选择性激光烧结方法、3D打印方法及其应用

技术领域

本发明涉及增材制造领域，具体涉及一种选择性激光烧结方法，3D打印方法及其应用，特别是适用于大型建筑类结构的增材制造领域。

背景技术

增材制造是于上世纪80年代兴起的一种集计算机、机械、材料和加工于一体的一种新型制造工艺。选择性激光烧结(SLS)是增材制造中的一个重要分支，其原理是先将待加工原材料粉末置于工作台面，根据三维零件的截面信息，激光光斑沿着计算机设定的扫描路径扫描区域内的粉末材料，使该区域的原材料粉末熔化粘结在一起，然后重新铺粉重复以上步骤，材料逐层堆积，得到所需的三维零件。该方法具有原料利用率高、能够成形任意复杂形状构件的优点。广泛的应用于航天航空、汽车、军事武器、生物医疗等领域。尽管如此，随着航天航空技术以及武器装备的快速发展，对增材制造技术的成形效率和成形质量提出了更高的要求，特别是对于建筑类结构，对于打印效率具有非常高的要求。

为了实现高精度制造，目前应用的SLS技术主要是利用小光斑的激光束，在高功率密度下,利用较小光斑(0.03mm-0.1mm)的激光束对原材料粉末进行快速激光扫描，这就造成在单位时间内熔化的原材料表面积较小，在打印制造大型零件时成型效率较低，同时由于激光束光斑较小，常规激光束能量是呈高斯分布，所以原材料受热温度范围小而导致区域内热温度梯度较大，容易造成较大的残余应力和变形；并且过大的温度上升速度容易使粉末球化出现孔洞等缺陷，最终使零件尺寸精度下降和力学性能下降。而且对于一些耐热合金的制造，非常容易出现开裂等质量问题。

专利CN103358555公开了一种多光束的激光扫描加工方法，在打印烧结时利用多束激光束同时对原材料粉末加工来提升打印效率。专利201680034015.7公开了一种利用多光束的增材制造方法，通过多光束来扩大零件的整体成型幅面，但是对于单个幅面的成型效率并没有提高。专利201310670777.4公开了一种基于四激光双工位的激光选区熔化SLM设备及加工方法，利用分布扫描的策略先利用低功率密度的激光束对边缘进行扫描，再利用大光斑高功率密度的激光束对中心区域进行扫描，该方法两束光束并不是同时进行，在一定程度上限制了打印效率的进一步提升。专利CN112091213公开了一种利用高功率光束和低功率光束搭配切换的增材制造方法，利用低功率光束保证高效率，而高功率光束保证高精度；该方法虽然在一定程度上能兼顾效率和精度，但是由于两束光束是错开工作，所以效率还受到了一定程度的限制，而且对于两束光束的协调工作，控制难度较大。

目前领域基本是采用多光束或大光斑的方法来提高效率，为了兼顾精度要求而采用了搭配小光斑高功率密度光束的方法。但是目前方法都较为复杂，且效率在一定程度上仍然受限。

所以本领域内急需一种能提高打印效率降低成本并且较小残余应力和变形的制造方法。特别是在诸如进行增材制造构造房屋建筑等条件下，制造效率和质量显得格外重要。

发明内容

为了实现以上目的，针对现有技术不足，本发明提出了一种选择性激光烧结方法，解决增材制造效率低、质量差的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种选择性激光烧结方法，包含以下步骤：

至少提供一种包含低熔点粘结剂在内的原材料粉末混合物，和至少一束用于选择性激光烧结的激光束；

激光束向所述混合物原材料辐照使所述粘结剂熔化而使混合物粘结；

所述粘结剂熔点温度为m

且m

在一优选例中，所述时间t≥1.2s；

在一优选例中，所述最高温度100℃≤T≤550℃；

在一优选例中，激光束在所述混合物材料表面辐照形成表面积为S的区域形状，S≥1mm

激光束辐照功率水平为P，且P/S≤10w/mm

在一优选例中，所述激光束在原材料粉末表面辐照形成的区域形状为圆形轮廓或细长的矩形

轮廓，该圆形轮廓的直径为d，矩形轮廓的长边为L。

在一优选例中，所述激光束辐照区域能量具有环形、高斯分布；

在一优选例中，所述激光束在辐照区域具有均匀的能量分布；

在一优选例中，所述激光束以扫描方式对原材料进行加工，扫描速度为V，满足d/5≤V≤2*d和L/5≤V≤2*L.

在一优选例中，所述粘结剂为热塑性树脂。

本发明还提供一种基于选择性激光烧结的3D打印方法，以层层堆叠的方式将权利要求1-9任一所述的选择性激光烧结方法得到混合物粘结进行堆叠，得到整体构件。

本发明还提供上述选择性激光烧结方法得到混合物粘结物在3D打印的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下

为了实现原材料粉末在激光烧结时效率更高，本发明通过在激光烧结时采用具有更大辐照光斑的激光束，使较大范围内原材料受到热作用，温度上升较慢，在更大范围内具有均匀的温度场分布，克服加工缺陷，同时使该区域内激光束保持更小的功率密度，使原材料在熔化状态下持续一定的时间，能够确保更大范围的原材料粉末保持在均匀的温度场范围内，使加工后构件残余应力和变形更小，提升烧结质量；同时由于激光束辐照面积更大，加工效率更高；由于只采用一束激光束，而对于激光功率密度要求更低，所以整体成本也更低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的可替代的实施方式。

图1为本发明方法的流程示意图。

图2为本发明中整体构件的打印过程示意图。

图3为本发明中涉及到的一种光束分布及打印区域示意图。

图4为本发明中涉及到的一种光束分布及打印区域示意图。

图5为本发明中涉及到的一种光束分布及打印区域示意图。

图6为本发明中涉及到的一种光束分布及打印区域示意图。

图7为本发明中涉及到的一种光束分布及打印区域示意图。

图8为本发明中涉及到的一种光束分布及打印区域示意图。

图9为本发明中涉及到的一种光束分布及打印区域示意图。

图10为本发明中涉及到的一种光束分布及打印区域示意图。

图11为本发明中涉及到的一种光束分布及打印区域示意图。

图12为本发明中涉及到的一种打印扫描策略为激光束沿直线扫描的方式行进示意图。

图13为本发明中涉及到的一种打印策略为激光束以盖章方式行进方式的示意图。

图14为本发明中涉及到的一种打印策略为激光束以盖章方式行进方式的另一个示意图。

图15为传统方法中使用激光束为高斯分布时的光束分布示意图。

图16为本发明方法中使用激光束为均匀分布时的光束分布示意图。

图17为使用本发明方法所激光打印出的另一个构件。

图18为使用本发明方法所激光打印出的另一个构件。

图19为使用本发明方法所激光打印出的另一个构件。

图20为使用传统方法激光打印出的构件及存在的缺陷。

附图标记，1-激光束，p1-第一层打印结构，p2-第二层打印结构，p3-第三层打印结构，p4-第四层打印结构，pn-第n层打印结构，2-激光束在原材料表面形成的辐照区域，3-原材料混合物，L-激光束辐照区域为矩形时的长度，B-第二激光束辐照区域为矩形时的宽度，d—第二激光束辐照区域为圆形时其直径。

具体实施方式

本发明人经过广泛而深入的研究，发现了一种选择性激光烧结方法具有有益效果，在此基础上完成了本发明。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外，附图为示意图，因此本发明装置和设备的并不受所述示意图的尺寸或比例限制。

需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

现在参考图1，本发明方法为针对粉末材料增材制造的一种选择性激光烧结方法。先提供至少一种打印原材料粉末，将粉末与粘结剂均匀混合后形成混合物3，然后再铺粉，再利用基于特殊激光束控制热量输入的方法将所述粘结剂熔化并使粉末粘结成形，根据计算机输入的构件形状，利用激光束重复以上步骤层层打印p1、p2、p3、p4至pn而形成所需构件，如图2所示。在本发明中所打印原材料包括塑料、金属粉末以及陶瓷粉末中的一种或几种构成，所述粘结剂一般是具有低熔点的有机物粘结剂，主要成分为尼龙粉末、酚醛树脂、环氧树脂、硬脂酸、粉煤灰等成分的粘结剂，也包括聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚醚酮酮(PEEKK)和聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)等热塑性塑料聚合物，具体为长碳链或短碳链的聚合物，粘结剂熔点为m

所述激光束1波长为0.3-10μm，特别是0.5-3μm的红外激光器发射，这在SLS加工中是常见的。而其发射的激光器可以对应于多种类型，包括但不限于固态激光器、直接二极管激光器、光子晶体激光器、半导体激光器、气体激光器、化学激光器、准分子激光器或自由电子激光器等。激光器可以是连续激光或脉冲激光，一般其峰值功率为50w-10000w，特别地为100w-5000w。激光束1一般是通过激光器发射的初始激光束经过光纤或光学元件等传输。

激光束1在辐照至混合物材料3表面时会形成辐照区域2，辐照区域2具有表面积，而其形状可以包含多种类型；如图3所示为矩形形貌，具有长L和宽B，特别地为正方形形貌，如图4所示。图5所示为激光束辐照区域形状为圆形，即圆形光斑，具有直径d；图6所示为激光束辐照区域形状为具有长轴和短轴的椭圆形貌；图7所示为激光束辐照区域形状为由多段直线和自由曲线构成的多边自由形貌；而辐照形状也可以是例如图8所示的具有环形形貌的辐照区域，光束沿外圈形成一个由同心圆包围形成的圆环；而图9所示为由图8中所示的圆环和中心圆形的复合辐照区域构成的复合形貌；另外辐照区域形貌也可以是由以上多个形状而组合构成的，例如图10所示为矩形和椭圆组合构成的形貌，而图11所示为多个自由封闭曲线组合构成。特别地，对于具有复合形状的辐照光束，其每个单独区域的光束能量分配都是可以自由调节，例如功率占比以及光束分布形式。

一般地，对于每一层激光打印过程中激光束的扫描方式可以有多种类型，例如将激光束以一定的速度V沿着混合物材料行进，将扫描区域内的原材料熔化粘结在一起，如图12所示；亦可以以盖章的方式行进，即以一定光斑大小的激光束对一个区域辐照一定区域，然后转移到下一个区域，使下一区域同样熔化粘结最后形成整个加工件，如图13所示，而盖章方式可以有多种情况，如图14所示为下一个区域可以覆盖上一个部分区域，同样每次盖章时光束辐照面积是可以相同或是不同的。

激光束1辐照至混合物材料3上时，会使其温度上升，原材料上升的最高温度为T,所述温度的持续时间为t，满足以下条件：

为了提高整体加工效率和加工质量，在本发明中，光束辐照区域的面积不小于等于边长为1x1mm的正方形区域，一方面较大的光束辐照面积可以提高整体打印速度，另外通过对于光束分布形式的控制可以提高打印质量；在本发明中光束能量在整个辐照区域是均匀分布，如图15所示，区别于传统的高斯分布(图16)，光束在辐照区域均匀分布可以保证打印材料在更大范围内具有更均匀的温度场分布，打印时温度梯度更小，打印后残余应力和变形更小，提升打印质量。

实施例1

现在参考图17，其所示为采用本发明方法，使用激光光束光斑形状为矩形，长宽分别为45x45mm，激光束能量在该区域内均匀分布，激光束由波长为940-1060nm的半导体激光发射，激光功率为600-1500w，打印原材料为由SiO

实施例2

现在参考图18，其所示为采用本发明方法，使用激光光束光斑形状为矩形，长宽分别为10x10mm，激光束能量在该区域内均匀分布，激光束由波长为940-1060nm的半导体激光发射，激光功率为100-300w，打印原材料为由SiO

实施例3

现在参考图19，其所示为采用本发明方法，使用激光光束光斑形状为矩形，长宽分别为40x40mm，激光束能量在该区域内均匀分布，激光束由波长为940-1060nm的半导体激光发射，激光功率为500w，打印原材料为SiO

对比例

现在参考图20，其所示为采用传统方法，使用激光光束光斑形状为圆形，直径为70μm，激光束能量在该区域内呈高斯分布，激光束由波长为1064nm的半导体激光发射，激光功率为10w，打印原材料为由SiO