CN208774056U - 基于激光投影熔融烧结的3d打印机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于激光投影熔融烧结的3D打印机包括投影式激光加热系统、成型机构、供粉机构、铺粉机构、工作台和主控电路；所述投影式激光加热系统采用激光投影式加热的方式熔融烧结铺设于工作区的粉体材料，所述成型系统包括打印室，所述打印室内设有一可上下活动的底板；所述供粉机构包括第一供粉缸，所述第一供粉缸设于所述成型机构的一侧，用于提供3D打印烧结的原料；所述铺粉机构包括滑轨和可在滑轨上滑动的第一铺粉辊筒，所述第一铺粉辊筒将所述第一供粉缸中的粉体材料铺设到所述打印室的底板上；所述主控电路控制所述投影式激光加热系统在所述成型机构的投影形状。本实用新型技术方案可以提高3D打印的效率。

Description

基于激光投影熔融烧结的3D打印机

技术领域

本实用新型涉及3D打印技术领域，特别涉及一种基于激光投影熔融烧结的3D打印机。

背景技术

3D打印技术自1986美国科学家Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机之后的发展给制造业带来了一个新的方向，随着近些年的发展，可采用3D打印的产品越来越多，3D打印涉足的制作领域也越来越广泛。其中，选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，简称SLS)是近年来发展最为迅速的快速成型技术之一，其以粉末材料为原料，采用激光对三维实体的截面进行逐层扫描完成原型制造，不受零件形状复杂程度的限制，不需要任何的工装模具，应用范围广。选择性激光烧结工艺的基本过程是：送粉装置将一定量粉末送至工作台面，铺粉辊筒将一层粉末材料平铺在成型缸已成型零件的上表面，加热装置将粉末加热至设定的粉末烧结温度，振镜系统控制激光器按照该层的截面轮廓对实心部分粉末层进行扫描，使粉末的温度升至熔化点，粉末熔化烧结并与下面已成型的部分实现粘接；当一层截面烧结完后，工作台下降一个层的厚度，铺粉辊筒又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的扫描烧结，经若干层扫描叠加，直至完成整个原型制造。但是SLS技术是点线式加热，路径扫描加热周期较长，制约3D打印的效率的提升。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提出一种基于激光投影熔融烧结的3D打印机，旨在提升3D打印机的打印效率。

为实现上述目的，本实用新型提出的基于激光投影熔融烧结的3D打印机包括投影式激光加热系统、成型机构、供粉机构、铺粉机构、工作台和主控电路；所述投影式激光加热系统采用激光投影式加热的方式熔融烧结铺设于工作区的粉体材料，所述成型系统包括打印室，所述打印室内设有一可上下活动的底板；所述供粉机构包括第一供粉缸，所述第一供粉缸设于所述成型机构的一侧，用于提供3D打印烧结的原料；所述铺粉机构包括滑轨和可在滑轨上滑动的第一铺粉辊筒，所述第一铺粉辊筒将所述第一供粉缸中的粉体材料铺设到所述打印室的底板上；所述投影式激光加热系统的投影加热面覆盖所述底板上的粉体材料；所述打印室的开口端、所述第一供粉缸的开口端均与所述工作台持平，且在打印过程中，所述第一供粉缸内的粉体材料和铺设于所述工作台的粉体材料均与所述工作台持平。

优选地，所述基于激光投影熔融烧结的3D打印机还包括主控电路，所述投影式激光加热系统电连接于所述主控电路。

优选地，所述供粉机构还包括第二供粉缸，所述第一供粉缸和所述第二供粉缸分设于所述成型机构两侧；所述第一供粉缸和所述第二供粉缸内分别设有第一活塞和第二活塞，以保持所述第一供粉缸和所述第二供粉缸内的粉体材料的上表面与所述工作台持平。

优选地，所述打印室内设有连接所述底板的第三活塞。

优选地，所述铺粉机构还包括可在所述滑轨上滑动的第二铺粉辊筒，所述第二铺粉辊筒与所述第一铺粉辊筒平行设置；以与所述第一铺粉辊筒协同向所述成型机构铺粉。

优选地，所述基于激光投影熔融烧结的3D打印机还包括用于预热所述供粉机构及打印室内的粉体材料的预热机构、用于监控所供粉机构内的粉体材料温度的第一温度传感器和用于监控所述打印室内待烧结粉体材料层温度的第二温度传感器，所述预热机构、所述第一温度传感器和所述第二温度传感器均电连接于所述主控电路。

优选地，所述投影式激光加热系统具有第一投影方向和第二投影方向，所述第一投影方向朝向所述底板，以熔融烧结铺设于底板上的粉体材料；所述第二投影方向朝向所述第一供粉缸的侧壁。

优选地，所述投影式激光加热系统还具有第三投影方向和/或第四投影方向；所述第三投影方向朝向所述底板，以熔融烧结铺设于底板上的粉体材料；所述第四投影方向朝向所述第二供粉缸的侧壁。

优选地，所述第一供粉缸和所述第二供粉缸外侧设有吸光辅热部件，所述吸光辅热部件用于吸收所述第二投影方向和第四投影方向的激光投影分量，以辅助加热所述第一供粉缸和所述第二供粉缸内的粉体材料。

本实用新型技术方案通过采用投影式激光加热系统对打印区内的粉体材料进行二维平面烧结，以代替目前采用振镜系统逐点逐线进行烧结的SLS技术，可以提高3D打印的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型基于激光投影熔融烧结的3D打印机一实施例的结构示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	投影式激光加热系统	401	第一活塞
200	工作台	500	第二供粉缸
				300	打印室	501	第二活塞
301	第三活塞	600	第一铺粉辊筒
				302	底板	601	滑轨
400	第一供粉缸	700	反射镜组

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型提出一种基于激光投影熔融烧结的3D打印机，适用于熔融烧结粉体材料进行打印成形的3D打印。

在本实用新型实施例中，如图1所示，该基于激光投影熔融烧结的3D打印机包括投影式激光加热系统100、成型机构、供粉机构、铺粉机构、工作台200和主控电路；所述投影式激光加热系统100采用激光投影式加热的方式熔融烧结铺设于工作区的粉体材料，所述成型系统包括打印室300，所述打印室300中设有一可上下活动的底板302；所述供粉机构包括第一供粉缸400，所述第一供粉缸400设于所述成型机构的一侧，用于提供3D打印烧结的原料；所述铺粉机构包括滑轨601和可在滑轨601上滑动的第一铺粉辊筒600，所述第一铺粉辊筒600将所述第一供粉缸400中的粉体材料铺设到所述打印室300的底板302上；所述投影式激光加热系统100的投影加热面覆盖所述底板302上的粉体材料；所述打印室300的开口端、所述第一供粉缸400的开口端均与所述工作台200持平，且在打印过程中，所述第一供粉缸400内的粉体材料和铺设于所述工作台200的粉体材料均与所述工作台200持平。

打印室300中设置可上下移动的底板302，在打印开始时，所述底板302处于打印室300的开口端，与整个平台持平；第一供粉缸400中存储供打印使用的粉体材料，铺粉辊筒将第一供粉缸400中的粉体材料铺设到打印室300的底板302上。在打印室300的底板302上铺设粉体材料之后，启动投影式激光加热系统100，根据预设的打印数据，主控电路控制投影式激光加热系统100在铺有粉体材料的底板上的投影形状，底板302上被投影到的区域中的粉体材料被熔融烧结；之后主控电路关闭投影式激光加热系统100，控制打印室300的底板302向下移动一层粉体厚度的距离，铺粉辊筒沿滑轨601移动到第一供粉缸400，然后进行第二次铺粉，第二次铺粉时粉体材料铺设在第一次烧结后的粉体材料上，之后进行第二层粉体材料的烧结，第二次烧结时，第二层的粉体材料与第一层已烧结的粉体材料烧结到一起。以此为循环，直至待产品打印完成。需要指出的时，每次烧结的粉体材料层的厚度很小，可以认为在整个过程中，打印室300中半成品的开口端始终与整个平台持平。

其中的投影式激光加热系统100包括激光器、用于调节激光器投影输出功率的激光功率调节装置、用于将调节后的激光光束进行投影的投影组件；其中，所述激光功率调节装置包括第一旋转夹持组件、功率计和在同一方向上依次排布的第一半波片、偏振分光镜和扩束镜组；所述第一半波片安装在所述第一旋转夹持组件上；所述功率计设在所述偏振分光镜的一侧；所述投影组件设于所述分束镜组的出射方向，投影组件包括一DMD芯片，所述DMD芯片具有第一投影方向和第二投影方向；所述第一投影方向朝向所述打印室300；投影式激光加热系统100还可以设置分束镜组，将经功率调节装置调节后的激光光束进行分束处理，此时需要对应的设置多组投影组件，且主控电路控制每个投影组件的DMD芯片的一个投影方向朝向所述打印室300，并控制投影到打印室300的图形相同且重合。

本实用新型技术方案通过采用投影式激光加热系统100进行整层粉体材料的熔融烧结，可以实现以面为单位进行逐层打印，且每次可以打印多个产品，打印效率远高于目前利用振镜系统进行逐点逐线烧结的SLS技术。

仍请参照图1，本实用新型提出的另一实施例，本实施例的基于激光投影熔融烧结的3D打印机还包括预热机构，所述预热机构可以根据需要进行具体设置；所述供粉机构还包括第二供粉缸500，所述第一供粉缸400和所述第二供粉缸500分设于所述成型机构两侧；所述预热机构至少应包括设于所述第一供粉缸400、所述第二供粉缸500和所述打印室300外侧的加热装置，加热所述第一供粉缸400、所述第二供粉缸500和所述打印室300以对所述第一供粉缸400、所述第二供粉缸500和所述打印室300中的粉体材料进行预热，使所述第一供粉缸400和所述第二供粉缸500中的粉体材料在铺设于所述成型机构之前接近烧结所需温度，同时使所述打印室300内未被烧结的粉体材料接近烧结所需温度，通常可以将预热温度设置到成低于烧结温度10℃到50℃之间。在其他实施例中，预热机构也可以设置在平台上方，除了可以预热第一供粉缸400、第二供粉缸500中的粉体材料和打印室300之外，还可以预热整个3D打印的环境空间。

所述第一供粉缸400和所述第二供粉缸500内分别设有第一活塞401和第二活塞501，以保持所述第一供粉缸400和所述第二供粉缸500内的粉体材料的开口端与所述工作台200持平；所述打印室300内设有第三活塞301，底板302贴设于第三活塞301上，以在第三活塞301的带动下在上下方向上移动；第三活塞301的初始状态是将所述底板302调整至于所述工作台200持平，开始打印后，随着逐层铺粉烧结，第三活塞301以每层的铺粉厚度为单位带动底板302向下移动。

保持铺设于所述底板302上的粉体材料与所述工作台200持平；所述铺粉机构还包括可在所述滑轨601上滑动的第二铺粉辊筒，所述第二铺粉辊筒与所述第一铺粉辊筒600平行设置；所述主控电路控制所述第一铺粉辊筒600和所述第二铺粉辊筒协同向所述成型机构铺粉。

本实用新型技术方案通过采用双粉缸和双铺粉辊筒协同的方式，可以实现快速铺粉。通过在第一供粉缸400、第二供粉缸500和打印室300设置活塞，使第一供粉缸400和第二供粉缸500的粉体材料的上表面始终与工作台200持平，且同时使打印室300中粉体材料的烧结面与工作台200持平。本实施例中的第一活塞401、第二活塞501和第三活塞301均可以由高精度的步进电机或者伺服电机驱动，也可以由高精度的液压系统驱动。

在采用投影式激光加热系统100进行熔融烧结的情况下，熔融烧结的时间大幅缩短，在整个3D打印的过程中，铺粉的时间占比会高出很多。本实施例中的第一铺粉辊筒600在第一供粉缸400和打印室300之间往返滑动，第二铺粉辊筒在第二供粉缸500和打印室300之间往返滑动。采用双辊筒对应双粉缸相互协调的各自独立铺粉，可以将铺粉时间减少到单辊筒和单粉缸时的一半以内。

在其他实施例中，还可以采用单铺粉辊筒，双供粉缸的形式进行供粉和铺粉，此时，第一铺粉辊筒600在第一供粉缸400和第二供粉缸500之间往返滑动，且每次经过打印室300都可以进行一次铺粉；另外，其他实施例中还可以设置多个铺粉辊筒，依次在第一供粉缸400和第二供粉缸500之间往返滑动，在前一铺粉辊筒完成铺粉后，后一铺粉辊筒滑动至打印室300的边缘准备，在前一层粉体材料烧结完成后，后一铺粉辊筒即可进行下一次的铺粉。

本实用新型提出又一实施例，请参照图1，本实施例中，投影式激光加热系统100设置两组投影组件，对应的具有四个投影方向。其中，第一投影组件具有第一投影方向和第二投影方向，第一投影方向朝向所述底板302，第二投影方向朝向所述第一供粉缸400的侧壁；第二投影组件具有第三投影方向或和第四投影方向，第三投影方向朝向所述底板302，第四投影方向朝向所述第二供粉缸500的侧壁。第一投影方向和第三投影方向上的激光投影分量用于烧结打印室300的底板302上的粉体材料，第二投影方向和第四投影方向上的激光投影分量用于辅助加热第一供粉缸400和第二供粉缸500中的粉体材料。第一供粉缸400和第二供粉缸500的侧壁上贴设有用于吸收第二投影方向和第四投影方向上的激光投影分量。需要指出的是，投影式激光加热系统100中的每个DMD芯片只有两个出射方向，因此需要通过反射镜组700使DMD芯片其中一个出射方向的激光分量反射到第一供粉缸400和第二供粉缸500的侧壁上。为使第一供粉缸400和第二供粉缸500对第二投影方向和第四投影方向的激光分量的吸收率增大，在第一供粉缸400和第二供粉缸500的侧壁上贴设吸光辅热部件。而第一投影方向和第三投影方向上的激光分量用于加热烧结打印室300的粉体材料层，主控电路单独控制每一个投影方向投影到打印室300的投影图形，使第一投影方向和第三投影方向在打印室300的投影图形相同且重合，以共同烧结打印室300的粉体材料层。

此外，在本实施例中，基于激光投影熔融烧结的3D打印机还设有用于监控第一供粉缸400和第二供粉缸500中粉体材料温度的第一温度传感器、和用于监控打印室300待烧结粉体材料层温度的第二温度传感器，第一温度传感器和第二温度传感器均电连接于主控电路。当第一温度传感器监控到第一供粉缸400或第二供粉缸500中粉体材料的温度过高或过低时，主控电路控制预热机构或辅热系统对应的进行调整；当第二温度传感器检测到待烧结粉体材料层的温度超出预设值时，主控电路控制预热机构进行调整或控制反射镜组700将所述第二投影方向和第四投影方向的激光分量反射到待烧结材料层或打印室300的侧壁，同时，根据第二温度传感器监控到的待烧结粉体材料层的温度对总的激光功率进行调整，使其可以正常烧结。

本实用新型技术方案通过设置预热机构，并利用DMD芯片在打印室300以为的投影分量进行辅热，使粉体材料的烧结对投影式激光加热系统100有效功率的需求降低，以减少投影式激光加热系统100中DMD芯片的发热量，使其可以持续工作。辅热系统利用了对烧结无用的激光分量，可以减少预热系统的能耗。第一温度传感器对供粉缸中粉体材料温度的监控为主控电路控制投影式激光加热系统100输出功率提供了调整的依据，而第二温度传感器对打印室300中待烧结粉体层温度的监控，为主控电路微调投影式激光加热系统100输出功率提供了依据，使打印室300中待烧结粉体材料层在一定的温度波动范围内时，主控电路都可以通过控制投影式激光加热系统100的输出功率实现待烧结粉体材料层的正常烧结。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的发明构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于激光投影熔融烧结的3D打印机，具有一工作台，其特征在于，基于激光投影熔融烧结的3D打印机包括：

投影式激光加热系统，用于熔融烧结待烧结粉体材料；

成型机构，所述成型机构包括打印室，所述打印室内设有一可在所述打印室内上下活动的底板；

供粉机构，用于容置粉体材料，所述供粉机构包括第一供粉缸，所述第一供粉缸设于所述成型机构一侧；

铺粉机构，用于将所述供粉机构中的粉体材料铺设于所述成型机构，所述铺粉机构包括滑轨和可以沿所述滑轨滑动的第一铺粉辊筒；

所述投影式激光加热系统的投影加热面覆盖所述底板上的粉体材料。

2.如权利要求1所述的基于激光投影熔融烧结的3D打印机，其特征在于，所述基于激光投影熔融烧结的3D打印机还包括主控电路，所述投影式激光加热系统电连接于所述主控电路。

3.如权利要求1所述的基于激光投影熔融烧结的3D打印机，其特征在于，所述供粉机构还包括第二供粉缸，所述第一供粉缸和所述第二供粉缸分设于所述成型机构两侧；所述第一供粉缸和所述第二供粉缸内分别设有第一活塞和第二活塞，以保持所述第一供粉缸和所述第二供粉缸内的粉体材料的上表面与所述工作台持平。

4.如权利要求2所述的基于激光投影熔融烧结的3D打印机，其特征在于，所述打印室内设有连接所述底板的第三活塞。

5.如权利要求2所述的基于激光投影熔融烧结的3D打印机，其特征在于，所述铺粉机构还包括可在所述滑轨上滑动的第二铺粉辊筒，所述第二铺粉辊筒与所述第一铺粉辊筒平行设置；以与所述第一铺粉辊筒协同向所述成型机构铺粉。

6.如权利要求2所述的基于激光投影熔融烧结的3D打印机，其特征在于，所述基于激光投影熔融烧结的3D打印机还包括用于预热所述供粉机构及打印室内的粉体材料的预热机构、用于监控所供粉机构内的粉体材料温度的第一温度传感器和用于监控所述打印室内待烧结粉体材料层温度的第二温度传感器，所述预热机构、所述第一温度传感器和所述第二温度传感器均电连接于所述主控电路。

7.如权利要求3所述的基于激光投影熔融烧结的3D打印机，其特征在于，所述投影式激光加热系统具有第一投影方向和第二投影方向，所述第一投影方向朝向所述底板，以熔融烧结铺设于底板上的粉体材料；所述第二投影方向朝向所述第一供粉缸的侧壁。

8.如权利要求7所述的基于激光投影熔融烧结的3D打印机，其特征在于，所述投影式激光加热系统还具有第三投影方向和/或第四投影方向；所述第三投影方向朝向所述底板，以熔融烧结铺设于底板上的粉体材料；所述第四投影方向朝向所述第二供粉缸的侧壁。

9.如权利要求8所述的基于激光投影熔融烧结的3D打印机，其特征在于，所述第一供粉缸和所述第二供粉缸外侧设有吸光辅热部件，所述吸光辅热部件用于吸收所述第二投影方向和第四投影方向的激光投影分量，以辅助加热所述第一供粉缸和所述第二供粉缸内的粉体材料。