘结在曲面基板上。通过溶剂清洗掉未固化的浆料，在溶剂清洗过程中，激光固化的区域无脱落，固化区域与底座粘结强度为24kPa～30kPa，即可获得曲面共形结构。该打印方式打印精度高(线宽50μm～100μm)，无需考虑曲面基底结构的复杂程度，避免了直写式3D打印曲面结构无法实现复杂曲面结构成型的问题。
本发明用于一种激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印的方法。
附图说明
图1为实施例一步骤二制备的激光固化浆料的实物图；
图2为实施例一制备的复杂曲面异形结构共形件的实物图；
图3为实施例二制备的复杂曲面异形结构共形件的实物图；
图4为实施例二步骤三制备的涂覆后的曲面基板的实物图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印的方法，它是按以下步骤进行：
一、称取：
按质量份数称取0.5份～4份光引发剂、0.5份～4份光敏树脂单体、1份～6份粘结剂、0.5份～5份分散剂、50份～85份待打印材料及1份～5份溶剂；
二、制备激光固化浆料：
将0.5份～4份光引发剂、0.5份～4份光敏树脂单体、1份～5份溶剂、1份～6份粘结剂及0.5份～5份分散剂混合，得到光敏体系材料，然后将光敏体系材料加入到50份～85份待打印材料中，利用真空脱泡搅拌机均匀分散，得到激光固化浆料；
三、涂覆：
将激光固化浆料均匀涂覆在曲面基板上，且涂覆厚度不大于200μm，得到涂覆后的曲面基板；
四、激光器与基板的固定：
将激光器固定在3轴移动平台的移动轴上，将激光器开关信号与打印机打印信号同步，将涂覆后的曲面基板置于3轴移动平台上；
所述的激光器的激光波长为350nm～520nm，所述的激光器功率为500mw到30w；
五、3D激光打印：
设置曲面基板的共形结构模型并进行切片，输出G代码，打开激光器，使用G代码进行曲面结构的3D激光照射处理，得到打印后的曲面结构；
六、清洗：
将打印后的曲面结构置于清洗液中，清除多余浆料，得到曲面共形结构；
七、烧结：
将曲面共形结构进行后处理，然后利用高温对曲面共形结构进行烧结处理，即完成激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印的方法。
本实施方式的有益效果是：
本实施方式使用激光器结合相匹配浆料进行非接触式曲面共形3D打印，通过浆料中粘结剂与稀释剂比例以及固相含量的调控，实现了高固相含量浆料在曲面基底上的稳定涂覆，浆料在静止状态下的高粘度(100Pa.s～500Pa.s)保证了浆料在曲面基底上的稳定粘结。激光的使用可以选择性固化浆料，使得固化后的浆料稳定粘结在曲面基板上。通过溶剂清洗掉未固化的浆料，在溶剂清洗过程中，激光固化的区域无脱落，固化区域与底座粘结强度为24kPa～30kPa，即可获得曲面共形结构。该打印方式打印精度高(线宽50μm～100μm)，无需考虑曲面基底结构的复杂程度，避免了直写式3D打印曲面结构无法实现复杂曲面结构成型的问题。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的光引发剂为2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮、2-甲基-2-(4-吗啉基)-1-[4-(甲硫基)苯基]-1-丙酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦或2,4,6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯；步骤一中所述的光敏树脂单体为丙烯酸酯；步骤一中所述的溶剂为乙酸乙酯、乙酸丁酯或松油醇；步骤一中所述的粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛或乙基纤维素；步骤一中所述分散剂为N-乙烯基吡咯烷酮。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤一中所述的待打印材料为陶瓷粉体和金属粉体中的一种或两种的混合；所述的陶瓷粉体为氧化硅、氧化铝、氮化硅、氧化钙、氮化硼和氧化锆中的一种或其中几种的混合；所述的金属粉体为金、银、铜和钨中的一种或其中几种的混合。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤六中所述的清洗液为异丙醇或无水乙醇。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤七中将曲面共形结构进行后处理具体为在紫外光下，光照5min～15min；步骤七中利用高温对曲面共形结构进行烧结处理具体为在空气气氛及温度为500℃～1000℃的条件下，热处理10min～30min。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式一种激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印的方法，它是按以下步骤进行：
一、称取：
按质量份数称取5份～8份粘结剂、7份～12份分散剂、80份～88份待打印材料及1份～5份溶剂；
二、制备激光固化浆料：
将1份～5份溶剂、5份～8份粘结剂、7份～12份分散剂及80份～88份待打印材料混合，利用真空脱泡搅拌机均匀分散，得到激光固化浆料；
三、涂覆：
将激光固化浆料均匀涂覆在曲面基板上，且涂覆厚度不大于200μm，得到涂覆后的曲面基板；
四、激光器与基板的固定：
将激光器固定在3轴移动平台的移动轴上，将激光器开关信号与打印机打印信号同步，将涂覆后的曲面基板置于3轴移动平台上；
所述的激光器的激光波长为350nm～520nm，所述的激光器功率为500mw到5500w；
五、3D激光打印：
设置曲面基板的共形结构模型并进行切片，输出G代码，打开激光器，使用G代码进行曲面结构的3D激光照射处理，得到打印后的曲面结构；
六、清洗：
将打印后的曲面结构置于清洗液中，清除多余浆料，得到曲面共形结构；
七、烧结：
利用高温对曲面共形结构进行烧结处理，即完成激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印的方法。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：步骤一中所述的溶剂为乙酸乙酯、乙酸丁酯或松油醇；步骤一中所述的粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛或乙基纤维素；步骤一中所述分散剂为N-乙烯基吡咯烷酮。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七之一不同的是：步骤一中所述的待打印材料为陶瓷粉体和金属粉体中的一种或两种的混合；所述的陶瓷粉体为氧化硅、氧化铝、氮化硅、氧化钙、氮化硼和氧化锆中的一种或其中几种的混合；所述的金属粉体为金、银、铜和钨中的一种或其中几种的混合。其它与具体实施方式六或七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是：步骤六中所述的清洗液为异丙醇或无水乙醇。其它与具体实施方式六至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九之一不同的是：步骤七中利用高温对曲面共形结构进行烧结处理具体为在空气气氛及温度为500℃～1000℃的条件下，热处理10min～30min。其它与具体实施方式六至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
一种激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印的方法，它是按以下步骤进行：
一、称取：
按质量份数称取4份光引发剂、2份光敏树脂单体、5份粘结剂、5份分散剂、83份待打印材料及1份溶剂；
二、制备激光固化浆料：
将4份光引发剂、2份光敏树脂单体、1份溶剂、5份粘结剂及5份分散剂混合，得到光敏体系材料，然后将光敏体系材料加入到83份待打印材料中，利用真空脱泡搅拌机均匀分散，得到激光固化浆料；
三、涂覆：
将激光固化浆料均匀涂覆在曲面基板上，且涂覆厚度为200μm，得到涂覆后的曲面基板；
四、激光器与基板的固定：
将激光器固定在3轴移动平台的移动轴上，将激光器开关信号与打印机打印信号同步，将涂覆后的曲面基板置于3轴移动平台上；
所述的激光器的激光波长为405nm，所述的激光器功率为5w；
五、3D激光打印：
设置曲面基板的共形结构模型并进行切片，输出G代码，打开激光器，使用G代码进行曲面结构的3D激光照射处理，得到打印后的曲面结构；
六、清洗：
将打印后的曲面结构置于清洗液中，清除多余浆料，得到曲面共形结构；
七、烧结：
将曲面共形结构进行后处理，然后利用高温对曲面共形结构进行烧结处理，得到复杂曲面异形结构共形件，即完成激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印的方法。
步骤一中所述的光引发剂为1-羟基环己基苯基甲酮；步骤一中所述的光敏树脂单体为丙烯酸酯；步骤一中所述的溶剂为松油醇；步骤一中所述的粘结剂为乙基纤维素；步骤一中所述分散剂为N-乙烯基吡咯烷酮。
步骤一中所述待打印材料为银粉与玻璃粉粉体的混合物，银粉与玻璃粉粉体的质量比例为10:1；所述的玻璃粉体主要成分为氧化硅、氧化钙和氧化硼；
步骤六中所述的清洗液为异丙醇。
步骤七中将曲面共形结构进行后处理具体为在紫外光下，光照15min；步骤七中利用高温对曲面共形结构进行烧结处理具体为在空气气氛及温度为800℃的条件下，热处理30min。
步骤二中利用真空脱泡搅拌机均匀分散具体为在真空脱泡搅拌转速为2000r/min及真空度为50kPa的条件下，真空脱泡搅拌10min。
本实施例步骤二制备的激光固化浆料在静止状态下的高粘度为350Pa.s，保证了浆料在曲面基底上的稳定粘结。
图1为实施例一步骤二制备的激光固化浆料的实物图；由图可知，浆料分散均匀，分散效果良好。
图2为实施例一制备的复杂曲面异形结构共形件的实物图；由图可知，通过本方式成型的曲面共形结构精度高，最小成型线宽达到70μm、成型结构形状复杂、边缘清晰、成型的区域与底板粘结良好，在溶剂清洗过程中，激光固化的区域无脱落，固化区域与底座粘结强度为24kPa，被清洗掉的区域无杂质残留，满足曲面底座上复杂结构的共形制造。
实施例二：
一种激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印的方法，它是按以下步骤进行：
一、称取：
按质量份数称取5份粘结剂、12份分散剂、80份待打印材料及3份溶剂；
二、制备激光固化浆料：
将3份溶剂、5份粘结剂、12份分散剂及80份待打印材料混合，利用真空脱泡搅拌机均匀分散，得到激光固化浆料；
三、涂覆：
将激光固化浆料均匀涂覆在曲面基板上，且涂覆厚度为200μm，得到涂覆后的曲面基板；
四、激光器与基板的固定：
将激光器固定在3轴移动平台的移动轴上，将激光器开关信号与打印机打印信号同步，将涂覆后的曲面基板置于3轴移动平台上；
所述的激光器的激光波长为405nm，所述的激光器功率为5500mw；
五、3D激光打印：
设置曲面基板的共形结构模型并进行切片，输出G代码，打开激光器，使用G代码进行曲面结构的3D激光照射处理，得到打印后的曲面结构；
六、清洗：
将打印后的曲面结构置于清洗液中，清除多余浆料，得到曲面共形结构；
七、烧结：
利用高温对曲面共形结构进行烧结处理，得到复杂曲面异形结构共形件，即完成激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印的方法。
步骤一中所述的溶剂为松油醇；步骤一中所述的粘结剂为乙基纤维素；所述分散剂为N-乙烯基吡咯烷酮。
步骤一中所述待打印材料为银粉与玻璃粉粉体的混合物，银粉与玻璃粉粉体的质量比例为9:1；所述的玻璃粉体主要成分为氧化硅、氧化钙和氧化硼；
步骤六中所述的清洗液为无水乙醇。
步骤七中利用高温对曲面共形结构进行烧结处理具体为在空气气氛及温度为800℃的条件下，热处理30min。
步骤二中利用真空脱泡搅拌机均匀分散具体为在真空脱泡搅拌转速为2000r/min及真空度为50kPa的条件下，真空脱泡搅拌15min。
本实施例步骤二制备的激光固化浆料在静止状态下的高粘度为260Pa.s，保证了浆料在曲面基底上的稳定粘结，如图4所示，图4为实施例二步骤三制备的涂覆后的曲面基板的实物图。
图3为实施例二制备的复杂曲面异形结构共形件的实物图，由图可知，由图可知，通过本方式成型的曲面共形结构精度高、形状复杂、边缘清晰、成型的区域与底板粘结良好，最小成型线宽达到50μm，实现了高精度的成型，在溶剂清洗过程中，激光固化的区域无脱落，固化区域与底座粘结强度为30kPa，被清洗掉的区域无杂质残留，满足曲面底座上复杂结构的共形制造。
Claims (10)
1.一种激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印的方法，其特征在于它是按以下步骤进行：
一、称取：
按质量份数称取0.5份～4份光引发剂、0.5份～4份光敏树脂单体、1份～6份粘结剂、0.5份～5份分散剂、50份～85份待打印材料及1份～5份溶剂；
二、制备激光固化浆料：
将0.5份～4份光引发剂、0.5份～4份光敏树脂单体、1份～5份溶剂、1份～6份粘结剂及0.5份～5份分散剂混合，得到光敏体系材料，然后将光敏体系材料加入到50份～85份待打印材料中，利用真空脱泡搅拌机均匀分散，得到激光固化浆料；
三、涂覆：
将激光固化浆料均匀涂覆在曲面基板上，且涂覆厚度不大于200μm，得到涂覆后的曲面基板；
四、激光器与基板的固定：
将激光器固定在3轴移动平台的移动轴上，将激光器开关信号与打印机打印信号同步，将涂覆后的曲面基板置于3轴移动平台上；
所述的激光器的激光波长为350nm～520nm，所述的激光器功率为500mw到30w；
五、3D激光打印：
设置曲面基板的共形结构模型并进行切片，输出G代码，打开激光器，使用G代码进行曲面结构的3D激光照射处理，得到打印后的曲面结构；
六、清洗：
将打印后的曲面结构置于清洗液中，清除多余浆料，得到曲面共形结构；
七、烧结：
将曲面共形结构进行后处理，然后利用高温对曲面共形结构进行烧结处理，即完成激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印的方法。
2.根据权利要求1所述的一种激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印的方法，其特征在于步骤一中所述的光引发剂为2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮、2-甲基-2-(4-吗啉基)-1-[4-(甲硫基)苯基]-1-丙酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦或2,4,6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯；步骤一中所述的光敏树脂单体为丙烯酸酯；步骤一中所述的溶剂为乙酸乙酯、乙酸丁酯或松油醇；步骤一中所述的粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛或乙基纤维素；步骤一中所述分散剂为N-乙烯基吡咯烷酮。
3.根据权利要求1所述的一种激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印的方法，其特征在于步骤一中所述的待打印材料为陶瓷粉体和金属粉体中的一种或两种的混合；所述的陶瓷粉体为氧化硅、氧化铝、氮化硅、氧化钙、氮化硼和氧化锆中的一种或其中几种的混合；所述的金属粉体为金、银、铜和钨中的一种或其中几种的混合。
4.根据权利要求1所述的一种激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印的方法，其特征在于步骤六中所述的清洗液为异丙醇或无水乙醇。
5.根据权利要求1所述的一种激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印的方法，其特征在于步骤七中将曲面共形结构进行后处理具体为在紫外光下，光照5min～15min；步骤七中利用高温对曲面共形结构进行烧结处理具体为在空气气氛及温度为500℃～1000℃的条件下，热处理10min～30min。
6.一种激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印的方法，其特征在于它是按以下步骤进行：
一、称取：
按质量份数称取5份～8份粘结剂、7份～12份分散剂、80份～88份待打印材料及1份～5份溶剂；
二、制备激光固化浆料：
将1份～5份溶剂、5份～8份粘结剂、7份～12份分散剂及80份～88份待打印材料混合，利用真空脱泡搅拌机均匀分散，得到激光固化浆料；
三、涂覆：
将激光固化浆料均匀涂覆在曲面基板上，且涂覆厚度不大于200μm，得到涂覆后的曲面基板；
四、激光器与基板的固定：
将激光器固定在3轴移动平台的移动轴上，将激光器开关信号与打印机打印信号同步，将涂覆后的曲面基板置于3轴移动平台上；
所述的激光器的激光波长为350nm～520nm，所述的激光器功率为500mw到5500w；
五、3D激光打印：
设置曲面基板的共形结构模型并进行切片，输出G代码，打开激光器，使用G代码进行曲面结构的3D激光照射处理，得到打印后的曲面结构；
六、清洗：
将打印后的曲面结构置于清洗液中，清除多余浆料，得到曲面共形结构；
七、烧结：
利用高温对曲面共形结构进行烧结处理，即完成激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印的方法。
7.根据权利要求6所述的一种激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印的方法，其特征在于步骤一中所述的溶剂为乙酸乙酯、乙酸丁酯或松油醇；步骤一中所述的粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛或乙基纤维素；步骤一中所述分散剂为N-乙烯基吡咯烷酮。
8.根据权利要求6所述的一种激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印的方法，其特征在于步骤一中所述的待打印材料为陶瓷粉体和金属粉体中的一种或两种的混合；所述的陶瓷粉体为氧化硅、氧化铝、氮化硅、氧化钙、氮化硼和氧化锆中的一种或其中几种的混合；所述的金属粉体为金、银、铜和钨中的一种或其中几种的混合。
9.根据权利要求6所述的一种激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印的方法，其特征在于步骤六中所述的清洗液为异丙醇或无水乙醇。
10.根据权利要求6所述的一种激光辅助复杂曲面异形结构共形3D打印的方法，其特征在于步骤七中利用高温对曲面共形结构进行烧结处理具体为在空气气氛及温度为500℃～1000℃的条件下，热处理10min～30min。
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