CN211071828U - 一种激光选区固化金属的3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种激光选区固化金属的3D打印装置，属于增材制造领域。包括3D打印控制装置、浆料打印喷头、固定架、弹簧夹、激光固化装置、打印平台、直流电源。将金属粉末与液态光敏树脂混合成具有适当固相体积的浆料，采用了特殊设计制造的浆料打印喷头，通过螺旋挤压装置将浆料从一定直径的喷嘴中挤压出来；同时，在浆料流线挤出分散累积的过程中，采用精细的激光束选区同步扫描到浆料流线平面上，使其局部快速固化成形，循环往复，从而可以实现一定形状的金属零件的成形。本实用新型能够直接成型高精度的复杂材料零件，成型速度快，对原材料的要求低，适应性广，成本低廉，对工作环境没有特殊要求。

Description

一种激光选区固化金属的3D打印装置

技术领域

本实用新型属于增材制造的领域，提供了一种激光选区固化金属的3D打印装置。

背景技术

3D打印技术是直接从数字模型通过材料堆积来生产三维实体的技术，被认为在任意复杂形状金属零部件的直接成形上有极大的潜力。目前，主流3D打印技术是采用激光束、电子束等高能束加热熔融预先铺设的金属粉末，逐层堆积制造三维零件，已实现了钛及钛合金、高温合金、镁铝合金等金属和合金零件的直接制造。但是，打印用粉末须满足球形度高、流动性好、松装密度高、粒径细小和粒度分布较窄等要求。但很多材料无法制成球形粉末、产品性能易受到高温、高能快速熔融-凝固打印过程的影响，诸如此类的问题限制了3D打印技术在这些材料上的应用。

与之相比，3D冷打印技术(3D gel printing,3DGP)则是一种以低粘度、高固相含量的悬浮浆料为打印原料，不采用高能束，而是通过逐层挤出沉积和固化浆料，实现复杂零件的三维打印的技术，再通过烧结制备得到复杂形状的零件。该技术的一个关键特点是在室温下可对打印浆料进行三维计算机控制成形，不需要高能设备和特殊的工作环境，成本低廉，具有卓越的成型能力，可应用材料范围广。该技术在保持有3D打印技术自由成形能力、100％材料利用率、快速成形等优势的前提下，将原材料粉末配制成稳定悬浮的浆料，降低对原材料粉末的性能要求，有望实现大多数金属材料的三维打印。然而，由于受原料粉末和溶剂的亲和力及其本身密度等相关因素的影响，在配置浆料的过程中会出现金属粉末沉降、团聚等问题，在浆料流线挤出的过程中，总会不可避免的出现堵塞喷嘴的问题，尤其是采用空气压力挤压装置时，空气会进入到浆料中造成固、液相分离，堵塞喷嘴的问题更加严重。因此，通过缩小喷嘴直径以保证打印精度的方法难以实行。同时，在后期浆料流线沉积的过程中，在表面张力的作用下，会出现浆料流线固化速度慢导致其分散摊开、很难保持塑形能力的情况，这使得打印精度降低，难以实现理想的打印效果。

光固化(SLA)成形技术是一种最早出现的3D打印技术，该技术主要是利用特定强度的激光聚焦照射到液态光敏树脂表面，使其表面特定区域内从点到线、线到面地完成一个层上的打印工作，一层完成之后进行下一层，依此方式循环往复，直至最终成品的完成。由此方法成形的工件表面质量佳，精度高(在0.1mm左右)。尽管相较于传统的SLM等成型方式，3D冷打印具有操作简单，相对经济，对环境友好等优势，但当前3D冷打印装置存在的上述问题限制了其打印更高精度零件的需求。若能将SLA技术的高精度成形与3D冷打印技术结合应用起来，有望实现低成本打印成形高精度的复杂金属零件。

因此，本实用新型针对现有的问题，克服了其缺点和不足，设计并提供了一种激光选区固化金属的3D打印装置。

发明内容

本实用新型提供一种激光选区固化金属的3D打印装置，解决了金属浆料打印挤出后成形精度低及打印效率低等问题。通过本实用新型设计的3D打印装置打印一定粘度的金属悬浮浆料流线，再通过同步的激光选区固化浆料流线，利用激光高精度的特性，最终打印获得高精度的复杂金属零件，从而进一步拓展了金属的应用范围。

本实用新型所采取的技术方案是：一种激光选区固化金属的3D打印装置，其特征在于：由3D打印控制装置、浆料打印喷头、固定架、弹簧夹、激光固化装置、打印平台、直流电源组成；所述的浆料打印喷头连接在固定架上，由弹簧夹夹持住；所述的激光固化装置固定在浆料打印喷头上，所述的3D打印控制装置通过电脑控制系统(电脑控制系统是现有计算机领域普通技术人员都可以根据厂商需求编写控制软件而形成的控制系统)控制打印平台和浆料打印喷头的移动，进而实现三维打印成形，再通过挤压装置实现打印浆料的沉积打印；同时，结合高精度激光光束实现沉积金属流线的同步扫描选区固化并保证打印零件的高精度，扫描路径与浆料打印喷头的走丝路径保持一致。所述的激光光束强度低，不需要通过激光光束实现打印零件的熔化烧结。

进一步地，所述的浆料打印喷头由直流减速电机、进料口、螺旋挤压装置、可拆卸针头和针筒组成；所述的直流减速电机为可调速的齿轮减速电机，固定在针筒上部，输出轴端伸向针筒内部，正负极连接直流电源，用以驱动螺旋挤压装置运转，通过调节直流电源输出电流的大小控制电机转速；所述的可拆卸针头连接针筒下端，具有不同孔径，可用于挤出不同直径的浆料流线；所述的针筒上端侧壁有一进料口实现连续进料。

进一步地，所述的浆料打印喷头是用来装载金属粉末与液态光敏树脂组成的光敏悬浮浆料，光敏树脂在一定波长的紫外光照射下能立刻发生聚合反应，完成固化，其中浆料固相体积含量为50～68％，浆料粘度不高于5Pa·s。

进一步地，所述的浆料流线在挤出后能均匀分散成一层平面，各层之间能互相紧密粘接在一起。

进一步地，所述的激光固化装置是由激光发生器产生特定波长和强度的紫外光，经激光聚焦灯聚焦后形成精细的激光束；在数控装置的控制下，同步扫描照射到浆料打印喷头挤出的浆料流线平面上，使扫描路径上的沉积浆料迅速固化成形。

进一步地，所述的激光聚焦灯所产生的紫外光波长范围为250-405nm，照射功率为60-300mW/cm²，浆料流线经辐照后能够在0.1s内完成固化。

本实用新型与现有装置相比，具有如下优点：

1、本实用新型采用激光固化光敏浆料的方式，固化沉积的浆料流线，固化速度快、可控，成形精度高，容易达到0.1mm以内，表面光滑度达到微米级别。固化区域是在分散开来的浆料流线平面内，摒弃了SLA技术在整个工作界面上铺满浆料的成形方式，使得浆料能充分使用，提升了原料利用率。

2、不同于选择性激光熔化(SLM)打印技术，本实用新型中的激光强度远低于SLM中的激光强度，通过激光实现打印浆料流线的同步固化并保证高精度，并不需要高强度的激光实现打印零件的熔化烧结。

3、不同于SLA打印技术，本实用新型通过打印金属浆料流线，并通过低强度的激光实现打印流线的同步选区固化，最终获得金属坯体，经过致密化烧结，最终获得高精度复杂形状的金属零件。

4、不同于3DGP技术，本实用新型在打印浆料的基础上通过激光选区固化，进一步保证打印零件的高精度，省去了后续的精加工处理，拓宽了3D打印技术的应用领域。

5、本实用新型设计的打印装置适用于制备高精度且复杂形状的金属零件，适用性广，对原材料的要求降低，可以大幅度降低生产成本。

6、本实用新型所采用的直流减速电机带动，螺旋挤压的方式，转速可调，控制灵敏，即打即停，不受气压条件影响，适用环境广。尤其是螺旋挤压的设计，使得浆料在挤出过程中不会出现固液相分离，有效解决了堵塞针头的问题，且浆料的固相体积含量在挤出前后变化不大。

附图说明

附图1为本实用新型中一种激光选区固化金属的3D打印装置结构示意图；

附图2为本实用新型中浆料打印喷头的结构示意图；

附图标记说明：3D打印控制装置(1)、浆料打印喷头(2)、固定架(3)、弹簧夹(4)、激光固化装置(5)、打印平台(6)、直流电源(7)、直流减速电机(8)、进料口(9)、螺旋挤压装置(10)、可拆卸针头(11)、针筒(12)

具体实施方式

以下结合实施例及附图对本实用新型专利作进一步详细的描述。

如图1所示，一种激光选区固化金属的3D打印装置中的3D打印控制装置(1)采用了传统耗材式3D打印机计算机程序控制步进电机运转的运作模式和机身部件，但与传统的熔融沉积成型(FDM)方式不同的是，本装置采用了浆料挤出式的冷打印模式，并且结合了SLA成形技术中的高精度激光固化方式，对部分结构和系统进行了再设计创新，包括浆料打印喷头(2)和激光固化装置(5)。

浆料打印喷头(2)的基本工作部件安装在固定架(3)上，固定架(3)的控制系统与驱动器均由3D打印控制装置(1)带动，进而驱动浆料打印喷头(2)在X轴、Y轴与Z轴方向的直线运动。为了减少浆料流线挤出不稳定问题，浆料打印喷头(2)采取了螺旋挤压的方式来控制浆料流线的挤出速度快慢，并可以及时停止，避免了打印过程中因停止浆料流线挤出不及时而导致的浆料流线堆积、模型变形的发生。

激光固化装置(5)需要与浆料打印喷头(2)保持同步，以保证装置产生的精细激光束能及时聚焦到沉积的浆料流线平面上，使得其中的光敏树脂迅速发生聚合反应，产生一定的强度，以便下一层浆料进行堆积。

工作原理：

(1)采用三维建模软件绘制出所需要打印的零件模型，将其保存成STL格式，导入到切片程序中完成切片，连接电脑与3D打印控制装置(1)，通过切片程序控制打印装置；

(2)将金属粉末添加到合适配比的光敏溶剂中，并搅拌均匀，以获得不含聚集体的均匀光敏浆料。配备好光敏浆料以后，通过进料口(9)注入到针筒(12)当中；

(3)通过直流电源(7)控制输出电流的大小，连接到直流减速电机(8)控制其转速。直流减速电机(8)控制螺旋挤压装置(10)的旋转速度，进而控制浆料流线的挤出速度。将直流减速电机(8)调整到合适转速，在螺旋挤压装置(9)的剪切力作用下，光敏浆料通过可拆卸针头(11)被挤出成一定直径的浆料流线，同时挤压装置的搅拌作用保证了粉末在光敏浆料中保持均匀分布，防止其沉降、团聚。

(4)当光敏浆料稳定挤出流线后，在打印平台(6)上均匀摊开，操作电脑运行3D打印控制装置(1)进行打印，同时调控激光固化装置(5)照射头输出激光的功率到合适范围，选区同步跟随照射到浆料流线平面上，使其迅速固化成形。

(5)坯体打印成形后，从平台上取下，获得复杂形状的金属坯体，经脱脂烧结后，获得高精度且复杂形状的金属零件。

Claims (2)

1.一种激光选区固化金属的3D打印装置，其特征在于：由3D打印控制装置(1)、浆料打印喷头(2)、固定架(3)、弹簧夹(4)、激光固化装置(5)、打印平台(6)、直流电源(7)组成；所述的浆料打印喷头(2)连接在固定架(3)上，由弹簧夹(4)夹持住；所述的激光固化装置(5)固定在浆料打印喷头(2)上，所述的3D打印控制装置(1)通过电脑控制系统控制打印平台(6)和浆料打印喷头(2)的移动，进而实现三维打印成形，再通过挤压装置实现打印浆料的沉积打印；同时，结合高精度激光光束实现沉积金属流线的同步扫描选区固化并保证打印零件的高精度；扫描路径与浆料打印喷头的走丝路径保持一致。

2.根据权利要求1所述的激光选区固化金属的3D打印装置，其特征在于：所述的浆料打印喷头(2)由直流减速电机(8)、进料口(9)、螺旋挤压装置(10)、可拆卸针头(11)和针筒(12)组成；所述的直流减速电机(8)为可调速的齿轮减速电机，固定在针筒(12)上部，输出轴端伸向针筒(12)内部，正负极连接直流电源(7)，用以驱动螺旋挤压装置(10)运转，通过调节直流电源(7)输出电流的大小控制电机转速；所述的可拆卸针头(11)连接针筒下端，具有不同孔径，可用于挤出不同直径的浆料流线；所述的针筒(12)上端侧壁有一进料口(9)实现连续进料。

Images