一种大型二氧化碳激光3D打印设备及其打印方法与流程

本发明涉及一种3D打印技术，具体涉及一种用于大型陶瓷材料结构件立体成型的二氧化碳激光3D打印设备及其打印方法。

背景技术：

3D激光打印是激光立体成形技术(Laser Solid Forming，LSF)，其基本原理是：首先在计算机中生成零件的三维CAD模型，然后将该三维CAD模型按一定的厚度分层“切片”，即将零件的三维数据信息转换成一系列的二维轮廓信息，再采用激光熔覆的方法按照轮廓轨迹逐层堆积材料，最终形成三维实体零件或需进行少量加工的零件毛坯。

陶瓷结构件具有高耐磨性、高韧性和优异的隔热性能，在机械制造、国防军事等重要的国民经济领域得到广泛的应用。目前，陶瓷结构件的制作多用固相烧结的方式。该方式在加工过程中，材料并未完全熔化，烧结成的工件易产生内部结构疏松、致密性差等缺点。

与传统的固相烧结加工方法相比，激光束具有极高的功率密度，可以熔化各种陶瓷材料。其中CO₂激光束最适合加工非金属材料，大功率的CO₂激光与陶瓷粉末作用后可迅速将其熔化并能快速冷却凝固成型。该成型过程中陶瓷粉末完全融合，得到高致密性的内部结构，避免了固相烧结所产生的内部疏松的结构缺陷。

大型陶瓷结构件的立体成型技术要求成型机构具备较大尺寸的三维加工空间，更需要大功率的CO₂激光作为光源。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种大型二氧化碳激光3D打印设备及其打印方法，它为大型陶瓷材料结构件的立体成型提供了高效、高质量的保证。

实现本发明目的的一种技术方案是：一种大型二氧化碳激光3D打印设备，包括气氛箱体和设在气氛箱体内的CO₂激光3D打印装置，该CO₂激光3D打印装置包括底座、铣床工件台、X轴移动装置、垂直梁、Z轴移动装置、悬臂梁、Y轴移动装置、3D打印加工头、CCD成像装置、侧向送粉装置和移动式光路系统；

所述铣床工作台固定在所述底座上；

所述X轴移动装置安装在所述铣床工件台后部的支撑座上；

所述垂直梁安装在所述X轴移动装置上；

所述Z轴移动装置安装在所述垂直梁的左侧面上；

所述悬臂梁安装在所述Z轴移动装置上；

所述Y轴移动装置安装在所述悬臂梁上；

所述3D打印加工头安装在所述Y轴移动装置上；

所述CCD成像装置通过固定架安装在3D打印加工头的右后侧；

所述侧向送粉装置安装在所述3D打印加工头的左侧；

所述移动式光路系统包括高度调节机构、第一反射镜至第四反射镜、聚焦镜片和伸缩导光管；所述高度调节机构通过支座安装在所述底座的左侧面上；所述第一反射镜安装在所述高度调节机构上；所述第二反射镜安装在所述支座的上端并位于第一反射镜的正上方；所述第三反射镜安装在所述垂直梁的上部左侧面上并与第二反射镜位于同一水平面上；所述第四反射镜安装在所述悬臂梁的后部左侧面上并位于第三反射镜的正下方；所述聚焦镜片设在所述3D打印加工头的内腔中；所述伸缩导光管连接在第一反射镜与第二反射镜之间。

上述的大型二氧化碳激光3D打印设备，其中，所述侧向送粉装置包括X方向调整架、Z方向调整架、XZ平面内旋转调节机构和送粉铜管；所述X方向调整架安装在所述3D打印加工头上；所述Z方向调整架安装在X方向调整架上；所述XZ平面内旋转调节机构安装在Z方向调整架上；所述送粉铜管安装在XZ平面内旋转调节机构上。

上述的大型二氧化碳激光3D打印设备，其中，所述移动式光路系统还包括连接在第二反射镜和第三反射镜之间以及连接在第三反射镜与第四反射镜之间的具有伸缩性的波纹防护罩，该波纹防护罩由耐火材料构成并且内部充满清洁、无油的压缩空气。

上述的大型二氧化碳激光3D打印设备，其中，所述高度调节机构包括丝杠、导轨和滑块，所述丝杠由手轮驱动，该手轮带有锁紧机构。

上述的大型二氧化碳激光3D打印设备，其中，位于所述X轴移动装置上的垂直梁的往复移动行程为1000mm；位于所述Y轴移动装置上的3D打印加工头的往复移动行程为600mm；位于所述Z轴移动装置上的悬臂梁的往复移动行程为800mm。

上述的大型二氧化碳激光3D打印设备，其中，所述X轴移动装置、Y轴移动装置和Z轴移动装置均由伺服电机、联轴器、滚珠丝杠、导轨和滑块组成。

上述的大型二氧化碳激光3D打印设备，其中，所述气氛箱体包括维修窗口、维修舱、手套孔、可视窗口和连接在所述气氛箱体的右侧面下部的工件交换舱。

上述的大型二氧化碳激光3D打印设备，其中，所述打印设备还包括通过气体循环通道连接在所述气氛箱体右侧的气氛净化系统。

实现本发明目的的另一种技术方案是：一种大型二氧化碳激光3D打印设备的打印方法，包括以下步骤：

三维建模步骤：先利用CATIA软件对工件建立三维模型，并针对三维模型的悬空部分绘制支撑结构，再将三维模型导入到切片软件中生成正确的加工位置并对三维模型存在的缺陷进行修复；

切片处理步骤：先将将三维模型导入到切片软件Magics中，用以生成正确的加工位置并对三维模型存在的缺陷进行修复，再对三维模型进行剖分处理，并依次规划扫描路径、设置扫描参数和生成3D打印加工代码；

送粉及光斑调节步骤：将基板固定于铣床工作台上，通过Z轴移动装置调整悬臂梁的高度，即调整位于3D打印加工头内的聚焦镜的高度，以获得合适的光斑大小尺寸，再调整侧向送粉装置的高度和角度，使粉末流的焦点位于基板的表面并与光斑的中心重合；

开启气体循环步骤：开启气氛箱体的净化装置及气体循环通道，为加工区域提供全封闭式的惰性气体保护氛围，同时，开启送粉器和激光器；

打印边框轮廓步骤：选择合适的轮廓填充补偿，以抵消加工过程中的热变形对工件尺寸的影响，再通过X轴移动装置和Y轴移动装置按照设定轨迹打印图形外轮廓；

打印内填充步骤：选择合适的填充图形和扫描路径，通过X轴移动装置和Y轴移动装置打印图形的内填充部分；

Z轴层降步骤：先通过Z轴向移动装置向上移动悬臂梁的高度，使3D打印加工头移动距离为切片层的厚度，再通过X轴移动装置和Y轴移动装置进行下一层陶瓷材料的打印；

后处理步骤：打印完成后，手动取出支撑部分并进行后续的表面处理，得到最终的陶瓷材料立体成形件。

本发明提供的大型二氧化碳激光3D打印设备具有以下优点：

1)具有1000mm×600mm×800mm的大尺寸的立体加工空间；

2)第一反射镜安装在高度调节装置上，能够很好地与1KW以上大功率的CO₂激光光源耦合；

3)大功率的CO₂激光与陶瓷粉末作用后可迅速将其熔化并能快速冷却凝固成型，避免了固相烧结所产生的内部疏松的结构缺陷；

4)移动式光路系统能够在机床高速运动过程中也能使激光束精确地到达加工位置；

5)整个3D打印装置密封在气氛箱体内部，最大程度上保证了加工质量。

本发明的大型二氧化碳激光3D打印设备的打印方法为大型陶瓷材料结构件的立体成型提供了高效、高质量的保证。

附图说明

图1是本发明的大型二氧化碳激光3D打印设备的立体图；

图2是本发明的大型二氧化碳激光3D打印设备中的3D打印装置的立体图；

图3是本发明的打印设备中的3D打印加工头的结构示意图；

图4是本发明的二氧化碳激光3D打印方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1至图3，本发明的大型二氧化碳激光3D打印设备，包括气氛箱体2、气氛净化系统3和设在气氛箱体1内的CO₂激光3D打印装置1，该CO₂激光3D打印装置1包括底座4、铣床工件台5、X轴移动装置14、垂直梁10、Z轴移动装置9、悬臂梁11、Y轴移动装置12、3D打印加工头15、CCD成像装置13、侧向送粉装置16和移动式光路系统。

气氛箱体2的左侧面开设维修窗口21，并在前部设有维修舱22，在维修舱22的正面下部开设若干手套孔23，在维修舱22的正面中部开设可视窗口24，在维修舱22右侧面下部连接一工件交换舱25。由于气氛箱体2是全封闭，因此在每个手套孔23中均用橡胶手套塞在手套孔23中，既能将手套孔23密封，又能方便操作工将手伸入气氛箱体2拿取打印工件。

气氛净化系统3通过气体循环通道26连接在气氛箱体2的右侧。

铣床工作台5固定在底座4上。

X轴移动装置14安装在铣床工件台5后部的支撑座40上。

垂直梁10安装在X轴移动装置14上。

Z轴移动装置9安装在垂直梁10的左侧面上。

悬臂梁11安装在Z轴移动装置9上。

Y轴移动装置12安装在悬臂梁11上。

3D打印加工头15通过上部箱体安装在Y轴移动装置12上。

X轴移动装置14、Y轴移动装置12和Z轴移动装置9均由伺服电机、联轴器、滚珠丝杠、导轨和滑块组成，使位于X轴移动装置14上的垂直梁10的往复移动行程为1000mm；位于Y轴移动装置上12的3D打印加工头15的往复移动行程为600mm；位于Z轴移动装置9上的悬臂梁11的往复移动行程为800mm。

CCD成像装置13通过固定架安装在3D打印加工头15的右后侧，可将气氛箱2内加工图像传输至外部的显示屏。

侧向送粉装置16安装在3D打印加工头15的左侧，该侧向送粉装置16包括X方向调整架163、Z方向调整架162、XZ平面内旋转调节机构和164送粉铜管161；X方向调整架安装163在3D打印加工头15上；Z方向调整架162安装在X方向调整架163上；XZ平面内旋转调节机构164安装在Z方向调整架162上；送粉铜管161安装在XZ平面内旋转调节机构164上(见图3)，使送粉铜管161的轴线与3D打印加工头15的轴线之间的夹角为45°。当需要大光斑加工时，通过X方向调整架163和Z方向调整架162，使送粉铜管161向下移动，使其与3D打印加工头15之间在垂直方向上具有较大的高度差。

移动式光路系统包括高度调节机构6、第一至第四反射镜71、72、73、74、聚焦镜片(图中未示)和伸缩导光管70；高度调节机构6通过支座7安装在底座4的左侧面上，该高度调节机构6包括丝杠、导轨和滑块，丝杠由手轮60驱动，该手轮60带有锁紧机构；第一反射镜71安装在高度调节机构6上；第二反射镜72安装在支座7的上端并位于第一反射镜71的正上方；第三反射镜73安装在垂直梁10的上部左侧面上并与第二反射镜72位于同一水平面上，该第三反射镜73可随垂直梁9沿X轴方向移动；第四反射镜74安装在悬臂梁11的后部左侧面上并位于第三反射镜73的正下方，该第四反射镜74可随悬臂梁11沿Z轴方向移动；聚焦镜片设在3D打印加工头15的内腔中，该聚焦镜片可沿Y轴方向移动；伸缩导光管70连接在第一反射镜71与第二反射镜72之间。通过旋转手轮60能调整第一反射镜71的高度位置，使入射到气氛箱体2内的激光束打在第一反射镜71的中心位置并将手轮60位置锁死，确保第一反射镜71的位置固定不变；

第二反射镜72和第三反射镜73之间以及连接在第三反射镜73与第四反射镜74之间均连接一具有伸缩性的波纹防护罩8，以形成水平向光腔和垂直向光腔，该波纹防护罩8由耐火材料构成并且内部充满清洁、无油的压缩空气，避免波纹防护罩8在伸缩时将外部空气带入光腔内部。

本发明的移动式光路系统能在机床高速运动过程中也可使激光束精确到达加工位置。

本发明的大型二氧化碳激光3D打印设备在工作时，先开启激光器、送粉器、气体循环通过和净化系统，再通过铣床数控系统控制位于Z轴移动装置9上的悬臂梁11上下运动，以获得最佳的激光光斑大小。通过调整侧向送分装置16的高度，使粉末束流与激光束达到最佳的耦合状态。将切片软件中生成的自动加工代码导入到数控系统中并控制位于X轴移动装置上的垂直梁9和位于Y轴移动装置上的悬臂梁11插补联动完成工件的轮廓边框和内填充的打印。控制Z轴移动装置9以切片层的厚度正差值层降并继续打印至整个工件成型。

侧向送粉装置15与3D打印加工头16在送粉工艺上彼此独立，当使用焦点附近的光斑进行加工时则使用3D打印加工头16进行同轴送粉；当使用离焦量较大的光斑进行加工时，则使用侧向送分装置15进行侧向送粉。进行侧向送粉式，粉末束通过送粉铜管161上方的快插接头处进入，同时，送粉铜管161的侧面也配备两个快插接头，可通入惰性保护气体。粉末束在惰性气体的吹送作用下进入到加工区域。

再请参阅图4，本发明的大型二氧化碳激光3D打印设备的打印方法，包括以下步骤：

三维建模步骤：先利用CATIA软件对工件建立三维模型，并针对三维模型的悬空部分绘制支撑结构，再将三维模型导入到切片软件中生成正确的加工位置并对三维模型存在的缺陷进行修复；

切片处理步骤：先将将三维模型导入到切片软件Magics中，用以生成正确的加工位置并对三维模型存在的缺陷进行修复，再对三维模型进行剖分处理，并依次规划扫描路径、设置扫描参数和生成3D打印加工代码；

送粉及光斑调节步骤：将基板固定于铣床工作台上，通过Z轴移动装置调整悬臂梁的高度，即调整位于3D打印加工头内的聚焦镜的高度，以获得合适的光斑大小尺寸，再调整侧向送粉装置的高度和角度，使粉末流的焦点位于基板的表面并与光斑的中心重合；

开启气体循环步骤：开启气氛箱体的净化装置及气体循环通道，为加工区域提供全封闭式的惰性气体保护氛围，同时，开启送粉器和激光器；

打印边框轮廓步骤：选择合适的轮廓填充补偿，以抵消加工过程中的热变形对工件尺寸的影响，再通过X轴移动装置和Y轴移动装置按照设定轨迹打印图形外轮廓；

打印内填充步骤：选择合适的填充图形和扫描路径，通过X轴移动装置和Y轴移动装置打印图形的内填充部分；

Z轴层降步骤：先通过Z轴向移动装置向上移动悬臂梁的高度，使3D打印加工头移动距离为切片层的厚度，再通过X轴移动装置和Y轴移动装置进行下一层陶瓷材料的打印；

后处理步骤：打印完成后，手动取出支撑部分并进行后续的表面处理，得到最终的陶瓷材料立体成形件。

上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。