一种三维打印系统技术方案

本发明专利技术涉及一种三维打印系统，尤其是涉及一种比现有激光同轴送丝三维打印技术更具灵活性和具有非接触式锻造功能的三维打印系统，属于增材制造技术领域。相比现有的基于激光加热的同轴送丝三维打印技术，本发明专利技术的有益效果众多，例如：可实现灵活的加热策略；支持更精细结构的打印；可避免对刚沉积的熔融原料过度加热；可实现在三维打印过程中对金属晶粒进行强调制，对熔池产生搅拌的效果，可以提前预热即将沉积熔融原料的区域，可抑制热裂纹，获得综合性能更高的零件；可以将“激光清洗”整合在三维打印过程中，实现在空气中不使用保护气体的前提下进行金属三维打印；对激光光路的机械装配精度具有极高的容错能力。本发明专利技术具有突出的实质性进步。实质性进步。实质性进步。

【技术实现步骤摘要】
一种三维打印系统


[0001]本专利技术涉及一种三维打印系统，尤其是涉及一种比现有激光同轴送丝三维打印技术更具灵活性和具有非接触式锻造功能的三维打印系统，属于增材制造


技术介绍

[0002]三维打印也称为增材制造，是先进制造技术的一大门类。三维打印使用的原料有多种形态，例如液体、固体粉末、颗粒、线材、棒材、丝材等，其中线材或丝材原料往往比粉末原料成本低、且易于存储、更安全和环保。在现有的采用激光作为加热源、采用线材或丝材作为原料的三维打印技术中，存在“旁轴送丝”和“同轴送丝”两种技术类型。例如申请号为2018800071130的中国专利申请所公开的技术方案就是采用“旁轴送丝”方式，该技术激光束垂直于当前成型面，丝材从激光束围成的空间之外输送到工件(也称为打印体，工件/打印体是熔融原料沉积后形成的物体)表面，激光束将丝材和工件表面与丝材相邻的区域一起熔化，此方式无需考虑丝材对激光的遮挡问题，光路结构较简单，但存在诸如打印有方向性缺陷、打印路径规划困难、多轴运动平台编程复杂、零件表面质量不高、打印效率较低、难以打印复杂结构等问题。在题为A Comprehensive Study of Auxiliary Arrangements for Attaining Omnidirectionality in Additive Manufacturing Machine Tools(DOI:10.1115/1.4049094)的论文中就有对增材制造“旁轴送丝”面临的方向性问题的论述。而“同轴送丝方式”为了解决丝材遮挡激光束和被过早加热熔化的问题，一般是先将激光束扩束，再整形至环形激光束(空心激光束)，丝材从环形激光束中心穿过，然后将环形激光束进行聚焦，丝材在激光束聚焦点附近熔化。例如申请号为2018103767579和申请号为2018104031543的中国专利申请所公开的技术方案就是采用“同轴送丝”方式，激光束的轴向空间(即激光束中心)不存在激光，丝材沿着激光束中心输送到工件表面，激光束在工件表面聚焦并将丝材和工件表面与丝材相邻的区域熔化，此方式的光路较复杂，光路制作难度大于旁轴送丝方式，但由于丝材垂直于正在累积(也称为沉积)熔融原料的工件表面，丝材和激光束可在工件表面上一起往任意方向打印，解决了传统旁轴送丝方式带来的方向性问题，还具有打印路径规划简单、所需的运动平台结构简单、程序编程简单、零件表面质量更高、能打印复杂结构等诸多旁轴送丝所不容易获得的优点。
[0003]现有基于直接熔化沉积方式的金属三维打印技术，例如基于电弧加热和采用金属丝作为原料的技术，材料凝固后产生的晶粒都不是细小晶粒，晶粒生长具有方向性，力学性达不到锻造级，或者综合性能不高。为此，出现了许多在三维打印过程中整合调制晶粒生长的技术。调制方式多种，例如对沉积了熔融原料的区域在凝固前进行机械碾压或施加磁场，以影响晶粒生长过程，抑制晶粒生长为粗大晶枝。例如申请号为2019108963185的中国专利申请，对沉积了熔融原料的区域在完全凝固前进行机械碾压。现有的基于激光加热的金属三维打印技术，也同样是晶粒生长具有方向性，例如在金相显微图像中看到树枝状或柱状晶枝，材料性能达不到传统锻造级别。如申请号为2016101834688的中国专利申请阐述的方法适用于激光作为加热源的金属三维打印：在三维打印系统内设置磁场，在金属3D打印的
快速凝固过程中，快速凝固的固/液界面处能够产生热电流，在磁场的作用下，热电流与磁场相互作用产生触发熔体流动的热电磁力，枝晶端部受到力的作用后产生剪切，造成枝晶碎断，形成大量新的晶核。但是固/液界面处产生的热电流微弱、不稳定且电流的持续时间短，所能产生的电磁作用弱，并且金属熔体的粘度高、对高速变化的作用力响应慢，导致这种技术对晶粒的调制作用不显著，尤其是当随着打印过程的持续进行，热量持续在所打印的零件上不断累积，零件基础温度升高，导致熔池的固/液界面处温度梯度降低，会进一步降低热电流的强度，导致热电流与磁场相互作用进一步减弱；在产生熔池的初始时刻，固/液界面处温差达到峰值，但随着熔池凝固，熔池刚凝固的区域与尚未凝固的区域之间的温差小，固/液界面处产生的热电流更微弱，熔池内部的未凝固区域内部温差更小、更难以产生热电流；依靠固/液界面处产生的热电流与外界磁场相互作用来调制晶粒，除了作用不显著，还存在作用强度分布不均的问题。

技术实现思路

[0004]专利技术人发现：现有的同轴送丝方式，激光束与丝材之间的位置关系相对固定，光斑与丝材或丝材产生的熔融原料之间的相对位置关系固定，从而导致打印缺乏灵活性，具体来说，例如：在金属三维打印过程中，金属丝被加热熔化并在工件上沉积，熔融金属沉积后立即被激光束投射在工件表面的环形光斑加热，沉积后的熔融金属被过度加热，导致流动性增加，流动性增加进一步带来形态可控性低、表面形貌较粗糙、成型精度较低等问题；过度加热还会导致蒸发量增加、气孔增多等问题；如果要避开对刚刚沉积的熔融金属进行加热，就需要激光束可根据打印路径变化而快速调整光斑在熔融金属周边的位置，但现有的激光同轴送丝三维打印技术不具备这样的灵活性。又如：在金属三维打印过程中，激光束投射在工件上、环绕在熔融金属周边的环形光斑对不在打印路径上的区域也一同加热，导致熔池大、热影响区大，在打印薄壁结构等较精细和散热慢的结构时，容易导致结构被过度加热破坏或者形变；较理想的加热方式是对打印路径的前方进行加热，并且熔池的宽度与薄壁结构的宽度基本一致，这也需要激光束可根据打印路径变化快速调整光斑位置，而现有的激光同轴送丝三维打印技术不具备这样的灵活性。
[0005]鉴于现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种能对使用线材或棒材作为原料的三维打印过程中熔融原料沉积区域进行灵活地激光扫描加热的三维打印系统，有别于现有的基于激光加热的同轴送丝三维打印系统。
[0006]本专利技术的另一个目的在于提供一种在三维成型过程中对熔融区域在凝固前施加强电磁作用以获得对正在凝固的组织进行强大调制能力的三维打印系统，以获得高性能的零件。
[0007]为了实现上述的专利技术目的，本专利技术采用的技术方案是：一种三维打印系统，设置有运动平台、激光器、光路、固态原料输送机构、固态原料引导机构、控制电路、电源；其中：控制电路控制运动平台移动，运动平台的移动决定固态原料熔化之后形成的熔融原料在成型区内的沉积位置；控制电路控制固态原料输送机构将固态原料经固态原料引导机构往成型区移动，固态原料的前端在成型区内熔化形成熔融原料，熔融原料在成型区内沉积形成打印体；控制电路控制激光器的工作状态，激光器产生的激光经光路形成激光束传输到成型区；电源向所述三维打印系统的各用电组件提供电能；所述的成型区，是指三维打印系统在
打印零件时所使用的空间，零件在该空间内成型；
[0008]其特征在于：
[0009]激光束从所述的固态原料周围空间投射到打印体上；
[0010]所述的光路包含有激光束移动机构，激光束移动机构控制激光束对打印体上的正在沉积熔融原料的区域的边缘和/或周边扫描加热(这里的“本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维打印系统，设置有运动平台、激光器、光路、固态原料输送机构、固态原料引导机构、控制电路、电源；其中：控制电路控制运动平台移动，运动平台的移动决定固态原料熔化之后形成的熔融原料在成型区内的沉积位置；控制电路控制固态原料输送机构将固态原料经固态原料引导机构往成型区移动，固态原料的前端在成型区内熔化形成熔融原料，熔融原料在成型区内沉积形成打印体；控制电路控制激光器的工作状态，激光器产生的激光经光路形成激光束传输到成型区；电源向所述三维打印系统的各用电组件提供电能；所述的成型区，是指三维打印系统在打印零件时所使用的空间，零件在该空间内成型；其特征在于：所述的激光束从所述的固态原料周围空间投射到打印体上；所述的光路包括激光束移动机构，激光束移动机构控制激光束对打印体上的正在沉积熔融原料的区域的边缘和/或周边扫描加热；激光束在对打印体上的正在沉积熔融原料的区域的边缘和/或周边进行扫描加热的同时，激光束在打印体上的扫描加热区相对打印体移动；经过所述的激光束移动机构且可被投射的激光束的数量至少两束；每束激光束可被独立控制；在同一时刻内投射的激光束数量可控；所述的激光器数量至少一台；在固态原料与打印体之间施加电流产生电阻加热作用，仅在电阻加热的作用下在固态原料与打印体之间产生熔融原料；或者，在固态原料与打印体之间施加电流产生电阻加热作用，在电阻加热和所述激光束加热的共同作用下在固态原料与打印体之间产生熔融原料；或者，仅在所述激光束加热作用下在固态原料与打印体之间产生熔融原料；所述的正在沉积熔融原料的区域是指打印体上的与正在沉积的熔融原料接触的区域；所述的正在沉积熔融原料的区域的边缘是指打印体上的与正在沉积的原料接触的区域的边缘；所述的正在沉积熔融原料的区域的周边是指打印体上与正在沉积熔融原料的区域相邻或相连的区域。2.根据权利要求1所述的三维打印系统，其特征在于：所述的激光束移动机构控制激光束在打印体上的正在沉积熔融原料的区域的边缘和/或周边扫描加热，以产生熔池；激光束的扫描加热区的范围可控；当经过所述的激光束移动机构被投射的激光束的数量为两束或多于两束时，每束激光束的功率可被独立控制；当经过所述的激光束移动机构被投射的激光束的数量为两束或多于两束时，每束激光束的扫描参数可被独立控制。3.根据权利要求2所述的三维打印系统，其特征在于：所述的光路主要由光缆、准直部件、反射部件、激光束移动机构、聚焦部件组成，所述激光束移动机构与所述反射部件和所述聚焦部件相对独立设置，激光器通过所述光缆与所述光路连接；或者，所述的光路主要由光缆、准直部件、反射部件、聚焦部件组成，反射部件和/或聚焦部件当中可运动的一部分构件或全部构件构成所述激光束移动机构，激光器通过所述光缆与所述光路连接；或者，所述的光路主要由准直部件、反射部件、激光束移动机构、聚焦部件组成，激光器直接与光路连接，不通过光缆连接；或者，所述的光路主要由准直部件、激光束移动机构、聚焦部件组成，激光器直接与光路连接，不通过光缆连接；或者，所述的光
路主要由反射部件、激光束移动机构、聚焦部件组成，激光器直接与光路连接，不通过光缆连接；或者，所述的光路主要由激光束移动机构、聚焦部件组成，激光器直接与光路连接，不通过光缆连接；所述的聚焦部件为场镜式聚焦镜，或者非场镜式聚焦镜。或者，所述的光路主要由光缆、反射部件、激光束移动机构组成，激光器通过所述光缆与所述光路连接；或者，所述的光路主要由反射部件、激光束移动机构组成，激光器直接与光路连接，不通过光缆连接；或者，所述的光路主要由激光束移动机构组成，激光器直接与光路连接，不通过光缆连接。4.根据权利要求2所述的三维打印系统，其特征在于：所述的激光束移动机构的光学组件包括振镜；或者，所述的激光束移动机构的光学组件主要由反射镜和/或透镜构成，通过移动反射镜和/或透镜来移动激光束；或者，所述的激光束移动机构的光学组件主要由反射镜和/或透镜构成，通过旋转反射镜和/或透镜来移动激光束。5.根据权利要求1所述的三维打印系统，其特征在于：在所述的固态原料周围空间设置磁场发生装置，磁场发生装置产生的磁场至少覆盖打印体上正在沉积熔融原料的区域；在所述固态原料与打印体之间施加电流，电流流过所述固态原料熔化后产生的熔融原料和打印体上正在沉积熔融原料的区域；所述的磁场发生装置产生的磁场为静态磁场或者交变磁场或旋转磁场；在所述固态原料与打印体之间施加的电流为直流电或交流电。6.根据权利要求5所述的三维打印系统，其特征在于：所述的磁场发生装置、所述的固态原料引导机构和所述的激光束移动机构之间通过机械结构相互连接为一整体，并且可在所述的运动平台驱动下整体移动。7.根据权利要求5所述的三维打印系统，其特征在于：所述磁场发生装置包括一对电磁体或一对永磁体，以产生静态磁场，在固态原料与打印体之间通交流电，在打印体上尚未凝固的区域内部产生磁力振动；或者，所述磁场发生装置包括至少两对电磁体，通多相交流电，交流电的相数与电磁体的对数相同，以产生旋转磁场；在固态原料与打印体之间通直流电或交流电；或者，所述磁场发生装置包括在所述的固态原料周围空间设置的空心电磁体或空心永磁体，固态原料从空心电磁体...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁福鹏，赵海鹏，蔡艳，
申请(专利权)人：南京钛陶智能系统有限责任公司，
类型：发明
国别省市：