本發(fā)明屬于3d打印成形制造領(lǐng)域，具體涉及一種光能聚焦真空3d打印熔融成形裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、高能束3d打印熔融成形包括激光束熔融、電子束熔融、等離子束熔融等技術(shù)，這些技術(shù)都是通過(guò)高能束將粉末材料熔融，然后逐層堆積成形，具有較高的制造精度和材料致密度。真空3d打印是在無(wú)氧或低氣體含量環(huán)境下進(jìn)行3d打印，其可以減少打印過(guò)程中材料的氧化和其他氣體污染，確保材料的純度和性能，真空環(huán)境能夠顯著減少打印件中的氣孔和內(nèi)部缺陷，提高打印質(zhì)量和材料的致密度。

2、目前，高能束3d打印熔融成形和真空3d打印都是各自獨(dú)立的技術(shù)方案，并沒(méi)有有機(jī)結(jié)合在一起，二者的優(yōu)點(diǎn)無(wú)法疊加，存在應(yīng)用空白：如，隨著月球探索與開(kāi)發(fā)的再度興起，月面原位資源的利用成為月面長(zhǎng)期駐留的關(guān)鍵，面向未來(lái)月球深度開(kāi)發(fā)，太陽(yáng)能是月面最廣泛存在的能源，將其聚焦形成高能束進(jìn)行利用是代價(jià)較低的獲取途徑，因此高能束3d打印熔融成形被認(rèn)為是月面原位制造的重要技術(shù)之一，因而在地面營(yíng)造真空環(huán)境下的光能聚焦3d打印成形制造實(shí)驗(yàn)條件是開(kāi)展模擬月面環(huán)境下的光能聚焦3d打印成形技術(shù)研究的前提，然而，目前沒(méi)有將高能束3d打印熔融成形和真空3d打印相結(jié)合的方案，無(wú)法開(kāi)展高真空條件下光能聚焦3d打印成形制造實(shí)驗(yàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種光能聚焦真空3d打印熔融成形裝置，以及一種基于上述裝置的光能聚焦真空3d打印熔融成形方法，該裝置實(shí)現(xiàn)了高能束3d打印熔融成形和真空3d打印的結(jié)合，能在地面條件下完成真空光能燒結(jié)3d打印過(guò)程。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

3、一種光能聚焦真空3d打印熔融成形裝置，包括用于提供真空環(huán)境的真空艙系統(tǒng)、用于利用外部光能在真空環(huán)境內(nèi)形成固定高溫光斑的光能聚焦系統(tǒng)、用于在真空環(huán)境內(nèi)逐層鋪設(shè)粉料并利用高溫光斑進(jìn)行3d打印的鋪粉打印系統(tǒng)、用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置自動(dòng)作業(yè)的控制系統(tǒng)；真空艙系統(tǒng)包括艙體和用于對(duì)艙體抽真空的真空泵，艙體上設(shè)有能密封啟閉的艙門、透鏡安裝座、用于檢測(cè)內(nèi)部中空度的真空檢測(cè)件、用于作業(yè)后逐步平衡內(nèi)外氣壓的真空閥；光能聚焦系統(tǒng)包括安裝在透鏡安裝座上的聚光透鏡、正對(duì)聚光透鏡的光源、用于在作業(yè)時(shí)鋪粉間隙遮擋光源的遮光罩，聚光透鏡和光源均能更換不同規(guī)格，光源射出的光線經(jīng)聚光透鏡聚焦后會(huì)在艙體內(nèi)形成一個(gè)固定焦點(diǎn)的高溫光斑；鋪粉打印系統(tǒng)設(shè)在艙體內(nèi)，其包括用于形成粉池的粉池機(jī)構(gòu)、用于存放粉料并向粉池內(nèi)逐層鋪放粉料的鋪粉機(jī)構(gòu)、用于帶動(dòng)粉池機(jī)構(gòu)和鋪粉機(jī)構(gòu)在水平面二維移動(dòng)的平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，粉池機(jī)構(gòu)包括帶有開(kāi)口的鋪粉板以及豎向滑動(dòng)配合在鋪粉板開(kāi)口內(nèi)的活動(dòng)板，鋪粉板開(kāi)口四壁和活動(dòng)板形成粉池，活動(dòng)板所在區(qū)域?yàn)榇蛴^(qū)域，鋪粉機(jī)構(gòu)每向粉池內(nèi)鋪設(shè)一層粉料時(shí)，平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)先帶動(dòng)打印區(qū)域的粉料全部經(jīng)過(guò)高溫光斑，活動(dòng)板再下移一層粉料厚度的距離；控制系統(tǒng)分別與真空艙系統(tǒng)、光能聚焦系統(tǒng)和鋪粉打印系統(tǒng)電連接。

4、優(yōu)選地，艙體上設(shè)有用于觀察艙體內(nèi)部的3d打印熔融成形過(guò)程的觀察窗，可以觀察和記錄內(nèi)部的艙體內(nèi)部的3d打印熔融成形過(guò)程，方便控制操作。

5、優(yōu)選地，艙體上設(shè)有三處密封接口，分別作為真空管路接口、電氣線纜接口和備用接口，真空泵通過(guò)真空管路與真空管路接口相連，控制系統(tǒng)的電氣線纜通過(guò)電氣線纜接口密封伸艙體內(nèi)，密封接口保證了艙體外接時(shí)的密封性能。

6、優(yōu)選地，聚光透鏡采用石英聚光透鏡，光源采用氙燈光源，使用效果好、耐用性好。

7、優(yōu)選地，遮光罩可移動(dòng)地安裝，在作業(yè)時(shí)鋪粉間隙遮光罩罩住光源以遮擋光纖經(jīng)過(guò)聚光透鏡，在作業(yè)時(shí)的其它時(shí)間遮光罩離開(kāi)光源。

8、優(yōu)選地，鋪粉機(jī)構(gòu)包括用于存放粉料的粉盒、可封閉地設(shè)在粉盒上的投料口、用于實(shí)現(xiàn)粉盒下端直線型的出粉口啟閉的出粉組件、鋪粉輥、鋪粉電動(dòng)推桿和余粉槽，粉盒和鋪粉輥位于鋪粉板一端、余粉槽位于鋪粉板另一端，鋪粉輥貼合在鋪粉板上，鋪粉輥的工作長(zhǎng)度能夠覆蓋出粉口和鋪粉板開(kāi)口的長(zhǎng)度，出粉組件能通過(guò)控制出粉口的開(kāi)啟時(shí)間使得每次下料量一致且適當(dāng)，鋪粉電推桿用于推動(dòng)鋪粉輥沿鋪粉板移動(dòng)以將新下的粉料填入粉池內(nèi)并將多余粉料推入余粉槽內(nèi)，該撲粉機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，利用粉盒存放粉料、利用出粉組件控制出粉量、利用鋪粉輥和鋪粉電動(dòng)推桿進(jìn)行均勻鋪粉、利用余粉槽收集多余粉料。

9、優(yōu)選地，粉盒四壁鏤空透氣且內(nèi)壁附有ptfe膜，粉盒外壁安裝偏心震動(dòng)馬達(dá)，偏心震動(dòng)馬達(dá)可以讓粉盒均勻、平穩(wěn)地出粉，粉盒四壁鏤空透氣且內(nèi)壁附有ptfe膜，可以讓空氣進(jìn)入而避免粉料逸出，使得出粉更加順暢。

10、優(yōu)選地，出粉組件包括出粉滾軸和出粉電動(dòng)推桿，出粉滾軸用于封堵出粉口，出粉電動(dòng)推桿用于帶動(dòng)出粉滾軸離開(kāi)出粉口，該出粉組件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)切換出粉滾軸的位置即可實(shí)現(xiàn)啟閉。

11、優(yōu)選地，平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括底座、可縱向滑動(dòng)配合地支撐在底座上的托板、用于驅(qū)動(dòng)托板縱向移動(dòng)的縱向移動(dòng)伺服電機(jī)、可橫向滑動(dòng)配合地支撐在托板上的安裝板、用于驅(qū)動(dòng)安裝板橫向移動(dòng)的橫向移動(dòng)伺服電機(jī)，粉池機(jī)構(gòu)和鋪粉機(jī)構(gòu)安裝在安裝板上，該平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了平面上橫縱向的可靠、精準(zhǔn)移動(dòng)。

12、一種光能聚焦真空3d打印熔融成形方法，基于上述光能聚焦真空3d打印熔融成形裝置：先將粉料裝入鋪粉機(jī)構(gòu)，再關(guān)閉艙門，再控制平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使打印區(qū)域移動(dòng)至高溫光斑的工作范圍內(nèi)；然后開(kāi)啟真空泵，并利用真空檢測(cè)件的反饋，待達(dá)到所需真空度時(shí)，關(guān)閉真空泵；然后啟動(dòng)光源并等待升溫，同時(shí)，鋪粉機(jī)構(gòu)向粉池內(nèi)鋪放一層粉料；待光源達(dá)到所需溫度時(shí)，遮光罩離開(kāi)光源，高溫光斑在打印區(qū)域形成，平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)打印區(qū)域的粉料全部經(jīng)過(guò)高溫光斑；然后遮光罩罩住光源，活動(dòng)板下移一層粉料厚度的距離，鋪粉機(jī)構(gòu)向粉池內(nèi)鋪放一層粉料；然后遮光罩離開(kāi)光源，高溫光斑在打印區(qū)域形成，平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)打印區(qū)域的粉料全部經(jīng)過(guò)高溫光斑；如此，逐層鋪設(shè)粉料并利用高溫光斑進(jìn)行3d打??；3d打印完成后，關(guān)閉光源，開(kāi)啟真空閥使艙體內(nèi)外氣壓逐步平衡；待艙體內(nèi)外氣壓平衡時(shí)，開(kāi)啟艙門，取出打印產(chǎn)品，清理粉池機(jī)構(gòu)和鋪粉機(jī)構(gòu)并歸位。

13、本發(fā)明的有益效果是：

14、該裝置通過(guò)真空艙系統(tǒng)提供真空環(huán)境，通過(guò)光能聚焦系統(tǒng)利用外部光在真空環(huán)境內(nèi)形成固定高溫光斑的，通過(guò)鋪粉打印系統(tǒng)在真空環(huán)境內(nèi)逐層鋪設(shè)粉料并利用高溫光斑進(jìn)行3d打印，因此，實(shí)現(xiàn)了高能束3d打印熔融成形和真空3d打印的結(jié)合，能在地面條件下完成真空光能燒結(jié)3d打印過(guò)程；該裝置的真空艙系統(tǒng)中，真空閥可以在作業(yè)后逐步平衡內(nèi)外氣壓，避免艙門無(wú)法開(kāi)啟或瞬間開(kāi)啟對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞；該裝置的光能聚焦系統(tǒng)中，聚光透鏡和光源可以在艙體內(nèi)形成一個(gè)固定焦點(diǎn)的高溫光斑，無(wú)需將聚光透鏡設(shè)在艙體內(nèi)，遮光罩用于在作業(yè)時(shí)鋪粉間隙遮擋光源，避免頻繁啟閉光源造成熱能損失；該裝置的鋪粉打印系統(tǒng)中，鋪粉機(jī)構(gòu)每向粉池內(nèi)鋪設(shè)一層粉料時(shí)，平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)先帶動(dòng)打印區(qū)域的粉料全部經(jīng)過(guò)高溫光斑，活動(dòng)板再下移一層粉料厚度的距離，可以在高溫光斑固定的情況下實(shí)現(xiàn)3d打印。

技術(shù)特征：

1.一種光能聚焦真空3d打印熔融成形裝置，其特征在于：包括用于提供真空環(huán)境的真空艙系統(tǒng)、用于利用外部光能在真空環(huán)境內(nèi)形成固定高溫光斑的光能聚焦系統(tǒng)、用于在真空環(huán)境內(nèi)逐層鋪設(shè)粉料并利用高溫光斑進(jìn)行3d打印的鋪粉打印系統(tǒng)、用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置自動(dòng)作業(yè)的控制系統(tǒng)；真空艙系統(tǒng)包括艙體和用于對(duì)艙體抽真空的真空泵，艙體上設(shè)有能密封啟閉的艙門、透鏡安裝座、用于檢測(cè)內(nèi)部中空度的真空檢測(cè)件、用于作業(yè)后逐步平衡內(nèi)外氣壓的真空閥；光能聚焦系統(tǒng)包括安裝在透鏡安裝座上的聚光透鏡、正對(duì)聚光透鏡的光源、用于在作業(yè)時(shí)鋪粉間隙遮擋光源的遮光罩，聚光透鏡和光源均能更換不同規(guī)格，光源射出的光線經(jīng)聚光透鏡聚焦后會(huì)在艙體內(nèi)形成一個(gè)固定焦點(diǎn)的高溫光斑；鋪粉打印系統(tǒng)設(shè)在艙體內(nèi)，其包括用于形成粉池的粉池機(jī)構(gòu)、用于存放粉料并向粉池內(nèi)逐層鋪放粉料的鋪粉機(jī)構(gòu)、用于帶動(dòng)粉池機(jī)構(gòu)和鋪粉機(jī)構(gòu)在水平面二維移動(dòng)的平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，粉池機(jī)構(gòu)包括帶有開(kāi)口的鋪粉板以及豎向滑動(dòng)配合在鋪粉板開(kāi)口內(nèi)的活動(dòng)板，鋪粉板開(kāi)口四壁和活動(dòng)板形成粉池，活動(dòng)板所在區(qū)域?yàn)榇蛴^(qū)域，鋪粉機(jī)構(gòu)每向粉池內(nèi)鋪設(shè)一層粉料時(shí)，平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)先帶動(dòng)打印區(qū)域的粉料全部經(jīng)過(guò)高溫光斑，活動(dòng)板再下移一層粉料厚度的距離；控制系統(tǒng)分別與真空艙系統(tǒng)、光能聚焦系統(tǒng)和鋪粉打印系統(tǒng)電連接。

2.如權(quán)利要求1所述的光能聚焦真空3d打印熔融成形裝置，其特征在于：艙體上設(shè)有用于觀察艙體內(nèi)部的3d打印熔融成形過(guò)程的觀察窗。

3.如權(quán)利要求1所述的光能聚焦真空3d打印熔融成形裝置，其特征在于：艙體上設(shè)有三處密封接口，分別作為真空管路接口、電氣線纜接口和備用接口，真空泵通過(guò)真空管路與真空管路接口相連，控制系統(tǒng)的電氣線纜通過(guò)電氣線纜接口密封伸艙體內(nèi)。

4.如權(quán)利要求1所述的光能聚焦真空3d打印熔融成形裝置，其特征在于：聚光透鏡采用石英聚光透鏡，光源采用氙燈光源。

5.如權(quán)利要求1所述的光能聚焦真空3d打印熔融成形裝置，其特征在于：遮光罩可移動(dòng)地安裝，在作業(yè)時(shí)鋪粉間隙遮光罩罩住光源以遮擋光纖經(jīng)過(guò)聚光透鏡，在作業(yè)時(shí)的其它時(shí)間遮光罩離開(kāi)光源。

6.如權(quán)利要求1所述的光能聚焦真空3d打印熔融成形裝置，其特征在于：鋪粉機(jī)構(gòu)包括用于存放粉料的粉盒、可封閉地設(shè)在粉盒上的投料口、用于實(shí)現(xiàn)粉盒下端直線型的出粉口啟閉的出粉組件、鋪粉輥、鋪粉電動(dòng)推桿和余粉槽，粉盒和鋪粉輥位于鋪粉板一端、余粉槽位于鋪粉板另一端，鋪粉輥貼合在鋪粉板上，鋪粉輥的工作長(zhǎng)度能夠覆蓋出粉口和鋪粉板開(kāi)口的長(zhǎng)度，出粉組件能通過(guò)控制出粉口的開(kāi)啟時(shí)間使得每次下料量一致且適當(dāng)，鋪粉電推桿用于推動(dòng)鋪粉輥沿鋪粉板移動(dòng)以將新下的粉料填入粉池內(nèi)并將多余粉料推入余粉槽內(nèi)。

7.如權(quán)利要求6所述的光能聚焦真空3d打印熔融成形裝置，其特征在于：粉盒四壁鏤空透氣且內(nèi)壁附有ptfe膜，粉盒外壁安裝偏心震動(dòng)馬達(dá)。

8.如權(quán)利要求6所述的光能聚焦真空3d打印熔融成形裝置，其特征在于：出粉組件包括出粉滾軸和出粉電動(dòng)推桿，出粉滾軸用于封堵出粉口，出粉電動(dòng)推桿用于帶動(dòng)出粉滾軸離開(kāi)出粉口。

9.如權(quán)利要求1所述的光能聚焦真空3d打印熔融成形裝置，其特征在于：平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括底座、可縱向滑動(dòng)配合地支撐在底座上的托板、用于驅(qū)動(dòng)托板縱向移動(dòng)的縱向移動(dòng)伺服電機(jī)、可橫向滑動(dòng)配合地支撐在托板上的安裝板、用于驅(qū)動(dòng)安裝板橫向移動(dòng)的橫向移動(dòng)伺服電機(jī)，粉池機(jī)構(gòu)和鋪粉機(jī)構(gòu)安裝在安裝板上。

10.一種光能聚焦真空3d打印熔融成形方法，其特征在于，基于如權(quán)利要求1至9任一所述的光能聚焦真空3d打印熔融成形裝置：先將粉料裝入鋪粉機(jī)構(gòu)，再關(guān)閉艙門，再控制平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使打印區(qū)域移動(dòng)至高溫光斑的工作范圍內(nèi)；然后開(kāi)啟真空泵，并利用真空檢測(cè)件的反饋，待達(dá)到所需真空度時(shí)，關(guān)閉真空泵；然后啟動(dòng)光源并等待升溫，同時(shí)，鋪粉機(jī)構(gòu)向粉池內(nèi)鋪放一層粉料；待光源達(dá)到所需溫度時(shí)，遮光罩離開(kāi)光源，高溫光斑在打印區(qū)域形成，平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)打印區(qū)域的粉料全部經(jīng)過(guò)高溫光斑；然后遮光罩罩住光源，活動(dòng)板下移一層粉料厚度的距離，鋪粉機(jī)構(gòu)向粉池內(nèi)鋪放一層粉料；然后遮光罩離開(kāi)光源，高溫光斑在打印區(qū)域形成，平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)打印區(qū)域的粉料全部經(jīng)過(guò)高溫光斑；如此，逐層鋪設(shè)粉料并利用高溫光斑進(jìn)行3d打??；3d打印完成后，關(guān)閉光源，開(kāi)啟真空閥使艙體內(nèi)外氣壓逐步平衡；待艙體內(nèi)外氣壓平衡時(shí)，開(kāi)啟艙門，取出打印產(chǎn)品，清理粉池機(jī)構(gòu)和鋪粉機(jī)構(gòu)并歸位。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)一種光能聚焦真空3D打印熔融成形裝置及方法，該裝置包括用于提供真空環(huán)境的真空艙系統(tǒng)、用于利用外部光能在真空環(huán)境內(nèi)形成固定高溫光斑的光能聚焦系統(tǒng)、用于在真空環(huán)境內(nèi)逐層鋪設(shè)粉料并利用高溫光斑進(jìn)行3D打印的鋪粉打印系統(tǒng)、用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置自動(dòng)作業(yè)的控制系統(tǒng)；真空艙系統(tǒng)包括艙體、真空泵，艙體上艙門、透鏡安裝座、真空檢測(cè)件、真空閥；光能聚焦系統(tǒng)包括聚光透鏡、光源、遮光罩；鋪粉打印系統(tǒng)設(shè)在艙體內(nèi)，其包括粉池機(jī)構(gòu)、鋪粉機(jī)構(gòu)、平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。該裝置實(shí)現(xiàn)了高能束3D打印熔融成形和真空3D打印的結(jié)合，能在地面條件下完成真空光能燒結(jié)3D打印過(guò)程。

技術(shù)研發(fā)人員：蔡禮雄,陳飛達(dá),李靜雯,李航,鐘世政
受保護(hù)的技術(shù)使用者：武漢理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/7