一種實現(xiàn)溫度控制的高分子材料的3d打印方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種可以實現(xiàn)溫度控制的高分子材料的3D打印方法，該打印方法由打印設備來執(zhí)行，其中設備包括一個工作臺(3)，工作臺(3)包括能在高度方向上往復運動的建造臺(5)和其上鋪灑待打印的高分子材料所形成的粉床(4)；一個激光加工頭(1)，其用于向高分子材料釋放射線從而使材料發(fā)生熔化；一臺主控制系統(tǒng)(6)，其中存儲關于三維產(chǎn)品相繼分層的橫截面的信息；一個用于監(jiān)測粉床(4)上表面溫度分布的紅外溫度探測器(2)以及接收并處理探測器中的溫度信號的信號處理裝置(7)，信號處理裝置(7)連接到主控制系統(tǒng)(6)。使用該方法實現(xiàn)了對高分子材料3D打印的溫度控制，解決了由于高分子材料導熱系數(shù)低、熱積累多而引起的溫度變化與材料分解問題，獲得了高質量的高分子材料3D打印成型工件。
【專利說明】一種實現(xiàn)溫度控制的高分子材料的3D打印方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高分子材料的3D打印方法，特別涉及一種可以實現(xiàn)溫度控制的高分子材料的3D打印方法。
【背景技術】
[0002]3D打印是一種新興的成型技術，其核心是將所需成型工件的復雜3D形體通過切片處理轉化為簡單的2D截面的組合，依據(jù)工件的計算機輔助設計模型，通過3D打印設備，沿著高度方向逐層沉積材料，形成工件的一系列2D截面薄片，并使片層與片層之間相互粘接，最終堆積成三維工件。目前，3D打印技術主要包括光固化成型、熔融沉積成型、分層實體加工、三維印刷、選擇性激光燒結等。本發(fā)明中，主要針對選擇性激光燒結的3D打印技術。
[0003]選擇性激光燒結是由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R.Dechard于1989年發(fā)明的，其是利用粉末狀材料進行成型的工藝。將材料粉末鋪灑在已成型零件的上表面并刮平，用激光在剛鋪的新粉末層上掃描出零件截面，材料粉末在高強度的激光照射下被燒結在一起，得到新的零件截面，并與下面已成型的部件粘接。當一層截面燒結完成后，再鋪上新的一層材料粉末，繼續(xù)有選擇地燒結。當整個工件成型完成后，去掉多余的粉末，再進行打磨、烘干等處理得到最終的工件。這種3D打印工藝無需加支撐，沒有燒結的粉末對成型工件起到了支撐作用，同時其應用材料廣泛。
[0004]在本發(fā)明中，以高分子材料作為選擇性激光燒結3D打印中所使用的粉末材料。采用高分子材料的原因在于其具有良好的熱塑性與易加工性，所得到的成型工件具有較高質量與良好性能。但是在選擇性激光燒結3D打印過程中，由于高分子材料導熱系數(shù)較低，熱能在成型工件上不斷積累，從而使工件溫度升高。同時由于高分子材料分解溫度較低，且與其熔化溫度相差不大。當加工位置的溫度高于高分子材料的分解溫度時，高分子材料會由于過熱而發(fā)生分解，直接影響成型及工件質量。為此，在高分子材料的選擇性激光燒結3D打印過程中，對加工位置溫度的控制極為重要。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明使用高分子材料進行3D打印，提供了一種可以實現(xiàn)溫度控制的高分子材料的3D打印方法。在選擇性激光燒結過程中，采取了先預熱后成型的方法，并對預熱及加工成型位置進行實時的溫度控制，通過這種方式解決由于高分子材料導熱系數(shù)低、熱積累多而引起的溫度變化與材料分解問題，為獲得良好的高分子材料3D成型提供了一個有效的方法。
[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種實現(xiàn)溫度控制的高分子材料的3D打印方法。在高分子材料的3D打印中，由于高分子材料導熱系數(shù)較低，熱能在成型工件上不斷積累，從而使工件溫度升高。而高分子材料分解溫度較低，且與其熔化溫度相差不大。當加工位置的溫度高于高分子材料的分解溫度時，高分子材料會由于過熱而發(fā)生分解，直接影響成型及工件質量。本發(fā)明有效解決了上述問題，可以獲得高質量的高分子材料3D打印成型工件。[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0008]一種實現(xiàn)溫度控制的高分子材料的3D打印方法，該打印方法由打印設備來執(zhí)行，其中設備包括一個工作臺，工作臺包括能在高度方向上往復運動的建造臺和其上鋪灑待打印的高分子材料的粉床；一個激光加工頭，其用于向高分子材料釋放射線從而使材料發(fā)生熔化；一臺主控制系統(tǒng)，其中存儲關于三維產(chǎn)品相繼分層的橫截面的信息；一個用于監(jiān)測粉床上表面溫度分布的紅外溫度探測器以及接收并處理探測器的溫度信號的信號處理裝置，信號處理裝置連接到主控制系統(tǒng)；其中上述方法包括如下步驟:
[0009]步驟1:將所需成型工件的3D形體通過計算機切片處理轉化為2D截面的組合，得到沿高度方向逐層掃描的運動軌跡，并載入所述主控制系統(tǒng)；
[0010]步驟2:在建造臺上鋪灑材料粉末，使建造臺上的粉床具有一定的厚度，刮平粉床上表面，并使粉床上表面與工作臺上表面重合；
[0011]步驟3:通過主控制系統(tǒng)調(diào)整激光加工頭位置，使激光加工頭與粉床上表面待加工位置的距離滿足成型過程對離焦量的要求；
[0012]步驟4:調(diào)整紅外溫度探測器的位置，使其探測目標指向粉床上表面待加工位置；
[0013]步驟5:通過主控制系統(tǒng)分別設定預熱過程中與成型過程中的初始激光輸出功率以及激光加工頭沿運動軌跡的掃描速度；
[0014]步驟6:對待加工層材料粉末進行預熱處理，通過主控制系統(tǒng)先后開啟激光加工頭與紅外溫度探測器，使激光加工頭沿設定的運動軌跡進行掃描，進行對應高度的2D截面的粉末預熱工作；
[0015]步驟7:紅外溫度探測器實時探測預熱位置溫度，將溫度數(shù)值反饋給信號處理裝置；信號處理裝置通過比較溫度數(shù)值與所設溫度上下限，將結果實時反饋給主控制系統(tǒng)來調(diào)整激光加工頭的激光輸出功率或掃描速度，保證預熱位置溫度在設定溫度范圍內(nèi)；
[0016]步驟8:完成預熱工作后，通過主控制系統(tǒng)先后關閉紅外溫度探測器與激光加工頭，并將激光加工頭迅速移至起始位置，準備進行成型工作；
[0017]步驟9:進行對應高度的2D截面的粉末成型工作，通過主控制系統(tǒng)先后開啟激光加工頭與紅外溫度探測器，使激光加工頭沿設定的運動軌跡進行掃描，進行對應高度的2D截面的激光成型工作；
[0018]步驟10:紅外溫度探測器實時探測加工位置溫度，將溫度數(shù)值反饋給信號處理裝置；信號處理裝置通過比較溫度數(shù)值與所設溫度上下限，將結果實時反饋給主控制系統(tǒng)來調(diào)整激光加工頭的激光輸出功率或掃描速度，保證加工位置溫度在設定溫度范圍內(nèi)；
[0019]步驟11:完成對相應高度的2D截面的成型工作，通過主控制系統(tǒng)先后關閉紅外溫度探測器與激光加工頭；
[0020]步驟12:降低建造臺高度，粉床位置隨之下降，在粉床上鋪灑材料粉末，使新得到的粉床的上表面與工作臺的上表面重新重合；
[0021]步驟13:重復步驟6?12，直至工件整體成型完成；
[0022]步驟14:取出工件，去掉多余的粉末，進行打磨、烘干處理，得到最終的成型工件。
[0023]優(yōu)選地，其中成型所使用的材料粉末為高分子材料粉末，包括:尼龍6(PA6)、尼龍12(PA12)、尼龍66(PA66)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯醚(PPO)、聚乳酸(PLA)、聚醚醚酮(PEEK)，但不限于以上粉末。
[0024]優(yōu)選地，其中所使用的紅外溫度探測器與激光加工頭固定在一起，實現(xiàn)同步運動，保證紅外溫度探測器的探測位置與激光加工頭的預熱或加工位置實時重合，實現(xiàn)實時溫度探測。
[0025]優(yōu)選地，其中所使用的激光加工頭輸出的激光為連續(xù)激光。
[0026]優(yōu)選地，在預熱過程中所設定的用來與激光預熱位置實時溫度進行比較的溫度上下限在高分子材料熔化溫度的30%?90%的范圍內(nèi)；其中在成型過程中所設定的用來與激光加工位置溫度數(shù)值進行實時比較的溫度上下限在高分子材料熔化溫度與分解溫度之間。
[0027]優(yōu)選地，其中在比較激光加工位置實時溫度數(shù)值與所設溫度上下限時，當實時溫度數(shù)值在溫度上下限范圍內(nèi)，信號處理裝置反饋給主控制系統(tǒng)，對加工工藝參數(shù)不作調(diào)整；當實時溫度數(shù)值超過溫度上限時，信號處理裝置反饋給主控制系統(tǒng)，降低激光輸出功率或加快掃描速度；當實時溫度數(shù)值低于溫度下限時，信號處理裝置反饋給主控制系統(tǒng)，提高激光輸出功率或減慢掃描速度。
[0028]優(yōu)選地，在比較激光預熱或加工位置實時溫度數(shù)值與所設溫度上下限后，根據(jù)成型要求，不僅可以對激光輸出功率進行調(diào)整，亦可對掃描速度進行調(diào)整，或者兩者同時進行調(diào)整。
[0029]優(yōu)選地，其中將所需成型工件的3D形體通過計算機切片處理進行轉化，得到的2D截面的組合的層間距應滿足成型要求，保證成型片層與片層之間相互粘接且具有良好的結
合質量。
[0030]優(yōu)選地，其中在當前2D截面層成型完成后，需降低建造臺高度，添加材料粉末使粉床上表面與工作臺上表面重新重合。建造臺下降的距離與所需成型工件3D形體經(jīng)計算機切片處理轉化得到的2D截面組合的層間距相一致，即相等。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]為進一步說明本發(fā)明的具體技術內(nèi)容，以下結合實施例及附圖詳細說明如后，其中:
[0032]圖1是本發(fā)明工作結構示意圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0034]圖1表示用于進行3D打印的設備。該設備包括一個工作臺3，在該工作臺上構制三維產(chǎn)品；工作臺3包括能在高度方向上往復運動的建造臺5以及在所述建造臺5上鋪設的一薄層高分子材料粉末所形成的粉床4 ;一個用于向粉床4釋放能量，從而使粉末升溫及發(fā)生熔化的激光加工頭I，優(yōu)選地，激光加工頭I輸出的激光為連續(xù)激光；在控制系統(tǒng)的導引下，激光加工頭I在所述工作臺3上釋放能量將高分子材料粉末熔化以形成三維產(chǎn)品的一個橫截面；一臺主控制系統(tǒng)6，其中儲存著三維產(chǎn)品的順序的橫截面，這些橫截面構成三維產(chǎn)品。在一個工作循環(huán)中，在每次添加粉末層前，建造臺5將相繼地相對于加工頭I降下。為了使這種運動成為可能，在本發(fā)明的推薦實施例中，建造臺5在高度方向上可移動地布置。這就是說，建造臺5開始在一個初始位置上，其上已鋪設必須厚度的粉末層且粉末層上表面與工作臺上表面重合。為了不損壞粉末層下面的建造臺5，以及為了提供該層的適當質量，使該層比其它施加的粉末層厚，從而避免熔穿該第一層。然后，降下建造臺5，鋪設一個新的粉末層以便形成三維產(chǎn)品的一個新的橫截面?？梢允褂帽緦I(yè)技術人員公知的用于調(diào)節(jié)建造臺5工作高度的裝置。例如，使用調(diào)節(jié)螺絲或者齒條。
[0035]其中，設備還包括用于檢測粉床表面層的裝置，在本發(fā)明中優(yōu)選為紅外溫度探測器2，其中所述紅外溫度探測器2用于測量預熱或加工位置的溫度分布，所使用的紅外溫度探測器2與激光加工頭I固定在一起，實現(xiàn)同步運動，保證紅外溫度探測器2的探測位置與激光加工頭I的加工位置實時重合，實現(xiàn)實時溫度探測，該溫度分布的信息用于控制3D打印中高分子材料的燒結溫度的偏差，具體地，溫度探測器2中的溫度信息被送入信號處理裝置7，經(jīng)信號處理裝置7對信號進行處理后，將處理后的信息送入主控制系統(tǒng)6，以作為判斷是否需要對工藝參數(shù)進行調(diào)整的狀態(tài)量。
[0036]設備中的主控制系統(tǒng)6能夠對激光加工頭I的功率、掃描速度和運行程序進行控制，根據(jù)本發(fā)明，粉床4表面處的溫度分布信息通過溫度探測器2采集后被送至信號處理裝置7，經(jīng)過處理后的信息被反饋到主控制系統(tǒng)6，以調(diào)節(jié)3D打印過程中的運行程序和/或激光加工頭I的輸出功率與掃描速度，從而能夠在整個加工過程中使得粉床4的各個部分保持正確的溫度。從3D打印加工工藝來看，溫度的控制，對于高分子材料的3D打印來說是至關重要的。
[0037]下面，根據(jù)第一種高分子材料來說明以上所述的3D打印方法。
[0038]第一種高分子材料為聚甲醛(POM)，其中該高分子材料的熔化溫度為175°C，分解溫度為220°C。為了保證3D打印的效果且避免在加工過程中，該高分子材料發(fā)生分解，在3D打印過程中必須控制加工溫度在195?205°C，其中溫度控制精度要求為(205-195) /200= 5%。上述精度要求現(xiàn)有3D打印設備無法做到。
[0039]對于聚甲醛(POM)材料的打印過程，包括如下步驟:
[0040]步驟1:將所需成型工件的3D形體通過計算機切片處理轉化為2D截面的組合，得到沿高度方向逐層掃描的運動軌跡，并載入所述主控制系統(tǒng)6 ；
[0041]步驟2:在建造臺5上鋪灑聚甲醛(POM)材料粉末，使建造臺5上的粉床4具有一定的厚度，刮平粉床4上表面，并使粉床4上表面與工作臺3上表面重合；
[0042]步驟3:通過主控制系統(tǒng)6調(diào)整激光加工頭I位置，其中激光加工頭I采用1064nmNd: YAG全固態(tài)連續(xù)激光器，使激光加工頭I與粉床4上表面待加工位置的距離滿足成型過程對離焦量的要求；
[0043]步驟4:調(diào)整紅外溫度探測器2的位置，使其探測目標指向粉床4上表面待加工位置；
[0044]步驟5:通過主控制系統(tǒng)6分別設定預熱過程中與成型過程中的初始激光輸出功率以及激光加工頭I沿運動軌跡的掃描速度；
[0045]步驟6:對待加工層材料粉末進行預熱處理，通過主控制系統(tǒng)6先后開啟激光加工頭I與紅外溫度探測器2，使激光加工頭I沿設定的運動軌跡進行掃描，進行對應高度的2D截面的粉末預熱工作；[0046]步驟7:紅外溫度探測器2實時探測預熱位置溫度，將溫度數(shù)值反饋給信號處理裝置7。信號處理裝置7通過比較溫度數(shù)值與所設溫度上下限，將結果實時反饋給主控制系統(tǒng)6來調(diào)整激光加工頭I的激光輸出功率或掃描速度，上述反饋控制邏輯在加工工藝過程中間隔預定時期進行運行判斷，以將預熱溫度維持在90?110°C ；
[0047]步驟8:完成預熱工作后，通過主控制系統(tǒng)6先后關閉紅外溫度探測器2與激光加工頭1，并將激光加工頭I迅速移至起始位置，準備進行成型工作；
[0048]步驟9:進行對應高度的2D截面的粉末成型工作，通過主控制系統(tǒng)6先后開啟激光加工頭I與紅外溫度探測器2，使激光加工頭I沿設定的運動軌跡進行掃描，進行對應高度的2D截面的激光成型工作；
[0049]步驟10:紅外溫度探測器2實時探測加工位置溫度，將溫度數(shù)值反饋給信號處理裝置7。信號處理裝置7通過比較溫度數(shù)值與所設溫度上下限，將結果實時反饋給主控制系統(tǒng)6來調(diào)整激光加工頭I的激光輸出功率或掃描速度，具體來說，當檢測到的溫度超過溫度上限為10攝氏度以上時，主控制系統(tǒng)6降低激光加工頭I的輸出功率I檔并且提高加工頭的掃描速度5% ;當檢測到的溫度超過溫度上限為5-10攝氏度時，主控制系統(tǒng)6降低激光加工頭I的輸出功率I檔；當檢測到的溫度超過溫度上限為0-5攝氏度時，主控制系統(tǒng)6提高激光加工頭I的掃描速度5% ;當檢測到的溫度處于溫度上下限范圍內(nèi)時，主控制系統(tǒng)6保持工藝運行參數(shù)不變；同樣地，當溫度低于溫度下限為10攝氏度以上時，主控制系統(tǒng)6提高激光加工頭I的輸出功率I檔并且降低加工頭的掃描速度5%;當檢測到的溫度低于溫度下限為5-10攝氏度時，主控制系統(tǒng)6提高激光加工頭I的輸出功率I檔；當檢測到的溫度低于溫度下限為0-5攝氏度時，主控制系統(tǒng)6降低激光加工頭I的掃描速度5% ;上述反饋控制邏輯在加工工藝過程中間隔預定時期進行運行判斷，以將加工溫度維持在195?205。。。
[0050]步驟11:完成對相應高度的2D截面的成型工作，通過主控制系統(tǒng)6先后關閉紅外溫度探測器2與激光加工頭I ;
[0051]步驟12:降低建造臺5高度，粉床4位置隨之下降，在粉床4上鋪灑材料粉末，使新得到的粉床4的上表面與工作臺3的上表面重新重合；
[0052]步驟13:重復步驟6?12，直至工件整體成型完成；
[0053]步驟14:取出工件，去掉多余的粉末，進行打磨、烘干處理，得到最終的成型工件。
[0054]下面，根據(jù)第二種高分子材料來說明以上所述的3D打印方法。
[0055]第二種高分子材料為聚丙烯(PP)，其中該高分子材料的熔化溫度為164_170°C，分解溫度為310°C。為了保證3D打印的效果且避免在加工過程中，該高分子材料發(fā)生分解，在3D打印過程中必須控制加工溫度在230?250°C，其中溫度控制精度要求為(250-230)/240 = 8%。上述精度要求現(xiàn)有3D打印設備無法做到。
[0056]對于聚丙烯(PP)材料的打印過程，包括如下步驟:
[0057]步驟1:將所需成型工件的3D形體通過計算機切片處理轉化為2D截面的組合，得到沿高度方向逐層掃描的運動軌跡，并載入所述主控制系統(tǒng)6 ；
[0058]步驟2:在建造臺5上鋪灑聚丙烯(PP)材料粉末，使建造臺5上的粉床4具有一定的厚度，刮平粉床4上表面，并使粉床4上表面與工作臺3上表面重合；
[0059]步驟3:通過主控制系統(tǒng)6調(diào)整激光加工頭I位置，其中激光加工頭I采用532nmNd: YAG全固態(tài)倍頻綠光連續(xù)激光器，使激光加工頭I與粉床4上表面待加工位置的距離滿足成型過程對離焦量的要求；
[0060]步驟4:調(diào)整紅外溫度探測器2的位置，使其探測目標指向粉床4上表面待加工位置；
[0061]步驟5:通過主控制系統(tǒng)6分別設定預熱過程中與成型過程中的初始激光輸出功率以及激光加工頭I沿運動軌跡的掃描速度；
[0062]步驟6:對待加工層材料粉末進行預熱處理，通過主控制系統(tǒng)6先后開啟激光加工頭I與紅外溫度探測器2，使激光加工頭I沿設定的運動軌跡進行掃描，進行對應高度的2D截面的粉末預熱工作；
[0063]步驟7:紅外溫度探測器2實時探測預熱位置溫度，將溫度數(shù)值反饋給信號處理裝置7。信號處理裝置7通過比較溫度數(shù)值與所設溫度上下限，將結果實時反饋給主控制系統(tǒng)6來調(diào)整激光加工頭I的激光輸出功率或掃描速度；上述反饋控制邏輯在加工工藝過程中間隔預定時期進行運行判斷，以將預熱溫度維持在90?110°C。
[0064]步驟8:完成預熱工作后，通過主控制系統(tǒng)6先后關閉紅外溫度探測器2與激光加工頭1，并將激光加工頭I迅速移至起始位置，準備進行成型工作；
[0065]步驟9:進行對應高度的2D截面的粉末成型工作，通過主控制系統(tǒng)6先后開啟激光加工頭I與紅外溫度探測器2，使激光加工頭I沿設定的運動軌跡進行掃描，進行對應高度的2D截面的激光成型工作；
[0066]步驟10:紅外溫度探測器2實時探測加工位置溫度，將溫度數(shù)值反饋給信號處理裝置7。信號處理裝置7通過比較溫度數(shù)值與所設溫度上下限，將結果實時反饋給主控制系統(tǒng)6來調(diào)整激光加工頭I的激光輸出功率或掃描速度，具體來說，當檢測到的溫度超過溫度上限為10攝氏度以上時，主控制系統(tǒng)6降低激光加工頭I的輸出功率I檔并且提高激光加工頭I的掃描速度5% ;當檢測到的溫度超過溫度上限為5-10攝氏度時，主控制系統(tǒng)6降低激光加工頭I的輸出功率I檔；當檢測到的溫度超過溫度上限為0-5攝氏度時，主控制系統(tǒng)6提高激光加工頭I的掃描速度5% ;當檢測到的溫度處于溫度上下限范圍內(nèi)時，主控制系統(tǒng)6保持工藝運行參數(shù)不變；同樣地，當溫度低于溫度下限為10攝氏度以上時，主控制系統(tǒng)6提高激光加工頭I的輸出功率I檔并且降低激光加工頭I的掃描速度5%;當檢測到的溫度低于溫度下限為5-10攝氏度時，主控制系統(tǒng)6提高激光加工頭I的輸出功率I檔；當檢測到的溫度低于溫度下限為0-5攝氏度時，主控制系統(tǒng)6降低激光加工頭I的掃描速度5% ;上述反饋控制邏輯在加工工藝過程中間隔預定時期進行運行判斷，以將加工溫度維持在230?250°C。
[0067]步驟11:完成對相應高度的2D截面的成型工作，通過主控制系統(tǒng)6先后關閉紅外溫度探測器2與激光加工頭I ;
[0068]步驟12:降低建造臺5高度，粉床4位置隨之下降，在粉床4上鋪灑材料粉末，使新得到的粉床4的上表面與工作臺3的上表面重新重合；
[0069]步驟13:重復步驟6?12，直至工件整體成型完成；
[0070]步驟14:取出工件，去掉多余的粉末，進行打磨、烘干處理，得到最終的成型工件。
[0071]在本發(fā)明中，上述實施例并不局限于通過用激光加工頭來輻射粉末床的表面而使粉末熔化。產(chǎn)品原料可以由任何在相轉變后形成固體的材料例如，由尼龍6(PA6)、尼龍12(PA12)、尼龍66(PA66)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯醚(PPO)、聚乳酸(PLA)、聚醚醚酮(PEEK)構成，但不限于以上粉末。
【權利要求】
1.一種實現(xiàn)溫度控制的高分子材料的3D打印方法，該打印方法由打印設備來執(zhí)行，其中設備包括一個工作臺(3)，工作臺(3)包括能在高度方向上往復運動的建造臺(5)和其上鋪灑待打印的高分子材料的粉床(4);一個激光加工頭(1)，其用于向高分子材料釋放射線從而使材料發(fā)生熔化；一臺主控制系統(tǒng)(6)，其中存儲關于三維產(chǎn)品相繼分層的橫截面的信息；一個用于監(jiān)測粉床上表面溫度分布的紅外溫度探測器(2)以及接收并處理探測器中的溫度信號的信號處理裝置(7)，信號處理裝置連接到主控制系統(tǒng)(6);其中上述方法包括如下步驟: 步驟1:將所需成型工件的3D形體通過計算機切片處理轉化為2D截面的組合，得到沿高度方向逐層掃描的運動軌跡，并載入所述主控制系統(tǒng)(6)； 步驟2:在建造臺(5)上鋪灑材料粉末，使建造臺(5)上的粉床(4)具有一定的厚度，刮平粉床(4)上表面，并使粉床(4)上表面與工作臺(3)上表面重合； 步驟3:通過主控制系統(tǒng)(6)調(diào)整激光加工頭(1)位置，使激光加工頭(1)與粉床(4)上表面待加工位置的距離滿足成型過程對離焦量的要求； 步驟4:調(diào)整紅外溫度探測器(2)的位置，使其探測目標指向粉床(4)上表面待加工位置； 步驟5:通過主控制系統(tǒng)(6)分別設定預熱過程中與成型過程中的初始激光輸出功率以及激光加工頭(1)沿運動軌跡的掃描速度； 步驟6:對待加工層材料粉末進行預熱處理，通過主控制系統(tǒng)(6)先后開啟激光加工頭(1)與紅外溫度探測器(2)，使激光加工頭(1)沿設定的運動軌跡進行掃描，進行對應高度的2D截面的粉末預熱工作； 步驟7:紅外溫度探測器(2)實時探測預熱位置溫度，將溫度數(shù)值反饋給信號處理裝置(7);信號處理裝置(7)通過比較溫度數(shù)值與所設溫度上下限，將結果實時反饋給主控制系統(tǒng)(6)來調(diào)整激光加工頭(1)的激光輸出功率或掃描速度，保證預熱位置溫度在設定溫度范圍內(nèi)； 步驟8:完成預熱工作后，通過主控制系統(tǒng)(6)先后關閉紅外溫度探測器(2)與激光加工頭(1)，并將激光加工頭(1)迅速移至起始位置，準備進行成型工作； 步驟9:進行對應高度的2D截面的粉末成型工作，通過主控制系統(tǒng)(6)先后開啟激光加工頭(1)與紅外溫度探測器(2)，使激光加工頭(1)沿設定的運動軌跡進行掃描，進行對應高度的2D截面的激光成型工作； 步驟10:紅外溫度探測器(2)實時探測加工位置溫度，將溫度數(shù)值反饋給信號處理裝置(7);信號處理裝置(7)通過比較溫度數(shù)值與所設溫度上下限，將結果實時反饋給主控制系統(tǒng)(6)來調(diào)整激光加工頭(1)的激光輸出功率或掃描速度，保證加工位置溫度在設定溫度范圍內(nèi)； 步驟11:完成對相應高度的2D截面的成型工作，通過主控制系統(tǒng)(6)先后關閉紅外溫度探測器(2)與激光加工頭(1)； 步驟12:降低建造臺(5)高度，粉床(4)位置隨之下降，在粉床(4)上鋪灑材料粉末，使新得到的粉床(4)的上表面與工作臺(3)的上表面重新重合； 步驟13:重復步驟6~12，直至工件整體成型完成； 步驟14:取出工件，去掉多余的粉末，進行打磨、烘干處理，得到最終的成型工件。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種實現(xiàn)溫度控制的高分子材料的3D打印方法，其特征在于其中成型所使用的材料粉末選自以下高分子材料粉末，包括:尼龍6 (PA6)、尼龍12 (PA12)、尼龍66(PA66)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯醚(PPO)、聚乳酸(PLA)、聚醚醚酮(PEEK)，但不限于以上粉末。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種實現(xiàn)溫度控制的高分子材料的3D打印方法，其特征在于其中所使用的紅外溫度探測器(2)與激光加工頭(I)固定在一起，實現(xiàn)同步運動，保證紅外溫度探測器(2)的探測位置與激光加工頭(I)的預熱或加工位置實時重合，實現(xiàn)實時溫度探測。
4.根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的一種實現(xiàn)溫度控制的高分子材料的3D打印方法，其特征在于其中所使用的激光加工頭(I)輸出的激光為連續(xù)激光。
5.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的一種實現(xiàn)溫度控制的高分子材料的3D打印方法，其特征在于在預熱過程中所設定的用來與激光預熱位置實時溫度進行比較的溫度上下限在高分子材料熔化溫度的30%~90%的范圍內(nèi)；其中在成型過程中所設定的用來與激光加工位置溫度數(shù)值進行實時比較的溫度上下限在高分子材料熔化溫度與分解溫度之間。
6.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的一種實現(xiàn)溫度控制的高分子材料的3D打印方法，其特征在于其中在比較激光加工位置實時溫度數(shù)值與所設溫度上下限時，當實時溫度數(shù)值在溫度上下限范圍內(nèi)時，信號處理裝置(7)反饋給主控制系統(tǒng)(6)，對加工工藝參數(shù)不作調(diào)整；當實時溫度 數(shù)值超過溫度上限時，信號處理裝置(7)反饋給主控制系統(tǒng)(6)，降低激光輸出功率和/或加快掃描速度；當實時溫度數(shù)值低于溫度下限時，信號處理裝置(7)反饋給主控制系統(tǒng)(6)，提高激光輸出功率和/或減慢掃描速度。
7.根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的一種實現(xiàn)溫度控制的高分子材料的3D打印方法，其特征在于在比較激光預熱或加工位置實時溫度數(shù)值與所設溫度上下限后，根據(jù)成型要求，不僅可以對激光輸出功率進行調(diào)整，亦可對掃描速度進行調(diào)整，或者兩者同時進行調(diào)難iF.0
8.根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的一種實現(xiàn)溫度控制的高分子材料的3D打印方法，其特征在于其中將所需成型工件的3D形體通過計算機切片處理進行轉化，得到的2D截面的組合的層間距應滿足成型要求，保證成型片層與片層之間相互粘接且具有良好的結合質量。
9.根據(jù)權利要求1至8中任一項所述的一種實現(xiàn)溫度控制的高分子材料的3D打印方法，其中在當前2D截面層成型完成后，需降低建造臺(5)高度，添加材料粉末使新得到的粉床(4)的上表面與工作臺(3)的上表面重新重合；建造臺(5)下降的距離與所需成型工件3D形體經(jīng)計算機切片處理轉化得到的2D截面組合的層間距相一致，即相等。
【文檔編號】B29C67/00GK103978684SQ201410181363
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年4月30日 優(yōu)先權日:2014年4月30日
【發(fā)明者】林學春, 高文焱, 張志研, 趙樹森, 于海娟, 符文鑫, 馬永梅, 孫文華, 徐堅, 董金勇, 李春成 申請人:中國科學院化學研究所, 中國科學院半導體研究所