[发明专利]一种应用光纤耦合输出激光的3D打印高分子材料系统

说明书

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种用于优化高分子材料3D打印制件质量的应用光纤耦合输出激光的3D打印高分子材料系统。

背景技术

以激光作为加工能源的激光快速成型是3D技术的重要组成部分，它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料科学等现代科技成果。不同于传统的去除成型、拼合成型及受迫成型等加工方法，激光快速成型(Laser Rapid Prototyping，LRP)是基于积累成型的思想来制造塑料、陶瓷、金属及各种复合材料实体模型。激光快速成型首先要用CAD生成三维实体模型，然后基于软件分层以获取每个薄层断面的二维数据，用于驱动控制激光光束对粉末层进行扫描。激光束在粉末颗粒表面的热效应导致粉末颗粒表面熔化，互相粘合在一起，从而加工出要求形状的薄层。然后再铺下一层粉末，重复以上过程，新的一层和前一层自然烧结在一起，逐层累积形成实体模型，最后去除未烧结的粉末，得到成型制件。

该方法适用的材料范围广，其中高分子材料是所使用的主流材料类型之一。对于高分子材料来说，其利用激光加工成型存在的主要问题是：激光能量的类高斯分布会导致照射区中心位置吸收的能量大，温升快、收缩大；而外围照射区吸收能量下，温升慢、收缩小。这样不一致的收缩变形会使粉末之间产生应力，发生翘曲。此外，局部温度过高处的高分子材料易烧灼气化。已有多个专利从高分子材料改性的角度出发，通过改进及优化粉末的制备工艺，以达到改善高分子材料3D打印制件质量的目的。本发明是从优化3D打印所用激光的角度提出解决方法。

发明内容

本发明针对高分子材料加工过程中由于受热不均导致制件翘曲变形的问题，提供一种应用光纤耦合输出激光的3D打印高分子材料系统。该系统基于改善激光输出能量分布以实现高分子材料加工区温度场均匀分布，从而优化制件质量。该方法是在加工用激光源中引入光纤耦合模块。初始产生的激光利用不同的方式耦合入光纤，然后经过光纤传输，最终由光纤的另一端输出。该光纤耦合模块的作用是令成环形状、强度由中心向外渐变减弱的输出光斑变为强度均匀分布的光斑。具体发明内容如下：

一种应用光纤耦合输出激光的3D打印高分子材料系统。其包括参数控制模块、控制系统、激光系统、扫描系统。参数控制模块计算得到不同种类高分子材料加工的参数，然后将该参数信号传输给控制系统。控制系统包括两个控制模块：激光功率控制器和扫描速度控制器，二者分别接收对应的参数信号。激光功率控制器根据由参数控制模块接收到的激光功率信号向激光系统传输功率控制信号。扫描速度控制系统根据由参数控制模块接收到的扫描速度信号向扫描系统传输扫描速度控制信号。激光系统中的激光器驱动电源系统接收功率控制信号，调节其输出电流，用以控制激光器的输出功率；脉冲激光器的激光经过激光系统中的光纤耦合输出模块输出。扫描系统中的支架驱动系统接收扫描速度控制信号，调节装有激光振镜的支架中心轴的旋转速度，用以控制激光扫描速度。

3D打印机加工所用激光光源输出光斑强度均匀分布，在参数控制模块给出的加工参数下，可以实现高分子材料吸收的能量与所需的熔融能量相匹配，以防止过度加工导致材料分解气化，以此改善高分子材料3D打印制件质量。

其中参数控制模块计算得到该材料的加工参数的方法为：该参数控制模块中事先输入各类高分子材料的物理特性参数，物理特性参数包括比热容、比重、所需预热温度、需达到的加工温度；并在参数控制模块设置一定的激光功率及激光扫描速度，参数控制模块基于光纤耦合输出光斑的直径及铺粉厚度计算得到单位体积粉末在一次扫描下所吸收的能量，该吸收能量依赖于激光功率与激光扫描速度；然后根据比热容、预热温度及需达到的加工温度计算得到单位体积粉末所需的熔融能量；若该所需的熔融能量与前面计算得到的一次扫描过程能吸收的能量存在差异，则参数控制模块自动修正激光功率及激光扫描速度，再重复以上计算过程，直到二者能量相当，进而得到最佳的加工参数。

该控制系统包括激光功率控制器、扫描速度控制器。激光功率控制器的作用是接收参数控制模块给出的高分子材料加工所需的激光功率。扫描速度控制器的作用是接收参数控制模块给出的高分子材料加工所需的扫描速度。

该激光系统包括激光器驱动电源、脉冲激光器和光纤耦合输出模块。其中的驱动电源能接收控制系统的指令，设定不同的工作电流，实现激光功率的调节。其中的脉冲激光器可以为光纤激光器或固体激光器，其功率在1-100W之间连续可调，激光经过光纤耦合输出。