一种大型二氧化碳激光3D打印设备及其打印方法技术

本发明专利技术公开了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CO

Large carbon dioxide laser 3D printing device and printing method thereof

The invention discloses a large carbon dioxide laser 3D printing device, which comprises an atmosphere box body and an CO arranged in the air box

【技术实现步骤摘要】
一种大型二氧化碳激光3D打印设备及其打印方法
本专利技术涉及一种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。
技术介绍
3D激光打印是激光立体成形技术(LaserSolidForming，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。
技术实现思路
本专利技术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。实现本专利技术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。实现本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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是本专利技术的大型二氧化碳激光3D打印设备的立体图；图2是本专利技术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是本专利技术的打印设备中的3D打印加工头的结构示意图；图4是本专利技术的二氧化碳激光3D打印方法的流程图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术作进一步说明。请参阅图1至图3，本专利技术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、垂本文档来自技高网...

【技术保护点】
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CO

【技术特征摘要】
1.一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；其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的大型二氧化碳激光3D打印设备，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的大型二氧化碳激光3D打印设备，其特征在于，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。4.根据权利要求1所述的大型二氧化碳激光3D打印设备，其特征在于，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。5.根据权利要求1所述的大型二氧化碳激光3D打印设备，其特征在于，位于所述X轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨旭东，王瑞延，倪苏婉，
申请(专利权)人：上海普睿玛智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31