一種激光復(fù)合輪廓掃描的3d打印方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于3D打印(增材制造)領(lǐng)域，涉及一種激光復(fù)合輪廓掃描的3D打印裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]快速成型技術(shù)又稱3D打印技術(shù)，自上個(gè)世紀(jì)80年代發(fā)展至今，其優(yōu)越性已獲得世人認(rèn)可，目前國內(nèi)外有眾多大專院校、科研院所和企業(yè)在進(jìn)行3D打印技術(shù)的研究。3D打印技術(shù)是典型的疊層制造技術(shù)，通過對(duì)目標(biāo)件的三維模型按一定層厚逐層切片處理得到二維數(shù)據(jù)，逐層加工，層層堆積成型。
[0003]目前采用激光為能量源且打印粉體材料的主要分為以下幾種方法:選擇性激光燒結(jié)方法(Selective Laser Sintering，SLS)、選擇性激光融化方法(Selective LaserMelting，SLM)、輪廓失效方法(Profile Invalidat1n Laser Rapid Prototyping，PIRP)，其中應(yīng)用于大幅面工業(yè)級(jí)3D打印中主要是SLS及PIRP法。PIRP法雖然僅對(duì)輪廓進(jìn)行失效掃描，相對(duì)于SLS具有高效率，高精度的優(yōu)勢，但需要加熱系統(tǒng)，對(duì)整幅面進(jìn)行加熱預(yù)固結(jié)，幅面越大加熱時(shí)間越長，影響整體加工效率，材料利用率低且對(duì)于內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件去除廢料較困難。如何提高打印的效率、材料利用率及復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型的打印精度越來越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的提供一種激光復(fù)合輪廓掃描的3D打印方法。該方法采用大光斑激光進(jìn)行輪廓掃描粘接固結(jié)與PIRP輪廓失效的高效掃描失效工藝相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)復(fù)合輪廓掃描完成殼型件的打印。
[0005]本方法具體包括以下步驟:
[0006](I)在計(jì)算機(jī)上繪制零件三維CAD模型，使用切片軟件對(duì)CAD模型進(jìn)行切片，生成模型切片信息，得到每層CAD模型的二維輪廓，獲取二維輪廓數(shù)據(jù)，如圖1;所述的每層CAD模型的層厚為0.05?I.0mm0
[0007](2)對(duì)CAD模型的二維輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到輪廓掃描粘接路徑和輪廓掃描失效路徑;計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)置粘接及失效過程中激光掃描的工藝參數(shù);所述的工藝參數(shù)包括激光功率為50W?2500W，掃描速度為200?1500mm/s。
[0008](3)成型腔活塞下降一層厚的距離，鋪粉系統(tǒng)將松散的覆膜砂平鋪在成型腔內(nèi)，完成鋪粉過程;所述的層厚為0.05mm?1.0mm。
[0009](4)將步驟2中得到的掃描粘接路徑、掃描失效路徑和工藝參數(shù)導(dǎo)入控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)按掃描粘接路徑，采用激光大光斑對(duì)覆膜砂進(jìn)行快速輪廓掃描，使覆膜砂受熱固結(jié)，形成與每層二維輪廓一致的固結(jié)殼;控制系統(tǒng)按掃描失效路徑，采用激光小光斑對(duì)固結(jié)殼進(jìn)行快速輪廓掃描，使固結(jié)殼受熱升溫至失效溫度以上失去固結(jié)性能，形成與每層二維輪廓相一致的失效分割線。所述的大光斑直徑范圍為2?12mm;小光斑直徑范圍為0.03?0.3mm ο
[0010](5)重復(fù)步驟(3)及步驟(4)，逐層加工完成整個(gè)CAD模型的輪廓掃描，完成打印過程，在成型腔中得到尺寸略大于CAD模型的殼型件，失效分割線組成失效分割層，失效分割層將殼型件分為殘料殼和有效殼，其中與CAD模型對(duì)應(yīng)的實(shí)體有交集的為有效殼，否則為殘料殼。
[0011](6)清理殼型件外松散的覆膜砂殘料，用原砂對(duì)殼型件進(jìn)行包覆，再對(duì)包覆后的殼型件進(jìn)行整體加熱，冷卻至室溫后清除原砂，得到具有一薄層殘料殼的固結(jié)件。所述的殘料殼壁厚為0.5mm?5mm便于殘料的剝離。
[0012](7)對(duì)固結(jié)件的殘料殼進(jìn)行剝離，得到與CAD模型相一致的三維實(shí)體。
[0013]本發(fā)明保留原PIRP方法輪廓均失效過程，所以具有原有高精度、高表面光潔度等特點(diǎn)，采用大光斑激光進(jìn)行輪廓掃描粘接完成輪廓加熱固結(jié)，省去了PIRP法整幅面輻射加熱固結(jié)，大幅度提高了打印效率及材料利用率。殘余料大量降低，使后期的剝離殘料過程變得簡便，進(jìn)而大幅度提高了打印件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和成型精度。
[0014]與SLS法成型過程相比，本發(fā)明的方法采用輪廓掃描粘接，非全面域掃描粘接，并且大光斑掃描線寬遠(yuǎn)高于SLS掃描線寬，所以成型效率上要遠(yuǎn)高于SLS法。本發(fā)明打印方法的加工時(shí)間主要與零件的表面積成正比，而SLS法的打印時(shí)間主要與制件體積成正比，隨著制件體積的增大，本發(fā)明方法的加工效率優(yōu)勢會(huì)更大。
[0015]本發(fā)明的有益效果為:打印精度高、表面光潔度好，極大降低了加工時(shí)間及殘余料量進(jìn)而提高了打印效率、材料利用率及復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型的打印精度。
[0016]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明提供的激光復(fù)合輪廓掃描的3D打印方法。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)及掃描示意正視圖；
[0018]圖2是本發(fā)明掃描不意俯視圖；
[0019]圖3是本發(fā)明打印方法流程圖；
[0020]圖4A為毛坯件示意圖；
[0021 ]圖4B為毛坯件三維局部剖視圖；
[0022]圖4C為殘料殼剝離示意圖；
[0023]圖4D為實(shí)體示意圖；
[0024]圖中:I計(jì)算機(jī);2鋪粉系統(tǒng);3激光系統(tǒng);4成型腔活塞;5分割層;6覆膜砂;7殘料殼；8有效殼;9工作平臺(tái)；10成型腔;11控制系統(tǒng)。
具體實(shí)施方案
[0025]本發(fā)明提出了一種激光復(fù)合輪廓掃描3D打印方法，該方法采用大光斑激光掃描輪廓粘接與小光斑激光掃描輪廓失效復(fù)合工藝對(duì)打印材料進(jìn)行殼型打印制造。具體包括以下步驟:
[0026](I)在計(jì)算機(jī)I繪制零件三維CAD模型，使用切片軟件對(duì)CAD模型進(jìn)行切片，生成模型切片信息，得到每層CAD模型的二維輪廓，獲取二維輪廓數(shù)據(jù)，如圖1;
[0027](2)對(duì)CAD模型的二維輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到輪廓掃描粘接路徑和輪廓掃描失效路徑；
[0028](3)成型腔活塞4下降一層厚的距離，鋪粉系統(tǒng)2將松散的覆膜砂6平鋪在成型腔10內(nèi)，完成鋪粉過程；
[0029](4)將步驟2中得到的掃描粘接路徑、掃描失效路徑和工藝參數(shù)導(dǎo)入控制系統(tǒng)11中，控制系統(tǒng)11按掃描粘接路徑，采用激光大光斑對(duì)覆膜砂6進(jìn)行快速輪廓掃描，使覆膜砂6受熱固結(jié)，形成與每層二維輪廓一致的固結(jié)殼;控制系統(tǒng)11按掃描失效路徑，采用激光小光斑對(duì)固結(jié)殼進(jìn)行快速輪廓掃描，使固結(jié)殼受熱升溫至失效溫度以上失去固結(jié)性能，形成與每層二維輪廓相一致的失效分割線，多條分割線組成分割層5;
[0030](5)重復(fù)步驟(3)及步驟(4)，逐層加工完成整個(gè)CAD模型的輪廓掃描，完成打印過程，在成型腔中得到尺寸略大于CAD模型的殼型件，失效分割層5將殼型件分為殘料殼7和有效殼8，其中與CAD模型對(duì)應(yīng)的實(shí)體有交集的為有效殼8，否則為殘料殼7。
[0031](6)清理殼型件外松散的覆膜砂6殘料，用原砂對(duì)殼型件進(jìn)行包覆，再對(duì)包覆后的殼型件進(jìn)行整體加熱，冷卻至室溫后清除原砂，得到具有一薄層殘料殼7的固結(jié)件。
[0032](7)對(duì)固結(jié)件的殘料殼進(jìn)行剝離，得到與CAD模型相一致的三維實(shí)體。
[0033]下面以以覆膜砂為材料打印“凸”字型實(shí)體結(jié)合為例，附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步論述。
[0034]首先在計(jì)算機(jī)I中完成“凸”字型的三維CAD模型的造型設(shè)計(jì)，再進(jìn)行Z向0.3毫米分層，并提取每一層的輪廓線信息作為母版數(shù)據(jù)，根據(jù)該數(shù)據(jù)分別生成用于輪廓掃描粘接及輪廓掃描失效的兩類路徑。
[0035]啟動(dòng)控制系統(tǒng)11，激光光斑直徑及能量密度進(jìn)行分類設(shè)置，滿足兩種掃描方法的工藝參數(shù)要求。鋪粉系統(tǒng)2在工作平臺(tái)9上鋪上一個(gè)0.3毫米層厚的覆膜砂6，激光光束3在控制系統(tǒng)11的控制下，首先調(diào)整光斑直徑與能量密度，選擇大光斑激光對(duì)該層覆膜砂進(jìn)行“凸”字型的二維輪廓掃描粘接，使覆膜砂6升溫固結(jié)在成型腔10內(nèi)固結(jié)成殼。其中包覆模型殘料殼7的厚度，取決于輪廓掃描粘接路徑與輪廓掃描失效路徑的相對(duì)距離。
[0036]完成數(shù)據(jù)處理后，選擇小光斑沿著輪廓掃描失效路徑對(duì)當(dāng)前固結(jié)殼進(jìn)行輪廓掃描，使覆膜砂6升溫至樹脂碳化的溫度以上，使其失去固結(jié)性能，形成能使有效殼8與殘料殼7的切割分離的分割層5，完成復(fù)合輪廓掃描，殼型內(nèi)部及外部均為松散的覆膜砂6。然后控制系統(tǒng)11控制活塞4下降0.3毫米，進(jìn)行下一層的鋪粉、復(fù)合輪廓線掃描，直到完成整個(gè)模型的輪廓掃描。
[0037]完成打印加工后的后處理過程如圖4，先去除沒有固結(jié)的覆膜砂，獲得毛坯殼型件如圖4A，其中圖4B為三維局部剖視圖。主要包括殘料殼7、有效殼8、心部被包覆的覆膜砂6及分割層5。對(duì)該毛坯殼型件用和覆膜砂具有相同熱性能的原砂回填到成型腔后整體加熱最終強(qiáng)化，加熱溫度及時(shí)間參考與工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果即180°C保溫lh。加熱固化完成后將毛坯殼型件取出后，將殘料殼I進(jìn)行剝離得到成型件如圖4D。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種激光復(fù)合輪廓掃描的3D打印方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)在計(jì)算機(jī)(I)上繪制零件三維CAD模型，使用切片軟件對(duì)CAD模型進(jìn)行切片，生成模型切片信息，得到每層CAD模型的二維輪廓，獲取二維輪廓數(shù)據(jù)； 2)處理CAD模型的二維輪廓數(shù)據(jù)，得到輪廓掃描粘接路徑和輪廓掃描失效路徑;在計(jì)算機(jī)(I)內(nèi)設(shè)置粘接及失效過程中激光掃描的工藝參數(shù)； 3)成型腔活塞(4)下降一層厚距離，鋪粉系統(tǒng)(2)將覆膜砂(6)平鋪在成型腔(10)內(nèi)，完成鋪粉過程； 4)將步驟2)中得到的掃描粘接路徑、掃描失效路徑和工藝參數(shù)導(dǎo)入控制系統(tǒng)(11)中，控制系統(tǒng)(11)按掃描粘接路徑，采用激光大光斑對(duì)覆膜砂(6)進(jìn)行快速輪廓掃描，覆膜砂(6)受熱固結(jié)，形成與每層二維輪廓一致的固結(jié)殼;控制系統(tǒng)(11)按掃描失效路徑，采用激光小光斑對(duì)固結(jié)殼進(jìn)行快速輪廓掃描，固結(jié)殼受熱升溫至失效溫度以上失去固結(jié)性能，形成與每層二維輪廓相一致的失效分割線;所述的大光斑直徑范圍為2?12mm;小光斑直徑范圍為0.03 ?0.3mm； 5)重復(fù)步驟3)及步驟4)，逐層加工完成整個(gè)CAD模型的輪廓掃描，完成打印過程;在成型腔(10)中得到尺寸略大于CAD模型的殼型件，失效分割線將殼型件分為殘料殼(7)和有效殼(8)，其中，與CAD模型對(duì)應(yīng)的實(shí)體有交集的為有效殼(8)，否則為殘料殼(7); 6)清理殼型件外覆膜砂(6)殘料，用原砂對(duì)殼型件進(jìn)行包覆，再對(duì)包覆后的殼型件進(jìn)行整體加熱，冷卻至室溫后清除原砂，得到具有殘料殼(7)的固結(jié)件； 7)剝離固結(jié)件上的殘料殼(7)，得到與CAD模型相一致的三維實(shí)體。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述的步驟I)中每層CAD模型的層厚為0.05?1.0mm;所述的步驟3)中下降的層厚距離為0.05mm?1.0_。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的3D打印方法，其特征在于，所述的步驟6)中殘料殼壁厚為0.5mm ?5mm04.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的3D打印方法，其特征在于，所述的工藝參數(shù)包括激光功率為50W?2500W，掃描速度200?1500mm/s。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的3D打印方法，其特征在于，所述的工藝參數(shù)包括激光功率為50W ?2500W，掃描速度 200 ?1500mm/s。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于激光3D打印的激光復(fù)合輪廓掃描方法，在激光3D打印過程中通過利用激光光束光斑直徑和能量密度的調(diào)整和變化，得到不同光束直徑的光束，即高能量密度的小光斑光束；低能量密度的大光斑光束，對(duì)模型輪廓進(jìn)行復(fù)合掃描，用低能量密度的大光斑實(shí)現(xiàn)輪廓掃描粘接固化，用高能量密度的小光斑實(shí)現(xiàn)輪廓掃描失效，最終完成滿足尺寸精度和強(qiáng)度要求的殼型制作。
【IPC分類】B29C67/00, B33Y50/02, B33Y50/00
【公開號(hào)】CN105538712
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510992597
【發(fā)明人】姚平坤, 童強(qiáng), 張雪, 姚山
【申請(qǐng)人】大連理工大學(xué)
【公開日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2015年12月25日