基于湿法铺粉的选择性激光熔融设备及其打印工艺的制作方法

本发明涉及属于金属3D打印工艺和设备领域，更具体地说，涉及一种基于湿法铺粉的选择性激光熔融设备。

背景技术：

现有的金属3D打印通常采用选择性激光熔融技术，即采用激光对粉床逐层扫描熔融特定区域并使各层连接而获得最终的块体材料。该技术铺粉过程中要求粉体具有较好的流动性以获得平整的粉床表面和初始粉体堆积密度。一般来说，工艺要求原料粉体自然堆积休止角小于38°，且其平均粒径在30～40μm之间。目前，用于选择性激光熔融工艺的金属原料粉末一般为采用气雾法制备的球形度较好的粉体。气雾法对设备的要求较高，极大的增加了工艺的复杂性和成本。另外，对于贵重金属来说，采用气雾法也易引入杂质和造成原料损失。

技术实现要素：

本发明为解决现有商业化选择性激光熔融工艺及其设备对原料粉体要求较高的问题，将现有的铺粉方式由干法铺粉改为湿法铺粉，即将粉体制成料浆以增加粉体在铺粉过程中的流动性，结合加热和循环气体吹扫快速将料浆中的分散介质干燥去除，可以获得平面度好致密的粉床。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于湿法铺粉的选择性激光熔融设备，包括成型腔、储料罐、气压脉冲发生装置和气体循环装置；

所述的成型腔内部设有刮粉装置、送料罐和基板，成型腔顶部设有激光入射窗口，成型腔侧壁设置有循环气体的进风口和出风口、内外侧进料接口和脉冲压力接口，刮粉装置固定于成型腔顶部；所述刮粉装置包括电动直线导轨和刮刀，电动导轨带动刮刀在基板表面作直线往复运动；

所述储料罐的出料口与成型腔壁外侧进料接口连接，成型腔壁内侧进料接口与送料罐侧面进料口连接；

所述气压脉冲发生装置包括进气接口和出气接口，出气接口和成型腔壁外侧脉冲压力接口连接，成型腔壁内侧脉冲压力接口与送料罐侧面进气口连接；

所述的气体循环装置包括过滤腔体，过滤腔体壁外侧包括进风口和出风口，分别与成型腔出风口和进风口连接。

上述方案中，所述基板可沿竖直方向移动。

上述方案中，所述送料罐竖直固定在刮刀侧面，送料罐顶部设有搅拌装置，侧面有进气口和进料口，底部设有小孔阵列。

上述方案中，所述过滤腔体内设有干燥层、多层粉层过滤层和循环风机。

上述方案中，所述循环风机与风机控制器连接。

上述方案中，所述储料罐顶部还设有搅拌装置、进气口、出气口和压力表。

本发明还提供了一种采用权利要求所述的基于湿法铺粉的选择性激光熔融设备的打印工艺，包括以下步骤：

(1)料浆配制；称取液相分散介质与粉体倒入储料罐中，其中粉体的粒径在100nm～50μm，固相含量控制在5～60％；

(2)料浆搅拌除气；料浆转移到储料罐后，将罐内气体采用惰性气体进行吹扫置换，定时搅拌防止料浆沉降；

(3)料浆供给；存储罐中的料浆在搅拌的情况下通过压力引入到成形腔内的送料罐中；

(4)送料铺粉；设置气压脉冲发生装置的压力和脉冲时间，将一定量的料浆从送料罐底部小孔阵列喷出，沉积到位于送料罐下方的基板上，采用刮刀铺粉在基板表面获得均匀的薄层料浆；

(5)料浆干燥；基板温度控制在分散介质的沸点以下5～50℃，分散介质快速挥发去除，分散介质通过气体循环系统中的干燥层后被快速吸收去除。

(6)激光处理；根据设定路径对粉料进行激光扫描熔融，获得单层致密块体；

(7)重复以上(4)～(6)步骤直到打印结束。

上述方案中，所述储料罐内的搅拌器转速为5～5000转/分钟可调，罐内工作气体为惰性气体，工作气体的压力为0.01～0.5MPa。

上述方案中，所述惰性气体为氩气或氮气。

上述方案中，所述分散介质为水、酒精或丙酮。

实施本发明的基于湿法铺粉的选择性激光熔融设备，具有以下有益效果：

1、本发明解决了粉体由于流动性差而无法用于选择性激光烧结或熔融工艺的技术难题，大大简化了粉体的制备工艺设备要求，降低了选择性激光烧结或熔融的整体制备成本。

2、极大的简化了粉体的制备工艺：采用球磨法结合简单过筛处理得到的粉体无需任何后续处理即可用于本设备中；

3、扩大了可用于选择性激光熔融的粉体的种类：使一些无法采用气雾法获得满意流动性能的粉体也能采用该工艺获得3D打印结构；

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明中成型腔结构示意图；

图2是本发明中储料罐结构示意图；

图3是本发明中气体压力脉冲发生装置结构示意图；

图4是本发明中气体循环系统结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明的基于湿法铺粉的选择性激光熔融设备包括成型腔、储料罐、气压脉冲发生装置和气体循环装置。

如附图1所示，成型腔由真空的腔体壁1围成一密封区间，内部包括刮粉装置、送料罐4和基板3。成型腔顶部有一激光入射窗口8，成型腔侧壁设置有循环气体进风口3和出风口15，腔体壁包括有内外侧进料接口7和脉冲压 力接口8。刮粉装置固定于成型腔顶部，包括电动直线导轨11和刮刀14，电动直线导轨11和刮刀14连接并带动刮刀14在基板3表面作直线往复运动。送料罐4竖直固定在刮刀14侧面，其顶部设有搅拌装置，搅拌装置包括搅拌电机12和搅拌杆13。送料罐4侧面有进气口和进料口，底部设有一小孔阵列，位于基板3上方。基板3可沿竖直方向移动，并且基板3的温度可控。

如附图2所示，储料罐由罐体121和顶盖123包围而成，顶盖设有搅拌装置、进气口127、出气口124和压力表126。侧面底部设有出料口128，储料罐出料口128通过软管和成型腔壁外侧进料接口7连接，成型腔壁内侧进料接口再通过软管连接到送料罐侧面进料口5。搅拌装置包括电机125和搅拌器122，电机125驱动搅拌器122转动。

如附图3所示，气压脉冲发生装置包括气体压力脉冲装置主体131，进气接口133和出气接口132。出气接口132通过软管和成型腔壁外侧脉冲压力接口8连接，成型腔壁内侧脉冲压力接口再通过软管连接到成送料罐侧面进气口6。

如附图4所示，气体循环装置包括过滤腔体141和风机控制器。过滤腔体由上至下包括干燥层147、PET过滤层146、PP过滤层145、活性C过滤层144和循环风机143，过滤腔体壁顶部有循环进风口148，侧面有循环出风口142，分别和成型腔出风口13和进风口连接2。风机控制器主要控制风机的启停和转速，在图中并未画出。另外，成型腔和气体循环腔体都包括一活页门，使腔体内部环境与大气隔绝，在图中并未画出。

下面结合本设备制备Bi₂Te₃热电材料块体说明激光熔融设备使用方法和工艺流程：

称取一定比例的液相分散介质与粉体倒入储料罐中，其中粉体的平均粒径在30μm，固相含量控制在35％。设定搅拌转速150转每分钟搅拌15分钟后，将罐内气体采用Ar其进行吹扫置换，每隔30分钟搅拌1分钟防止料浆沉降。存储罐中的料浆在搅拌的情况下通过0.05MPa压力引入到成形腔内的送料罐中。设置气压脉冲发生装置的压力为0.06MPa，脉冲时间为10ms，将一定量的料浆从送料罐底部小孔阵列喷出，沉积到位于送料罐下方的基板上，采用刮 刀铺粉在基板表面获得均匀的薄层料浆。基板温度控制在70℃，料浆中的水分快速挥发去除，水蒸汽通过气体循环系统中的干燥层CaCl₂后被快速吸收去除，干燥气体重新被循环注入腔体内。根据设定路径对粉料进行激光扫描熔融，获得单层致密块体。重复以上铺粉和打印步骤直到打印结束。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。