一種具有高表面精度的三維打印的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種具有高表面精度的三維打印機，包括粉床、鋪粉輥、升降工作缸、激光器、光路聚焦器、掃描振鏡、磨頭、磨頭主軸、多軸聯動系統、以及粉末材料，粉床與三維打印機的機身連接，升降工作缸設置于粉床的下部，且其下端面與粉床的上表面平齊，升降工作缸內裝有粉末材料和成型制件，鋪粉輥設置于粉床的上端面，并在粉床的左右來回滾動，用于輸送粉末材料到粉床中，并將粉床中的粉末材料鋪平，激光器固定在三維打印機的機身上，光路聚焦器固定在三維打印機的機身上，設置于掃描振鏡和激光器之間，用于聚焦激光器的光斑，掃描振鏡固定在三維打印機的機身上。本實用新型能解決現有三維打印機中存在的制件表面粗糙、尺寸精度差的問題。
【專利說明】一種具有高表面精度的三維打印機
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于金屬零件直接制造【技術領域】，更具體地，涉及一種具有高表面精度的三維打印機。
【背景技術】
[0002]我國三維打印技術,過去稱為快速成型技術(Rapid Prototype,簡稱RP)的研究始于1991年。近幾年來，我國三維打印機制造技術飛速發展，已研制出與國外SLA、L0M、SLS、SLM、FDM等工藝方法相似的設備，并逐步實現了商品化，其性能達到了國際水平。我國三維打印機主要應用于產品設計、快速模具制造、鑄造、醫學等領域。在產品設計領域，三維打印機使CAD產生的概念模型實物化；利用三維打印機制造的實物模型做設計評價，可以將產品的設計缺陷消滅在設計階段，最終提高產品的整體設計質量；此外，還可以利用三維打印模型做性能和功能測試，如機構運動分析、流動分析、應力分析、流體和空氣動力學分析等。三維打印機在快速模具制造領域的應用，可以分為直接和間接兩大類:可以直接制造模具的快速成型工藝主要有SLS、L0M、FDM、SLM等；間接制造模具的方法主要是用快速成型模型作為母模，翻制快速經濟模具，如硅橡膠模具、聚氨酯模具、金屬噴涂模具、環氧樹脂模具等。在鑄造領域，三維打印機的應用主要包括直接澆注鑄件、用原型翻制母模后再澆注鑄件、選用適當的樹脂制造原型等等。在醫學領域，三維打印機設計制造具有相當準確度和適配度的可植入的假體，能夠提高美觀度、縮短手術時間、減少術后并發癥等。
[0003]現有的金屬直接成形三維打印機是以各種純金屬或合金粉末材料作為加工原料，采用中小功率激光器快速、完全熔化待成形區域金屬粉末后，結合快速冷卻凝固技術，可以獲得非平衡態過飽和固溶體及均勻細小的金相組織，其成型零件致密度近乎100%，機械性能與鍛造零件相當。該裝置主要由激光器、機械傳動裝置、電氣控制裝置和計算機控制系統四大部分組成。激光器為設備的能量源，機械結構形成設備的物理架構，電氣系統主司各執行部件，計算機完成數據傳輸與處理、加工控制和人機交互等。這四大部分形成一個功能完備的數控系統。
[0004]但是，目前三維打印機仍然存在著一些問題:三維打印機雖然可以加工幾乎任意復雜的三維制件，但由于金屬粉末在激光熔化過程固有的“球化效應”，而且由于層層疊加會產生“臺階效應”，所以三維打印機打印出來的三維制件存在表面粗糙和尺寸精度差的缺陷。
實用新型內容
[0005]針對現有技術的缺陷，本實用新型的目的在于提供一種具有高表面精度的三維打印機，旨在解決現有三維打印機中存在的三維制件表面粗糙、尺寸精度差的技術問題。
[0006]為實現上述目的，本實用新型提供了一種具有高表面精度的三維打印機，包括粉床、鋪粉棍、升降工作缸、激光器、光路聚焦器、掃描振鏡、磨頭、磨頭主軸、多軸聯動系統、以及粉末材料，粉床與三維打印機的機身連接，升降工作缸設置于粉床的下部，且其下端面與粉床的上表面平齊，升降工作缸內裝有粉末材料和成型制件，鋪粉輥設置于粉床的上端面，并在粉床的左右來回滾動，激光器固定在三維打印機的機身上，光路聚焦器固定在三維打印機的機身上，設置于掃描振鏡和激光器之間，掃描振鏡固定在三維打印機的機身上，磨頭安裝在磨頭主軸的頂端，磨頭主軸與多軸聯動系統連接，多軸聯動系統固定在三維打印機的機身上。
[0007]優選地，粉末材料是由金屬材料制成，并且是加工成型制件的原材料。
[0008]優選地，激光器4是功率為200W?1000W光纖激光器。
[0009]優選地，光斑直徑為100微米至500微米。
[0010]優選地，磨頭主軸使用轉速為20000rpm的機械主軸。
[0011]通過本實用新型所構思的以上技術方案，與現有技術相比，本實用新型具有以下的有益效果:
[0012]1、由于在三維打印機中增加了機械研磨裝置，在堆疊成型過程中對制件進行逐層高速研磨，因此得到的三維制件表面精細，粗糙度低。
[0013]2、由于研磨采用了多軸聯動系統，可以進行制件表面全方位研磨，并且在研磨時磨頭進給量小，因此得到的三維制件尺寸精度高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本實用新型具有聞表面精度的二維打印機的不意圖。
【具體實施方式】
[0015]為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0016]如圖1所示，本實用新型具有高表面精度的三維打印機包括粉床1、鋪粉輥2、升降工作缸3、激光器4、光路聚焦器5、掃描振鏡6、磨頭7、磨頭主軸8、多軸聯動系統9、以及粉末材料10。
[0017]粉床I與三維打印機的機身連接。
[0018]升降工作缸3設置于粉床I的下部，且其下端面與粉床I的上表面平齊，升降工作缸3內裝有粉末材料10和成型制件11，并可升降。
[0019]粉末材料10是由金屬材料制成，并且是加工成型制件11的原材料。
[0020]鋪粉輥2設置于粉床I的上端面，并在粉床I的左右來回滾動，用于輸送粉末材料10到粉床I中，并將粉床I中的粉末材料10鋪平。
[0021]激光器4固定在三維打印機的機身上，并能在通電后發射出高能激光束。在本實施方式中，激光器4是功率為200W?1000W光纖激光器。
[0022]光路聚焦器5固定在三維打印機的機身上,設置于掃描振鏡6和激光器4之間，并將激光器4的光斑聚焦到指定大小(光斑直徑通常為100微米至500微米)，使光斑能量密度達到能夠熔化粉末材料10的要求。
[0023]掃描振鏡6固定在三維打印機的機身上,并可改變激光器4的激光束在粉床I上聚焦的位置。[0024]磨頭7安裝在磨頭主軸8的頂端，磨頭主軸8與多軸聯動系統9連接，并可隨多軸聯動系統在6個自由度內運動，以驅動磨頭7旋轉，進而對成型制件11進行研磨。在本實施方式中，磨頭主軸8使用轉速為20000rpm的機械主軸。
[0025]多軸聯動系統9固定在三維打印機的機身上，并驅動磨頭7運動。多軸聯動系統9在激光器4工作時，將磨頭7和磨頭主軸8移動到粉床I的邊緣，并保持靜止狀態；在激光器4停止工作后，多軸聯動系統9將磨頭I和磨頭主軸8移動到成型制件11的上方開始研磨工作，不會對激光束的作用產生干涉。在本實施方式中，多軸聯動系統具有3至6軸。
[0026]以下描述本實用新型的工作原理:
[0027]首先，激光器4在通電后發射出高能激光束，光路聚焦器5將激光器4的光斑聚焦到指定大小，掃描振鏡6控制經過光路聚焦器5聚焦后的激光器光束照射在粉床I上待成型區域的粉末材料10上，從而金屬粉末10快速熔化并凝固在一起，在照射完一層粉末材料10后，位于激光器4和粉床I中間的磨頭7運動到成型制件11的上方指定位置，開始對成型制件11輪廓進行高速研磨，研磨結束后，磨頭7自動退回到初始位置，其后，升降工作缸3下降一定距離，鋪粉輥2在已成型的粉末材料層之上鋪展一定層厚(具體為50微米至200微米)的粉末材料10，然后，重復上述照射和研磨過程，直至所有三維CAD模型的切片層全部掃描和研磨完畢為止，最后制件打印完畢。
[0028]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種具有高表面精度的三維打印機，包括粉床、鋪粉輥、升降工作缸、激光器、光路聚焦器、掃描振鏡、磨頭、磨頭主軸、多軸聯動系統、以及粉末材料，其特征在于， 粉床與三維打印機的機身連接； 升降工作缸設置于粉床的下部，且其下端面與粉床的上表面平齊； 升降工作缸內裝有粉末材料和成型制件； 鋪粉輥設置于粉床的上端面，并在粉床的左右來回滾動； 激光器固定在三維打印機的機身上； 光路聚焦器固定在三維打印機的機身上，設置于掃描振鏡和激光器之間； 掃描振鏡固定在三維打印機的機身上； 磨頭安裝在磨頭主軸的頂端，磨頭主軸與多軸聯動系統連接； 多軸聯動系統固定在三維打印機的機身上。
2.根據權利要求1所述的三維打印機，其特征在于，粉末材料是由金屬材料制成，并且是加工成型制件的原材料。
3.根據權利要求1所述的三維打印機，其特征在于，激光器是功率為200W?IOOOW光纖激光器。
4.根據權利要求1所述的三維打印機，其特征在于，光斑直徑為100微米至500微米。
5.根據權利要求1所述的三維打印機，其特征在于，磨頭主軸使用轉速為20000rpm的機械主軸。
【文檔編號】B22F3/105GK203470904SQ201320546496
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年9月3日 優先權日:2013年9月3日
【發明者】史玉升, 張李超, 賈和平, 夏偉 申請人:華中科技大學, 江蘇九鈺機械有限公司