CN116039083A - 一种激光与超声耦合强化的3d打印机 - Google Patents

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陈威
孙沂琳
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Abstract

本发明涉及包括支撑架，支撑架上安装有X方向驱动电机、Y方向驱动电机和Z方向驱动电机，X、Y方向驱动电机通过Y方向传动皮带驱动激光加强打印头机构在X、Y平面运动，激光加强打印头机构用于将原材料打印成型，Z方向驱动电机通过丝杆驱动超声加强打印台机构沿Z方向作往复直线运动，3D打印机打印时，红外激光器朝向打印件发出设定波长和设定功率的红外光，超声加强打印台机构的内部设置有超声振动器，3D打印机打印时，超声振动器使超声加强打印台机构产生设定振幅和设定频率的超声振动。通过设置激光加强打印头机构和超声加强打印台机构，使打印件得到激光与超声耦合强化，从而使得打印件的拉升性能得到明显提升。

Description

一种激光与超声耦合强化的3D打印机
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其是一种激光与超声耦合强化的3D打印机。
背景技术
激光技术作为21世纪最热门的研究领域之一，对当前集成化、智能化发展有重要推动作用，无论是在先进电子设备，还是在生物医学检测等领域，都随处可见激光技术的应用。在高性能3D打印机中，打印原材料的熔融功能可以由激光器实现。
现有技术中的激光3D打印技术通过计算机生成打印件模型，经计算机编程后，激光器发出激光将打印原材料融化，并逐层融合堆叠，最终将打印件打印成型。但是，激光熔覆原材料时会放大工艺参数的波动，从而导致打印件产生凹陷、凸起等外观缺陷，质量稳定性差；同时，打印出的打印件力学性能较差，容易产生断裂、变形等问题。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的激光与超声耦合强化的3D打印机，通过设置激光加强打印头机构和超声加强打印台机构，使打印件得到激光与超声耦合强化，从而使得打印件的拉升性能得到明显提升；同时，激光与超声耦合强化作用可以增加打印件的层间粘接性能，优先减少打印件表面凹陷、凸起等外观缺陷。
本发明所采用的技术方案如下：
一种激光与超声耦合强化的3D打印机，包括支撑架，所述支撑架上安装有X方向驱动电机，所述X方向驱动电机通过第一传动轮组驱动X方向传动皮带转动，支撑架上还安装有Y方向驱动电机，所述Y方向驱动电机通过第二传动轮组驱动Y方向传动皮带转动，支撑架的底部安装有Z方向驱动电机，所述Z方向驱动电机的输出端连接丝杆，所述X方向传动皮带带动激光加强打印头机构在X方向作往复直线运动，Y方向传动皮带带动激光加强打印头机构在Y方向作往复直线运动，激光加强打印头机构用于将原材料打印成型，X方向传动皮带的传动方向与Y方向传动皮带的传动方向互相垂直，Z方向驱动电机通过丝杆驱动超声加强打印台机构沿Z方向作往复直线运动，超声加强打印台机构用于放置激光加强打印头机构打印出的打印件，Z方向垂直于X方向与Y方向形成的平面，激光加强打印头机构位于超声加强打印台机构的上方；
所述激光加强打印头机构设置有红外激光器，3D打印机打印时，红外激光器朝向打印件发出设定波长和设定功率的红外光；
所述超声加强打印台机构的内部设置有超声振动器，3D打印机打印时，超声振动器使超声加强打印台机构产生设定振幅和设定频率的超声振动。
作为上述技术方案的进一步改进：
3D打印机打印时，红外激光器的波长范围为400nm-450nm，红外激光器的功率为15W。
3D打印机打印时，超声振动器的振幅为20μm，超声振动器的振动频率范围为20kHz-22kHz。
所述激光加强打印头机构的结构为：包括与Y方向传动皮带配合安装的打印头，所述打印头的一侧安装有剪丝舵机，所述剪丝舵机的输出端连接剪丝刀，所述剪丝刀剪断打印头出料端的打印材料，打印头的另一侧安装有呈L型的连接架，所述连接架上安装有红外激光器，连接架的底部安装有辊轮，所述辊轮的两侧配合安装有辅助弹簧，所述辅助弹簧安装在连接架上。
所述连接架与红外激光器之间通过滑轨和滑块配合安装。
所述超声加强打印台机构的结构为：包括与丝杆配合安装的安装架，所述安装架的顶部安装有底板，所述底板的边缘均匀布置有数个缓冲弹簧，每个缓冲弹簧的顶部均配合安装有导柱，底板通过缓冲弹簧和导柱与热床粘附台配合安装，底板与热床粘附台之间安装有超声振动器，所述超声振动器的输出端与热床粘附台连接，超声振动器通过安装支架安装在底板的顶部，超声振动器配合安装有超声波发生器。
所述超声振动器的振动中心与热床粘附台的几何中心重合。
所述热床粘附台设置有温度传感器。
所述丝杆的两侧配合安装有导向轴。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过设置激光加强打印头机构和超声加强打印台机构，使打印件得到激光与超声耦合强化，从而使得打印件的拉升性能得到明显提升；同时，激光与超声耦合强化作用可以增加打印件的层间粘接性能，优先减少打印件表面凹陷、凸起等外观缺陷。
本发明还具有如下优点：
(1)本发明中通过滑轨调节红外激光器的安装位置，进而调节红外激光器头部到打印件的距离，使红外激光能量的作用区域范围达到一个微小范围时，红外激光携带的极高能量可以对打印头输出端的材料进行切断处理，起到超声剪切的作用。
(2)本发明中通过设置辊轮，实现对打印件层间的压实压平，以提升打印件的层间致密度。
(3)本发明中通过在辊轮的两侧设置辅助弹簧，从而调节辊轮与打印件之间的压力与摩擦力。
(4)本发明中通过在热床粘附台和底板间设置缓冲弹簧，可以调平打印台并降低超声波能量对于打印台在Z方向运动的阻碍与干扰。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的主视图。
图3为图1的俯视图。
图4为本发明中激光加强打印头机构的结构示意图。
图5为图5的主视图。
图6为本发明中超声加强打印台机构的结构示意图。
图7为图6的爆炸图。
图8为图6的主视图。
其中：1、支撑架；2、X方向驱动电机；3、Y方向驱动电机；4、Z方向驱动电机；5、X方向传动皮带；6、Y方向传动皮带；7、丝杆；8、激光加强打印头机构；9、超声加强打印台机构；10、送丝电机；
801、打印头；802、红外激光器；803、连接架；804、辊轮；805、辅助弹簧；806、剪丝舵机；807、剪丝刀；
901、热床粘附台；902、超声波发生器；903、超声振动器；904、导柱；905、缓冲弹簧；906、底板；907、安装架；908、安装支架。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
实施例一：
如图1-图8所示，一种激光与超声耦合强化的3D打印机，包括支撑架1，支撑架1上安装有X方向驱动电机2，X方向驱动电机2通过第一传动轮组驱动X方向传动皮带5转动，支撑架1上还安装有Y方向驱动电机3，Y方向驱动电机3通过第二传动轮组驱动Y方向传动皮带6转动，支撑架1的底部安装有Z方向驱动电机4，Z方向驱动电机4的输出端连接丝杆7，X方向传动皮带5带动激光加强打印头机构8在X方向作往复直线运动，Y方向传动皮带6带动激光加强打印头机构8在Y方向作往复直线运动，激光加强打印头机构8用于将原材料打印成型，X方向传动皮带5的传动方向与Y方向传动皮带6的传动方向互相垂直，Z方向驱动电机4通过丝杆7驱动超声加强打印台机构9沿Z方向作往复直线运动，超声加强打印台机构9用于放置激光加强打印头机构8打印出的打印件，Z方向垂直于X方向与Y方向形成的平面，激光加强打印头机构8位于超声加强打印台机构9的上方。X方向传动皮带5带动Y方向传动皮带6沿X方向作往复直线运动，激光加强打印头机构8与Y方向传动皮带6贴合安装，使得激光加强打印头机构8可以在X方向和Y方向分别作往复直线运动，从而使激光加强打印头机构8执行打印动作；同时，超声加强打印台机构9在Z方向上下运动，使得激光加强打印头机构8不会干扰打印件。
激光加强打印头机构8设置有红外激光器802，3D打印机打印时，红外激光器802朝向打印件发出设定波长和设定功率的红外光。红外激光器802用于产生设定波长和设定功率的红外激光束，红外激光束经红外激光器802头部的透镜聚焦，在焦点处聚成一极小的作用区域范围，区域范围位置大小取决于红外激光器802头部透镜的聚焦范围以及红外激光器802头部与打印件的距离。
当其红外激光能量作用区域与3D打印件相交时，红外激光能量可以促使打印件熔融固化，促进打印件层间混合，提升打印件表面质量与力学性能；当红外激光能量作用区域范围达到一个微小范围时，携带的极高能量可以对材料进行切断处理，起到超声剪刀的作用，实现对不易熔融断裂材料的切断。
超声加强打印台机构9的内部设置有超声振动器903，3D打印机打印时，超声振动器903使超声加强打印台机构9产生设定振幅和设定频率的超声振动。超声振动器903的振动能量可以促进打印件层与层之间的粘结，减少打印件的凸起、凹陷和内部孔隙等缺陷。
3D打印机打印时，红外激光器802的波长范围为400nm-450nm，红外激光器802的功率为15W。在此参数范围下，激光加强作用对PPS树脂材料和以PPS树脂材料为基体的复合材料的拉升性能提升效果最好。
3D打印机打印时，超声振动器903的振幅为20μm，超声振动器903的振动频率范围为20kHz-22kHz。在此参数范围下，超声振动作用对PPS树脂材料和以PPS树脂材料为基体的复合材料的拉升性能提升效果最好。
激光加强打印头机构8的结构为：包括与Y方向传动皮带6配合安装的打印头801，打印头801的一侧安装有剪丝舵机806，剪丝舵机806的输出端连接剪丝刀807，剪丝刀807剪断打印头801出料端的打印材料，打印头801的另一侧安装有呈L型的连接架803，连接架803上安装有红外激光器802，连接架803的底部安装有辊轮804，辊轮804的两侧配合安装有辅助弹簧805，辅助弹簧805安装在连接架803上。打印头801用于熔融原材料并执行打印动作以打印出打印件；剪丝舵机806用于驱动剪丝刀807；辊轮804用于在打印过程中对打印件进行压平压实；辅助弹簧805用于调节辊轮804与打印件间的压力和摩擦力。
连接架803与红外激光器802之间通过滑轨和滑块配合安装。通过设置滑轨和滑块，从而可以调节红外激光器802与打印件间的距离，从而可以调节红外激光的作用区域范围，进而使激光实现不同的功能。
超声加强打印台机构9的结构为：包括与丝杆7配合安装的安装架907，安装架907的顶部安装有底板906，底板906的边缘均匀布置有数个缓冲弹簧905，每个缓冲弹簧905的顶部均配合安装有导柱904，底板906通过缓冲弹簧905和导柱904与热床粘附台901配合安装，底板906与热床粘附台901之间安装有超声振动器903，超声振动器903的输出端与热床粘附台901连接，超声振动器903通过安装支架908安装在底板906的顶部，超声振动器903配合安装有超声波发生器902。超声振动器903的输出端与热床粘附台901贴合固定安装在一起，从而保证超声振动器903产生的振动能量能够最大限度传递给热床粘附台901上的3D打印件，同时，热床粘附台901可以保证打印件在打印过程中不会在超声能量的作用下移位；缓冲弹簧905可以调平打印台并降低超声波能量对于Z方向运动的阻碍与干扰；超声波发生器902用于激励超声振动器903，超声振动器903产生的振幅和频率由超声波发生器902决定。
超声振动器903的振动中心与热床粘附台901的几何中心重合，可以保证超声振动效果不失真。
热床粘附台901设置有温度传感器，可以对热床粘附台901的温度进行闭环控制。
丝杆7的两侧配合安装有导向轴；超声加强打印台机构9通过直线轴承与导向轴配合安装。导向轴和直线轴承保证超声加强打印台机构9在Z方向的运动平稳性。
支撑架1上还安装有用于输送原材料的送丝电机10。
本实施例以PPS树脂为原材料使用上述激光与超声耦合强化的3D打印机进行3D打印，其工作过程如下：
通过送丝电机10将PPS树脂基材连续不断地送入打印头801的入料口，打印头801通过X方向传动皮带5和Y方向传动皮带6执行打印动作，将打印件打印成型；
在打印头801的打印过程中，红外激光器802发出激光的功率15W，红外激光器802发出激光的波长为430nm，超声振动器903的振幅为20μm，超声振动器903的振动频率为21kHz；
红外激光器802发出的激光束随打印头801一同运动，不断扫描打印件，同时，热床粘附台901将超声振动器903的振动能量传递给打印件，激光与超声耦合作用，提高了打印件的拉升性能，减少了打印件的外观缺陷，打印出的PPS树脂打印件的性能参数如下表：
强化工艺 弹性模量Mpa 极限抗拉强度Mpa 断裂伸长率％
有激光与超声耦合强化 824.80 49.73 22.48
无激光与超声耦合强化 795.80 48.59 9.52
由上表可知，当有激光与超声耦合强化强化时，PPS树脂基体打印件的拉升性能得到显著增强，激光加强打印头机构8和超声加强打印台机构9有助于提升PPS树脂打印件的弹性模量、极限抗拉强度以及断裂伸长率，分别提升了3.64％、2.35％、136.24％。
实施例二：
本实施例以PPS树脂复合连续碳纤维为原材料，使用实施例一提供的激光与超声耦合强化的3D打印机进行3D打印，其打印出的复合材料打印件的性能参数如下表：
强化工艺 弹性模量Mpa 极限抗拉强度Mpa 断裂伸长率％
有热风强化 2405.40 138.38 8.18
无热风强化 1951.00 73.67 6.34
由上表可知，当有激光与超声耦合强化强化时，PPS树脂基体打印件的拉升性能得到显著增强，激光加强打印头机构8和超声加强打印台机构9有助于提升PPS树脂打印件的弹性模量、极限抗拉强度以及断裂伸长率，分别提升了23.30％、87.84％、29.02％。
本发明通过设置红外激光器802和超声振动器903，相比于激光单独作用的3D打印技术，本发明提供的激光与超声耦合强化技术可以有效提高打印件的层间致密性，进而降低打印件外观缺陷的不良率，提高了3D打印件的打印质量稳定性，并且有效提升了打印件的拉升性能，有利于后续使用打印件进行进一步测试实验。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种激光与超声耦合强化的3D打印机，包括支撑架(1)，所述支撑架(1)上安装有X方向驱动电机(2)，所述X方向驱动电机(2)通过第一传动轮组驱动X方向传动皮带(5)转动，支撑架(1)上还安装有Y方向驱动电机(3)，所述Y方向驱动电机(3)通过第二传动轮组驱动Y方向传动皮带(6)转动，支撑架(1)的底部安装有Z方向驱动电机(4)，所述Z方向驱动电机(4)的输出端连接丝杆(7)，其特征在于：所述X方向传动皮带(5)带动激光加强打印头机构(8)在X方向作往复直线运动，Y方向传动皮带(6)带动激光加强打印头机构(8)在Y方向作往复直线运动，激光加强打印头机构(8)用于将原材料打印成型，X方向传动皮带(5)的传动方向与Y方向传动皮带(6)的传动方向互相垂直，Z方向驱动电机(4)通过丝杆(7)驱动超声加强打印台机构(9)沿Z方向作往复直线运动，超声加强打印台机构(9)用于放置激光加强打印头机构(8)打印出的打印件，Z方向垂直于X方向与Y方向形成的平面，激光加强打印头机构(8)位于超声加强打印台机构(9)的上方；
所述激光加强打印头机构(8)设置有红外激光器(802)，3D打印机打印时，红外激光器(802)朝向打印件发出设定波长和设定功率的红外光；
所述超声加强打印台机构(9)的内部设置有超声振动器(903)，3D打印机打印时，超声振动器(903)使超声加强打印台机构(9)产生设定振幅和设定频率的超声振动。
2.如权利要求1所述的一种激光与超声耦合强化的3D打印机，其特征在于：3D打印机打印时，红外激光器(802)的波长范围为400nm-450nm，红外激光器(802)的功率为15W。
3.如权利要求1所述的一种激光与超声耦合强化的3D打印机，其特征在于：3D打印机打印时，超声振动器(903)的振幅为20μm，超声振动器(903)的振动频率范围为20kHz-22kHz。
4.如权利要求1所述的一种激光与超声耦合强化的3D打印机，其特征在于：所述激光加强打印头机构(8)的结构为：包括与Y方向传动皮带(6)配合安装的打印头(801)，所述打印头(801)的一侧安装有剪丝舵机(806)，所述剪丝舵机(806)的输出端连接剪丝刀(807)，所述剪丝刀(807)剪断打印头(801)出料端的打印材料，打印头(801)的另一侧安装有呈L型的连接架(803)，所述连接架(803)上安装有红外激光器(802)，连接架(803)的底部安装有辊轮(804)，所述辊轮(804)的两侧配合安装有辅助弹簧(805)，所述辅助弹簧(805)安装在连接架(803)上。
5.如权利要求4所述的一种激光与超声耦合强化的3D打印机，其特征在于：所述连接架(803)与红外激光器(802)之间通过滑轨和滑块配合安装。
6.如权利要求1所述的一种激光与超声耦合强化的3D打印机，其特征在于：所述超声加强打印台机构(9)的结构为：包括与丝杆(7)配合安装的安装架(907)，所述安装架(907)的顶部安装有底板(906)，所述底板(906)的边缘均匀布置有数个缓冲弹簧(905)，每个缓冲弹簧(905)的顶部均配合安装有导柱(904)，底板(906)通过缓冲弹簧(905)和导柱(904)与热床粘附台(901)配合安装，底板(906)与热床粘附台(901)之间安装有超声振动器(903)，所述超声振动器(903)的输出端与热床粘附台(901)连接，超声振动器(903)通过安装支架(908)安装在底板(906)的顶部，超声振动器(903)配合安装有超声波发生器(902)。
7.如权利要求6所述的一种激光与超声耦合强化的3D打印机，其特征在于：所述超声振动器(903)的振动中心与热床粘附台(901)的几何中心重合。
8.如权利要求6所述的一种激光与超声耦合强化的3D打印机，其特征在于：所述热床粘附台(901)设置有温度传感器。
9.如权利要求1所述的一种激光与超声耦合强化的3D打印机，其特征在于：所述丝杆(7)的两侧配合安装有导向轴。
10.如权利要求9所述的一种激光与超声耦合强化的3D打印机，其特征在于：所述超声加强打印台机构(9)通过直线轴承与导向轴配合安装。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116811238A (zh) * 2023-05-20 2023-09-29 南京航空航天大学 一种具有激光预热与原位压实的3d打印头及其运行方法
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