一種雙光源金屬粉末三維打印系統及打印方法與流程

本發明的技術方案涉及金屬粉末成型技術，具體地說是一種具有表面修飾功能的高精度金屬粉末三維打印系統及打印方法。

背景技術：

3D打印(三維打印)技術是一種新興的快速成型技術，它以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體。3D打印技術由于其可根據設計要求制備出內部結構復雜的特殊器件，在需要內部復雜結構的產品加工中具有顯著的優勢。在工業設計、建筑、汽車，航空航天、醫療器械等眾多領域均有巨大的潛在應用前景，因此，從其誕生之初就成為金屬粉末成型領域的熱點技術。

但是，目前金屬粉末成型領域的3D打印技術存在打印精度較低、無法保證精密成型以及難以對產品內在結構進行可控的表面改性的缺點。打印精度的不足限制了3D打印技術在精密成型領域的應用及推廣，同時也阻礙了精密產品生產效率的提高；產品內在結構表面的諸多特性，如表面親水性、耐腐蝕性等，都對產品性能的發揮起著至關重要的作用。

目前，金屬粉末的3D打印技術中，選擇性激光燒結(SLS)技術能夠有效的控制激光燒結光斑尺寸，能夠獲得較高的打印精度，是較常用的3D打印技術。然而，實際應用中，光纖激光與材料相互作用時，激光能量通過熱傳導的方式被材料吸收，導致材料液化后凝固或直接發生氣化剝離，因此材料表面有很明顯的熱效應區，而選擇性激光熔化(SLM)技術在應用過程中，復雜結構區域會有金屬粉末液化不完全的部位存在，此時，未液化的金屬粉末會被周圍已經液化的金屬粉末粘結，這就使得制件輪廓表面既有液態金屬固化后形成的固體材料，也有被液態金屬粘結的金屬粉末，由于通常使用的金屬粉末的顆粒直徑在10-60um，因此導致制件輪廓尺寸偏大，制件表面光潔度差，其打印精度只能達到約100微米，限制了其在眾多需要高尺寸精度產品中的應用。

通過金屬粉末成型制得的產品，一般都要經過表面改性使其親水性、耐腐蝕性等達標后才能進行實際應用，對于3D打印的產品，由于其所得制件內在結構復雜，很難做到先打印完成，再對內在結構的表面進行改性處理，從而限制了該技術的推廣應用。

技術實現要素：

本發明就是針對上述的問題，提供一種具有表面修飾功能且打印精度達到20微米的金屬粉末3D打印系統及其打印方法，該系統采用具有雙光源的光學系統，可于打印過程中在原位實現精度的調整和制件表面處理。

該系統由加工平臺、光學系統以及分別和二者相連的控制系統組成。該加工平臺包括有盛粉裝置和送粉裝置，盛粉裝置由兩塊隔板依次分隔成儲粉箱、加工箱和收粉箱，三個箱體內均設有活塞電機驅動的推拉活塞，儲粉箱和收粉箱內壁頂端設有紅外測高裝置，用來實時檢測箱體內粉層高度是否達到設定值，并可將信號反饋給控制程序；送粉裝置包括推送輥、固定于盛粉裝置兩側的平行傳送履帶、連于推送輥兩側的推送電機以及將推送電機和傳送履帶固定連接的固定塊，其中固定塊內設有多層卡槽，可以通過調整傳送履帶穿過的卡槽位置來對推送輥的高度進行調節，傳送履帶的四個轉軸上方的盛粉裝置外側均設有限位柱，用以防止傳送履帶因控制程序出錯發生過量傳送，導致固定塊和傳送履帶轉軸的碰撞，甚至對設備造成損壞。

定義加工平臺中兩塊隔板的高度為h，推送輥的半徑為r，加工平臺的寬度為s，被兩塊隔板分隔成的儲粉箱、加工箱和收粉箱的長度分別為l_C、l_J和l_S，盛粉裝置高度為H，那么在本發明中，有效矩形加工面積為(s-40um)×(l_J-40um)，h<H<h+r，2.5l_C<l_J。

上述光學系統置于光學箱內，包括有一個光路控制器、一條輸出光路和兩條輸入光路。其中，兩條輸入光路分別來自于串聯了擴束鏡的光纖激光器和串聯了擴束鏡的飛秒激光器；光路控制器包括可平移的反射鏡及兩臺激光器的電源開關控制裝置，以便實現兩種類型激光的加工；輸出光路經過振鏡，最終通過光孔垂直入射到加工箱內，使得聚焦后的光腰位于當前粉末層的表面。

上述控制系統包括具有控制界面的顯示器、帶有外接口的主機箱、與加工平臺和光學系統相連的通訊線以及加工控制程序。其中，通訊線在加工平臺上與各個電機及紅外測高裝置相連，在光學系統中通訊線與光路控制器及振鏡相連。

本發明提供的三維打印系統的打印方法包括如下步驟：

(1)光路校準：啟動打印系統，分別校準光纖激光光路和飛秒激光光路后，光纖激光光路聚焦加工零點，所述的加工零點為有效矩形加工面積位于收粉箱側的一個端點。

(2)圖像校準：通過主機箱上的外接口輸入打印模型的圖像數據，確定圖像零點，并將圖像零點調節至加工零點。

(3)預鋪粉：加工箱推拉活塞復位至箱頂零點，推送輥復位至儲粉箱外側，儲粉箱推拉活塞上移，待金屬粉體高度超出紅外測高裝置2-3mm時停止，傳送履帶帶動推送輥從儲粉箱側運動到收粉箱側，同時推送電機以與傳送履帶轉軸相反的方向驅動推送輥自轉，進行預鋪粉，推送輥達收粉箱外側后，在傳送履帶帶動下復位至儲粉箱外側，同時推送輥以相反方向自轉。

(4)鋪粉：于控制系統的加工程序中設置加工粉層厚度為t，加工箱下降高度t，同時儲粉箱上升高度推送輥以與預鋪粉過程相同的運動方式，從儲粉箱側運動到收粉箱側，而后再復位至儲粉箱側。

(5)掃描：開啟光纖激光光路，控制程序根據圖像加工數據調節光纖激光參數，計算光纖激光加工坐標并開始打印，本層打印結束后，關閉光纖激光光路，計算飛秒激光加工坐標，開啟飛秒激光光路，根據圖像精度加工和表面處理要求調節飛秒激光參數并完成本層的全部掃描，然后關閉飛秒激光光路，振鏡復位至加工零點。

(6)重復4-5步，直至完成樣件全部打印后，振鏡和推送輥復位至各自零點。

(7)卸除加工箱的推拉活塞，取出樣件后，安裝加工箱推拉活塞，清理樣件表面金屬粉末，打印完成。

上述步驟(3)和(4)中傳送履帶的傳送速度為10_～50mm/s。

上述步驟(5)中光纖激光加工的圖像加工坐標計算原則為，光纖激光掃描的軌跡靠內補償，飛秒激光掃描的軌跡靠外補償，即光纖激光掃描的軌跡為原加工圖像的外輪廓向內部縮進光纖激光光斑半徑大小后的新輪廓，飛秒激光掃描的軌跡為原加工圖像的外輪廓向外延伸飛秒激光光斑半徑大小后的新輪廓，所述的兩種光源的光斑半徑由設備安裝后校正平板檢測獲得，其中光纖激光光斑半徑r₁為25±10um，飛秒激光光斑半徑r₂為15±5um。

上述光纖激光的功率為60W～500W，飛秒激光的功率3～20W，脈沖頻率50K～80MHz，脈沖寬度50～400fs。

本發明的有益效果為：

1、本系統采用相同波長不同脈沖寬度的激光器作為光源：一種是光纖激光，另一種是飛秒激光，其中光纖激光用于熔化燒結金屬粉末，飛秒激光用于對燒結成型后的截面輪廓進行清除以及表面處理。由于飛秒量級的激光在加工過程，激光與材料作用時間極短，能量直接被材料吸收，材料生成等離子體后被去除，激光能量沒有足夠時間進行熱傳導，因而材料表面無明顯的熱影響區，將飛秒激光聚焦到微米級，可實現幾微米的祛除精度，且被祛除材料邊緣清晰無殘留。因此，采用飛秒激光作為輪廓清掃光源能夠實現更高的零件成型精度。

2、本發明采用光纖激光進行3D打印，改善了成型產品的內表面結構，同時采用飛秒激光根據需求對產品表面進行結構化處理，可提高產品使用壽命，改善產品性能，擴大產品使用范圍。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

圖1為本發明實施例1提供的三維打印系統示意圖。

圖2為本發明實施例1提供的加工平臺示意圖。

圖3為本發明實施例1提供的光學系統兩種工作狀態示意圖。

圖4為本發明實施例1打印出的骨釘實物照片。

圖5為本發明實施例1中只用光纖激光加工完骨釘表面形貌。

圖6為本發明實施例1中雙光源加工后的骨釘表面形貌。

圖7為本發明實施例1中雙光源加工后骨釘表面形貌放大圖。

圖8為本發明實施例2打印出的骨釘實物照片。

圖9為本發明實施例2中雙光源加工后的骨釘表面形貌。

圖10為本發明實施例2中只用光纖激光加工完骨釘表面形貌。

具體實施方式

實施例1

本實施例提供的三維打印系統，如圖1所示，由加工平臺、光學系統3以及分別和二者相連的控制系統4組成。該加工平臺，如圖2所示，包括有盛粉裝置和送粉裝置，盛粉裝置由兩塊隔板12依次分隔成儲粉箱11、加工箱13和收粉箱14，三個箱體內均設有活塞電機驅動的推拉活塞15，儲粉箱11和收粉箱14內壁頂端設有紅外測高裝置16，用來實時檢測箱體內粉層高度是否達到設定值，并可將信號反饋給控制程序；送粉裝置包括推送輥23、固定于盛粉裝置兩側的平行傳送履帶21、連于推送輥23兩側的推送電機24以及將推送電機和傳送履帶固定連接的固定塊25，其中固定塊內設有多層卡槽，可以通過調整傳送履帶穿過的卡槽位置來對推送輥的高度進行調節，傳送履帶21的四個轉軸上方的盛粉裝置外側均設有限位柱22，用以防止傳送履帶21因控制程序出錯發生過量傳送，導致固定塊25和傳送履帶21轉軸的碰撞，甚至對設備造成損壞。

定義加工平臺中兩塊隔板的高度為h，推送輥的半徑為r，加工平臺的寬度為s，被兩塊隔板分隔成的儲粉箱、加工箱和收粉箱的長度分別為l_C、l_J和l_S，盛粉裝置高度為H，那么在本發明中，有效矩形加工面積為(s-40μm)×(l_J-40μm)，h<H<h+r，3l_C＝l_J。

上述光學系統3置于光學箱內，包括有一個光路控制器33、一條輸出光路和兩條輸入光路。其中，兩條輸入光路分別來自于串聯了擴束鏡32的光纖激光器35和串聯了擴束鏡32的飛秒激光器31；光路控制器33包括可平移的反射鏡及兩臺激光器的電源開關控制裝置，以便實現兩種類型激光的加工；輸出光路經過振鏡34，最終通過光孔垂直入射到加工箱內，使得聚焦后的光腰位于當前粉末層的表面，兩種工作狀態如圖3所示，工作狀態(1)時光纖激光光路工作，飛秒激光光路關閉，工作狀態(2)時飛秒激光光路工作，光纖激光光路關閉。

上述控制系統包括具有控制界面的顯示器、帶有外接口的主機箱、與加工平臺和光學系統相連的通訊線以及加工控制程序。其中，通訊線在加工平臺上與各個電機相連，在光學系統中通訊線與光路控制器及振鏡34相連，整體設備安裝完成后，經校正平板檢測，其中光纖激光光斑半徑r₁為25um，飛秒激光光斑半徑r₂為15um。

本發明提供的三維打印系統的打印方法包括如下步驟：

(1)光路校準：啟動打印系統，分別校準光纖激光光路和飛秒激光光路后，光纖激光光路聚焦加工零點，所述的加工零點為有效矩形加工面積位于收粉箱側的一個端點。

(2)圖像校準：通過主機箱上的外接口輸入骨釘圖像數據，確定骨釘尖端為圖像零點，并將圖像零點調節至加工零點。

(3)預鋪粉：加工箱13推拉活塞復位至箱頂零點，推送輥23復位至儲粉箱11外側，儲粉箱11推拉活塞上移，待金屬粉體高度超出紅外測高裝置16高度2mm時停止，傳送履帶21帶動推送輥23以20mm/s的速率從儲粉箱11側運動到收粉箱14側，同時推送電機24以與傳送履帶21轉軸相反的方向驅動推送輥23自轉，進行預鋪粉，推送輥23達收粉箱14外側后，在傳送履帶21帶動下復位至儲粉箱11外側，同時推送輥23以相反方向自轉。

(4)鋪粉：于控制系統的加工程序中設置加工粉層厚度t的數值，加工箱13下降高度t，同時儲粉箱11上升高度推送輥23以與預鋪粉過程相同的運動方式及速度，從儲粉箱11側運動到收粉箱14側，而后再復位至儲粉箱11側。

(5)開啟光纖激光光路，控制程序根據圖像加工數據調節光纖激光功率為450W，以骨釘圖像中軸線為基線，計算出骨釘圖像輪廓坐標值，記為一組±l值，而后以±(l-25)為圖像外輪廓記錄加工坐標，即將骨釘圖像輪廓內縮25um，并開始打印，本層打印結束后，關閉光纖激光光路，再以±(l+15)為圖像外輪廓記錄新的加工坐標，即將骨釘圖像輪廓外延15um，開啟飛秒激光光路，設定飛秒激光功率為10W，脈沖頻率為50MHz，脈沖寬度為200fs，完成本層全部掃描后關閉飛秒激光光路，振鏡34復位至加工零點。

(6)重復4-5步，直至完成樣件全部打印后，振鏡34和推送輥23復位至各自零點。

(7)卸除加工箱13的推拉活塞，取出樣件后，安裝加工箱13推拉活塞，清理樣件表面金屬粉末，打印完成，其打印后試樣如圖4所示。

圖5為只采用光纖激光加工后的樣件表面的場發射掃描電鏡圖片，其粗糙度Rz＝31um，表面明顯有很多金屬顆粒存在，這些顆粒在服役過程中很容易從樣件表面脫落，引發炎癥，最終導致植入失敗，圖6為本實施例加工后的樣件表面的場發射掃描電鏡圖片，粗糙度Rz＝12um，表面已經見不到金屬顆粒存在，且其表面存在微米級條紋結構，發大后如圖7所示。

實施例2～4

該三個實施例提供的打印系統及打印方法除表1所列出的參數外與實施例1均相同，同時表1也給出了三個實施例加工所得樣件的表面粗糙度。

表1實施例2～4與實施例1不同的參數及加工樣件表面粗糙度

實施例2最終所得樣件的照片如圖8所示，其表面形貌如圖9所示，粗糙度Rz＝11um，與其只完成光纖激光加工后的樣件表面(圖10所示，Rz＝36um)相比，粗糙度明顯下降。

實施例3、4所得樣件的照片及表面形貌類型與實施例1和2一致，為了避免贅述，本申請中予以省略。