一種納米級零部件雷射燒結成型裝置製造方法

2023-05-06 07:58:06

專利名稱:一種納米級零部件雷射燒結成型裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種納米級零部件雷射燒結成型裝置，包括混合進樣系統、空氣動力學透鏡、共焦雷射器組和工作檯；混合進樣系統具有一個緩衝腔。將納米顆粒粉末置於粉末儲存腔，該粉末經氣體攜帶到混合腔，並與另一支路氣體充分混合，所得氣溶膠流進入緩衝腔，氣體與納米顆粒粉末進一步混合，壓力和流速降低，得到雷諾數為200-700的流體；流體進一步以層流形式進入柱形腔體，經過每個透鏡上的匯聚孔並聚焦後，以單顆粒流形式噴出；顆粒被工作檯上塗有真空脂的燒結基體接收，並被共焦雷射器組融化；通過工作檯4在X、Y方向的移動，可獲得具有納米級成型精度的二維圖樣；通過在Z軸方向移動，可逐層堆疊獲得具有納米級成型精度的零部件。
【專利說明】一種納米級零部件雷射燒結成型裝置

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及雷射燒結成型設備，尤其涉及一種納米級零部件雷射燒結成型裝置。

【背景技術】
[0002]3D列印技術是一種非常流行的製造技術，有廣泛的工業應用前景。與傳統切除加工技術不同，3D列印是一種利用熔融金屬、粉末或高分子聚合物等具有粘接性的材料，利用逐層堆疊原理來構造模型的技術。
[0003]常用3D列印方法用粘接劑將粉末層粘接起來形成薄層；從噴頭內噴出熔融塑料，塑料凝固後粘接形成薄層；或者採用光敏材料通過光固化等方法逐層堆疊成型。通過3D列印，原理上可以製造出幾乎任何形狀的模型。
[0004]然而，加工精度是限制3D列印技術被進一步應用的瓶頸。雷射粉末燒結成型近年來受到研宄者們的關注。通過提高雷射光斑的尺寸，能夠提高成型精度。可以近似認為雷射光斑尺寸就是其成型的最高精度。然而，隨著微納精密製造的發展，現有雷射燒結成型設備的成型精度依然不能滿足精密元件，如精密生物支架、航天航空精密儀器和光電元件等的要求。例如，生物支架成型精度一般要在200um到10nm，從而在表面形成微納結構，以滿足微觀上細胞粘附、分化、增值等要求。基於此，能否進一步提高3D列印的成型精度成為其能否被應用於使用要求更高的領域的關鍵。


【發明內容】

[0005]本實用新型的目的在於克服上述現有技術的缺點和不足，提供一種結構簡單、成型精度高的納米級零部件雷射燒結成型方法及裝置。與現有基於3D列印的零部件相比，本發明所製備的零部件具有納米級成型精度，且製造、控制簡便易行，可擴大3D列印零部件的應用領域。
[0006]本實用新型通過下述技術方案實現:
[0007]一種納米級零部件雷射燒結成型裝置，包括混合進樣系統1、空氣動力學透鏡2、共焦雷射器組3和工作檯4 ；
[0008]所述混合進樣系統I連接空氣動力學透鏡2，空氣動力學透鏡2位於工作檯4上方；
[0009]所述混合進樣系統I包括一個緩衝腔1-6，該緩衝腔1-6腔體的內側壁由上至下逐漸收縮，或者緩衝腔1-6的內側壁與內底壁之間弧形過渡；
[0010]所述共焦雷射器組3位於空氣動力學透鏡2與工作檯4之間。
[0011]所述混合進樣系統I還包括依次連接的進樣機構、用於形成氣溶膠流的混合腔
1-5 ；
[0012]所述進樣機構分為兩個出口並聯的支路，該兩個支路中均包括依次連接的氣源
1-1和流量控制閥1-2 ；
[0013]該兩個支路，其中一個支路的流量控制閥1-2與混合腔1-5之間設置粉末儲存腔
1-4，在另外一個支路的流量控制閥1-2與混合腔1-5之間設置流量計1-3；
[0014]所述進樣機構兩個支路的出口並聯後連接混合腔1-5，混合腔1-5再通過管路連接緩衝腔1-6。
[0015]所述緩衝腔1-6設置在空氣動力學透鏡2的上端部。
[0016]所述空氣動力學透鏡2包括柱形腔體2-1和設置在柱形腔體2-1下端部的噴嘴
2-3；
[0017]在柱形腔體2-1內設置透鏡組2-2，該透鏡組2-2由多個相互間隔、沿柱形腔體
2-1軸向排列並固定在柱形腔體2-1內的透鏡構成。
[0018]所述透鏡組2-2的每個透鏡上均開有匯聚孔，各匯聚孔的軸線與噴嘴2-3的軸線同軸。
[0019]柱形腔體2-1與水平面垂直；所述工作檯4為活動平臺，能在X、Y或Z軸方向運動。
[0020]每個透鏡上的匯聚孔的孔徑各不相同或者相同。
[0021]一種納米級零部件的雷射燒結成型方法如下:
[0022](I)啟動兩個支路的氣源1-1，將氣源1-1流量範圍調節至2-20L/min，對應進入空氣動力學透鏡2的氣溶膠流雷諾數範圍為200-1000 ；
[0023](2)進入兩個支路的氣體攜帶粉末儲存腔1-4中的納米顆粒粉末，通過管路進入混合腔1-5內充分混合，並形成納米顆粒氣溶膠後再進入緩衝腔1-6 ;
[0024](3)氣溶膠在緩衝腔1-6中緩衝，並進一步混合均勻，此時流速和壓力下降；
[0025](4)接著，氣溶膠流在緩衝腔1-6內緩衝後進入空氣動力學透鏡2，氣溶膠流進入空氣動力學透鏡2前形成雷諾數為200-1000的層流流體；
[0026](5)氣溶膠流體依次經過柱形腔體2-1的透鏡上的匯聚孔；不同粒徑範圍的納米顆粒由其中一級匯聚孔匯聚，經匯聚後的顆粒流保持沿柱形腔體2-1的軸線方向流動，並經噴嘴2-3噴出，仍保持軸線方向；
[0027](6)熔化後的納米顆粒流熔覆於燒結基板4-1上，凝固後與基板粘結；
[0028](7) 二維圖樣的形成:調節工作檯4在X、Y平面上移動，接收後續的納米顆粒，納米顆粒熔覆、凝固後形成二維圖樣；
[0029](8)三維零件模型的形成:工作檯4在Z軸上移動，後續納米顆粒熔覆於步驟7中二維圖樣上，逐層堆疊，得到三維零件模型；從而完成納米級零部件的雷射燒結成型。
[0030]如上所述。當匯聚後的顆粒流保持沿柱形腔體2-1的軸線方向流動，並經噴嘴2-3噴出，仍保持軸線方向，此時通過雷射器組3雷射器的多個共焦點，聚焦於納米顆粒流軌跡並相鄰於燒結基板表面4-1的上方，此時，雷射器組3將納米顆粒加熱至熔點以上。
[0031]本實用新型相對於現有技術，具有如下的優點及效果:
[0032]通過混合進樣系統1、空氣動力學透鏡2和共焦雷射器組3的具體結構組合，改變了原有雷射燒結成型設備提高精度的思路。
[0033]若在現有技術條件下，欲進一步提高雷射光斑直徑，則會遇有技術難度高、成本高等制約。而本裝置通過加入空氣動力學透鏡結構及混合進樣系統I等其他改進，即能將粉末精度顯著的得以提高至納米級，解除了雷射光斑尺寸的限制。
[0034]與現有納米級加工設備相比，本設備可粒子單向輸運，熔滴熔覆位置可控。
[0035]本設備技術手段簡便易行，設備可模塊化設計、生產，具有積極的技術效果和良好的市場應用前景。

【附圖說明】

[0036]圖1為本實用新型納米級零部件雷射燒結成型裝置結構示意圖。
[0037]圖2是圖1透鏡組結構示意圖。

【具體實施方式】
[0038]下面結合具體實施例對本發明作進一步具體詳細描述。
[0039]實施例
[0040]如圖1、2所示。本實用新型一種納米級零部件雷射燒結成型裝置，包括混合進樣系統1、空氣動力學透鏡2、共焦雷射器組3和工作檯4 ;工作檯4採用高精密工作檯，其具有與納米級零部件成型精度同數量級的移動精度。
[0041]所述混合進樣系統I連接空氣動力學透鏡2，空氣動力學透鏡2位於工作檯4上方；
[0042]所述混合進樣系統I包括一個緩衝腔1-6，該緩衝腔1-6腔體的內側壁由上至下逐漸收縮，或者緩衝腔1-6的內側壁與內底壁之間弧形過渡；
[0043]所述共焦雷射器組3位於空氣動力學透鏡2與工作檯4之間。
[0044]所述混合進樣系統I還包括依次連接的進樣機構、用於形成氣溶膠流的混合腔1-5 ；
[0045]所述進樣機構分為兩個出口並聯的支路，該兩個支路中均包括依次連接的氣源1-1和流量控制閥1-2 ;氣源1-1宜採用氦氣，排量範圍涵蓋2-20L/min。
[0046]該兩個支路，其中一個支路的流量控制閥1-2與混合腔1-5之間設置粉末儲存腔
1-4，該支路的流量為2-5L/min;在另外一個支路的流量控制閥1_2與混合腔1_5之間設置流量計1-3，該支路的排量範圍涵蓋2-20L/min ；
[0047]所述進樣機構兩個支路的出口並聯後連接混合腔1-5，混合腔1-5再通過管路連接緩衝腔1-6。
[0048]所述緩衝腔1-6設置在空氣動力學透鏡2的上端部。
[0049]所述空氣動力學透鏡2包括柱形腔體2-1和設置在柱形腔體2-1下端部的噴嘴
2-3；
[0050]在柱形腔體2-1內設置透鏡組2-2，該透鏡組2-2由多個相互間隔、沿柱形腔體
2-1軸向排列並固定在柱形腔體2-1內的透鏡構成。透鏡具有3-5級，柱形腔體2-1的內徑約 25mm。
[0051]所述透鏡組2-2的每個透鏡上均開有匯聚孔，各匯聚孔的軸線與噴嘴2-3的軸線同軸。
[0052]柱形腔體2-1與水平面垂直；所述工作檯4為活動平臺，能在X、Y或Z軸方向運動。
[0053]根據實際工作需要，該每個透鏡上的匯聚孔的孔徑各不相同或者相同。
[0054]納米級零部件的雷射燒結成型方法可通過如下實現:
[0055]首先將納米顆粒粉末置於粉末儲存腔1-4，該粉末經氣體攜帶到混合腔1-5，並與另一支路氣體充分混合；所得氣溶膠流進入緩衝腔1-6，氣體與納米顆粒粉末進一步混合，壓力和流速降低，得到雷諾數為200-700的流體；流體進一步以層流形式進入由多個相互間隔、沿柱形腔體2-1軸向排列並固定在柱形腔體2-1內的透鏡，經過每個透鏡上的匯聚孔並聚焦後，以單顆粒流形式噴出；顆粒被工作檯4上塗有真空脂的燒結基體接收，並被共焦雷射器組3的雷射器融化；通過工作檯4在X、Y方向的移動，即可獲得具有納米級成型精度的二維圖樣；通過在Z軸方向移動，即可逐層堆疊獲得具有納米級成型精度的零部件。
[0056]以下作進一步具體說明:
[0057](I)啟動兩個支路的氣源1-1，將氣源1-1流量範圍調節至2-20L/min，對應進入空氣動力學透鏡2的氣溶膠流雷諾數範圍為200-1000 ；
[0058](2)進入兩個支路的氣體攜帶粉末儲存腔1-4中的納米顆粒粉末，通過管路進入混合腔1-5內充分混合，並形成納米顆粒氣溶膠後再進入緩衝腔1-6 ;
[0059](3)氣溶膠在緩衝腔1-6中緩衝，並進一步混合均勻，此時流速和壓力下降；緩衝腔1-6的內徑約75mm。
[0060](4)接著，氣溶膠流在緩衝腔1-6內緩衝後進入空氣動力學透鏡2，氣溶膠流進入空氣動力學透鏡2前形成雷諾數為200-1000的層流流體；
[0061](5)氣溶膠流體依次經過柱形腔體2-1的透鏡上的匯聚孔；不同粒徑範圍的納米顆粒由其中一級匯聚孔匯聚，經匯聚後的顆粒流保持沿柱形腔體2-1的軸線方向流動，並經噴嘴2-3噴出，仍保持軸線方向；
[0062](6)熔化後的納米顆粒流熔覆於燒結基板4-1上，凝固後與基板粘結；
[0063](7) 二維圖樣的形成:調節工作檯4在X、Y平面上移動，接收後續的納米顆粒，納米顆粒熔覆、凝固後形成二維圖樣；
[0064](8)三維零件模型的形成:工作檯4在Z軸上移動，後續納米顆粒熔覆於步驟7中二維圖樣上，逐層堆疊，得到三維零件模型；從而完成納米級零部件的雷射燒結成型。
[0065]如上所述。當匯聚後的顆粒流保持沿柱形腔體2-1的軸線方向流動，並經噴嘴
2-3噴出，仍保持軸線方向，此時通過雷射器組3雷射器的多個共焦點，聚焦於納米顆粒流軌跡並相鄰於燒結基板表面4-1的上方，此時，雷射器組3將納米顆粒加熱至熔點以上。
[0066]如上所述，便可較好地實現本實用新型。
[0067]本實用新型的實施方式並不受上述實施例的限制，其他任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種納米級零部件雷射燒結成型裝置，其特徵在於:包括混合進樣系統(1)、空氣動力學透鏡(2)、共焦雷射器組(3)和工作檯(4); 所述混合進樣系統(I)連接空氣動力學透鏡(2)，空氣動力學透鏡(2)位於工作檯(4)上方； 所述混合進樣系統(I)包括一個緩衝腔(1-6)，該緩衝腔(1-6)腔體的內側壁由上至下逐漸收縮，或者緩衝腔(1-6)的內側壁與內底壁之間弧形過渡； 所述共焦雷射器組(3)位於空氣動力學透鏡(2)與工作檯(4)之間。2.根據權利要求1所述的納米級零部件雷射燒結成型裝置，其特徵在於:所述混合進樣系統(I)還包括依次連接的進樣機構、用於形成氣溶膠流的混合腔(1-5); 所述進樣機構分為兩個出口並聯的支路，該兩個支路中均包括依次連接的氣源(1-1)和流量控制閥(1-2)； 該兩個支路，其中一個支路的流量控制閥(1-2)與混合腔(1-5)之間設置粉末儲存腔(1-4)，在另外一個支路的流量控制閥(1-2)與混合腔(1-5)之間設置流量計(1-3)。3.根據權利要求2所述的納米級零部件雷射燒結成型裝置，其特徵在於:所述進樣機構兩個支路的出口並聯後連接混合腔(1-5)，混合腔(1-5)再通過管路連接緩衝腔(1-6)。4.根據權利要求1至3中任一項所述的納米級零部件雷射燒結成型裝置，其特徵在於:所述緩衝腔(1-6)設置在空氣動力學透鏡(2)的上端部。5.根據權利要求4所述的納米級零部件雷射燒結成型裝置，其特徵在於:所述空氣動力學透鏡(2)包括柱形腔體(2-1)和設置在柱形腔體(2-1)下端部的噴嘴(2-3); 在柱形腔體(2-1)內設置透鏡組(2-2)，該透鏡組(2-2)由多個相互間隔、沿柱形腔體(2-1)軸向排列並固定在柱形腔體(2-1)內的透鏡構成。6.根據權利要求5所述的納米級零部件雷射燒結成型裝置，其特徵在於:所述透鏡組(2-2)的每個透鏡上均開有匯聚孔，各匯聚孔的軸線與噴嘴(2-3)的軸線同軸。7.根據權利要求5所述的納米級零部件雷射燒結成型裝置，其特徵在於:柱形腔體(2-1)與水平面垂直；所述工作檯(4)為活動平臺，能在X、Y或Z軸方向運動。8.根據權利要求5所述的納米級零部件雷射燒結成型裝置，其特徵在於:每個透鏡上的匯聚孔的孔徑各不相同或者相同。
【文檔編號】B29C67-00GK204278542SQ201420736015
【發明者】湯勇, 張仕偉, 曾健, 李文博, 陳燦 [申請人]華南理工大學