[发明专利]一种用于精确控温的高分子材料紫外激光3D打印方法及装置

权利要求书

1.一种用于精确控温的高分子材料紫外激光3D打印装置，其特征在于包括有用于维持工作环境温度恒定的恒温箱；在该恒温箱中设置有用于支承待形成物体的加工平台，加工平台上设置有能将高分子材料涂敷到平台上的铺粉装置，在加工平台的上方设置有能发出定向的紫外激光射线的激光头，该激光射线通过扫描振镜偏转到加工平台上，其中在距加工平台上方的一段距离内设置一非接触式温度监测装置，该温度监测装置用于无接触地测量位于加工平台最上方的粉末层的温度；所述打印装置还包括用于控制和/或调节激光头的功率和运行轨迹，以及读取被温度监测装置测量的高分子材料的温度的计算机控制系统；所述计算机控制系统与激光头、温度监测装置相连接以实现对烧结温度进行闭环控制。

2.根据权利要求1所述的打印装置，其特征在于：其中激光头采用双管芯结构，内管与外管同轴固定，并在两管之间固定一片或多片渐变中性滤波片，所述滤波片激光透过率由内管到外管的径向降低。

3.根据权利要求2所述的打印装置，其特征在于：在内管和外管中分别出射有激光，其中外管激光低于加工材料的加工温度。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的打印装置，其特征在于：所述激光头功率在1W-100W之间线性可调，重复频率在1kHz-100kHz之间，脉宽在1ps-100ns之间，波长在190nm-380nm之间。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的打印装置，其特征在于：非接触式温度监测装置由控制系统操控，所述非接触式温度监测装置探头对准激光加工点。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的打印装置，其特征在于：所述恒温箱温度在20-30℃之间。

优选地，计算机控制系统控制激光头激光输出，扫描阵镜反射激光束进行扫描，接收非接触式温度监测装置反馈的温度信息，通过与预设加工温度对比，调节所述激光头的出射能量。

优选地，所述加工平台可在垂直方向垂直移动。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的打印装置，其特征在于：所述高分子材料选自：尼龙6(PA6)、尼龙12(PA12)、尼龙66(PA66)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯醚(PPO)、聚乳酸(PLA)、聚醚醚酮(PEEK)。

8.一种利用权利要求1-7中任一项打印装置进行3D打印的方法，其中包括如下步骤：

步骤一：通过铺粉装置将高分子材料涂布到加工平台上；

步骤二：根据计算机控制系统提供的二维加工图，扫描振镜偏转到指定位置，出射激光，进行第一层材料加工；

步骤三：通过紫外脉冲激光头发射紫外光，照射在高分子材料上，加工过程中，通过激光头出射的激光内芯温度达到材料加工要求，外围激光加工温度渐次降低，防止由于温度梯度过大造成的材料卷曲；非接触式温度检测装置实时监测激光照射下的被加工物体的温升情况并反馈给控制系统，通过记录一定时间内温度的增加值，系统得出待加工材料的对激光的吸收能力和温升程度，从而根据预先设置的加工温度值，计算出激光输出功率，实时调节激光功率，精确控制加工温度；上述控制逻辑在加工工艺过程中间隔预定时期进行运行判断；

步骤四：完成对相应高度的2D截面的成型工作，通过主控制系统先后关闭非接触式温度监测装置与激光头；

步骤五：降低加工平台高度，在粉床上铺洒材料粉末，使粉床上表面与加工平台上表面重新重合；

步骤六：重复步骤二～五，直至工件整体成型完成；

步骤七：取出工件，去掉多余的粉末，进行打磨、烘干处理，得到最终的成型工件。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述高分子材料选自：尼龙6(PA6)、尼龙12(PA12)、尼龙66(PA66)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯醚(PPO)、聚乳酸(PLA)、聚醚醚酮(PEEK)。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于：所述步骤三中当检测到的温度上升速率为5摄氏度/秒以上时，主控制系统降低激光头的输出功率1档并且提高激光头的扫描速度5％；当检测到的温度上升速率为3-5摄氏度/秒时，主控制系统降低激光头的输出功率1档；当检测到的温度上升速率为0.5-3摄氏度/秒时，主控制系统提高激光头的扫描速度5％；当检测到的温度上升速率为0-0.5摄氏度/秒时，主控制系统保持工艺运行参数不变。