一种纳米级零部件激光烧结成型方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种纳米级零部件激光烧结成型方法及装置，包括混合进样系统、空气动力学透镜、共焦激光器组和工作台；混合进样系统具有一个缓冲腔。将纳米颗粒粉末置于粉末储存腔，该粉末经气体携带到混合腔，并与另一支路气体充分混合，所得气溶胶流进入缓冲腔，气体与纳米颗粒粉末进一步混合，压力和流速降低，得到雷诺数为200-700的流体；流体进一步以层流形式进入柱形腔体，经过每个透镜上的汇聚孔并聚焦后，以单颗粒流形式喷出；颗粒被工作台上涂有真空脂的烧结基体接收，并被共焦激光器组融化；通过工作台4在X、Y方向的移动，可获得具有纳米级成型精度的二维图样；通过在Z轴方向移动，可逐层堆叠获得具有纳米级成型精度的零部件。
【专利说明】一种纳米级零部件激光烧结成型方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光烧结成型设备，尤其涉及一种纳米级零部件激光烧结成型方法及
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【背景技术】
[0002]3D打印技术是一种非常流行的制造技术，有广泛的工业应用前景。与传统切除加工技术不同，3D打印是一种利用熔融金属、粉末或高分子聚合物等具有粘接性的材料，利用逐层堆叠原理来构造模型的技术。
[0003]常用3D打印方法用粘接剂将粉末层粘接起来形成薄层；从喷头内喷出熔融塑料，塑料凝固后粘接形成薄层；或者采用光敏材料通过光固化等方法逐层堆叠成型。通过3D打印，原理上可以制造出几乎任何形状的模型。
[0004]然而，加工精度是限制3D打印技术被进一步应用的瓶颈。激光粉末烧结成型近年来受到研究者们的关注。通过提高激光光斑的尺寸，能够提高成型精度。可以近似认为激光光斑尺寸就是其成型的最高精度。然而，随着微纳精密制造的发展，现有激光烧结成型设备的成型精度依然不能满足精密元件，如精密生物支架、航天航空精密仪器和光电元件等的要求。例如，生物支架成型精度一般要在200um到10nm，从而在表面形成微纳结构，以满足微观上细胞粘附、分化、增值等要求，。基于此，能否进一步提高3D打印的成型精度成为其能否被应用于使用要求更高的领域的关键。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种结构简单、成型精度高的纳米级零部件激光烧结成型方法及装置。与现有基于3D打印的零部件相比，本发明所制备的零部件具有纳米级成型精度，且制造、控制简便易行，可扩大3D打印零部件的应用领域。
[0006]本发明通过下述技术方案实现:
[0007]一种纳米级零部件激光烧结成型装置，包括混合进样系统1、空气动力学透镜2、共焦激光器组3和工作台4 ；
[0008]所述混合进样系统I连接空气动力学透镜2，空气动力学透镜2位于工作台4上方；
[0009]所述混合进样系统I包括一个缓冲腔1-6，该缓冲腔1-6腔体的内侧壁由上至下逐渐收缩，或者缓冲腔1-6的内侧壁与内底壁之间弧形过渡；
[0010]所述共焦激光器组3位于空气动力学透镜2与工作台4之间。
[0011]所述混合进样系统I还包括依次连接的进样机构、用于形成气溶胶流的混合腔1-5 ；
[0012]所述进样机构分为两个出口并联的支路，该两个支路中均包括依次连接的气源1-1和流量控制阀1-2 ；
[0013]该两个支路，其中一个支路的流量控制阀1-2与混合腔1-5之间设置粉末储存腔
1-4，在另外一个支路的流量控制阀1-2与混合腔1-5之间设置流量计1-3；
[0014]所述进样机构两个支路的出口并联后连接混合腔1-5，混合腔1-5再通过管路连接缓冲腔1-6。
[0015]所述缓冲腔1-6设置在空气动力学透镜2的上端部。
[0016]所述空气动力学透镜2包括柱形腔体2-1和设置在柱形腔体2-1下端部的喷嘴
2-3；
[0017]在柱形腔体2-1内设置透镜组2-2，该透镜组2-2由多个相互间隔、沿柱形腔体2-1轴向排列并固定在柱形腔体2-1内的透镜构成。
[0018]所述透镜组2-2的每个透镜上均开有汇聚孔，各汇聚孔的轴线与喷嘴2-3的轴线同轴。
[0019]柱形腔体2-1与水平面垂直；所述工作台4为活动平台，能在X、Y或Z轴方向运动。
[0020]每个透镜上的汇聚孔的孔径各不相同或者相同。
[0021]一种纳米级零部件的激光烧结成型方法如下:
[0022](I)启动两个支路的气源1-1，将气源1-1流量范围调节至2_20L/min，对应进入空气动力学透镜2的气溶胶流雷诺数范围为200-1000 ；
[0023](2)进入两个支路的气体携带粉末储存腔1-4中的纳米颗粒粉末，通过管路进入混合腔1-5内充分混合，并形成纳米颗粒气溶胶后再进入缓冲腔1-6 ；
[0024](3)气溶胶在缓冲腔1-6中缓冲，并进一步混合均匀，此时流速和压力下降；
[0025](4)接着，气溶胶流在缓冲腔1-6内缓冲后进入空气动力学透镜2，气溶胶流进入空气动力学透镜2前形成雷诺数为200-1000的层流流体；
[0026](5)气溶胶流体依次经过柱形腔体2-1的透镜上的汇聚孔；不同粒径范围的纳米颗粒由其中一级汇聚孔汇聚，经汇聚后的颗粒流保持沿柱形腔体2-1的轴线方向流动，并经喷嘴2-3喷出，仍保持轴线方向；
[0027](6)熔化后的纳米颗粒流熔覆于烧结基板4-1上，凝固后与基板粘结；
[0028](7) 二维图样的形成:调节工作台4在X、Y平面上移动，接收后续的纳米颗粒，纳米颗粒熔覆、凝固后形成二维图样；
[0029](8)三维零件模型的形成:工作台4在Z轴上移动，后续纳米颗粒熔覆于步骤7中二维图样上，逐层堆叠，得到三维零件模型；从而完成纳米级零部件的激光烧结成型。
[0030]如上所述。当汇聚后的颗粒流保持沿柱形腔体2-1的轴线方向流动，并经喷嘴2-3喷出，仍保持轴线方向，此时通过激光器组3激光器的多个共焦点，聚焦于纳米颗粒流轨迹并相邻于烧结基板表面4-1的上方，此时，激光器组3将纳米颗粒加热至熔点以上。
[0031]本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果:
[0032]通过混合进样系统1、空气动力学透镜2和共焦激光器组3的具体结构组合，改变了原有激光烧结成型设备提高精度的思路。
[0033]若在现有技术条件下，欲进一步提高激光光斑直径，则会遇有技术难度高、成本高等制约。而本装置通过加入空气动力学透镜结构及混合进样系统I等其他改进，即能将粉末精度显著的得以提高至纳米级，解除了激光光斑尺寸的限制。
[0034]与现有纳米级加工设备相比，本设备可粒子单向输运，熔滴熔覆位置可控。
[0035]本设备技术手段简便易行，设备可模块化设计、生产，具有积极的技术效果和良好的市场应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1为本发明纳米级零部件激光烧结成型装置结构示意图。
[0037]图2为图1透镜组结构示意图。
【具体实施方式】
[0038]下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
[0039]实施例
[0040]如图1、2所示。本发明一种纳米级零部件激光烧结成型装置，包括混合进样系统1、空气动力学透镜2、共焦激光器组3和工作台4 ;工作台4采用高精密工作台，其具有与纳米级零部件成型精度同数量级的移动精度。
[0041]所述混合进样系统I连接空气动力学透镜2，空气动力学透镜2位于工作台4上方；
[0042]所述混合进样系统I包括一个缓冲腔1-6，该缓冲腔1-6腔体的内侧壁由上至下逐渐收缩，或者缓冲腔1-6的内侧壁与内底壁之间弧形过渡；
[0043]所述共焦激光器组3位于空气动力学透镜2与工作台4之间。
[0044]所述混合进样系统I还包括依次连接的进样机构、用于形成气溶胶流的混合腔1-5 ；
[0045]所述进样机构分为两个出口并联的支路，该两个支路中均包括依次连接的气源1-1和流量控制阀1-2 ;气源1-1宜采用氦气，排量范围涵盖2-20L/min。
[0046]该两个支路，其中一个支路的流量控制阀1-2与混合腔1-5之间设置粉末储存腔
1-4，该支路的流量为2-5L/min;在另外一个支路的流量控制阀1_2与混合腔1_5之间设置流量计1-3，该支路的排量范围涵盖2-20L/min ；
[0047]所述进样机构两个支路的出口并联后连接混合腔1-5，混合腔1-5再通过管路连接缓冲腔1-6。
[0048]所述缓冲腔1-6设置在空气动力学透镜2的上端部。
[0049]所述空气动力学透镜2包括柱形腔体2-1和设置在柱形腔体2-1下端部的喷嘴
2-3；
[0050]在柱形腔体2-1内设置透镜组2-2，该透镜组2-2由多个相互间隔、沿柱形腔体
2-1轴向排列并固定在柱形腔体2-1内的透镜构成。透镜具有3-5级，柱形腔体2-1的内径约 25mm。
[0051]所述透镜组2-2的每个透镜上均开有汇聚孔，各汇聚孔的轴线与喷嘴2-3的轴线同轴。
[0052]柱形腔体2-1与水平面垂直；所述工作台4为活动平台，能在X、Y或Z轴方向运动。
[0053]根据实际工作需要，该每个透镜上的汇聚孔的孔径各不相同或者相同。
[0054]纳米级零部件的激光烧结成型方法可通过如下实现:
[0055]首先将纳米颗粒粉末置于粉末储存腔1-4，该粉末经气体携带到混合腔1-5，并与另一支路气体充分混合；所得气溶胶流进入缓冲腔1-6，气体与纳米颗粒粉末进一步混合，压力和流速降低，得到雷诺数为200-700的流体；流体进一步以层流形式进入由多个相互间隔、沿柱形腔体2-1轴向排列并固定在柱形腔体2-1内的透镜，经过每个透镜上的汇聚孔并聚焦后，以单颗粒流形式喷出；颗粒被工作台4上涂有真空脂的烧结基体接收，并被共焦激光器组3的激光器融化；通过工作台4在X、Y方向的移动，即可获得具有纳米级成型精度的二维图样；通过在Z轴方向移动，即可逐层堆叠获得具有纳米级成型精度的零部件。
[0056]以下作进一步具体说明:
[0057](I)启动两个支路的气源1-1，将气源1-1流量范围调节至2_20L/min，对应进入空气动力学透镜2的气溶胶流雷诺数范围为200-1000 ；
[0058](2)进入两个支路的气体携带粉末储存腔1-4中的纳米颗粒粉末，通过管路进入混合腔1-5内充分混合，并形成纳米颗粒气溶胶后再进入缓冲腔1-6 ；
[0059](3)气溶胶在缓冲腔1-6中缓冲，并进一步混合均匀，此时流速和压力下降；缓冲腔1-6的内径约75mm。
[0060](4)接着，气溶胶流在缓冲腔1-6内缓冲后进入空气动力学透镜2，气溶胶流进入空气动力学透镜2前形成雷诺数为200-1000的层流流体；
[0061](5)气溶胶流体依次经过柱形腔体2-1的透镜上的汇聚孔；不同粒径范围的纳米颗粒由其中一级汇聚孔汇聚，经汇聚后的颗粒流保持沿柱形腔体2-1的轴线方向流动，并经喷嘴2-3喷出，仍保持轴线方向；
[0062](6)熔化后的纳米颗粒流熔覆于烧结基板4-1上，凝固后与基板粘结；
[0063](7) 二维图样的形成:调节工作台4在X、Y平面上移动，接收后续的纳米颗粒，纳米颗粒熔覆、凝固后形成二维图样；
[0064](8)三维零件模型的形成:工作台4在Z轴上移动，后续纳米颗粒熔覆于步骤7中二维图样上，逐层堆叠，得到三维零件模型；从而完成纳米级零部件的激光烧结成型。
[0065]如上所述。当汇聚后的颗粒流保持沿柱形腔体2-1的轴线方向流动，并经喷嘴2-3喷出，仍保持轴线方向，此时通过激光器组3激光器的多个共焦点，聚焦于纳米颗粒流轨迹并相邻于烧结基板表面4-1的上方，此时，激光器组3将纳米颗粒加热至熔点以上。
[0066]如上所述，便可较好地实现本发明。
[0067]本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种纳米级零部件激光烧结成型装置，其特征在于:包括混合进样系统(I)、空气动力学透镜(2)、共焦激光器组(3)和工作台(4)； 所述混合进样系统(I)连接空气动力学透镜(2)，空气动力学透镜(2)位于工作台(4)上方； 所述混合进样系统(I)包括一个缓冲腔(1-6)，该缓冲腔(1-6)腔体的内侧壁由上至下逐渐收缩，或者缓冲腔(1-6)的内侧壁与内底壁之间弧形过渡； 所述共焦激光器组(3)位于空气动力学透镜(2)与工作台(4)之间。
2.根据权利要求1所述的纳米级零部件激光烧结成型装置，其特征在于:所述混合进样系统(I)还包括依次连接的进样机构、用于形成气溶胶流的混合腔(1-5)； 所述进样机构分为两个出口并联的支路，该两个支路中均包括依次连接的气源(1-1)和流量控制阀(1-2)； 该两个支路，其中一个支路的流量控制阀(1-2)与混合腔(1-5)之间设置粉末储存腔(1-4)，在另外一个支路的流量控制阀(1-2)与混合腔(1-5)之间设置流量计(1-3)。
3.根据权利要求2所述的纳米级零部件激光烧结成型装置，其特征在于:所述进样机构两个支路的出口并联后连接混合腔(1-5)，混合腔(1-5)再通过管路连接缓冲腔(1-6)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的纳米级零部件激光烧结成型装置，其特征在于:所述缓冲腔(1-6)设置在空气动力学透镜(2)的上端部。
5.根据权利要求4所述的纳米级零部件激光烧结成型装置，其特征在于:所述空气动力学透镜(2)包括柱形腔体(2-1)和设置在柱形腔体(2-1)下端部的喷嘴(2-3)； 在柱形腔体(2-1)内设置透镜组(2-2)，该透镜组(2-2)由多个相互间隔、沿柱形腔体(2-1)轴向排列并固定在柱形腔体(2-1)内的透镜构成。
6.根据权利要求5所述的纳米级零部件激光烧结成型装置，其特征在于:所述透镜组(2-2)的每个透镜上均开有汇聚孔，各汇聚孔的轴线与喷嘴(2-3)的轴线同轴。
7.根据权利要求5所述的纳米级零部件激光烧结成型装置，其特征在于:柱形腔体(2-1)与水平面垂直；所述工作台(4)为活动平台，能在X、Y或Z轴方向运动。
8.根据权利要求5所述的纳米级零部件激光烧结成型装置，其特征在于:每个透镜上的汇聚孔的孔径各不相同或者相同。
9.一种纳米级零部件的激光烧结成型方法，其特征在于采用权利要求1至8中任一项所述纳米级零部件激光烧结成型装置烧结，烧结步骤如下: 首先将纳米颗粒粉末置于粉末储存腔1-4，该粉末经气体携带到混合腔1-5，并与另一支路气体充分混合；所得气溶胶流进入缓冲腔1-6，气体与纳米颗粒粉末进一步混合，压力和流速降低，得到雷诺数为200-700的流体；流体进一步以层流形式进入由多个相互间隔、沿柱形腔体2-1轴向排列并固定在柱形腔体2-1内的透镜，经过每个透镜上的汇聚孔并聚焦后，以单颗粒流形式由喷嘴(2-3)喷出；该单颗粒被工作台4上涂有真空脂的烧结基体接收，并被共焦激光器组3的激光器融化；通过工作台4在X、Y方向的移动，即可获得二维图样；通过在Z轴方向移动，即可逐层堆叠获得三维零部件。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，具体步骤如下: I)启动两个支路的气源1-1，将气源(1-1)流量范围调节至2-20L/min，对应进入空气动力学透镜(2)的气溶胶流雷诺数范围为200-1000 ； 2)进入两个支路的气体携带粉末储存腔(1-4)中的纳米颗粒粉末，通过管路进入混合腔(1-5)内充分混合，并形成纳米颗粒气溶胶后再进入缓冲腔(1-6)； 3)气溶胶在缓冲腔(1-6)中缓冲，并进一步混合均匀，此时流速和压力下降； 4)接着，气溶胶流在缓冲腔(1-6)内缓冲后进入空气动力学透镜(2)，气溶胶流进入空气动力学透镜(2)前形成雷诺数为200-1000的层流流体； 5)气溶胶流体依次经过柱形腔体(2-1)的透镜上的汇聚孔；不同粒径范围的纳米颗粒由其中一级汇聚孔汇聚，经汇聚后的颗粒流保持沿柱形腔体(2-1)的轴线方向流动，并经喷嘴(2-3)喷出，仍保持轴线方向； 6)熔化后的纳米颗粒流熔覆于烧结基板(4-1)上，凝固后与基板粘结； 7)二维图样的形成:调节工作台(4)在X、Y平面上移动，接收后续的纳米颗粒，纳米颗粒熔覆、凝固后形成二维图样； 8)三维零件模型的形成:工作台(4)在Z轴上移动，后续纳米颗粒熔覆于步骤7中二维图样上，逐层堆叠，得到三维零件模型；从而完成纳米级零部件的激光烧结成型。
【文档编号】B22F3/105GK104385605SQ201410720715
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月27日 优先权日:2014年11月27日
【发明者】汤勇, 张仕伟, 曾健, 李文博, 陈灿 申请人:华南理工大学