[发明专利]一种用于精确控温的高分子材料紫外激光3D打印方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于3D打印成型技术领域，具体涉及一种用于精确控温的高分子材料紫外激光3D打印成型方法及装置。

背景技术

3D打印是一个通俗的概念，是快速成型技术的一种，产生于20世纪80年代后期。该技术集机械工程，材料工程，数控技术，激光技术等多项技术一体，采用材料累加法制造零件原型。其原理是先通过计算机辅助设计(CAD)或计算机动画建模软件建模，形成数字化模型，然后将三维模型分解为逐层的二维截面，通过软件与数控系统将打印材料逐层堆积固化，制造出实体产品。比较主流的方法包括光固化立体成形(Stereo Lithography Apparatus,SLA)、分层实体制造(Laminated Object Manufacturing,LOM)、选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,LS)、熔积成形(Fused Deposition Modeling，FDM)等。

相较于传统的制造方法，3D打印技术可以忽略产品部件的外形复杂程度；制造快速，可实现产品设计与模具生产的同步进行，提高研发效率，缩短设计周期；原材料利用率极高，接近100％。基于上述优点，该技术在汽车、家电、通讯、航空、工业造型、医疗、考古等行业得到日益广泛的应用。

3D打印使用的材料从光敏树脂、ABS、类ABS、蜡型、玻璃纤维等塑料类材料，到不锈钢、铝合金、铁镍合金、钴铬钼合金等金属类材料，种类相比过去已有所丰富，但是与传统制造所使用的材料相比仍有差距。由于部分高分子材料的熔融温度与分解温度接近，为了不改变加工材料的性质，对加工温度进行精确控制，提高该成型技术的成品率，成为需要解决的重要技术问题。

紫外激光具有波长短，分辨率高，能量聚焦集中、脉冲稳定、重复频率高的优点，具有“冷加工”的特性,能直接破坏连接物质的化学键,而不产生对外围的加热,通常利用紫外激光得到的加工表面良好，大多无热裂纹、无熔融沉渣、边缘锐利整洁、组织细化、热影响区小甚至可以忽略，因此成为加工脆弱物质的理想工具，可获得极高的加工质量和加工尺寸精度。同时，大多数材料能有效地吸收紫外光,如陶瓷、金属、聚合物等，因此，紫外激光成为3D激光打印技术中一种重要的波段。

公开号为CN1135731的专利，采用双束激光以减少由于温度梯度差过大造成的材料卷曲，但是其结构复杂，本发明提供一种更为简单、成本低的方法产生均匀的温度梯度。

发明内容

本发明针对现有3D打印中出现的问题，提出了一种用于精确控温的高分子材料紫外激光3D打印成型方法及装置，解决以上技术问题。

本发明通过以下技术方案解决以上问题：

一种用于精确控温的高分子材料紫外激光3D打印装置，其中包括有用于维持工作环境温度恒定的恒温箱；在该恒温箱中设置有用于支承待形成物体的加工平台，加工平台上设置有能将高分子材料涂敷到平台上的铺粉装置，在加工平台的上方设置有能发出定向的紫外激光射线的激光头，该激光射线通过扫描振镜偏转到加工平台上；其中在距加工平台上方的一段距离内设置一非接触式温度监测装置，该温度监测装置用于无接触地测量位于加工平台最上方的粉末层的温度；所述打印装置还包括用于控制和/或调节激光头的功率和运行轨迹，以及读取被温度监测装置测量的高分子材料的温度的计算机控制系统；所述计算机控制系统与激光头、温度监测装置相连接以实现对烧结温度进行闭环控制。

优选地，其中激光头采用双管芯结构，内管与外管同轴固定，并在两管之间固定一片或多片渐变中性滤波片，所述滤波片激光透过率由内管到外管的径向降低。

优选地，在内管和外管中分别出射有激光，其中外管激光低于加工材料的加工温度。

优选地，所述激光头功率在1W-100W之间线性可调，重复频率在1kHz-100kHz之间，脉宽在1ps-100ns之间，波长在190nm-380nm之间。

优选地，非接触式温度监测装置由控制系统操控，所述非接触式温度监测装置探头对准激光加工点。

优选地，所述恒温箱温度在20-30℃之间。

优选地，计算机控制系统控制激光头激光输出，扫描阵镜反射激光束进行扫描，接收非接触式温度监测装置反馈的温度信息，通过与预设加工温度对比，调节所述激光头的出射能量。

优选地，所述加工平台可在垂直方向垂直移动。