CN106584869A - 一种三维树脂实体制造的方法 - Google Patents

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张文武
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Abstract

本申请公开了一种三维树脂实体制造技术，其步骤包括1)对三维实体分层建模并对透明板材进行切割成型；2)将切割后的透明单层固定在成型基体上，层间涂覆近红外激光吸收剂；(3)使用近红外激光扫描上述复合层结构，红外激光吸收剂吸收热量以实现透明单层之间的焊接；(4)重复步骤(1)至(3)，每次增加一个层透明单层，直至所述三维树脂实体完成成型。利用本申请提供的方法，可以有效提高三维实体成型精度，保证内部通道表面光洁度，制作过程节约成本及时间。该方法在精密医疗器械、精密机械等领域应用前景广阔。

Description

一种三维树脂实体制造的方法
技术领域
本申请涉及一种三维树脂实体制造的方法，属于3D打印技术领域。
背景技术
增材制造技术的概念起源于20世纪70年代末到80年代初，树脂材料的增材制造一般包括熔融挤出成型、选择性激光结烧、分层实体制造法等。对于熔融挤出成型技术，成型工件表面粗糙度较大，无法满足精密内流道对光洁度的要求，而且对于悬垂面的成型一般需要支撑架，工序复杂。对于选择性激光结烧，成型件的表面粗糙度相对于熔融挤出成型有所提高，但一般需要粉体材料，材料成本高，而且成型效率低，无法实现悬垂面的成型。对于分层实体制造法，目前层间一般采用粘接的方法，层间强度低。
开发一种时间节约，高精度的三维实体制造方法成为亟待解决的问题。
发明内容
本申请针对上述问题，开发了一种基于分层制造技术，并且把激光精密切割与激光穿透焊接技术结合的增减材复合制造方法。本申请提供的方法实现了材料的高精度成型，提高成型效率和复杂结构件内流道的表面光洁度，实现无支撑悬垂面的成型。该方法在高精密医疗器械、精密机械等领域应用前景广阔。
所述在三维树脂实体制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对三维树脂实体分层建模，得到多个单层模型，按照每个单层模型对透明板材进行切割，得到与每个单层模型对应的各透明单层；
(2)将所述步骤(1)所得的透明单层中两个相邻透明单层的层间涂覆近红外激光吸收剂，得到复合层结构；
(3)使用近红外激光扫描所述步骤(2)得到的复合层结构，以使所述红外激光吸收剂吸收热量对透明单层之间进行焊接；
(4)每次增加一个相邻透明单层，重复步骤(2)至步骤(3)，直至所述三维树脂实体完成成型。
优选地，所述建模方法为：先用作图软件构建三维实体模型，而后对构建的三维实体模型进行分层处理，分层层厚与树脂层厚度一致。
优选地，所述透明板材为具有热塑性的透明树脂材料，厚度为0.001mm～10mm。
进一步优选地，所述透明板材的材料选自聚甲基丙烯酸甲酯(简写为PMMA)、聚酰胺(简写为PA)、聚苯硫醚(简写为PPS)、聚乙烯(简写为PE)、聚醚醚酮(简写为PEEK)中的至少一种。
优选地，所述步骤(1)中切割成型的方法为利用CO2激光对透明板材进行切割。
优选地，所述步骤(2)中涂覆的近红外激光吸收剂选自炭黑、石墨、氧化铟锡、氧化铜、CleanWeld试剂中的至少一种。
优选地，所述步骤(3)进行焊接时，在透明单层顶部放置透明工装以提供压力。
进一步优选地，所述步骤(3)进行焊接时，在透明单层顶部放置透明工装并向所述步骤(2)得到的复合层结构施加0.01MPa至5MPa的压力
优选地，所述透明工装对近红外激光透射率大于等于95％。
进一步优选地，所述透明工装选自透明树脂、玻璃、石英、透明陶瓷中的至少一种。
优选地，所述步骤(3)使用的近红外激光，波长为780nm～1100nm。
优选地，所述步骤(3)使用的近红外激光选自固体近红外激光、半导体近红外激光、光纤近红外激光、碟片近红外激光中的至少一种。
优选地，所述步骤(3)中使用近红外激光扫描所述步骤(2)得到的复合层结构中的方法为面扫描。
进一步优选地，所述面扫描的方法选自扫描振镜高速扫描或线性光斑整体扫描。
本申请中，“CleanWeld试剂”，是指英国焊接学会TWI研制并出售的的无色染料吸收剂，使用它作为吸收涂层来焊接透明或有色材料时可以得到透明的焊缝。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本申请所提供的方法，激光切割和激光焊接的结合，可以实现透明塑料的高精度成型，从而提高成型效率和成型件的强度。
2)本申请所提供的方法，通过逐层焊接的方式制造三维实体，实现无制成悬垂面成型，可保证复杂结构内表面光洁度。
3)本申请所提供的方法，可以简化三维实体制造设备，缩短制备时间。
附图说明
图1为激光增减材复合制造方法的流程图。
图2为激光增减材复合制造方法制造示意图。
图3为激光增减材复合制造方法中穿透焊接示意图。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
本申请实验在多功能光纤激光加工平台上进行，该平台由SPI 200W光纤激光器、ABB六轴工业机器人、线性光斑头、扫描振镜、气流***、中央控制***及软件控制***构成。如无特别说明，本申请的实施例中的原料和吸收剂均通过商业途径购买。
本申请利用拉力测试仪对焊接强度分析。
实施例1树脂材料切割焊接
下面将结合附图，对本申请的优选实施例进行详细的描述。本申请的一种三维实体制造方法的流程如图1所示，三维实体的分层建模以图2为例。具体而言：
采用0.1mm厚的透明板材，以PMMA为原料，进行如下步骤：
1)对三维实体进行分层建模，单层厚度0.1mm；
2)利用CO2激光根据规划路径，按照最底层的单层模型，进行透明板材的精密切割，得到透明单层，参见图2(a)；
3)切割完成后，将透明单层放置在上表面涂敷CleanWeld吸收剂的成型基体树脂上，并用3mm厚的透明石英工装施加压力；
4)利用1064nm线性光斑在石英板上扫描，扫描方式为线性光斑整体扫描，参见图2(b)，激光穿透石英工装和上层树脂层后，被吸收剂吸收，产生热量熔化两层间的与吸收剂接触的树脂，实现穿透焊接，焊接示意图如图3；
5)取下石英工装，在步骤4)成型焊接后的上层表面涂敷一层CleanWeld吸收剂，利用CO2激光按照规划路径依次对相邻透明板材激光精密切割，重复步骤3)和4)，直至成型完成，得到样品1#。
实施例2
模型和操作同实施例1，只是选用透明板材为0.001mm厚的PA，三维实体进行分层建模，单层厚度0.001mm，近红外激光吸收剂为炭黑与CleanWeld试剂按照质量比1:1混合。成型完成后，得到样品2#。
实施例3
模型和操作同实施例1，只是选用透明板材为0.01mm厚的PPS，三维实体进行分层建模，单层厚度0.01mm，近红外激光吸收剂为氧化铟锡，工装为近红外激光透射率95％的透明玻璃，焊接激光为固体近红外激光，扫描方式为扫描振镜高速扫描。成型完成后，得到样品3#。
实施例4
模型和操作同实施例1，只是选用透明板材为1mm厚的PE，三维实体进行分层建模，单层厚度1mm，近红外激光吸收剂为氧化铜，工装为近红外激光透射率98％的透明陶瓷，焊接激光为光纤近红外激光，扫描方式为扫描振镜高速扫描。成型完成后，得到样品4#。
实施例5
模型和操作同实施例1，只是选用透明板材为10mm厚的PEEK，三维实体进行分层建模，单层厚度10mm，焊接激光为半导体近红外激光，扫描方式为扫描振镜高速扫描。成型完成后，得到样品5#。
对比例1
模型同本申请实施例1，采用熔融沉积式(FDM)3D打印方式成型，成型材料为热塑性树脂，成型完成后，所用时间是实施例1的方法所用时间的10倍，得到样品D1#。
拉伸强度测试
本申请实施例1中得到的样品1#与对比例1得到的样品D1#进行拉伸强度测试，结果表明样品1#的拉伸强度大于样品D1#，即本申请实施例1的方案成型的样品拉伸强度大于采用熔融沉积式(FDM)3D打印方式成型的对比例1的样品。
成型精度
本申请实施例1中得到的样品1#的尺寸与所述模型一致；而样品D1#的尺寸与所述模型有一定误差，需要再打磨加工后才能达到与所述模型一致的效果。即本申请实施例1的方案成型的样品1#的尺寸精度明显优于采用熔融沉积式(FDM)3D打印方式成型的对比例1的样品D1#。且本申请实施例1的方案可成型复杂微通道，微通道表面光洁度高；而对比例1的熔融沉积式(FDM)方法无法成型复杂微通道。
对比例2
模型同本申请实施例1，采用选择性激光烧结(SLS)3D打印方式成型，成型材料为热塑性树脂，成型完成后，所用时间是本申请实施例1的方法所用时间的15倍以上，得到样品D2#。
拉伸强度测试
本申请实施例1中得到的样品1#与对比例2得到的样品D2#进行拉伸强度测试，结果表明样品1#的拉伸强度与样品D2#基本一致。
成型精度
本申请实施例1中得到的样品1#的尺寸与所述模型基本一致，表面几乎不需要处理；而对比例2中得到的样品D2#成型后表面粗糙度较大，需要后续的打磨加工，而且冷却过程中成型件会缩小，尺寸与所述模型有较大误差。
综上所述，本申请实施例1的方案成型的样品的尺寸精度明显优于采用选择性激光烧结(SLS)3D打印方式成型的对比例2的样品。
对比例3
模型同本申请实施例1，采用立体平板印刷(SLA)3D打印方式成型，成型材料为光固化树脂，成型完成后，所用时间是实施例1的方法所用时间的5倍，得到样品D3#。
拉伸强度测试
本申请实施例1中得到的样品1#与对比例3得到的样品D3#进行拉伸强度测试，结果表明样品1#的拉伸强度明显大于样品D3#，即本申请实施例1的方案成型的样品拉伸强度大于采用立体平板印刷(SLA)3D打印方式成型的对比例3的样品。
成型精度
本申请实施例1中得到的样品1#的尺寸与所述模型基本一致；而样品D3#成型后易产生缩小，尺寸与所述模型有较大误差，表面需要打磨加工后才能达到与所述模型一致的表面粗糙度。
综上所述，本申请实施例1的方案成型的样品的尺寸精度明显优于采用立体平板印刷(SLA)3D打印方式成型的对比例3的样品。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种三维树脂实体的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对三维树脂实体分层建模，得到多个单层模型，按照每个单层模型对透明板材进行切割，得到与每个单层模型对应的各透明单层；
(2)将所述步骤(1)所得的透明单层中两个相邻透明单层的层间涂覆近红外激光吸收剂，得到复合层结构；
(3)使用近红外激光扫描所述步骤(2)得到的复合层结构，以使所述红外激光吸收剂吸收热量对透明单层之间进行焊接；
(4)每次增加一个相邻透明单层，重复步骤(2)至步骤(3)，直至所述三维树脂实体完成成型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述透明板材为具有热塑性的透明树脂材料，厚度为0.001mm～10mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述透明板材的材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、聚苯硫醚、聚乙烯、聚醚醚酮中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中切割成型的方法为利用CO2激光对透明板材进行切割。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中涂覆的近红外激光吸收剂选自炭黑、石墨、氧化铟锡、氧化铜、CleanWeld试剂中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)进行焊接时，在透明单层顶部放置透明工装以施加压力；
优选地，所述步骤(3)进行焊接时，在透明单层顶部放置透明工装并向所述步骤(2)得到的复合层结构施加0.01MPa至5MPa的压力。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述透明工装对近红外激光透射率大于等于95％；
优选地，所述透明工装选自透明树脂、玻璃、石英、透明陶瓷中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)使用的近红外激光，波长为780nm～1100nm。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)使用的近红外激光选自固体近红外激光、半导体近红外激光、光纤近红外激光、碟片近红外激光中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中使用近红外激光扫描所述步骤(2)得到的复合层结构中的方法为面扫描；
所述面扫描选自扫描振镜高速扫描或线性光斑整体扫描。
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