一种快速多烧结增材制造设备及方法与流程

文档序号：12374244阅读：210来源：国知局

本发明涉及一种快速多烧结增材制造设备及方法，属于增材制造技术，特别属于基于粉末烧结的增材制造技术领域。

背景技术：

目前，增材制造技术经过几十年的发展在工业生产中的应用日益广泛。其中，激光选择烧结(SLS)技术将粉末通过激光扫描的方式烧结在一起形成所需要的零件，它的应用材料广泛，成型精度高，零件的机械性能好，所以在工业应用领域得到越来越多的应用来制作功能零件。

美国专利US 4863538 A公开了一种通过选择性烧结制造部件的方法和设备。该设备包括计算机控制激光器以将激光能量引导到粉末上以产生烧结块。对于每个横截面，激光束的目标在粉末层上扫描，并且烧结横截面边界内的粉末。通过施加后续层粉末并进行所述的扫描烧结直到形成完整的部件。该技术的SLS成型方式因为是一条或几条激光线扫描成型粉末，使其温度升高达到烧结的目的，这种扫描的方式成型速度较慢，限制了该技术的应用范围。

例如，公开号为CN106322983A的专利公开了一种义齿软质合金烧结炉，涉及高温烧结设备领域。一种义齿软质合金烧结炉，包括环形炉膛加热系统，气体供气系统，烧结盘套装系统，载料台升降系统，人机控制系统五部分组成。所述烧结盘套装系统采用一大一小高温陶瓷烧结盘组成的保护气氛循环系统，所述气体供气系统所供气体为保护气体，所述保护气体为氩气，所述载料台升降系统为电动力升降系统，气体供气系统设置有流量计，气体供气系统由气管和烧结盘套装系统连接。

例如，公开号为CN106310540A的专利公开了一种用于中子捕获治疗的射束整形体，包括射束入口、靶材、邻接于靶材的缓速体、包围在缓速体外的反射体、与缓速体邻接的热中子吸收体、设置在射束整形体内的辐射屏蔽和射束出口，靶材与自射束入口入射的质子束发生核反应以产生中子，中子形成限定一根主轴的中子射束，缓速体将自靶材产生的中子减速至超热中子能区，缓速体的材料由含有LiF、Li2CO3、Al2O3、AlF3、CaF2或MgF2中的至少一种材料制成，其经粉末烧结设备通过粉末烧结工艺由粉末或粉末压坯变成块，反射体将偏离主轴的中子导回主轴以提高超热中子射束强度，热中子吸收体用于吸收热中子以避免治疗时与浅层正常组织造成过多剂量，辐射屏蔽用于屏蔽渗漏的中子和光子以减少非照射区的正常组织剂量。

例如，公开号为CN205881682U的专利公开了一种应用于环形铁氧体磁芯的工艺环。工艺环整体为圆环形结构，工艺环上下表面为平面，下表面上设置有两个以上的通风口；通风口为设置在铁氧体磁芯工艺环下表面上的凹槽，凹槽连通工艺环内外侧面；凹槽为圆弧型结构，凹槽深度不高于工艺环侧面宽度的二分之一，凹槽宽度不高于工艺环内侧面半径的长度。本实用新型结构新颖，设计简单合理。通过在工艺环上设置贯通工艺环内外侧面的通风口，烧结设备提供的风流可通过四个通风口从圆筒下部进入，再从上部排出，形成风流循环。例如，公开号为CN205860766U的专利公开了一种氧化锆烧结炉，包括环形炉膛加热系统，烧结炉炉体，烧结盘，载料台升降系统，人机控制系统五部分组成。所述人机控制系统采用触屏PID+PLC控制系统，加热曲线实时动态显示，烧结工艺曲线可编辑预存，烧结数据可以自动保存，配置USB接口，可与PC远程控制，所述载料台升降系统采用自动升降结构，所述烧结盘采用可叠放结构，所述环形炉膛加热系统采用加热元件环形布置结构。

综上所述，传统的现有技术的不足之处在于传统的SLS/SLM成型方式因为是一条或几条激光线扫描成型，成型速度较慢；基于粉末的3DP增材制造技术因为是向粉末喷涂胶水，其初始成型强度不高，后续处理复杂，难于成型功能零件。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够克服上述技术问题的快速多烧结增材制造设备及方法。本发明克服传统技术的不足，提出了快速多烧结(Fast Multi-Sintering)增材制造方法及实现快速多烧结增材制造方法的设备，本发明在保持SLS/SLM成型精度的同时也提高了成型速度。

本发明的快速多烧结增材制造设备由安装在机架上的粉床子系统、面烧结子系统和线烧结子系统组成；所述粉床子系统包括垂直升降的成型平台、粉末运送装置和粉末铺设装置，所述粉末运送装置将成型粉末输送至所述粉末铺设装置，所述粉末铺设装置将所述成型粉末堆积在所述成型平台上方构成粉床，所述粉床上表面包含进行烧结固化的烧结区域，所述烧结区域由面烧结区域以及包围在面烧结区域外的线烧结区域组成；所述面烧结子系统包括热辐射源和面烧结引发装置；所述面烧结引发装置能够改变面烧结区域的成型粉末对于所述热辐射源的辐射吸收率，从而使该面烧结区域的成型粉末通过吸收热辐射源的辐射导致其温度升高达到烧结；所述线烧结子系统包括线烧结能量源、激光扫描装置和聚焦装置；所述聚焦装置将线烧结能量源的辐射聚焦在所述粉床的上表面，并由所述激光扫描装置在所述线烧结区域扫描，使该区域的成型粉末通过吸收线烧结能量源的辐射导致其温度升高达到烧结。

面烧结以二维平面的方式进行，其烧结的速度快，但是由于所述热辐射源的功率限制以及成型粉末对所述热辐射源的辐射吸收率的变化率范围，面烧结区域和非烧结区域的温差较小，特别是在烧结区域到非烧结区域的过渡部分的温差梯度相对缓和，面烧结轮廓精度往往不高，所述非烧结区域是指烧结区域以外的部分。

为克服面烧结轮廓精度不高的问题，在面烧结区域外包围有线烧结区域，线烧结子系统聚焦线烧结能量源在粉床的烧结区域达到更高烧结功率密度，具有更高的烧结轮廓精度，不过，因为以线扫描的方式进行，线烧结的速度相对较低。

所述面烧结引发装置包括安装在水平运动装置上的液体数控喷头，所述液体数控喷头将辐射吸收剂喷洒到所述面烧结区域并改变该区域对所述热辐射源的辐射吸收率。

所述面烧结引发装置包括引发光投影装置并且所述成型粉末包含感光材料，所述引发光投影装置将引发光投影到所述面烧结区域，使所述成型粉末的感光材料的吸收光谱发生变化，从而改变其对热辐射源的辐射的吸收率，并导致所述面烧结区域的成型粉末温度升高达到烧结。

所述线烧结能量源为激光。所述成型粉末为尼龙粉末。由于粉末3D打印机的基本结构已经是标配，是公知技术，所以没有做过多说明。

本发明的快速多烧结增材制造方法，包括以下步骤：

1、将每层成型区域即烧结区域分为面烧结区域和包围在面烧结区域外的线烧结区域。所述线烧结区域包括成型区域的外轮廓，还能够包括按照一定填充比例来规划的内部连接筋结构，所述一定填充比例具体为大于0小于50％的填充比例；面烧结区域为其余的内部封闭平面空间。线烧结区域通过激光烧结能够提高精度；面烧结区域通过辐射照射的方式烧结有利于提高成型速度。

2、粉床上方设置热辐射源；

3、在粉床上铺设一层成型粉末，形成工作层成型粉末；

4、在该层成型粉末上通过聚焦和扫描线烧结能量源的辐射烧结成型所述线烧结区域；

5、改变工作层成型粉末部分区域对于热辐射源辐射的吸收率，使得面烧结区域由于更多地吸收热辐射源的辐射导致其温度升高产生烧结；一方面改变对热源辐射的吸收率有多种方法，包括但不局限于喷洒热源辐射吸收剂，通过引发光改变成型粉末中感光材料的吸收频谱；另一方面改变热源辐射吸收率是正像也能是负像的，例如能使烧结区域的辐射吸收率增大，也能使非烧结区域的辐射吸收率减小；

6、在所述粉床上再铺设一层成型粉末，形成工作层成型粉末；

7、在该层成型粉末上通过聚焦和扫描线烧结能量源的辐射烧结成型所述线烧结区域，并和前一层的已烧结部分结合在一起；

8、改变工作层成型粉末部分区域对于热辐射源辐射的吸收率，使得面烧结区域由于更多地吸收热辐射源的辐射导致其温度升高产生烧结，并和前一层的已烧结部分结合在一起；

9、重复步骤6至步骤8直到完成整个成型过程。

另外，对于悬空区域，工作层烧结区域对应重叠的前一层部分为非烧结区域则采用线烧结方式以提高成型精度。

本发明的优点是将面烧结和线烧结相结合并极大地提高了成型的速度同时也保证了成型的精度。

附图说明

图1是本发明所述快速多烧结增材制造设备的整体结构示意图；

图2是本发明所述水平运动装置的结构示意图；

图3是用本发明加工完成的成型零件结构示意图。

图中，1-机架，2-激光扫描装置，3-液体数控喷头，4-水平运动装置，5-辐射吸收剂，6-成型粉末，7-热辐射源，8-粉末储藏腔，9-粉末成型腔，10-粉末推送平台，11-成型平台，12-粉末铺设装置，13-面烧结区域，14-线烧结区域，15-喷墨子系统横向导轨，16-喷墨子系统横向滑块，17-喷墨子系统纵向导轨，18-喷墨子系统纵向滑块，19-成型区域骨干外轮廓，20-成型区域骨干连接筋。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。粉末增材制造设备的基本构造、粉末处理、粉末储藏、粉末运送、粉末铺设以及增材制造方法涉及的模型切片生成每层的成型区域并且分层构造的原理是公知技术，这里不再累述。

如图1所示，本发明的快速多烧结增材制造设备由安装在机架1上的粉床子系统、激光扫描子系统、喷墨打印子系统和热辐射源7构成。

所述粉床子系统包括垂直升降的成型平台11、粉末运送装置和粉末铺设装置12；所述粉末运送装置由粉末储藏腔8和粉末推送平台10构成；所述粉末推送平台10是粉末运送装置的一部分。所述粉末铺设装置将所述成型粉末6堆积在所述成型平台11上方构成粉床，即所述粉床由粉末成型腔9和成型平台11之间的成型粉末6构成；所述粉床上表面包含进行烧结固化的烧结区域，所述烧结区域由面烧结区域以及包围在面烧结区域外的线烧结区域组成。

所述面烧结子系统包括热辐射源7和面烧结引发装置；所述面烧结引发装置能够改变面烧结区域的成型粉末对于所述热辐射源的辐射吸收率，从而使该面烧结区域的成型粉末通过吸收热辐射源的辐射导致其温度升高达到烧结；例如，所述面烧结引发装置为喷墨打印子系统，其喷出的墨水能改变成型粉末对于所述热辐射源的辐射吸收率；所述喷墨打印子系统包括输液装置、喷头维护装置、水平运动装置4以及安装在水平运动装置4上的液体数控喷头3。

所述激光扫描子系统作为线烧结子系统包括激光器(图中未示出)、激光扫描装置2和聚焦装置(图中未示出)；所述聚焦装置将线烧结能量源的辐射聚焦在所述粉床的上表面，并由所述激光扫描装置2在所述线烧结区域扫描，使该区域的成型粉末通过吸收线烧结能量源的辐射导致其温度升高达到烧结。图2为面烧结引发装置数控喷头的结构示意图。

如图2所示的水平运动装置，包括，安装在机架1上的两条喷墨子系统横向导轨15，以及能够分别在所述喷墨子系统横向导轨15上滑动的两个喷墨子系统横向滑块16，在所述两个喷墨子系统横向滑块16之间安装有喷墨子系统纵向导轨17，喷墨子系统纵向滑块18在所述喷墨子系统纵向导轨17上纵向运动。所以，所述喷墨子系统纵向滑块18能够在所述喷墨子系统横向导轨15和所述喷墨子系统纵向导轨17限定的区域内做水平运动。另外，在所述喷墨子系统纵向滑块18上安装有液体数控喷头3，液体数控喷头3也能够在所述喷墨子系统横向导轨15和所述喷墨子系统纵向导轨17限定的区域内做水平运动，而且所述喷墨子系统横向导轨15和所述喷墨子系统纵向导轨17限定的区域会覆盖粉末成型腔9内的成型平台11的区域，完成设定的喷墨操作。

热辐射源7的辐射为红外线，特别是近红外，同时热辐射源7的辐射也包含可见光成分；热辐射源7的选择包括但不局限于陶瓷红外源、卤素灯、碳纤维红外源，具体选择要根据成型粉末对热辐射的吸收率以及被面烧结引发后对热辐射吸收率。

如图3所示成型区域的线烧结区域至少包括成型区域的外轮廓，同时为了增加成型零件的机械强度和减少成型过程的变形，成型区域的线烧结区域还能包含内部的加强筋结构。

成型区域的线烧结区域和面烧结区域能够有部分重叠。所述重叠区域既经历线烧结操作也经历面烧结操作。第一种重叠方式是在线烧结区域和面烧结区域相接的地方边沿重叠，所述边沿重叠部分的面积通常不超过线烧结区域面积的三分之二。所述边沿重叠的优点是：一方面增加了线烧结区域和面烧结局域之间的结合强度；另一方面能够降低线烧结区域和面烧结局域之间对准精度的要求，降低成本并提高可靠性。第二种重叠方式是部分线烧结区域形成网状结构穿越并覆盖部分面烧结区域形成覆盖重合，也可以看做是部分所述加强筋结构与面烧结局域重合的情况。所述覆盖重合部分通常先进行线烧结操作，然后再进行面烧结操作，其目的是通过减小面烧结区域的局部面积同时在面烧结区域提供附着结构从而减少面烧结区域的翘曲和收缩变形。

另外，成型区域的线烧结区域和面烧结区域的成型顺序是能交换和交叉的，即先成型线烧结区域再成型面烧结区域，也能是先成型面烧结区域再成型线烧结区域，或者交叉进行，例如先成型骨干的加强筋，再成型面烧结区域，最后成型骨干的外轮廓。因为涉及到成型粉末对热辐射源7的辐射吸收和烧结，所采用的成型粉末的烧结温度一般选择在600度以下，包括低熔点合金和高分子材料，例如尼龙粉末。

本发明的快速多烧结增材制造方法，包括以下步骤：

1、将每层成型区域即烧结区域分为面烧结区域和包围在面烧结区域外的线烧结区域。所述线烧结区域包括成型区域的外轮廓19，还能够包括按照一定填充比例来规划的内部连接筋结构20，所述一定填充比例具体为大于0小于50％的填充比例；如图3所示；面烧结区域为其余的内部封闭平面空间。线烧结区域通过激光烧结能够提高精度；面烧结区域通过辐射照射的方式烧结有利于提高成型速度。