基於溼法鋪粉的選擇性雷射熔融設備及其列印工藝的製作方法

2023-05-31 03:57:46 2

本發明涉及屬於金屬3D列印工藝和設備領域，更具體地說，涉及一種基於溼法鋪粉的選擇性雷射熔融設備。

背景技術：

現有的金屬3D列印通常採用選擇性雷射熔融技術，即採用雷射對粉床逐層掃描熔融特定區域並使各層連接而獲得最終的塊體材料。該技術鋪粉過程中要求粉體具有較好的流動性以獲得平整的粉床表面和初始粉體堆積密度。一般來說，工藝要求原料粉體自然堆積休止角小於38°，且其平均粒徑在30～40μm之間。目前，用於選擇性雷射熔融工藝的金屬原料粉末一般為採用氣霧法製備的球形度較好的粉體。氣霧法對設備的要求較高，極大的增加了工藝的複雜性和成本。另外，對於貴重金屬來說，採用氣霧法也易引入雜質和造成原料損失。

技術實現要素：

本發明為解決現有商業化選擇性雷射熔融工藝及其設備對原料粉體要求較高的問題，將現有的鋪粉方式由幹法鋪粉改為溼法鋪粉，即將粉體製成料漿以增加粉體在鋪粉過程中的流動性，結合加熱和循環氣體吹掃快速將料漿中的分散介質乾燥去除，可以獲得平面度好緻密的粉床。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：構造一種基於溼法鋪粉的選擇性雷射熔融設備，包括成型腔、儲料罐、氣壓脈衝發生裝置和氣體循環裝置；

所述的成型腔內部設有刮粉裝置、送料罐和基板，成型腔頂部設有雷射入射窗口，成型腔側壁設置有循環氣體的進風口和出風口、內外側進料接口和脈衝壓力接口，刮粉裝置固定於成型腔頂部；所述刮粉裝置包括電動直線導軌和刮刀，電動導軌帶動刮刀在基板表面作直線往復運動；

所述儲料罐的出料口與成型腔壁外側進料接口連接，成型腔壁內側進料接口與送料罐側面進料口連接；

所述氣壓脈衝發生裝置包括進氣接口和出氣接口，出氣接口和成型腔壁外側脈衝壓力接口連接，成型腔壁內側脈衝壓力接口與送料罐側面進氣口連接；

所述的氣體循環裝置包括過濾腔體，過濾腔體壁外側包括進風口和出風口，分別與成型腔出風口和進風口連接。

上述方案中，所述基板可沿豎直方向移動。

上述方案中，所述送料罐豎直固定在刮刀側面，送料罐頂部設有攪拌裝置，側面有進氣口和進料口，底部設有小孔陣列。

上述方案中，所述過濾腔體內設有乾燥層、多層粉層過濾層和循環風機。

上述方案中，所述循環風機與風機控制器連接。

上述方案中，所述儲料罐頂部還設有攪拌裝置、進氣口、出氣口和壓力表。

本發明還提供了一種採用權利要求所述的基於溼法鋪粉的選擇性雷射熔融設備的列印工藝，包括以下步驟：

(1)料漿配製；稱取液相分散介質與粉體倒入儲料罐中，其中粉體的粒徑在100nm～50μm，固相含量控制在5～60％；

(2)料漿攪拌除氣；料漿轉移到儲料罐後，將罐內氣體採用惰性氣體進行吹掃置換，定時攪拌防止料漿沉降；

(3)料漿供給；存儲罐中的料漿在攪拌的情況下通過壓力引入到成形腔內的送料罐中；

(4)送料鋪粉；設置氣壓脈衝發生裝置的壓力和脈衝時間，將一定量的料漿從送料罐底部小孔陣列噴出，沉積到位於送料罐下方的基板上，採用刮刀鋪粉在基板表面獲得均勻的薄層料漿；

(5)料漿乾燥；基板溫度控制在分散介質的沸點以下5～50℃，分散介質快速揮發去除，分散介質通過氣體循環系統中的乾燥層後被快速吸收去除。

(6)雷射處理；根據設定路徑對粉料進行雷射掃描熔融，獲得單層緻密塊體；

(7)重複以上(4)～(6)步驟直到列印結束。

上述方案中，所述儲料罐內的攪拌器轉速為5～5000轉/分鐘可調，罐內工作氣體為惰性氣體，工作氣體的壓力為0.01～0.5MPa。

上述方案中，所述惰性氣體為氬氣或氮氣。

上述方案中，所述分散介質為水、酒精或丙酮。

實施本發明的基於溼法鋪粉的選擇性雷射熔融設備，具有以下有益效果：

1、本發明解決了粉體由於流動性差而無法用於選擇性雷射燒結或熔融工藝的技術難題，大大簡化了粉體的製備工藝設備要求，降低了選擇性雷射燒結或熔融的整體製備成本。

2、極大的簡化了粉體的製備工藝：採用球磨法結合簡單過篩處理得到的粉體無需任何後續處理即可用於本設備中；

3、擴大了可用於選擇性雷射熔融的粉體的種類：使一些無法採用氣霧法獲得滿意流動性能的粉體也能採用該工藝獲得3D列印結構；

附圖說明

下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：

圖1是本發明中成型腔結構示意圖；

圖2是本發明中儲料罐結構示意圖；

圖3是本發明中氣體壓力脈衝發生裝置結構示意圖；

圖4是本發明中氣體循環系統結構示意圖。

具體實施方式

為了對本發明的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖詳細說明本發明的具體實施方式。

本發明的基於溼法鋪粉的選擇性雷射熔融設備包括成型腔、儲料罐、氣壓脈衝發生裝置和氣體循環裝置。

如附圖1所示，成型腔由真空的腔體壁1圍成一密封區間，內部包括刮粉裝置、送料罐4和基板3。成型腔頂部有一雷射入射窗口8，成型腔側壁設置有循環氣體進風口3和出風口15，腔體壁包括有內外側進料接口7和脈衝壓 力接口8。刮粉裝置固定於成型腔頂部，包括電動直線導軌11和刮刀14，電動直線導軌11和刮刀14連接並帶動刮刀14在基板3表面作直線往復運動。送料罐4豎直固定在刮刀14側面，其頂部設有攪拌裝置，攪拌裝置包括攪拌電機12和攪拌杆13。送料罐4側面有進氣口和進料口，底部設有一小孔陣列，位於基板3上方。基板3可沿豎直方向移動，並且基板3的溫度可控。

如附圖2所示，儲料罐由罐體121和頂蓋123包圍而成，頂蓋設有攪拌裝置、進氣口127、出氣口124和壓力表126。側面底部設有出料口128，儲料罐出料口128通過軟管和成型腔壁外側進料接口7連接，成型腔壁內側進料接口再通過軟管連接到送料罐側面進料口5。攪拌裝置包括電機125和攪拌器122，電機125驅動攪拌器122轉動。

如附圖3所示，氣壓脈衝發生裝置包括氣體壓力脈衝裝置主體131，進氣接口133和出氣接口132。出氣接口132通過軟管和成型腔壁外側脈衝壓力接口8連接，成型腔壁內側脈衝壓力接口再通過軟管連接到成送料罐側面進氣口6。

如附圖4所示，氣體循環裝置包括過濾腔體141和風機控制器。過濾腔體由上至下包括乾燥層147、PET過濾層146、PP過濾層145、活性C過濾層144和循環風機143，過濾腔體壁頂部有循環進風口148，側面有循環出風口142，分別和成型腔出風口13和進風口連接2。風機控制器主要控制風機的啟停和轉速，在圖中並未畫出。另外，成型腔和氣體循環腔體都包括一活頁門，使腔體內部環境與大氣隔絕，在圖中並未畫出。

下面結合本設備製備Bi2Te3熱電材料塊體說明雷射熔融設備使用方法和工藝流程：

稱取一定比例的液相分散介質與粉體倒入儲料罐中，其中粉體的平均粒徑在30μm，固相含量控制在35％。設定攪拌轉速150轉每分鐘攪拌15分鐘後，將罐內氣體採用Ar其進行吹掃置換，每隔30分鐘攪拌1分鐘防止料漿沉降。存儲罐中的料漿在攪拌的情況下通過0.05MPa壓力引入到成形腔內的送料罐中。設置氣壓脈衝發生裝置的壓力為0.06MPa，脈衝時間為10ms，將一定量的料漿從送料罐底部小孔陣列噴出，沉積到位於送料罐下方的基板上，採用刮 刀鋪粉在基板表面獲得均勻的薄層料漿。基板溫度控制在70℃，料漿中的水分快速揮發去除，水蒸汽通過氣體循環系統中的乾燥層CaCl2後被快速吸收去除，乾燥氣體重新被循環注入腔體內。根據設定路徑對粉料進行雷射掃描熔融，獲得單層緻密塊體。重複以上鋪粉和列印步驟直到列印結束。

上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬於本發明的保護之內。