一種離子團束3D列印裝置及方法與流程
2023-06-28 10:59:32 1
本發明屬於3D列印設備領域，更具體地，涉及一種離子團束3D列印裝置及方法。
背景技術：
目前供3D印表機使用的材料非常有限，無外乎石膏、無機粉料、光敏樹脂、塑料等。能夠應用於3D列印的材料還非常單一，以塑料為主，並且印表機對單一材料也非常挑剔。研究者們在多材料列印上已經取得了一定的進展，但列印材料依然是3D列印的一大障礙。特別是金屬列印，在3D列印領域仍存在一些難題需要解決，特別是目前開發的列印方法都是高溫生成材料，存在內部應力過大等缺點。離子束加工是目前特種加工中最精密、最微細的加工。離子刻蝕可達納米級精度，離子鍍膜可控制在亞微米級精度，離子注入的深度和濃度亦可精確地控制；離子束加工在高真空中進行，汙染少，特別適宜於對易氧化的金屬、合金和半導體材料進行加工離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實現的，是一種微觀作用，屬於冷態加工，所以加工應力和變形極小，適宜於對各種材料和低剛件零件進行加工。以上的這些離子束加工都是單原子離子態加工方法，難以應用於3D列印領域來進行快速加工以及製造形狀複雜多變的結構。
技術實現要素：
針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種離子團束3D列印裝置，可將離子團束引入到3D列印加工中來，從而快速、精密的實現3D列印加工，尤其是金屬的3D列印加工。為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種離子團束3D列印裝置，包括離子源、離子團束列印頭、XYZ三軸移動平臺和載物平臺，離子源，用於提供離子團束；離子團束列印頭，位於離子源的下方，其與離子源固定連接且固定安裝在XYZ三軸移動平臺上，其包括沿離子團束前進方向上依次設置的牽引電極、一級靜電透鏡、限束光闌、多級磁偏轉裝置和二級靜電透鏡，其中，牽引電極，用於從離子源中引出離子團束；一級靜電透鏡，用於對離子團束加速；限束光闌，用於限制離子團束的直徑；多級磁偏轉裝置，用於調整離子團束的位置以減少像散以及實現離子團束消隱；二級靜電透鏡，用於聚焦得到所需孔徑的離子團束；XYZ三軸移動平臺，用於帶動離子源和離子團束列印頭移動，以使離子團束射到工件上實現3D列印；載物平臺，用於承接工件。優選地，所述離子源包括引弧裝置和電弧離子蒸發源。優選地，所述XYZ三軸移動平臺上安裝有夾具，所述離子團束列印頭通過夾具固定安裝在XYZ三軸移動平臺上。優選地，所述XYZ移動平臺包括X軸電機、Y軸電機及Z軸電機，分別用於帶動離子團束列印頭沿X軸、Y軸和Z軸移動。優選地，所述X軸電機、Y軸電機及Z軸電機均為直線電機，所述X軸電機、Y軸電機及Z軸電機上均連接有滑軌。根據上述的離子團束3D列印裝置實現3D列印的方法，包括以下步驟：(1)由牽引電極從離子源引出離子團束；(2)離子團束經過一級靜電透鏡，一級靜電透鏡對離子團束進行加速；(3)離子團束通過限束光闌，限束光闌將離子團束限制為所需孔徑大 小的離子團束；(4)離子團束經過多級磁偏轉裝置，多級磁偏轉裝置調整離子團束的位置以減少像散並根據需要對離子團束實現消隱；(5)離子團束經過二級靜電透鏡，二級靜電透鏡將離子團束聚焦得到所需孔徑的離子團束；(6)離子團束列印頭在XYZ三軸移動平臺的驅動下對載物平臺上的工件進行3D列印加工。總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：1)本發明通過限束光闌來對一級靜電透鏡加速後的離子團束的孔徑進行限制，可靈活改變離子團束束斑大小，以便於在工件上列印成形複雜形狀的結構；2)本發明通過多級磁偏轉裝置，多級磁偏轉裝置對離子團束進行調整以減少像散並根據需要對離子束實現消隱，並通過二級將離子團束聚焦得到所需孔徑的離子團束，可以得到精細的離子團束束斑，以便實現高精度的3D列印加工；3)本發明的XYZ三軸移動平臺能帶動離子源和離子團束列印頭沿X軸、Y軸和Z軸移動，從而對載物平臺上的工件實現3D列印加工；4)本發明採用將離子團束引入3D列印加工，可完成形狀複雜的三維離子團束注入加工，具有低汙染、精度高、效率高以及可選用的加工材料比較廣泛等優勢。附圖說明圖1為本發明的離子團束3D列印裝置示意圖；圖2為本發明中採用電弧離子蒸發源的離子團束列印頭示意圖。具體實施方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明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發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。如圖1、圖2所示，一種離子團束3D列印裝置，包括離子源1、離子團束列印頭2、XYZ三軸移動平臺12和載物平臺17，其中，離子源1，用於提供離子團束；離子團束列印頭2，與離子源1固定連接，位於離子源1的下方，且固定安裝在XYZ三軸移動平臺12上，其用於引出離子團束、調節以及聚焦離子團束；XYZ三軸移動平臺12，用於承載離子團束列印頭2，帶動離子團束列印頭2沿X軸、Y軸和Z軸移動；載物平臺17，用於承載工件；其中，所述離子團束列印頭2沿離子團束的前進方向依次包括從離子源1引出離子團束的牽引電極11、對離子團束加速的一級靜電透鏡13、限制離子團束直徑大小的限束光闌14、調整離子團束位置以減少像散、實現離子團束消隱的多級磁偏轉裝置15和聚焦得到所需孔徑的離子團束的二級靜電透鏡16。所述XYZ三軸移動平臺12包括X軸電機4、Y軸電機5、Z軸電機6以及相應的滑軌3，以便於離子團束列印頭2沿X軸、Y軸和Z軸移動；所述X軸電機4、Y軸電機5和Z軸電機6均為直線電機，以適合離子團束列印頭2的高速直線運動。X軸電機4、Y軸電機5、Z軸電機6分別用於帶動離子團束列印頭2沿X軸、Y軸和Z軸移動，以實現3D列印。所述XYZ三軸移動平臺12上安裝有夾具7，離子團束列印頭2安裝在夾具7上，在XYZ三軸移動平臺12的X軸電機4、Y軸電機5和Z軸電機6 的驅動下，離子團束列印頭2可以隨夾具7實現三維運動。離子源1位於離子團束列印頭2上面，工件8固定在載物平臺17上。優選地，所述離子源1由引弧裝置9和電弧離子蒸發源10組成，以便於快速產生離子團束。另外，本發明還提供了一種根據上述的離子團束3D列印裝置實現3D列印的方法，包括以下步驟：(1)由牽引電極11從離子源1引出離子團束；(2)離子團束經過一級靜電透鏡13，一級靜電透鏡13對離子團束進行加速；(3)離子團束通過限束光闌14，限束光闌14將離子團束限制為所需孔徑大小的離子團束；(4)離子團束經過多級磁偏轉裝置15，多級磁偏轉裝置15對離子團束進行調整以減少像散並根據需要對離子團束實現消隱；(5)離子團束經過二級靜電透鏡16，二級靜電透鏡16將離子團束聚焦得到所需孔徑的離子團束；(6)離子團束列印頭2在XYZ三軸移動平臺12的驅動下對載物平臺17上的工件8實現3D列印加工。本發明採用將離子團束引入3D列印加工，可完成形狀複雜的三維離子團束注入加工，具有低汙染、精度高、效率高以及可選用加工材料廣泛等優勢。本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。