CN115213429A - 管状支架的三维成型设备和成型方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种管状支架的三维成型设备，包括打印装置，打印装置包括成型工作室、成型平台和激光装置。激光装置用于发射连续激光和脉冲激光至成型平台上的物料粉末，以成形管状支架；连续激光的能量密度低于物料粉末的标准打印能量密度，激光装置控制连续激光对每层所述物料粉末进行多道次扫描以形成打印层，连续激光进行每次扫描的扫描区域至少部分重叠，保证成形薄壁管状支架的基本尺寸；激光装置控制脉冲激光对打印层的轮廓进行减材加工，达到管状支架的尺寸精度和表面精度；三维成型设备还包括热处理装置、矫型装置、雕刻装置。本申请还提供一种应用于上述三维成型设备的三维成型方法。

Description

管状支架的三维成型设备和成型方法

技术领域

本申请涉及三维成型技术领域，尤其涉及一种管状支架的三维成型设备和成型方法。

背景技术

心血管疾病是人类面临的重大疾病之一，目前医学界通常采用一种称为经皮腔内血管成形技术(PTA)的带有支架的微创手术来治疗这种疾病，采用的支架由不锈钢、钴铬合金、钛基合金制成，镁合金是一种可降解金属作为植入支架材料更具优势。现有支架制备技术，通常是对棒状原料进行挤压、拉拔、穿孔等工艺来实现薄壁(100微米左右)管状支架的制造，加工难度大，制备流程长，且生产效率低，制造成本高。激光选区熔化增材制造技术可成形任意复杂、薄壁零件，是植入支架较为理想的制造方法。虽然该方法可以直接打印管状支架，但是，对于管状支架的超薄壁结构，打印过程会出现塌陷、成形表面粗糙、打印精度低等问题。

发明内容

鉴于上述状况，本申请提供一种管状支架的三维成型设备和成型方法，通过激光装置发射连续激光对物料粉末进行多道次扫描，形成打印层，再发射脉冲激光对打印层的轮廓进行精密减材加工，有效保障了管状支架的表面精度，提高生产效率。

本申请的实施例提供一种管状支架的三维成型设备，包括打印装置，所述打印装置包括成型工作室、成型平台和激光装置。所述成型平台设于所述成型工作室内，所述激光装置设置于所述成型工作室顶部。所述激光装置用于发射连续激光和脉冲激光至所述成型平台上的物料粉末，以成形管状支架，所述连续激光的能量密度低于所述物料粉末的标准打印能量密度，所述激光装置控制所述连续激光对每层所述物料粉末进行多道次扫描以形成打印层，所述连续激光进行每次扫描的扫描区域至少部分重叠，保证成形薄壁管状支架的基本尺寸，所述激光装置控制所述脉冲激光对所述打印层的轮廓进行减材加工，达到管状支架的尺寸精度和表面精度。

在一些实施例中，所述激光装置包括分开设置的第一激光器、第二激光器、第一扫描振镜系统和第二扫描振镜系统，所述第一激光器用于发射所述连续激光，所述第二激光器用于发射所述脉冲激光，所述第一、第二扫描振镜系统各包括一组扩束镜、动态聚焦镜以及反射镜、合束镜和扫描振镜等，或者，所述第一扫描振镜系统和第二扫描振镜系统可共用同一扫描振镜。所述第一扫描振镜系统和第二扫描振镜系统分别用于将所述连续激光和所述脉冲激光聚焦并投射至所述成型平台。

在一些实施例中，所述激光装置包括一体式激光器和扫描振镜系统，所述一体式激光器通过同一输出光纤依次发射所述连续激光和所述脉冲激光，所述扫描振镜系统用于将所述连续激光和所述脉冲激光聚焦并投射至所述成型平台，所述连续激光和所述脉冲激光的焦距相同。

在一些实施例中，所述三维成型设备还包括热处理装置，所述热处理装置用于对所述管状支架进行固溶处理和时效处理。在一些实施例中，所述三维成型设备进一步包括矫形装置，用于对所述管状支架进行矫形处理，所述矫形装置包括加热辊、底座和芯棒，所述芯棒安装于所述底座，所述管状支架套设于所述芯棒，所述加热辊滚压所述管状支架的外表面。

在一些实施例中，所述三维成型设备还包括雕刻装置，所述雕刻装置用于产生雕刻激光以加工所述管状支架的表面。

在一些实施例中，所述脉冲激光的脉宽为100ps-500fs，所述脉冲激光在竖直方向的单次切割深度小于或等于20μm，所述雕刻激光的脉宽为1ps-1fs。

在一些实施例中，所述连续激光的光斑直径小于或等于所述管状支架的壁厚尺寸。

本申请的实施例还提供一种管状支架的三维成型方法，所述三维成型方法应用于上述实施例所述的三维成型设备中，包括步骤：

铺设物料粉末至成型平台；

激光装置输出连续激光对物料粉末进行多道次扫描，形成打印层，所述连续激光的能量密度低于物料粉末的标准打印能量密度，所述连续激光进行每次扫描的扫描区域至少部分重叠；

激光装置输出脉冲激光对打印层的轮廓进行减材加工；

在打印层上重复铺设物料粉末，形成新的打印层，直至形成管状支架。

在一些实施例中，所述三维成型方法进一步包括步骤：

将打印完成的管状支架送入热处理装置，进行固溶处理和时效处理；

对热处理后的管状支架进行矫形处理；

对矫形后的管状支架进行激光雕刻。

本申请提供的三维成型设备和方法通过激光装置发射连续激光对物料粉末进行多道次扫描，形成打印层，再发射脉冲激光对打印层的轮廓进行精密减材加工，有效保障了管状支架的尺寸精度和表面精度，提高生产效率。采用本申请提供的应用于上述三维成型设备的三维成型方法，制备的管状植入支架较传统工艺缩短了制备流程，提高生产效率以及降低生产成本

附图说明

图1为三维成型设备在一实施例中的结构简图。

图2为图1所示三维成型设备中打印装置的结构示意图。

图3为图2所示打印装置中激光装置在一实施例中的结构示意图。

图4为图2所示打印装置中激光装置在一实施例中的结构示意图。

图5为图1所示三维成型设备中热处理装置的结构简图。

图6为图1所示三维成型设备中矫形装置的结构示意图。

图7为三维成型方法在一实施例中的流程图。

图8为管状支架的打印层切片在一实施例中的结构示意图。

主要元件符号说明：

具体实施方式：

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“设置于”另一个元件，它可以是直接设置在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

请参阅图1，在一实施方式中，三维成型设备100包括打印装置10、热处理装置20、矫形装置30和雕刻装置40。所述打印装置10通过三维成型技术打印管状支架200的整体结构。所述热处理装置20用于对打印成形后的所述管状支架200进行固溶处理和时效处理，以改善管状支架200的综合力学性能。所述矫形装置30用于热处理后的管状支架200进行整形处理，以进一步提高管状支架200的尺寸精度。所述雕刻装置40用于在管状支架200的表面利用雕刻激光进行网格或镂空花纹雕刻处理，以满足设计需求。所述雕刻激光的脉宽为1ps-1fs。

请参阅图2，所述打印装置10包括成型工作室11和激光装置12。所述成型工作室11内设有成型平台13和铺粉平台15，成型平台13用于承载物料粉末或打印成型的工件，铺粉平台15用于提供物理粉末至成型平台13。所述激光装置12设置于所述成型工作室11顶部，用于发射连续激光和脉冲激光至所述成型平台13上的物料粉末，以形成管状支架200。

所述连续激光用于烧结成型平台13上的物料粉末以形成管状支架200的打印层(如图8所示)。在本申请的实施例中，所述管状支架200的材料为熔点小于700℃的低熔点金属材料，包括但不限于镁合金、铝合金等。为了减少低熔点金属材料的物料粉末发生过度烧结而影响打印精度的问题，所述连续激光的能量密度低于物料粉末的标准打印能量密度。所述激光装置12控制所述连续激光对每层所述物料粉末进行多道次扫描以形成打印层。物料粉末进行一次激光烧结就可以形成打印层时，单位长度照射的激光能量称为物料粉末的标准打印能量密度，可以根据激光的功率、扫描速度、打印层厚度等参数计算得出。所述连续激光进行多道次扫描时，每次扫描的扫描区域至少部分重叠，保证成形薄壁管状支架200的基本尺寸。所述激光装置12还控制所述脉冲激光对所述打印层的轮廓进行精密减材加工，以保证每层打印层的尺寸精度，多层打印层逐层累积后形成的管状支架200表面光洁，使管状支架200的表面精度在打印完成时即能达到设计需求，尺寸误差不会随着打印层的逐层累积而增加，无需对打印工件进行额外的机械加工，从而提高生产效率。在本申请的实施例中，所述脉冲激光为皮秒/飞秒激光，脉冲激光的脉宽为100ps-500fs，脉冲激光在竖向方向上的单次切割深度小于或等于20μm，有利于保证脉冲激光的减材加工精度，便于制造壁厚为0.07mm-0.12mm的管状支架200，降低薄壁工件的制造难度。

所述成型工作室11内还填充有保护气体，以减少打印层在激光扫描过程中出现氧化的问题。所述保护气体包括但不限于氩气等惰性气体。为进一步减少成型工作室11内的烟尘，保证工件的打印质量，所述成型工作室11内还设有循环净化装置14，所述循环净化装置14抽取并过滤成型工作室11内的气体后，将过滤后的气体重新充入成型工作室11，从而达到降低烟尘，和循环使用保护气体的目的。

请参阅图3，在本申请的其中一个实施例中，所述激光装置12包括第一激光器121、第二激光器122、扫描振镜系统123和控制装置127。所述控制装置127电连接所述第一激光器121和第二激光器122，以控制连续激光和脉冲激光的发射。所述第一激光器121与所述第二激光器122分开设置，均固定安装于成型工作室11的上顶面。成型工作室11的上顶面设有激光窗口，用于供激光装置12发射的激光通过。所述扫描振镜系统123包括第一扫描振镜系统1231和第二扫描振镜系统1232。所述第一激光器121用于发射连续激光至所述第一扫描振镜系统1231，所述第二激光器122用于发射脉冲激光至所述第二扫描振镜系统1232。所述连续激光和所述脉冲激光的激光焦距相同。所述第一扫描振镜系统1231用于将所述连续激光聚焦并投射至所述成型平台13，所述第二扫描振镜系统1232用于将所述脉冲激光聚焦并投射至所述成型平台13，以形成打印层和对打印层进行精密减材加工。所述第一、第二扫描振镜系统各包括一组扩束镜、动态聚焦镜和扫描振镜等，分别对应第一激光器121和第二激光器122，以分别将连续激光和脉冲激光聚焦并投射至成型平台13。在其他实施例中，第一扫描振镜系统1231和第二扫描振镜系统1232也可以共用同一扫描振镜。

请参阅图4，在本申请的另一实施例中，所述激光装置12包括扫描振镜系统123、控制装置127和固定安装在成型工作室11上顶面的一体式激光器，所述一体式激光器可以取代前述第一激光器121和第二激光器122，用于依次发射连续激光和脉冲激光。所述一体式激光器包括但不限于是光纤激光器，连续激光和脉冲激光可以通过同一输出光纤依次从所述一体式激光器发射出。一体式激光器的机体内设有脉冲激光组件125、连续激光组件124和选择器126。所述连续激光组件124用于产生连续激光，所述脉冲激光组件125用于产生脉冲激光。所述控制装置127电连接所述选择器126，所述选择器126用于根据控制装置127发出的指令选择连续激光或脉冲激光从一体式激光器输出至所述扫描振镜系统123。所述选择器126包括但不限于脉冲选择器126或激光开关等元件。

在一体式激光器中，连续激光和脉冲激光的光路相同，由同一光纤输出。扫描振镜系统123前端无需设置两组光学组件，两种激光从同一光纤输出后可以共用同一套振镜系统。连续激光和脉冲激光的焦距相同、原点相同，使激光光路稳定、简单、精准。在激光烧结和激光减材两种工序的切换过程中，直接切换激光即可，无需经过一段时间工作后进行原点对位工作，进一步提高加工效率。在本申请的实施例中，连续激光和脉冲激光的激光焦距大于或等于300mm，以配合成型工作室11的尺寸要求，保证打印工序的顺利进行。

请参阅图5，热处理装置20包括依次设置的第一热处理组件21和第二热处理组件22。所述第一热处理组件21用于对打印成型后的管状支架200进行固溶热处理，在本申请的实施例中，管状支架200的材料为低熔点金属材料，包括但不限于镁合金。管状支架200在固溶处理中的加热温度为490-520℃，固溶处理的时间为2-6小时，冷却方式为空冷。所述第二热处理组件22用于对经过固溶处理后的管状支架200进行时效处理，在本申请的实施例中，时效处理的加热温度为160-170℃，时效处理的时间是1-2小时，冷却方式为空冷。固溶处理和时效处理能够有效改善管状支架200的综合力学性能，并稳定管状支架200的加工质量。

请参阅图6，所述三维成型设备100进一步包括矫形装置30，用于对热处理后的管状支架200进行矫形处理，以优化管状支架200的圆度尺寸，进一步提高管状支架200的加工质量。所述矫形装置30包括加热辊31、底座32和芯棒33，所述芯棒33安装于所述底座32上，热处理后的管状支架200套设于所述芯棒33，所述加热辊31转动设于所述芯棒33上方，并与所述芯棒33大致平行设置。所述加热辊31滚压管状支架200的外表面，芯棒33滚压管状支架200的内表面，所述加热辊31带动所述管状支架200转动，在芯棒33的协同作用下，实现对管状支架200的矫形，保证管状支架200的圆度尺寸。

请参阅图7，本申请还提供管状支架200的三维成型方法，应用于上述实施例中的三维成型设备100中。所述三维成型方法包括步骤：

S1：对管状支架200的三维模型进行分层切片。

S2：根据切片信息将物料粉末铺设至成型平台13。

S3：激光装置12输出连续激光对物料粉末进行多次扫描，形成打印层，所述连续激光的能量密度低于物料粉末的标准打印能量密度，连续激光的光斑直径尺寸小于或等于管状支架200的壁厚尺寸，所述连续激光进行每次扫描的扫描区域至少部分重叠；

S4：激光装置12输出脉冲激光对打印层的轮廓进行减材加工；

S5：在减材加工后的打印层上重复步骤S2，直至形成管状支架200。

S6：将打印完成的管状支架200送入热处理装置20，进行固溶处理和时效处理，以提升管状支架200的综合力学性能。

S7：对热处理后的管状支架200进行矫形处理。

S8：对矫形后的管状支架200进行激光雕刻。

采用上述三维成型方法制备的管状支架较传统工艺缩短了制备流程，提高生产效率以及降低生产成本。

下面通过实施例对所述三维成型方法进行具体说明。

实施例一

管状支架200为壁厚为0.07mm的镁合金支架，管状支架200的打印层切片如图8所示，大致呈圆环形。可以理解，在其他实施例中，打印层还可以是其他形状，根据打印工件的形状设定，本申请不限定于。镁合金具有低熔点、流动性好的特性，在使用连续激光对镁合金的物料粉末进行烧结成形时采用低能量密度输入、多道次扫描的工艺。

物料粉末根据切片信息铺设后，激光装置12产生连续激光对物料粉末进行烧结，形成管状支架200的薄壁结构的打印层，所述连续激光的能量密度为正常镁合金打印能量密度的80％，连续激光的光斑直径为70μm。为了保留加工余量，打印层的平面尺寸略大于管状支架200的实际截面尺寸。连续激光扫描的过程中，先围绕打印层的外轮廓扫描一圈，再围绕打印层的内轮廓扫描一圈。两次扫描范围的重叠部分大致呈环形，大致位于打印层的环状中间区域。重叠部分的物料经历两次能量加热，未重叠部分的物料只经历一次能量加热，让打印层边缘的金属处于半凝固状态，中间区域的金属不会向边缘流动，避免了打印层尺寸因为熔化金属的流动而产生误差，保证了管状支架200中薄壁结构的成形尺寸和精度。随后，激光装置12产生脉冲激光对成形的薄壁结构的轮廓进行切割，实现打印层的减材加工，以使薄壁结构的尺寸满足实际尺寸的要求。脉冲激光的切割速度为3000㎜/s，单次切割深度小于等于20μm，若打印层的纵向厚度大于20微米，则脉冲激光需要进行多次切割。完成切割的打印层上再次铺设物料粉末，重复激光烧结和减材加工的步骤，直至管状支架200打印完成。

完成打印的管状支架200依次进入热处理装置20和雕刻装置40，分别进行热处理和激光雕刻工序，完成管状支架200的制造过程。

实施例二

管状支架200为壁厚为0.12mm的镁合金支架，管状支架200的打印层切片如图8所示。镁合金具有低熔点、流动性好的特性，在使用连续激光对镁合金的物料粉末进行烧结成形时采用低能量密度输入、多道次扫描的工艺。

物料粉末根据切片信息铺设后，激光装置12产生连续激光对物料粉末进行烧结，形成管状支架200的薄壁结构的打印层，所述连续激光的能量密度为正常镁合金打印能量密度的70％，连续激光的光斑直径为70μm。为了保留加工余量，打印层的平面尺寸略大于管状支架200的实际截面尺寸。连接激光扫描的过程中，先围绕打印层的外轮廓扫描一圈，再围绕打印层的内轮廓扫描一圈，接着对打印层的环状中间区域进行第三次扫描，即第三次扫描是在第一次扫描和第二次扫描的重叠区域上进行。重叠部分的物料经历三次能量加热，打印层边缘区域的物料只经历一次能量加热，让打印层边缘的金属处于半凝固状态，中间区域的金属熔化但不会向边缘流动，避免了打印层尺寸因为熔化金属的流动而产生误差，保证了管状支架200中薄壁结构的成形尺寸和精度。随后，激光装置12产生脉冲激光对成形的薄壁结构的轮廓进行切割，实现打印层的减材加工，以使薄壁结构的尺寸满足实际尺寸的要求。脉冲激光的切割速度为3000mm/s，单次切割深度小于等于20μm，若打印层的纵向厚度大于20微米，则脉冲激光需要进行多次切割。完成切割的打印层上再次铺设物料粉末，重复激光烧结和减材加工的步骤，直至管状支架200打印完成。

完成打印的管状支架200依次进入热处理装置20和雕刻装置40，分别进行热处理和激光雕刻工序，完成管状支架200的制造过程。

本申请的三维成型方法及设备简化了常规方法制造低熔点金属支架的多工序、长流程复杂工艺，实现低熔点金属支架批量化、集成化、低成本制造打印。打印后的低熔点金属支架要进行固溶热处理和时效热处理，能够进一步调控打印件的综合力学性能，提升打印工件的加工质量。

以上实施方式仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本申请技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种管状支架的三维成型设备，包括打印装置，所述打印装置包括：

成型工作室；

成型平台，设于所述成型工作室内；

激光装置，设置于所述成型工作室上方；

其特征在于，所述激光装置用于发射连续激光和脉冲激光至所述成型平台上的物料粉末，以成形管状支架，所述连续激光的能量密度低于所述物料粉末的标准打印能量密度，所述激光装置控制所述连续激光对每层所述物料粉末进行多道次扫描以形成打印层，所述连续激光进行每次扫描的扫描区域至少部分重叠，所述激光装置控制所述脉冲激光对所述打印层的轮廓进行减材加工。

2.如权利要求1所述的三维成型设备，其特征在于，所述激光装置包括分开设置的第一激光器、第二激光器、第一扫描振镜系统、第二扫描振镜系统，所述第一激光器用于发射所述连续激光，所述第二激光器用于发射所述脉冲激光，所述第一扫描振镜系统用于将所述连续激光聚焦并投射至所述成型平台，所述第二扫描振镜用于将所述脉冲激光聚焦并投射至所述成型平台。

3.如权利要求1所述的三维成型设备，其特征在于，所述激光装置包括一体式激光器和扫描振镜系统，所述一体式激光器通过同一输出光纤依次发射所述连续激光和所述脉冲激光，所述扫描振镜系统用于将所述连续激光和所述脉冲激光聚焦并投射至所述成型平台，所述连续激光和所述脉冲激光的焦距相同。

4.如权利要求1所述的三维成型设备，其特征在于，所述三维成型设备还包括热处理装置，所述热处理装置用于对所述管状支架进行固溶处理和时效处理。

5.如权利要求4所述的三维成型设备，其特征在于，所述三维成型设备进一步包括矫形装置，用于对所述管状支架进行矫形处理，所述矫形装置包括加热辊、底座和芯棒，所述芯棒安装于所述底座，所述管状支架套设于所述芯棒，所述加热辊滚压所述管状支架的外表面。

6.如权利要求5所述的三维成型设备，其特征在于，所述三维成型设备还包括雕刻装置，所述雕刻装置用于产生雕刻激光以加工所述管状支架的表面。

7.如权利要求6所述的三维成型设备，其特征在于，所述脉冲激光的脉宽为100ps-500fs，所述脉冲激光在竖直方向的单次切割深度小于或等于20μm，所述雕刻激光的脉宽为1ps-1fs。

8.如权利要求1所述的三维成型设备，其特征在于，所述连续激光的光斑直径小于或等于所述管状支架的壁厚尺寸。

9.一种管状支架的三维成型方法，其特征在于，所述三维成型方法应用于权利要求1-8任一项所述的三维成型设备中，包括步骤：

铺设物料粉末至成型平台；

激光装置输出连续激光对物料粉末进行多次扫描，形成打印层，所述连续激光的能量密度低于物料粉末的标准打印能量密度，所述连续激光进行每次扫描的扫描区域至少部分重叠；

激光装置输出脉冲激光对打印层的轮廓进行减材加工；

在打印层上重复铺设物料粉末，形成新的打印层，直至形成管状支架。

10.如权利要求9所述的三维成型方法，其特征在于，所述三维成型方法进一步包括步骤：

将打印完成的管状支架送入热处理装置，进行固溶处理和时效处理；

对热处理后的管状支架进行矫形处理；

对矫形后的管状支架进行激光雕刻。

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