CN105538712B - 一种激光复合轮廓扫描的3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于激光3D打印的激光复合轮廓扫描方法，在激光3D打印过程中通过利用激光光束光斑直径和能量密度的调整和变化，得到不同光束直径的光束，即高能量密度的小光斑光束；低能量密度的大光斑光束，对模型轮廓进行复合扫描，用低能量密度的大光斑实现轮廓扫描粘接固化，用高能量密度的小光斑实现轮廓扫描失效，最终完成满足尺寸精度和强度要求的壳型制作。
Description
技术领域
本发明属于3D打印(增材制造)领域，涉及一种激光复合轮廓扫描的3D打印装置及方法。
背景技术
快速成型技术又称3D打印技术，自上个世纪80年代发展至今，其优越性已获得世人认可，目前国内外有众多大专院校、科研院所和企业在进行3D打印技术的研究。3D打印技术是典型的叠层制造技术，通过对目标件的三维模型按一定层厚逐层切片处理得到二维数据，逐层加工，层层堆积成型。
目前采用激光为能量源且打印粉体材料的主要分为以下几种方法：选择性激光烧结方法(Selective Laser Sintering,SLS)、选择性激光融化方法(Selective LaserMelting,SLM)、轮廓失效方法(Profile Invalidation Laser Rapid Prototyping，PIRP)，其中应用于大幅面工业级3D打印中主要是SLS及PIRP法。PIRP法虽然仅对轮廓进行失效扫描，相对于SLS具有高效率，高精度的优势，但需要加热系统，对整幅面进行加热预固结，幅面越大加热时间越长，影响整体加工效率，材料利用率低且对于内腔结构复杂的零件去除废料较困难。如何提高打印的效率、材料利用率及复杂结构模型的打印精度越来越成为人们关注的焦点。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的提供一种激光复合轮廓扫描的3D打印方法。该方法采用大光斑激光进行轮廓扫描粘接固结与PIRP轮廓失效的高效扫描失效工艺相结合，实现复合轮廓扫描完成壳型件的打印。
本方法具体包括以下步骤：
(1)在计算机上绘制零件三维CAD模型，使用切片软件对CAD模型进行切片，生成模型切片信息，得到每层CAD模型的二维轮廓，获取二维轮廓数据，如图1；所述的每层CAD模型的层厚为0.05～1.0mm。
(2)对CAD模型的二维轮廓数据进行处理，得到轮廓扫描粘接路径和轮廓扫描失效路径；计算机内设置粘接及失效过程中激光扫描的工艺参数；所述的工艺参数包括激光功率为50W～2500W，扫描速度为200～1500mm/s。
(3)成型腔活塞下降一层厚的距离，铺粉系统将松散的覆膜砂平铺在成型腔内，完成铺粉过程；所述的层厚为0.05mm～1.0mm。
(4)将步骤2中得到的扫描粘接路径、扫描失效路径和工艺参数导入控制系统中，控制系统按扫描粘接路径，采用激光大光斑对覆膜砂进行快速轮廓扫描，使覆膜砂受热固结，形成与每层二维轮廓一致的固结壳；控制系统按扫描失效路径，采用激光小光斑对固结壳进行快速轮廓扫描，使固结壳受热升温至失效温度以上失去固结性能，形成与每层二维轮廓相一致的失效分割线。所述的大光斑直径范围为2～12mm；小光斑直径范围为0.03～0.3mm。
(5)重复步骤(3)及步骤(4)，逐层加工完成整个CAD模型的轮廓扫描，完成打印过程，在成型腔中得到尺寸略大于CAD模型的壳型件，失效分割线组成失效分割层，失效分割层将壳型件分为残料壳和有效壳，其中与CAD模型对应的实体有交集的为有效壳，否则为残料壳。
(6)清理壳型件外松散的覆膜砂残料，用原砂对壳型件进行包覆，再对包覆后的壳型件进行整体加热，冷却至室温后清除原砂，得到具有一薄层残料壳的固结件。所述的残料壳壁厚为0.5mm～5mm便于残料的剥离。
(7)对固结件的残料壳进行剥离，得到与CAD模型相一致的三维实体。
本发明保留原PIRP方法轮廓均失效过程，所以具有原有高精度、高表面光洁度等特点，采用大光斑激光进行轮廓扫描粘接完成轮廓加热固结，省去了PIRP法整幅面辐射加热固结，大幅度提高了打印效率及材料利用率。残余料大量降低，使后期的剥离残料过程变得简便，进而大幅度提高了打印件的结构复杂度和成型精度。
与SLS法成型过程相比，本发明的方法采用轮廓扫描粘接，非全面域扫描粘接，并且大光斑扫描线宽远高于SLS扫描线宽，所以成型效率上要远高于SLS法。本发明打印方法的加工时间主要与零件的表面积成正比，而SLS法的打印时间主要与制件体积成正比，随着制件体积的增大，本发明方法的加工效率优势会更大。
本发明的有益效果为：打印精度高、表面光洁度好，极大降低了加工时间及残余料量进而提高了打印效率、材料利用率及复杂结构模型的打印精度。
下面结合附图进一步说明本发明提供的激光复合轮廓扫描的3D打印方法。
附图说明
图1是本发明的系统及扫描示意正视图；
图2是本发明扫描示意俯视图；
图3是本发明打印方法流程图；
图4A为毛坯件示意图；
图4B为毛坯件三维局部剖视图；
图4C为残料壳剥离示意图；
图4D为实体示意图；
图中：1计算机；2铺粉系统；3激光系统；4成型腔活塞；5分割层；6覆膜砂；7残料壳；8有效壳；9工作平台；10成型腔；11控制系统。
具体实施方案
本发明提出了一种激光复合轮廓扫描3D打印方法，该方法采用大光斑激光扫描轮廓粘接与小光斑激光扫描轮廓失效复合工艺对打印材料进行壳型打印制造。具体包括以下步骤：
(1)在计算机1绘制零件三维CAD模型，使用切片软件对CAD模型进行切片，生成模型切片信息，得到每层CAD模型的二维轮廓，获取二维轮廓数据，如图1；
(2)对CAD模型的二维轮廓数据进行处理，得到轮廓扫描粘接路径和轮廓扫描失效路径；
(3)成型腔活塞4下降一层厚的距离，铺粉系统2将松散的覆膜砂6平铺在成型腔10内，完成铺粉过程；
(4)将步骤2中得到的扫描粘接路径、扫描失效路径和工艺参数导入控制系统11中，控制系统11按扫描粘接路径，采用激光大光斑对覆膜砂6进行快速轮廓扫描，使覆膜砂6受热固结，形成与每层二维轮廓一致的固结壳；控制系统11按扫描失效路径，采用激光小光斑对固结壳进行快速轮廓扫描，使固结壳受热升温至失效温度以上失去固结性能，形成与每层二维轮廓相一致的失效分割线，多条分割线组成分割层5；
(5)重复步骤(3)及步骤(4)，逐层加工完成整个CAD模型的轮廓扫描，完成打印过程，在成型腔中得到尺寸略大于CAD模型的壳型件，失效分割层5将壳型件分为残料壳7和有效壳8，其中与CAD模型对应的实体有交集的为有效壳8，否则为残料壳7。
(6)清理壳型件外松散的覆膜砂6残料，用原砂对壳型件进行包覆，再对包覆后的壳型件进行整体加热，冷却至室温后清除原砂，得到具有一薄层残料壳7的固结件。
(7)对固结件的残料壳进行剥离，得到与CAD模型相一致的三维实体。
下面以以覆膜砂为材料打印“凸”字型实体结合为例，附图对本发明作进一步论述。
首先在计算机1中完成“凸”字型的三维CAD模型的造型设计，再进行Z向0.3毫米分层，并提取每一层的轮廓线信息作为母版数据，根据该数据分别生成用于轮廓扫描粘接及轮廓扫描失效的两类路径。
启动控制系统11，激光光斑直径及能量密度进行分类设置，满足两种扫描方法的工艺参数要求。铺粉系统2在工作平台9上铺上一个0.3毫米层厚的覆膜砂6，激光光束3在控制系统11的控制下，首先调整光斑直径与能量密度，选择大光斑激光对该层覆膜砂进行“凸”字型的二维轮廓扫描粘接，使覆膜砂6升温固结在成型腔10内固结成壳。其中包覆模型残料壳7的厚度，取决于轮廓扫描粘接路径与轮廓扫描失效路径的相对距离。
完成数据处理后，选择小光斑沿着轮廓扫描失效路径对当前固结壳进行轮廓扫描，使覆膜砂6升温至树脂碳化的温度以上，使其失去固结性能，形成能使有效壳8与残料壳7的切割分离的分割层5，完成复合轮廓扫描，壳型内部及外部均为松散的覆膜砂6。然后控制系统11控制活塞4下降0.3毫米，进行下一层的铺粉、复合轮廓线扫描，直到完成整个模型的轮廓扫描。
完成打印加工后的后处理过程如图4，先去除没有固结的覆膜砂，获得毛坯壳型件如图4A，其中图4B为三维局部剖视图。主要包括残料壳7、有效壳8、心部被包覆的覆膜砂6及分割层5。对该毛坯壳型件用和覆膜砂具有相同热性能的原砂回填到成型腔后整体加热最终强化，加热温度及时间参考与工艺实验结果即180℃保温1h。加热固化完成后将毛坯壳型件取出后，将残料壳1进行剥离得到成型件如图4D。
Claims (5)
1.一种激光复合轮廓扫描的3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在计算机(1)上绘制零件三维CAD模型，使用切片软件对CAD模型进行切片，生成模型切片信息，得到每层CAD模型的二维轮廓，获取二维轮廓数据；
2)处理CAD模型的二维轮廓数据，得到轮廓扫描粘接路径和轮廓扫描失效路径；在计算机(1)内设置粘接及失效过程中激光扫描的工艺参数；
3)成型腔活塞(4)下降一层厚距离，铺粉系统(2)将覆膜砂(6)平铺在成型腔(10)内，完成铺粉过程；
4)将步骤2)中得到的扫描粘接路径、扫描失效路径和工艺参数导入控制系统(11)中，控制系统(11)按扫描粘接路径，采用激光大光斑对覆膜砂(6)进行快速轮廓扫描，覆膜砂(6)受热固结，形成与每层二维轮廓一致的固结壳；控制系统(11)按扫描失效路径，采用激光小光斑对固结壳进行快速轮廓扫描，固结壳受热升温至失效温度以上失去固结性能，形成与每层二维轮廓相一致的失效分割线；所述的大光斑直径范围为2～12mm；小光斑直径范围为0.03～0.3mm；
5)重复步骤3)及步骤4)，逐层加工完成整个CAD模型的轮廓扫描，完成打印过程；在成型腔(10)中得到尺寸略大于CAD模型的壳型件，失效分割线将壳型件分为残料壳(7)和有效壳(8)，其中，与CAD模型对应的实体有交集的为有效壳(8)，否则为残料壳(7)；
6)清理壳型件外覆膜砂(6)残料，用原砂对壳型件进行包覆，再对包覆后的壳型件进行整体加热，冷却至室温后清除原砂，得到具有残料壳(7)的固结件；
7)剥离固结件上的残料壳(7)，得到与CAD模型相一致的三维实体。
2.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述的步骤1)中每层CAD模型的层厚为0.05～1.0mm；所述的步骤3)中下降的层厚距离为0.05mm～1.0mm。
3.根据权利要求1或2所述的3D打印方法，其特征在于，所述的步骤6)中残料壳壁厚为0.5mm～5mm。
4.根据权利要求1或2所述的3D打印方法，其特征在于，所述的工艺参数包括激光功率为50W～2500W，扫描速度200～1500mm/s。
5.根据权利要求3所述的3D打印方法，其特征在于，所述的工艺参数包括激光功率为50W～2500W，扫描速度200～1500mm/s。
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