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)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種應(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)用于改善高分子材料3D打印制件質(zhì)量。利用光纖耦合方式整形3D打印機加工所用激光源的輸出光斑，實現(xiàn)光束能量的重新分布，即讓原本成環(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?，可以解決高分子材料因耐熱性差而導(dǎo)致在不均勻的溫度場下，成型制件易翹曲變形的問題。同時該系統(tǒng)借助參數(shù)控制模塊，可以得到不同高分子材料的適宜加工參數(shù)，其包括激光功率和激光掃描速度。在該適宜加工參數(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。
【專利說明】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)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]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)】
[0002]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。
[0003]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(dá)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】

[0004]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I禹合輸出激光的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?。具體
【發(fā)明內(nèi)容】
如下:
[0005]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)?？刂葡到y(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。
[0006]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。
[0007]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(dá)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(dá)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)。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]該掃描系統(tǒng)，其包括激光振鏡，可安裝振鏡的、旋轉(zhuǎn)速度可調(diào)的支架以及支架驅(qū)動系統(tǒng)。該支架驅(qū)動系統(tǒng)接收控制系統(tǒng)指令，改變支架中心軸的旋轉(zhuǎn)速度，實現(xiàn)掃描速度的調(diào)節(jié)。
[0011]該系統(tǒng)所使用的高分子材料包括尼龍6 (PA6)、尼龍66 (PA66)、尼龍12(PA12)、聚笨乙烯(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚酰亞胺(PI)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯醚(PPO)、聚乳酸(PLA)、聚醚醚酮(PEEK)。
[0012]激光系統(tǒng)中的激光經(jīng)過光纖耦合輸出，可以整形輸出光斑，實現(xiàn)強度均勻分布。所述用于稱合的光纖為傳能石英光纖。其包括HCS(Hard Clad Silica)石英包層光纖，也稱為硬包層石英光纖；PCS (Plastic Clad Silica)(塑料包層)，也稱為軟包層石英光纖；PCS-TECS(Technology Clad Silica)技術(shù)增強型包層，也稱為硬聚氟包層石英光纖。
[0013]激光系統(tǒng)中的激光經(jīng)過光纖耦合輸出，光纖與激光器的耦合方式為直接耦合、單透鏡耦合、三透鏡耦合。光纖頭可處理為鏟形、半球形、錐形。
[0014]本發(fā)明的有益效果是利用經(jīng)光纖耦合輸出模塊輸出的強度均勻分布的光斑照射粉末，可以實現(xiàn)照射區(qū)粉末受熱情況一致，吸收能量一致，從而避免局部溫升過高，具有重要的工業(yè)應(yīng)用價值。并且本系統(tǒng)中的激光功率與激光掃描速度經(jīng)由參數(shù)控制模塊計算給出，可以實現(xiàn)在激光照射時間內(nèi)，高分子材料吸收的能量等于所需能量，以防止過度加工甚至發(fā)生氣化分解。該所需能量是指高分子材料由預(yù)熱溫度上升到加工溫度所需要吸收的能量?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0015]圖1為使用光纖耦合模塊的效果圖。
[0016]圖2為應(yīng)用光纖稱合輸出激光的3D打印高分子材料系統(tǒng)不意圖。
[0017]圖3為控制系統(tǒng)示意圖。
[0018]圖4為激光系統(tǒng)示意圖。
[0019]圖5為掃描系統(tǒng)示意圖。
【具體實施方式】
[0020]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細(xì)說明。
[0021]此處結(jié)合附圖2對系統(tǒng)進行整體描述。
[0022]本發(fā)明利用參數(shù)控制模塊進行參數(shù)管理和控制。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)。這些物理特性參數(shù)包括比熱容、比重、所需預(yù)熱溫度、需達(dá)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。該吸收能量依賴于設(shè)定的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(dá)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)，包括激光功率和激光掃描速度。然后將激光功率和激光掃描速度這兩個參數(shù)傳輸給控制系統(tǒng)。
[0023]一控制系統(tǒng)，如圖3所示。其包括激光功率控制器、掃描速度控制器。一激光功率控制器采集參數(shù)控制模塊給出的對應(yīng)于該高分子材料所需的激光功率，用于控制激光系統(tǒng)中的驅(qū)動電源，實現(xiàn)激光器功率的調(diào)節(jié)。一掃描速度控制器采集參數(shù)控制模塊給出的對應(yīng)于該高分子材料所需的激光掃描速度，用于控制掃描系統(tǒng)中的激光振鏡，實現(xiàn)振鏡旋轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)。
[0024]一激光系統(tǒng)，如圖4所示。其包括激光器驅(qū)動電源、脈沖激光器和光纖耦合輸出模塊。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)過光纖耦合輸出模塊輸出。光纖耦合輸出模塊用于整形輸出激光的光斑，起到勻化光斑的目的。其效果如圖1所示。其中光纖與脈沖激光器的耦合方式為直接耦合、單透鏡耦合、三透鏡耦合。耦合用光纖為傳能石英光纖，其光纖頭可處理為鏟形、半球形、錐形等，以改善耦合效率。激光器驅(qū)動電源與控制系統(tǒng)中的激光功率控制器相連。該驅(qū)動電源帶有記憶存儲功能，記錄了電流-激光功率的對應(yīng)關(guān)系。該激光器驅(qū)動電源根據(jù)激光功率控制器給出的激光功率信號，自動設(shè)定相應(yīng)的輸入電流，控制脈沖激光器的輸出功率。
[0025]一掃描系統(tǒng)，如圖5所示。其包括激光振鏡，可安裝振鏡的、旋轉(zhuǎn)速度可調(diào)的支架以及支架驅(qū)動系統(tǒng)。支架驅(qū)動系統(tǒng)與控制系統(tǒng)中的掃描速度控制器相連。支架根據(jù)支架驅(qū)動系統(tǒng)給出的掃描速度信號，改變支架中心軸的旋轉(zhuǎn)速度，實現(xiàn)激光掃描速度的調(diào)節(jié)。
[0026]該3D打印系統(tǒng)的實施方法為:首先在參數(shù)控制模塊中設(shè)置預(yù)備加工的高分子材料粉末的物理特性參數(shù)，并預(yù)設(shè)激光功率及激光掃描速度。由參數(shù)控制模塊根據(jù)上述方法計算出適宜的激光功率和激光掃描速度。將激光功率參數(shù)及激光掃描速度參數(shù)傳輸給控制系統(tǒng)。由控制系統(tǒng)中的激光功率控制器和掃描速度控制器分別接收對應(yīng)信號，并繼續(xù)傳輸至對應(yīng)的系統(tǒng)。在激光系統(tǒng)中的激光器驅(qū)動電源接收激光功率信號，設(shè)定相應(yīng)的工作電流。在該工作電流下的激光器輸出功率同參數(shù)控制模塊計算得到的適宜的激光功率相匹配。同時掃描器中的支架驅(qū)動系統(tǒng)接收掃描速度信號，設(shè)定支架中心軸的旋轉(zhuǎn)速度。支架的旋轉(zhuǎn)速度同參數(shù)控制模塊計算得到的適宜的掃描速度匹配。輸出激光經(jīng)傳能光纖勻化后，入射到振鏡上，再經(jīng)振鏡反射到工作臺的粉末上，實現(xiàn)理想的3D打印效果。
[0027]實施例1
[0028]應(yīng)用圖2所示的應(yīng)用光纖耦合輸出激光的3D打印高分子材料系統(tǒng)。本實施例使用固體脈沖激光器對PS(聚苯乙烯)高分子材料進行3D打印加工。在參數(shù)控制模塊中選擇“PS (聚苯乙烯)”。激光輸出耦合進入直徑Imm的端面平整的石英光纖，輸出光斑強度成近似平頂分布，光斑直徑約為1_。
[0029]所述的PS (聚苯乙烯)高分子材料比熱熔為0.5kJ/ (kg*K)，比重1.0g/cm3,鋪粉厚度0.1mm，粉末預(yù)熱溫度115°C，需達(dá)到的加工溫度為200°C。選取激光功率20W。Imm直徑的光斑照射下的粉末體積為0.08mm3，基于光斑能量分布均勻，則單位時間內(nèi)單位體積吸收的能量為250J/(mm3*S)。選取激光掃描速度1400mm/s，則一次掃描，單位體積粉末能吸收的能量為0.18J。粉末由115°C上升至200°C，需達(dá)到358K的溫升。根據(jù)比熱容，單位體積(mm3)粉末在激光照射下升溫358K，需要吸收能量0.18J。則20W的激光輸出功率和1400mm/s的掃描速度作為加工參數(shù)信號分別傳輸給控制系統(tǒng)中對應(yīng)的控制器，由控制器控制激光電源驅(qū)動系統(tǒng)及支架驅(qū)動系統(tǒng)，保證激光功率為20W，激光掃描速度為1400mm/s。
[0030]實施例2
[0031 ] 本實施例使用固體脈沖激光器對ABS (丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)高分子材料進行3D打印加工。在參數(shù)控制模塊中選擇“ABS (丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)”。激光輸出耦合進入直徑1_的端面平整的石英光纖，輸出光斑強度成近似平頂分布，光斑直徑約為1_。
[0032]所述的ABS (丙烯腈-丁二烯-苯乙烯))高分子材料比熱熔為1.47kJ/ (kg*K)，比重1.05g/cm3，鋪粉厚度0.1mm，粉末預(yù)熱溫度100°C，需達(dá)到的加工溫度為210°C。選取激光功率72W。Imm直徑的光斑照射下的粉末體積為0.08mm3,基于光斑能量分布均勻，則單位時間內(nèi)單位體積吸收的能量為900J/(mm3*S)。選取激光掃描速度1500mm/s，則一次掃描，單位體積粉末能吸收的能量為0.6J。粉末由100°C上升至210°C，需達(dá)到383K的溫升。根據(jù)比熱容，單位體積(mm3)粉末在激光照射下升溫358K，需要吸收能量0.6J。則72W的激光輸出功率和1500mm/s的掃描速度作為加工參數(shù)信號分別傳輸給控制系統(tǒng)中對應(yīng)的控制器，由控制器控制激光電源驅(qū)動系統(tǒng)及支架驅(qū)動系統(tǒng)，保證激光功率為72W，激光掃描速度為 1500mm/s。
[0033]此方法實現(xiàn)照射區(qū)吸收能量與所需熔融能量相當(dāng)。通過勻化光斑技術(shù)，實現(xiàn)加工條件相同，進度相同，從而抑制加工工件翹曲變形。并且通過選取適宜工作參數(shù)，避免過度加工。
[0034]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細(xì)說明。所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對其進行簡單地更改或替換。
【權(quán)利要求】
1.一種應(yīng)用光纖稱合輸出激光的3D打印高分子材料系統(tǒng),其特征在于,該系統(tǒng)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的加工參數(shù)，該參數(shù)包括激光功率和激光掃描速度；然后將該激光功率和激光掃描速度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)從參數(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；掃描速度控制器根據(jù)從參數(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)動電源接收功率控制信號，調(diào)節(jié)其輸出電流，用以控制激光系統(tǒng)中的脈沖激光器的輸出功率；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。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，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(dá)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(dá)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)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，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)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)所使用的高分子材料包括尼龍6(PA6)、尼龍66(PA66)、尼龍12(PA12)、聚笨乙烯(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚酰亞胺(PI)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯醚(PPO)、聚乳酸(PLA)、聚醚醚酮(PEEK)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，用于耦合的光纖為傳能石英光纖，其包括 HCS (Hard Clad Silica)石英包層光纖、PCS (Plastic Clad Silica)塑料包層光纖、PCS-TECS (Technology Clad Silica)技術(shù)增強型包層光纖。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中激光系統(tǒng)中的激光經(jīng)過光纖耦合輸出，光纖與激光器的耦合方式為直接耦合、單透鏡耦合、三透鏡耦合；光纖頭可處理為鏟形、半球形、錐形。
【文檔編號】B29C67/00GK103978686SQ201410181616
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】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