一种应用皮秒激光精确控温3D打印高分子材料系统技术方案

本发明专利技术提供一种应用皮秒激光器来实现高分子材料3D打印的系统，其包括激光系统、控制系统、红外测温装置、送料装置。通过校准、反馈、激光功率控制来补偿与最近3D打印作业温度的温差，该温差可精确控制在±0.5℃以内，有效的防止高分子材料在3D打印过程出现的翘曲和加工不均匀现象。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供一种应用皮秒激光器来实现高分子材料3D打印的系统，其包括激光系统、控制系统、红外测温装置、送料装置。通过校准、反馈、激光功率控制来补偿与最近3D打印作业温度的温差，该温差可精确控制在±0.5℃以内，有效的防止高分子材料在3D打印过程出现的翘曲和加工不均匀现象。【专利说明】一种应用皮秒激光精确控温3D打印高分子材料系统
本专利技术涉及激光3D打印领域，具体涉及一种应用皮秒激光器3D打印高分子材料系统。
技术介绍
3D打印技术是激光快速成型的一种新技术，是激光应用的一次飞跃，甚至被誉为第三次工业革命。激光3D打印采用光固化快速成型技术，将液体或者粉末材料快速打印成原先设计好的实物。它集成了激光、机械、控制系统。目前可以用作激光3D打印的材料已经覆盖了高分子、金属粉末、陶瓷及其复合材料。由于高分子材料与金属和陶瓷材料相t匕，其表面能较低，熔融粘度高，具有较低的成形温度，所需的激光功率低，也不会出现在金属粉末打印过程中出现的“球化”效应。因此高分子材料在SLS(SLS:Selective LaserSintering选择性激光烧结)领域应用的最为广泛。但是高分子材料对温度响应灵敏，且大部分的高分子材料的可加工温度在200-300 V之间，加工的温度区间窄。有的高分子材料的加工温度区间与高分子材料本身的分解温度接近，如PP (聚丙烯)的可加工温度区域为200-300°C，但是其分解温度为310°C，两者温区非常接近，且高分子材料的导热系数低，在实际加工中容易导致加工效果不均匀，易出现翘曲现象。而且激光在快速成型的过程中也快速输给了高分子材料一定的能量，导致实际的高分子材料在3D打印过程中，因为温度控制精度不够而导致3D打印效果不好，或者出现制件翘曲，因为翘曲是高分子材料选择性激光3D打印过程中普遍存在的破坏性现象。因此能够对高分子材料3D打印提供精确的温度控制意义重大。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中高分子材料由于对温度响应灵敏，在3D打印中由于温控不好造成翘曲和分解现象。本专利技术提供一种皮秒激光3D打印高分子材料系统，其可以自身根据实际的打印操作来实时进行修正和调整工作温度，做到精确控制高分子材料的工作的温度。该系统包括:送料器、激光系统、控制系统、第一红外测温仪和第二红外测温仪。通过实际对预热实际输出温度数据和实时3D打印作业区域的温度测定，将实际测得的温度与设置的预热温度进行对比，存在误差较大时给出反馈。根据反馈的温差可以改变预热温度调节或者改变皮秒激光器的输出功率进行调节，将3D打印区域的温度与材料的最佳打印温度匹配。实现对3D打印材料的打印区域温度进行精确控制，以防止3D打印不均匀和材料的翘曲现象出现。其方案具体为:该系统为一种应用皮秒激光精确控温3D打印高分子材料系统，该系统包括:激光系统、送料器、控制系统、第一红外测温仪和第二红外测温仪；各组成部分连接如下:第一红外测温仪连接控制系统中的第一温度采集，用于监测送料器输出材料的预热温度；第二红外测温仪连接控制系统中的第二温度采集，用于监测皮秒激光3D打印作业区的头时温度；送料器连接控制系统中的送料控制器，用于对所要加工的物料进行预热和输送；激光系统连接控制系统中的激光控制器，其包括皮秒激光器和振镜，皮秒激光器的作用是根据激光控制器输出的指令输出相应指标的激光来实施3D打印作业，振镜的作用是根据激光控制器输出的打印要求指令来改变皮秒激光器输出的激光光束位置，以实施快速3D打印作业；控制系统是实施皮秒激光精确控温3D打印的核心部分，包括第一温度采集、第二温度采集、激光控制器、送料控制器、校准器和反馈及报错装置。用皮秒激光3D打印工作，通过校准、反馈、激光功率控制来补偿与3D打印作业实时温度的温差，该温差可精确控制在±0.5°C以内。所述皮秒激光器可以为光纤激光器或固体激光器，其输出平均功率为I?100W之间连续可调，输出光束聚焦的最小光斑直径小于400 μ m,重复频率在I?800MHz之间，脉冲宽度在I?500ps之间，波长在266?2000nm之间，通过控制系统中的激光控制器对其功率进行调节；所述的振镜为高速振镜，运转速度可以达到lm/s，也通过控制系统中的激光控制器对其进行控制。所述的第一红外测温仪和第二红外测温仪的误差为± 1°C。所述的第一温度采集是采集第一红外测温仪的温度数据，并将其发送到校准器中；第二温度采集是采集第二红外测温仪的温度数据，并将其发送到校准器和反馈及报错装置中；激光控制器连接激光系统，其对皮秒激光器和振镜同步输出指令，给皮秒激光器输出功率的指令，给振镜打印形状和运转速度的指令；送料控制器连接送料器，并对其中输送物料预热温度和输出速率给出指令；校准器与第一温度采集和送料控制器相连接，并将送料控制器对物料的预热温度和第一红外测温仪的测得的实时预热温度数据对比，如果温度相差超过10°c，将发送指令到反馈及报错装置；反馈及报错装置与校准器相连，其内部存储有各种材料的最佳打印温度数据值，并实时与校准器中的温度数据对比，一旦温差大于10°c，将给出报警提示。所述的送料器能对其中物料进行均匀预热和输送，其预热的温度可以控制在100?500°C，控温精度为±5°C，输送速率可以控制在O?2m/s。此外本专利技术利用皮秒激光高峰值功率、高重复频率的优点对高分子材料进行精确的打印。因为皮秒激光输出脉冲时间短，单脉冲能量高，聚焦光束直径小，脉冲的重复频率在MHz及以上，对材料的实现快速精密加工。本专利技术的有益效果如下:本专利技术采用皮秒激光3D打印工作，利用皮秒激光在材料加工领域的优势。因为其具有峰值功率高，重复频率高，单脉冲能量高等优点。可以对高分子材料实施精确快速的3D打印作业。对高分子材料的预热温度和实时打印工作温度进行监测反馈。通过对高分子材料的预热和实时3D打印工作区的温度进行实时的监测，根据校准器35的提示可以通过调整预热的温度和激光器的输出功率来精确控制3D打印的工作温度。其具体实施是通过校准器35校准送料器I设定的预热温度和测得实际输出物料的实际温度，再通过反馈调整激光器的功率来修正打印工作的温度，使高分子材料处于最佳的打印工作温度，对高分子材料进行精确打印，可控温度的误差范围在±0.5°C。采用上述的双重调节优化，确保温度精确控制，较好的防止高分子材料3D打印过程中容易出现的烧结不均匀和翘曲现象。在打印的过程中可以通过参数对比，及时修正激光器的输出功率来修正打印温度，可以精确的控制到±0.5°C的误差范围内，有效防止烧结不均匀以及翘曲现象出现，如果操作熟练本系统可以将温度误差降的更低。本系统带智能保护措施，如果校准器中的两组预设的预热温度数据和实测的预热输出温度数据相差大于10°C。可以通过设定来让机器停止打印作业以保证3D打印的高成品率。如果打印工作区温度达到了高分子材料的分解温度可以通过预先设定反馈及报错装置36来让系统自动及时停止打印作业，以消除3D打印效果不好时对物料造成的浪费。【专利附图】【附图说明】图1皮秒激光精确控温3D打印高分子材料系统示意图。图2控制系统示意图。【具体实施方式】为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用皮秒激光精确控温3D打印高分子材料系统，其特征在于，该系统包括：激光系统(2)、送料器(1)、控制系统(3)、第一红外测温仪(41)和第二红外测温仪(42)；各组成部分连接如下：第一红外测温仪(41)连接控制系统(3)中的第一温度采集(31)，用于监测送料器(1)输出材料的预热温度；第二红外测温仪(42)连接控制系统(3)中的第二温度采集(32)，用于监测皮秒激光3D打印作业区的实时温度；送料器(1)连接控制系统(3)中的送料控制器(34)，用于对所要加工的物料进行预热和输送；激光系统(2)连接控制系统(3)中的激光控制器(33)，其包括皮秒激光器(21)和振镜(22)，皮秒激光器(21)的作用是根据激光控制器(33)输出的指令输出相应指标的激光来实施3D打印作业，振镜(22)的作用是根据激光控制器(33)输出的打印要求指令来改变皮秒激光器(21)输出的激光光束位置，以实施快速3D打印作业；控制系统(3)是实施皮秒激光精确控温3D打印的核心部分，包括第一温度采集(31)、第二温度采集(32)、激光控制器(33)、送料控制器(34)、校准器(35)和反馈及报错装置(36)。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：林学春，孙伟，张志研，赵树森，于海娟，马永梅，孙文华，徐坚，董金勇，李春成，符文鑫，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11