[发明专利]一种直接成型金属聚合物复合材料的3D打印设备及方法

权利要求书

1.一种直接成型金属聚合物复合材料的成型方法，其特征在于：使用直接成型金属聚合物复合材料的3D打印设备进行，所述3D打印设备包含成型缸（12）和粉料缸（11），还包含塑料填充系统（A）、激光扫描系统（B）、密封成型室（C）、吸粉铺粉装置（D）和粉末储存装置（10）；所述塑料填充系统（A）、成型缸（12）、粉料缸（11）和吸粉铺粉装置（D）布置在密封成型室（C）内；所述密封成型室（C）的外侧布置有激光扫描系统（B），所述激光扫描系统（B）的激光能透过密封成型室（C）熔化成型缸（12）内的金属粉末，所述金属粉末由粉料缸（11）及吸粉铺粉装置（D）输入，未熔融的金属粉末由可活动的吸粉铺粉装置（D）处理，塑料填充系统（A）包含喷嘴（A1）和具有三自由度的驱动机构（A2），喷嘴（A1）由驱动机构（A2）驱动作用于成型缸（12）上方的成型金属区，并向由吸粉铺粉装置（D）处理后的金属孔洞填充熔融塑料，吸粉铺粉装置（D）包含第一丝杠（7）、吸粉腔（8）、粉刷（9）、第一电机（14）和粉刷导轨（27）；第一丝杠（7）的两端可转动地设置在密封成型室（C）内底部，并横跨成型缸（12）和粉料缸（11），第一电机（14）的输出端与第一丝杠（7）的一端连接，第一电机（14）临近塑料填充系统（A）设置，吸粉腔（8）和粉刷（9）连接为一体，并与粉刷导轨（27）连接，吸粉腔（8）通过刚柔组合管道（E）与粉末储存装置（10）密封连通，粉刷导轨（27）与第一丝杠（7）螺纹连接并可滑动地设置在密封成型室（C）内底部，所述刚柔组合管道（E）包含密封圈（24）、管道（25）和塑料管；管道（25）穿过密封成型室（C）通过密封圈（24）密封，并与粉末储存装置（10）密封连接，管道（25）内穿设有塑料管，塑料管两端分别与吸粉腔（8）和粉末储存装置（10）连接；

所述驱动机构（A2）包含控制喷嘴（A1）上下移动的竖向机构（A21）、控制竖向机构（A21）水平纵向移动的纵向机构（A22）、控制纵向机构（A22）水平横向移动的横向机构（A23）；

所述横向机构（A23）包含第二丝杠（17）、第二电机（18）、第二联轴器（19）、第二连接板（16）和一号导轨（15）；第二电机（18）安装在密封成型室（C）内壁上，输出端通过第二联轴器（19）与第二丝杠（17）的一端连接，第二丝杠（17）的两端分别可转动地设置在密封成型室（C）的内壁和第一支撑架（35）上，位于第二丝杠（17）的两侧布置有两端固定在密封成型室（C）的内壁和第一支撑架（35）上的一号导轨（15），第二连接板（16）与第二丝杠（17）螺纹连接，且可滑动地套设在一号导轨（15）上，纵向机构（A22）设置在第二连接板（16）上；

所述纵向机构（A22）包含第三丝杠（20）、第三电机（22）、第三联轴器（23）和二号导轨（21）；第三丝杠（20）的两端分别可转动地设置在第二支撑架（37）上，第二支撑架（37）安装在第二连接板（16）上，位于第三丝杠（20）的两侧布置有两端固定在第二支撑架（37）上的二号导轨（21），第三电机（22）安装在第二支撑架（37）上，输出端通过第三联轴器（23）与第三丝杠（20）连接，第三连接板（36）与第三丝杠（20）螺纹连接，且可滑动地套设在二号导轨（21）上，竖向机构（A21）设置在第三连接板（36）上；

所述竖向机构（A21）包含第四丝杠（33）、第四电机（31）和第四联轴器（32）；第四电机（31）安装在支撑台（38）上，支撑台（38）位于第三连接板（36）上方且二者通过支柱连接，第四电机（31）的输出端通过第四联轴器（32）连接第四丝杠（33）的一端，第四丝杠（33）的两端分别可转动地设置在支撑台（38）和第三连接板（36）上，第四连接板（34）与第四丝杠（33）螺纹连接，喷嘴（A1）安装在第四连接板（34）上；

所述成型方法包含如下步骤：

一、连续铺粉及一定厚度层的激光加工，首先粉料经粉料缸（11）的升降台顶升后，启动吸粉铺粉装置（D），粉刷（9）将金属粉末平铺到成型缸（12）内的升降台上，回退粉刷（9）至原始位置，开启激光扫描系统（B）使光束透射入成型缸内，熔化成型缸内的金属粉末，完成一层扫描后停止，然后再向成型缸（12）内平铺金属粉末，回退粉刷（9）至原始位置，再开启激光扫描系统使光束透射入成型缸内，熔化成型缸内的金属粉末，完成第二层扫描后停止，如此上述反复操作，当扫描完成到一定厚度层后，每一次厚度层为5层，每一次厚度层的单层厚度为0.3-0.5mm，进行吸粉操作，在密封成型室（C）右侧的吸粉铺粉装置（D）开始向左运动，在吸粉腔（8）到达成型缸（12）右侧边缘时，该粉末储存装置（10）开始工作，通过吸粉腔（8）的吸粉口将成型缸（12）中未经激光加工的金属粉末吸到粉末储存装置（10）内，在吸粉腔（8）向左边的运动过程中，不断地吸走未熔的金属粉末，在吸粉铺粉装置（D）的最右侧达到成型缸（12）的最左侧时，吸粉铺粉装置（D）开始向右运动，在吸粉腔（8）的左侧边缘到达成型缸（12）的右侧边缘时，吸粉腔停止吸粉工作，此时，吸粉铺粉装置（D）仍向密封成型室（C）最右侧运动，直到吸粉铺粉装置（D）上的粉刷（9）到达粉料缸（11）的最右侧后整个吸粉铺粉装置（D）停止运动，然后塑料填充系统（A）开始启动填充；

二、形成一定厚度层后的金属孔洞内熔融塑料填充，步骤一完成后，塑料填充系统（A）开始启动填充，塑料填充系统（A）的横向机构（A23）在外部电控驱动下，其上的纵向机构（A22）沿着一号导轨（15）向右运动，在喷嘴（A1）到达成型缸（12）最右侧的边缘时，第二电机（18）暂停工作，喷嘴（A1）所在的竖向机构（A21）启动，在第四电机（31）作用下，第四丝杠（33）转动带动第四连接板（34）上下移动，工作时，第四连接板（34）向下移动，使得喷嘴（A1）到达已加工金属表面孔洞上方5mm 处，纵向机构（A22）启动工作，在第三电机（22）的作用下，第三丝杠（20）转动带动第三连接板（36）及其上的竖向机构（A21）沿着二号导轨（21）纵向移动，进而带动喷嘴（A1）前后移动开始进行填充，逐次填充每个金属表面孔洞，在填充过程中，第二电机（18）、第三电机（22）和第四电机（31）在外部控制系统的电控下交替使用，使得喷嘴（A1）进行多种路线的填充；

三、完成步骤二后，再重复步骤一和步骤二，进行下一厚度层的激光扫描加工和金属孔洞内熔融塑料填充，如此轮回，直至完成金属聚合物复合材料工件的打印加工。

2.根据权利要求1所述一种直接成型金属聚合物复合材料的成型方法，其特征在于：所述激光扫描系统（B）包含光纤激光器（1）、扩束准直镜（2）、扫描振镜（3）、窗口镜（4）和光学透镜（5）；扩束准直镜（2）、扫描振镜（3）、窗口镜（4）和光学透镜（5）均安装在密封成型室顶部的光路支撑板（6）上，窗口镜（4）和光学透镜（5）布置在成型缸（12）的正方，光纤激光器（1）的激光依次经过扩束准直镜（2）、扫描振镜（3）、窗口镜（4）和光学透镜（5）射入成型缸（12）内。