[發(fā)明專利]一種應(yīng)用光纖耦合輸出激光的3D打印高分子材料系統(tǒng)

有效

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• 申請日: 2014-04-30
• 公開（公告）號: CN103978686A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 林學(xué)春;陳寒;張志研;趙樹森;于海娟;符文鑫;馬永梅;孫文華;徐堅;董金勇;李春成
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院化學(xué)研究所;中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
• 主分類號: B29C67/00
• 分類號: B29C67/00
• 代理公司: 北京慶峰財智知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11417
• 代理人: 劉元霞;謝蓉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于優(yōu)化高分子材料3D打印制件質(zhì)量的應(yīng)用光纖耦合輸出激光的3D打印高分子材料系統(tǒng)。

背景技術(shù)

以激光作為加工能源的激光快速成型是3D技術(shù)的重要組成部分，它集成了CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料科學(xué)等現(xiàn)代科技成果。不同于傳統(tǒng)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)是基于積累成型的思想來制造塑料、陶瓷、金屬及各種復(fù)合材料實體模型。激光快速成型首先要用CAD生成三維實體模型，然后基于軟件分層以獲取每個薄層斷面的二維數(shù)據(jù)，用于驅(qū)動控制激光光束對粉末層進行掃描。激光束在粉末顆粒表面的熱效應(yīng)導(dǎo)致粉末顆粒表面熔化，互相粘合在一起，從而加工出要求形狀的薄層。然后再鋪下一層粉末，重復(fù)以上過程，新的一層和前一層自然燒結(jié)在一起，逐層累積形成實體模型，最后去除未燒結(jié)的粉末，得到成型制件。

該方法適用的材料范圍廣，其中高分子材料是所使用的主流材料類型之一。對于高分子材料來說，其利用激光加工成型存在的主要問題是：激光能量的類高斯分布會導(dǎo)致照射區(qū)中心位置吸收的能量大，溫升快、收縮大；而外圍照射區(qū)吸收能量下，溫升慢、收縮小。這樣不一致的收縮變形會使粉末之間產(chǎn)生應(yīng)力，發(fā)生翹曲。此外，局部溫度過高處的高分子材料易燒灼氣化。已有多個專利從高分子材料改性的角度出發(fā)，通過改進及優(yōu)化粉末的制備工藝，以達到改善高分子材料3D打印制件質(zhì)量的目的。本發(fā)明是從優(yōu)化3D打印所用激光的角度提出解決方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對高分子材料加工過程中由于受熱不均導(dǎo)致制件翹曲變形的問題，提供一種應(yīng)用光纖耦合輸出激光的3D打印高分子材料系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于改善激光輸出能量分布以實現(xiàn)高分子材料加工區(qū)溫度場均勻分布，從而優(yōu)化制件質(zhì)量。該方法是在加工用激光源中引入光纖耦合模塊。初始產(chǎn)生的激光利用不同的方式耦合入光纖，然后經(jīng)過光纖傳輸，最終由光纖的另一端輸出。該光纖耦合模塊的作用是令成環(huán)形狀、強度由中心向外漸變減弱的輸出光斑變?yōu)閺姸染鶆蚍植嫉墓獍摺＞唧w發(fā)明內(nèi)容如下：

一種應(yīng)用光纖耦合輸出激光的3D打印高分子材料系統(tǒng)。其包括參數(shù)控制模塊、控制系統(tǒng)、激光系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)。參數(shù)控制模塊計算得到不同種類高分子材料加工的參數(shù)，然后將該參數(shù)信號傳輸給控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)包括兩個控制模塊：激光功率控制器和掃描速度控制器，二者分別接收對應(yīng)的參數(shù)信號。激光功率控制器根據(jù)由參數(shù)控制模塊接收到的激光功率信號向激光系統(tǒng)傳輸功率控制信號。掃描速度控制系統(tǒng)根據(jù)由參數(shù)控制模塊接收到的掃描速度信號向掃描系統(tǒng)傳輸掃描速度控制信號。激光系統(tǒng)中的激光器驅(qū)動電源系統(tǒng)接收功率控制信號，調(diào)節(jié)其輸出電流，用以控制激光器的輸出功率；脈沖激光器的激光經(jīng)過激光系統(tǒng)中的光纖耦合輸出模塊輸出。掃描系統(tǒng)中的支架驅(qū)動系統(tǒng)接收掃描速度控制信號，調(diào)節(jié)裝有激光振鏡的支架中心軸的旋轉(zhuǎn)速度，用以控制激光掃描速度。

3D打印機加工所用激光光源輸出光斑強度均勻分布，在參數(shù)控制模塊給出的加工參數(shù)下，可以實現(xiàn)高分子材料吸收的能量與所需的熔融能量相匹配，以防止過度加工導(dǎo)致材料分解氣化，以此改善高分子材料3D打印制件質(zhì)量。

其中參數(shù)控制模塊計算得到該材料的加工參數(shù)的方法為：該參數(shù)控制模塊中事先輸入各類高分子材料的物理特性參數(shù)，物理特性參數(shù)包括比熱容、比重、所需預(yù)熱溫度、需達到的加工溫度；并在參數(shù)控制模塊設(shè)置一定的激光功率及激光掃描速度，參數(shù)控制模塊基于光纖耦合輸出光斑的直徑及鋪粉厚度計算得到單位體積粉末在一次掃描下所吸收的能量，該吸收能量依賴于激光功率與激光掃描速度；然后根據(jù)比熱容、預(yù)熱溫度及需達到的加工溫度計算得到單位體積粉末所需的熔融能量；若該所需的熔融能量與前面計算得到的一次掃描過程能吸收的能量存在差異，則參數(shù)控制模塊自動修正激光功率及激光掃描速度，再重復(fù)以上計算過程，直到二者能量相當(dāng)，進而得到最佳的加工參數(shù)。

該控制系統(tǒng)包括激光功率控制器、掃描速度控制器。激光功率控制器的作用是接收參數(shù)控制模塊給出的高分子材料加工所需的激光功率。掃描速度控制器的作用是接收參數(shù)控制模塊給出的高分子材料加工所需的掃描速度。

該激光系統(tǒng)包括激光器驅(qū)動電源、脈沖激光器和光纖耦合輸出模塊。其中的驅(qū)動電源能接收控制系統(tǒng)的指令，設(shè)定不同的工作電流，實現(xiàn)激光功率的調(diào)節(jié)。其中的脈沖激光器可以為光纖激光器或固體激光器，其功率在1-100W之間連續(xù)可調(diào)，激光經(jīng)過光纖耦合輸出。