[发明专利]一种激光熔融辅助纳米墨水实现高熔点材料3D打印的方法

说明书

技术领域

本发明涉及喷墨打印和先进制造技术领域，尤其涉及纳米颗粒激光烧结和3D打印，特别是关于激光烧结含纳米颗粒的墨水来制备高精度、高性能、高熔点复合材料3D器件的打印方法。 

背景技术

3D打印是一种是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品的技术。传统制造业通过模具、机加工方式生产器件，加工周期长，所需设备多。而3D打印技术是将复杂的三维实体变为若干个简单二维平面的组合，通过对材料逐层叠加处理获得成品。3D打印技术在复杂零件加工、新产品的开发和单件小批量零件的出产、以及隔离环境下(如航天站、远洋轮船等)的零件加工等领域具有极大的优势。 

目前3D打印的主要技术包括光固化成型(Stereo Lithigraphy Apparatus，SLA)、熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)、分层实体加工(Laminated Object Manufacturing，LOM)、三维印刷(Three Dimension Printing，3DP)、选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)等。 

光固化成型(SLA)是由Hull与Charles W.于1984年获得美国专利(美国专利4575330)，是最早发展起来的快速成型技术。光固化成型工艺的成型过程是以光敏树脂为原料，通过计算机控制紫外激光使其逐层凝固成型。这种方法能简捷、全自动地制造出表面质量和尺寸精度较高、几何形状较复杂的原型。光固化成型的缺点在于：(1)成型过程中伴随着物理和化学变化，制件较易弯曲，需要支撑，否则会引起制件变形；(2)液态树脂固化后的性能不如常用的工业塑料，一般较脆，易断裂；(3)设备运转及维护成本较高。由于液态树脂材料和激光器的价格较高，并且为了使光学元件处于理想的工作状态，需要进行定期的调整和严格的空间环境，其费用也比较高；(4)使用的材料种类较少。目前可用的材料主要为感光性的液态树脂材料，而液态树脂有一定的气味和毒性，并且需要避光保护；(5)在很多情况下，经快速成型系统光固化后的原型树脂并未完全被激光固化，为提高模型的使用性能和尺寸稳定性，通常需要二次固化。 

熔融沉积制造(FDM)工艺由美国学者Crump与Scott于1988年研制成功(美国专利5121329)。FDM的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、尼龙等，以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。缺点在于：(1)选择的材料局限于低熔点的蜡、ABS、尼龙；(2)成型件的表面有较明显的条纹；(3)沿成型轴垂直方向的强度比较弱；(4)需要设计与制作支撑结构；(5)需要对整个截面进行扫描涂覆，成型时间较长。 

分层实体加工(LOM)是由美国Helisys公司的Feygin与Michael于1986年研制成功(美国专利4752352)。LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成型的工件粘接。用CO₂激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格。激光切割完成后，工作台带动已成型的工件下降，与带状片材分离。供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域。工作合上升到加工平面，热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚。再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完。最后，去除切碎的多余部分，得到分层制造的实体零件。LOM工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。因此成型厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件。工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形。工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以LOM工艺无需加支撑。缺点是应用材料局限于纤维纸、塑料膜等片材，前、后处理费时费力，且不能制造中空结构件。 

三维印刷工艺(3DP)是美国麻省理工学院E-manual Sachs等人研制的(美国专利5340656)。3DP工艺采用粉末材料成型，如陶瓷粉末、金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连结起来的，而是通过喷头用粘结剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。缺点是用粘结剂粘接的零件强度较低，致密性差，还须后处理。