一种用于粉末层叠制造的3D打印方法

摘要

本发明公开了一种用于粉末层叠制造的3D打印方法，该方法是在粉末3D打印中，在刮刀刮平针形粉末粒子的过程中，针形粉末粒子受到刮刀沿x轴方向上的移动速度V1与粉末床沿y轴方向上的移动速度V2的共同作用，沿着合成速度Vs的方向定向排列。刮刀的速度V1是可调的，粉末床的速度V2是可以动态改变的，V2可以达到V1的五倍以上，可以实现Vs的方向在水平面内，沿中心线方向至少±78.69°以内的任意角度变化，即实现针形粒子的排列方向的瞬时动态变化，从而实现了动态二维刮粉过程。本发明可以设计粉末床的移动速度，实现多种多样的形状图案的粒子排布形式，从而实现复杂的材料微结构的设计。

权利要求

1.一种用于粉末层叠制造的3D打印方法，该方法是：在粉末3D打印中，在刮刀刮平针形粉末粒子的过程中，针形粉末粒子受到刮刀沿x轴方向上的移动速度V1与粉末床沿y轴方向上的移动速度V2的共同作用，沿着合成速度Vs的方向定向排列；所述粉末床沿y轴方向上的移动速度V2是为动态改变的，V2的调整范围为0-250mm/s，其方向沿y轴正方向为正，负方向为负。

2.根据权利要求1所述的一种用于粉末层叠制造的3D打印方法，其特征在于：所述刮刀沿x轴方向上的移动速度V1是可调的，V1的调整范围为20-50mm/s。

3.根据权利要求1所述的一种用于粉末层叠制造的3D打印方法，其特征在于：所述的刮刀沿x轴方向上的移动速度V1与粉末床沿y轴方向上的移动速度V2的合成速度Vs，其方向与x方向上的中心线之间的夹角在±78.69°以内的任意角度的动态变化。

说明书

一种用于粉末层叠制造的3D打印方法

技术领域

[0001] 本发明涉及3D打印方法，特别涉及一种用于粉末层叠制造的3D打印方法。

背景技术

[0002] 3D打印技术，又被称为增材制造技术，是借助激光、粘结剂、UV光等多种辅助手段，逐层在指定的区域累积材料的一种快速成型制造工艺。随着3D打印技术的发展，如何在3D打印中实现材料微结构的设计，是3D打印领域内的研究热点。

[0003] 3D打印中常用的材料中，粉末占据着重要的地位，不仅是因为粉末的制造工艺的普遍性，更是由于粉末制造零件的适用性所决定的，体现在粉末粒子的微观结构性上。

[0004] 在粉末的3D打印技术中，对于粉末的铺平工艺有较高的要求，一般的粉末铺平装置都是靠刮刀来完成的，在这个过程中，粉末都是处在静止状态下的，靠的是单向运动的刮刀所产生的力来进行铺粉的。但对于具有特殊形状的粒子，刮刀可以起到的作用不单是刮平粉末。对于针形粉末粒子，在刮刀刮粉过程中会受到刮刀运动方向的影响，产生向刮刀进给方向定向排列的趋势。

[0005] 基于以上研究现状，给出了一种用于解决材料微观结构设计的，粉末层叠制造的3D打印方法。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种用于粉末层叠制造的3D打印方法，具体体现在利用刮刀定向诱导粉末粒子排布上。

[0007] 本发明之方法是：在粉末3D打印中，在刮刀刮平针形粉末粒子的过程中，针形粉末粒子受到刮刀沿x轴方向上的移动速度V1与粉末床沿y轴方向上的移动速度V2的共同作用，沿着合成速度Vs的方向定向排列。

[0008] 所述刮刀沿x轴方向上的移动速度V1是可调的，V1的调整范围为20-50mm/s。

[0009] 所述粉末床沿y轴方向上的移动速度V2是为动态改变的，V2的调整范围为0-250mm/s，其方向沿y轴正方向为正，负方向为负。

[0010] 所述的刮刀沿x轴方向上的移动速度V1与粉末床沿y轴方向上的移动速度V2的合成速度Vs，与x方向上的中心线之间的夹角在±78.69°以内的角度之内任意的动态变化。

[0011] 本发明的具体操作方法：

[0012] 供粉仓中装有足够的，经过筛网过滤的粉末粒子，在完成一层的打印过程中，首先供粉仓会升高一定高度，在刮刀的推动作用下，粉末向粉末床方向移动，表示为速度V1；粉末床在y轴方向上可以做动态的变速运动，表示为动态速度V2，V1与V2合成速度Vs，如图2所示，针形粒子在Vs的作用下，会向Vs的方向定向排列，由于V2是动态变化的，导致Vs的方向也是动态变化的。在刮刀将粉末床上的粒子铺平之后，多余的粉末掉落到粉末回收仓中，用于重复过滤使用。

[0013] 设定刮刀沿x轴方向上的移动速度V1为一恒定值，再给定粉末床在y轴方向上的移动速度V2为一动态变化的值，其大小和方向是可以任意改变的，也可以表达成V2与刮刀在粉末床上的具体位置L存在一定的函数关系。在刮刀走完行程后，粒子在粉末床上就会以一定的规律性定向排布，从而实现粉末粒子的微结构设计。

[0014] 本发明的有益效果：

[0015] 自然界中，某些生物体表或者体内的某些结构，具有复杂的微观结构，如果将这些微观结构所呈现出来的粒子排布方式以数学形式表达出来。本发明可以设计粉末床的移动速度，实现多种多样的形状图案的粒子排布形式，从而实现复杂的材料微结构的设计。

附图说明

[0016] 图1为本发明所使用的动态二维刮粉的装置示意图。

[0017] 图2为本发明的速度合成大小及方向示意图。

[0018] 图3为本发明刮刀与粉末床相对位置示意图。

[0019] 图4为本发明的给定的粉末床沿y方向移动速度V2与刮刀刮粉位置L的类正弦函数示意图。

[0020] 图5为本发明给定的类正弦函数得到的粒子排布方向和x轴间的夹角，与刮刀刮粉位置L的类正弦函数关系示意图。

[0021] 图6为本发明给定的类正弦函数引起粒子在整个粉末床上定向排列的形状的示意图。

[0022] 其中：1-刮刀，2-供粉仓，3-工作仓，4-粉末回收仓。

具体实施方式

[0023] 如图1和图2所示，工作仓3上的粉末床可以上下移动，用于调节针形粉末粒子高度，也可以在y方向上正负移动，用于实现动态变速运动；供粉仓2可以在z方向正负移动，用于供粉；刮刀1可以在x方向上做正负移动，用于刮平粉末；粉末回收仓4用于回收重复利用粉末。

[0024] 本发明的方法是：在粉末3D打印中，在刮刀1刮平针形粉末粒子的过程中，针形粉末粒子受到刮刀沿x轴方向上的移动速度V1与粉末床沿y轴方向上的移动速度V2的共同作用，沿着合成速度Vs的方向定向排列。

[0025] 所述刮刀1沿x轴方向上的移动速度V1是可调的，V1的调整范围为20-50mm/s。

[0026] 所述粉末床沿y轴方向上的移动速度V2是为动态改变的，V2的调整范围为0-250mm/s，其方向沿y轴正方向为正，负方向为负。

[0027] 所述的刮刀1沿x轴方向上的移动速度V1与粉末床沿y轴方向上的移动速度V2的合成速度Vs，与x方向上的中心线之间的夹角在±78.69°以内的任意角度的动态变化。

[0028] 具体操作方法是：

[0029] 供粉仓2中装有足够的，经过筛网过滤的针形粉末粒子，在完成一层的打印过程中，首先供粉仓2会升高一定高度，在刮刀1的推动作用下，针形粉末粒子向粉末床方向移动，刮刀1沿x轴方向上的移动速度V1；粉末床在y轴方向上可以做动态的变速运动，表示为动态速度V2，V1与V2合成速度Vs，如图2所示，针形粉末粒子在Vs的作用下，会向Vs的方向定向排列，由于V2是动态变化的，导致Vs的方向也是动态变化的。在刮刀1将粉末床上的粒子铺平之后，多余的粉末掉落到粉末回收仓4中，用于重复过滤使用。

[0030] 设定刮刀1沿x轴方向上的移动速度V1为一恒定值，再给定粉末床在y轴方向上的移动速度V2为一动态变化的值，其大小和方向是可以任意改变的，也可以表达成V2与刮刀在粉末床上的具体位置L存在一定的函数关系。在刮刀走完行程后，针形粉末粒子在粉末床上就会以一定的规律性定向排布，从而实现粉末粒子的微结构设计。

[0031] 对于不同的针形粉末粒子，合适的刮刀1刮粉速度有利于表面的平整性，因此，对于不同的针形粉末粒子，需要测试选择一个合适的刮刀刮粉速度。在刮粉过程中，保持V1恒定不变。

[0032] 如图2和图3所示，由于粉末床速度V2的动态可变性，因此可以给定V2与刮刀在y方向上刮粉的距离L的函数关系，假定V2与L存在如图4所示的关系，可以表达为正弦函数关系[0033] V2＝Asin(a+bL)

[0034] 其中A，a，b都为恒定已知参数。

[0035] 经过如图4所示的速度合成之后，可以得到Vs的方向与粉末床在y方向上的位置L的数学关系表达式

[0036] tanα＝V2/V1＝Asin(a+bL)/V1

[0037] α是Vs与V1之间的夹角，如图5所示，

[0038] 整理，得

[0039] α＝arctan[Asin(a+bL)/V1]

[0040] 得到的也是一个类正弦函数，分析这一动态过程，可以得到处在不同L位置上针形粉末粒子排布的方向，最终可以呈现如图6所示的整个粉末床的针形粉末粒子排布形状图案。然后，在指定的区域内进行激光烧结或粘结剂粘结，就可以完成一层的微结构设计。

[0041] 上述给出的V2与L是类正弦函数关系的，同样的处理方法，可以令V2与L间存在着更为复杂的数学函数关系，转化得到的α与L间的关系也就更为复杂，体现在粒子的排列方向上，可以呈现更为复杂的整体排布形状，为实现复杂多样的材料微结构设计，提供了一种解决思路。