本發(fā)明的技術(shù)方案涉及金屬粉末成型技術(shù)，具體地說是一種具有表面修飾功能的高精度金屬粉末三維打印系統(tǒng)及打印方法。

背景技術(shù)：

3D打印(三維打印)技術(shù)是一種新興的快速成型技術(shù)，它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體。3D打印技術(shù)由于其可根據(jù)設(shè)計(jì)要求制備出內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特殊器件，在需要內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品加工中具有顯著的優(yōu)勢。在工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、汽車，航空航天、醫(yī)療器械等眾多領(lǐng)域均有巨大的潛在應(yīng)用前景，因此，從其誕生之初就成為金屬粉末成型領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)。

但是，目前金屬粉末成型領(lǐng)域的3D打印技術(shù)存在打印精度較低、無法保證精密成型以及難以對產(chǎn)品內(nèi)在結(jié)構(gòu)進(jìn)行可控的表面改性的缺點(diǎn)。打印精度的不足限制了3D打印技術(shù)在精密成型領(lǐng)域的應(yīng)用及推廣，同時(shí)也阻礙了精密產(chǎn)品生產(chǎn)效率的提高；產(chǎn)品內(nèi)在結(jié)構(gòu)表面的諸多特性，如表面親水性、耐腐蝕性等，都對產(chǎn)品性能的發(fā)揮起著至關(guān)重要的作用。

目前，金屬粉末的3D打印技術(shù)中，選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)能夠有效的控制激光燒結(jié)光斑尺寸，能夠獲得較高的打印精度，是較常用的3D打印技術(shù)。然而，實(shí)際應(yīng)用中，光纖激光與材料相互作用時(shí)，激光能量通過熱傳導(dǎo)的方式被材料吸收，導(dǎo)致材料液化后凝固或直接發(fā)生氣化剝離，因此材料表面有很明顯的熱效應(yīng)區(qū)，而選擇性激光熔化(SLM)技術(shù)在應(yīng)用過程中，復(fù)雜結(jié)構(gòu)區(qū)域會有金屬粉末液化不完全的部位存在，此時(shí)，未液化的金屬粉末會被周圍已經(jīng)液化的金屬粉末粘結(jié)，這就使得制件輪廓表面既有液態(tài)金屬固化后形成的固體材料，也有被液態(tài)金屬粘結(jié)的金屬粉末，由于通常使用的金屬粉末的顆粒直徑在10-60um，因此導(dǎo)致制件輪廓尺寸偏大，制件表面光潔度差，其打印精度只能達(dá)到約100微米，限制了其在眾多需要高尺寸精度產(chǎn)品中的應(yīng)用。

通過金屬粉末成型制得的產(chǎn)品，一般都要經(jīng)過表面改性使其親水性、耐腐蝕性等達(dá)標(biāo)后才能進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，對于3D打印的產(chǎn)品，由于其所得制件內(nèi)在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難做到先打印完成，再對內(nèi)在結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行改性處理，從而限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明就是針對上述的問題，提供一種具有表面修飾功能且打印精度達(dá)到20微米的金屬粉末3D打印系統(tǒng)及其打印方法，該系統(tǒng)采用具有雙光源的光學(xué)系統(tǒng)，可于打印過程中在原位實(shí)現(xiàn)精度的調(diào)整和制件表面處理。

該系統(tǒng)由加工平臺、光學(xué)系統(tǒng)以及分別和二者相連的控制系統(tǒng)組成。該加工平臺包括有盛粉裝置和送粉裝置，盛粉裝置由兩塊隔板依次分隔成儲粉箱、加工箱和收粉箱，三個(gè)箱體內(nèi)均設(shè)有活塞電機(jī)驅(qū)動(dòng)的推拉活塞，儲粉箱和收粉箱內(nèi)壁頂端設(shè)有紅外測高裝置，用來實(shí)時(shí)檢測箱體內(nèi)粉層高度是否達(dá)到設(shè)定值，并可將信號反饋給控制程序；送粉裝置包括推送輥、固定于盛粉裝置兩側(cè)的平行傳送履帶、連于推送輥兩側(cè)的推送電機(jī)以及將推送電機(jī)和傳送履帶固定連接的固定塊，其中固定塊內(nèi)設(shè)有多層卡槽，可以通過調(diào)整傳送履帶穿過的卡槽位置來對推送輥的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，傳送履帶的四個(gè)轉(zhuǎn)軸上方的盛粉裝置外側(cè)均設(shè)有限位柱，用以防止傳送履帶因控制程序出錯(cuò)發(fā)生過量傳送，導(dǎo)致固定塊和傳送履帶轉(zhuǎn)軸的碰撞，甚至對設(shè)備造成損壞。

定義加工平臺中兩塊隔板的高度為h，推送輥的半徑為r，加工平臺的寬度為s，被兩塊隔板分隔成的儲粉箱、加工箱和收粉箱的長度分別為l_C、l_J和l_S，盛粉裝置高度為H，那么在本發(fā)明中，有效矩形加工面積為(s-40um)×(l_J-40um)，h<H<h+r，2.5l_C<l_J。

上述光學(xué)系統(tǒng)置于光學(xué)箱內(nèi)，包括有一個(gè)光路控制器、一條輸出光路和兩條輸入光路。其中，兩條輸入光路分別來自于串聯(lián)了擴(kuò)束鏡的光纖激光器和串聯(lián)了擴(kuò)束鏡的飛秒激光器；光路控制器包括可平移的反射鏡及兩臺激光器的電源開關(guān)控制裝置，以便實(shí)現(xiàn)兩種類型激光的加工；輸出光路經(jīng)過振鏡，最終通過光孔垂直入射到加工箱內(nèi)，使得聚焦后的光腰位于當(dāng)前粉末層的表面。

上述控制系統(tǒng)包括具有控制界面的顯示器、帶有外接口的主機(jī)箱、與加工平臺和光學(xué)系統(tǒng)相連的通訊線以及加工控制程序。其中，通訊線在加工平臺上與各個(gè)電機(jī)及紅外測高裝置相連，在光學(xué)系統(tǒng)中通訊線與光路控制器及振鏡相連。

本發(fā)明提供的三維打印系統(tǒng)的打印方法包括如下步驟：

(1)光路校準(zhǔn)：啟動(dòng)打印系統(tǒng)，分別校準(zhǔn)光纖激光光路和飛秒激光光路后，光纖激光光路聚焦加工零點(diǎn)，所述的加工零點(diǎn)為有效矩形加工面積位于收粉箱側(cè)的一個(gè)端點(diǎn)。

(2)圖像校準(zhǔn)：通過主機(jī)箱上的外接口輸入打印模型的圖像數(shù)據(jù)，確定圖像零點(diǎn)，并將圖像零點(diǎn)調(diào)節(jié)至加工零點(diǎn)。

(3)預(yù)鋪粉：加工箱推拉活塞復(fù)位至箱頂零點(diǎn)，推送輥復(fù)位至儲粉箱外側(cè)，儲粉箱推拉活塞上移，待金屬粉體高度超出紅外測高裝置2-3mm時(shí)停止，傳送履帶帶動(dòng)推送輥從儲粉箱側(cè)運(yùn)動(dòng)到收粉箱側(cè)，同時(shí)推送電機(jī)以與傳送履帶轉(zhuǎn)軸相反的方向驅(qū)動(dòng)推送輥?zhàn)赞D(zhuǎn)，進(jìn)行預(yù)鋪粉，推送輥達(dá)收粉箱外側(cè)后，在傳送履帶帶動(dòng)下復(fù)位至儲粉箱外側(cè)，同時(shí)推送輥以相反方向自轉(zhuǎn)。

(4)鋪粉：于控制系統(tǒng)的加工程序中設(shè)置加工粉層厚度為t，加工箱下降高度t，同時(shí)儲粉箱上升高度推送輥以與預(yù)鋪粉過程相同的運(yùn)動(dòng)方式，從儲粉箱側(cè)運(yùn)動(dòng)到收粉箱側(cè)，而后再復(fù)位至儲粉箱側(cè)。

(5)掃描：開啟光纖激光光路，控制程序根據(jù)圖像加工數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)光纖激光參數(shù)，計(jì)算光纖激光加工坐標(biāo)并開始打印，本層打印結(jié)束后，關(guān)閉光纖激光光路，計(jì)算飛秒激光加工坐標(biāo)，開啟飛秒激光光路，根據(jù)圖像精度加工和表面處理要求調(diào)節(jié)飛秒激光參數(shù)并完成本層的全部掃描，然后關(guān)閉飛秒激光光路，振鏡復(fù)位至加工零點(diǎn)。

(6)重復(fù)4-5步，直至完成樣件全部打印后，振鏡和推送輥復(fù)位至各自零點(diǎn)。

(7)卸除加工箱的推拉活塞，取出樣件后，安裝加工箱推拉活塞，清理樣件表面金屬粉末，打印完成。

上述步驟(3)和(4)中傳送履帶的傳送速度為10_～50mm/s。

上述步驟(5)中光纖激光加工的圖像加工坐標(biāo)計(jì)算原則為，光纖激光掃描的軌跡靠內(nèi)補(bǔ)償，飛秒激光掃描的軌跡靠外補(bǔ)償，即光纖激光掃描的軌跡為原加工圖像的外輪廓向內(nèi)部縮進(jìn)光纖激光光斑半徑大小后的新輪廓，飛秒激光掃描的軌跡為原加工圖像的外輪廓向外延伸飛秒激光光斑半徑大小后的新輪廓，所述的兩種光源的光斑半徑由設(shè)備安裝后校正平板檢測獲得，其中光纖激光光斑半徑r₁為25±10um，飛秒激光光斑半徑r₂為15±5um。

上述光纖激光的功率為60W～500W，飛秒激光的功率3～20W，脈沖頻率50K～80MHz，脈沖寬度50～400fs。

本發(fā)明的有益效果為：

1、本系統(tǒng)采用相同波長不同脈沖寬度的激光器作為光源：一種是光纖激光，另一種是飛秒激光，其中光纖激光用于熔化燒結(jié)金屬粉末，飛秒激光用于對燒結(jié)成型后的截面輪廓進(jìn)行清除以及表面處理。由于飛秒量級的激光在加工過程，激光與材料作用時(shí)間極短，能量直接被材料吸收，材料生成等離子體后被去除，激光能量沒有足夠時(shí)間進(jìn)行熱傳導(dǎo)，因而材料表面無明顯的熱影響區(qū)，將飛秒激光聚焦到微米級，可實(shí)現(xiàn)幾微米的祛除精度，且被祛除材料邊緣清晰無殘留。因此，采用飛秒激光作為輪廓清掃光源能夠?qū)崿F(xiàn)更高的零件成型精度。

2、本發(fā)明采用光纖激光進(jìn)行3D打印，改善了成型產(chǎn)品的內(nèi)表面結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用飛秒激光根據(jù)需求對產(chǎn)品表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，可提高產(chǎn)品使用壽命，改善產(chǎn)品性能，擴(kuò)大產(chǎn)品使用范圍。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1提供的三維打印系統(tǒng)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1提供的加工平臺示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1提供的光學(xué)系統(tǒng)兩種工作狀態(tài)示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1打印出的骨釘實(shí)物照片。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例1中只用光纖激光加工完骨釘表面形貌。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例1中雙光源加工后的骨釘表面形貌。

圖7為本發(fā)明實(shí)施例1中雙光源加工后骨釘表面形貌放大圖。

圖8為本發(fā)明實(shí)施例2打印出的骨釘實(shí)物照片。

圖9為本發(fā)明實(shí)施例2中雙光源加工后的骨釘表面形貌。

圖10為本發(fā)明實(shí)施例2中只用光纖激光加工完骨釘表面形貌。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供的三維打印系統(tǒng)，如圖1所示，由加工平臺、光學(xué)系統(tǒng)3以及分別和二者相連的控制系統(tǒng)4組成。該加工平臺，如圖2所示，包括有盛粉裝置和送粉裝置，盛粉裝置由兩塊隔板12依次分隔成儲粉箱11、加工箱13和收粉箱14，三個(gè)箱體內(nèi)均設(shè)有活塞電機(jī)驅(qū)動(dòng)的推拉活塞15，儲粉箱11和收粉箱14內(nèi)壁頂端設(shè)有紅外測高裝置16，用來實(shí)時(shí)檢測箱體內(nèi)粉層高度是否達(dá)到設(shè)定值，并可將信號反饋給控制程序；送粉裝置包括推送輥23、固定于盛粉裝置兩側(cè)的平行傳送履帶21、連于推送輥23兩側(cè)的推送電機(jī)24以及將推送電機(jī)和傳送履帶固定連接的固定塊25，其中固定塊內(nèi)設(shè)有多層卡槽，可以通過調(diào)整傳送履帶穿過的卡槽位置來對推送輥的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，傳送履帶21的四個(gè)轉(zhuǎn)軸上方的盛粉裝置外側(cè)均設(shè)有限位柱22，用以防止傳送履帶21因控制程序出錯(cuò)發(fā)生過量傳送，導(dǎo)致固定塊25和傳送履帶21轉(zhuǎn)軸的碰撞，甚至對設(shè)備造成損壞。

定義加工平臺中兩塊隔板的高度為h，推送輥的半徑為r，加工平臺的寬度為s，被兩塊隔板分隔成的儲粉箱、加工箱和收粉箱的長度分別為l_C、l_J和l_S，盛粉裝置高度為H，那么在本發(fā)明中，有效矩形加工面積為(s-40μm)×(l_J-40μm)，h<H<h+r，3l_C＝l_J。

上述光學(xué)系統(tǒng)3置于光學(xué)箱內(nèi)，包括有一個(gè)光路控制器33、一條輸出光路和兩條輸入光路。其中，兩條輸入光路分別來自于串聯(lián)了擴(kuò)束鏡32的光纖激光器35和串聯(lián)了擴(kuò)束鏡32的飛秒激光器31；光路控制器33包括可平移的反射鏡及兩臺激光器的電源開關(guān)控制裝置，以便實(shí)現(xiàn)兩種類型激光的加工；輸出光路經(jīng)過振鏡34，最終通過光孔垂直入射到加工箱內(nèi)，使得聚焦后的光腰位于當(dāng)前粉末層的表面，兩種工作狀態(tài)如圖3所示，工作狀態(tài)(1)時(shí)光纖激光光路工作，飛秒激光光路關(guān)閉，工作狀態(tài)(2)時(shí)飛秒激光光路工作，光纖激光光路關(guān)閉。

上述控制系統(tǒng)包括具有控制界面的顯示器、帶有外接口的主機(jī)箱、與加工平臺和光學(xué)系統(tǒng)相連的通訊線以及加工控制程序。其中，通訊線在加工平臺上與各個(gè)電機(jī)相連，在光學(xué)系統(tǒng)中通訊線與光路控制器及振鏡34相連，整體設(shè)備安裝完成后，經(jīng)校正平板檢測，其中光纖激光光斑半徑r₁為25um，飛秒激光光斑半徑r₂為15um。

本發(fā)明提供的三維打印系統(tǒng)的打印方法包括如下步驟：

(1)光路校準(zhǔn)：啟動(dòng)打印系統(tǒng)，分別校準(zhǔn)光纖激光光路和飛秒激光光路后，光纖激光光路聚焦加工零點(diǎn)，所述的加工零點(diǎn)為有效矩形加工面積位于收粉箱側(cè)的一個(gè)端點(diǎn)。

(2)圖像校準(zhǔn)：通過主機(jī)箱上的外接口輸入骨釘圖像數(shù)據(jù)，確定骨釘尖端為圖像零點(diǎn)，并將圖像零點(diǎn)調(diào)節(jié)至加工零點(diǎn)。

(3)預(yù)鋪粉：加工箱13推拉活塞復(fù)位至箱頂零點(diǎn)，推送輥23復(fù)位至儲粉箱11外側(cè)，儲粉箱11推拉活塞上移，待金屬粉體高度超出紅外測高裝置16高度2mm時(shí)停止，傳送履帶21帶動(dòng)推送輥23以20mm/s的速率從儲粉箱11側(cè)運(yùn)動(dòng)到收粉箱14側(cè)，同時(shí)推送電機(jī)24以與傳送履帶21轉(zhuǎn)軸相反的方向驅(qū)動(dòng)推送輥23自轉(zhuǎn)，進(jìn)行預(yù)鋪粉，推送輥23達(dá)收粉箱14外側(cè)后，在傳送履帶21帶動(dòng)下復(fù)位至儲粉箱11外側(cè)，同時(shí)推送輥23以相反方向自轉(zhuǎn)。

(4)鋪粉：于控制系統(tǒng)的加工程序中設(shè)置加工粉層厚度t的數(shù)值，加工箱13下降高度t，同時(shí)儲粉箱11上升高度推送輥23以與預(yù)鋪粉過程相同的運(yùn)動(dòng)方式及速度，從儲粉箱11側(cè)運(yùn)動(dòng)到收粉箱14側(cè)，而后再復(fù)位至儲粉箱11側(cè)。

(5)開啟光纖激光光路，控制程序根據(jù)圖像加工數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)光纖激光功率為450W，以骨釘圖像中軸線為基線，計(jì)算出骨釘圖像輪廓坐標(biāo)值，記為一組±l值，而后以±(l-25)為圖像外輪廓記錄加工坐標(biāo)，即將骨釘圖像輪廓內(nèi)縮25um，并開始打印，本層打印結(jié)束后，關(guān)閉光纖激光光路，再以±(l+15)為圖像外輪廓記錄新的加工坐標(biāo)，即將骨釘圖像輪廓外延15um，開啟飛秒激光光路，設(shè)定飛秒激光功率為10W，脈沖頻率為50MHz，脈沖寬度為200fs，完成本層全部掃描后關(guān)閉飛秒激光光路，振鏡34復(fù)位至加工零點(diǎn)。

(6)重復(fù)4-5步，直至完成樣件全部打印后，振鏡34和推送輥23復(fù)位至各自零點(diǎn)。

(7)卸除加工箱13的推拉活塞，取出樣件后，安裝加工箱13推拉活塞，清理樣件表面金屬粉末，打印完成，其打印后試樣如圖4所示。

圖5為只采用光纖激光加工后的樣件表面的場發(fā)射掃描電鏡圖片，其粗糙度Rz＝31um，表面明顯有很多金屬顆粒存在，這些顆粒在服役過程中很容易從樣件表面脫落，引發(fā)炎癥，最終導(dǎo)致植入失敗，圖6為本實(shí)施例加工后的樣件表面的場發(fā)射掃描電鏡圖片，粗糙度Rz＝12um，表面已經(jīng)見不到金屬顆粒存在，且其表面存在微米級條紋結(jié)構(gòu)，發(fā)大后如圖7所示。

實(shí)施例2～4

該三個(gè)實(shí)施例提供的打印系統(tǒng)及打印方法除表1所列出的參數(shù)外與實(shí)施例1均相同，同時(shí)表1也給出了三個(gè)實(shí)施例加工所得樣件的表面粗糙度。

表1實(shí)施例2～4與實(shí)施例1不同的參數(shù)及加工樣件表面粗糙度

實(shí)施例2最終所得樣件的照片如圖8所示，其表面形貌如圖9所示，粗糙度Rz＝11um，與其只完成光纖激光加工后的樣件表面(圖10所示，Rz＝36um)相比，粗糙度明顯下降。

實(shí)施例3、4所得樣件的照片及表面形貌類型與實(shí)施例1和2一致，為了避免贅述，本申請中予以省略。