本發明專利技術公開了一種激光燒結與電紡碳纖維相結合的金屬3D打印裝置及方法，基板通過XY二維運動平臺固定于機架的底部，豎向運動裝置固定于機架的側面，激光器設置于豎向運動裝置的側面，針頭及噴嘴固定于豎向運動裝置的底部，且針頭的出口、噴嘴的出口及激光器均正對基板，高壓電源的正極及負極分別與針頭及基板相連接，碳纖維溶液料筒及金屬原料料筒均固定于機架的頂部，且碳纖維溶液料筒的出口與針頭的入口相連通，金屬原料料筒的出口與噴嘴的入口相連通，計算機與XY二維運動平臺的控制端及豎向運動裝置的控制端相連接，該裝置及方法制備出強度及硬度較好的工件，工件的表面較為光滑，并且制備過程中不揮發異味，制作過程較為簡單。
【技術實現步驟摘要】
激光燒結與電紡碳纖維相結合的金屬3D打印裝置及方法
本專利技術屬于金屬基碳纖維增強材料的快速成型
，具體涉及一種激光燒結與電紡碳纖維相結合的金屬3D打印裝置及方法。
技術介紹
自從Formhals等在1934年利用電紡技術實現納米纖維無紡布的構建之后，靜電紡絲技術就為大家所熟知。這一技術的核心是使帶電流體在靜電場中流動與變形，最終得到纖維狀物質。當給注射器針尖和收集板之間加上靜電高壓時，電場力克服針尖液滴的表面張力，高速射流被拉伸，然后形成泰勒錐，靜電力使射流分岔，變成極細的絲狀纖維。最后溶劑揮發，收集板收集到無序的無紡布式納米級纖維。碳纖維(carbonfiber,CF)是靜電紡絲的常用材料，該材料由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經碳化和石墨化處理而得到的微晶石墨材料。質量輕但強度卻高于鋼鐵材料，并且具有耐腐蝕、、耐高溫高模量等特性，是非常穩定的纖維增強材料。快速成型技術(RapidPrototyping，簡稱RP)是一項集激光、材料、信息及控制等于一體的高新制造技術，其突出優點就是不需要任何工裝夾具便能根據產品的CAD數據快捷地制造出具有一定結構和功能的原型甚至產品，是制造領域的一次重大技術突破，與并行工程一起被列為當代兩項最重要的制造技術。其中，選擇性激光燒結(selectinglasersinteringSLS)利用粉末材料在激光照射下燒結的原理，由計算機控制層疊堆積成型。一般的步驟是首先鋪一層粉末材料，將材料預熱到接近熔化點，再使用激光在該層截面上掃描，使粉末溫度升至熔化點，然后燒結形成粘接，接著不斷重復鋪粉、燒結的過程，直至完成整個模型成型。該工藝材料適用面廣，不僅能制造塑料零件，還能制造陶瓷、石蠟等材料的零件，特別是可以直接制造金屬零件。該技術的優點為：可采用多種材料、制作工藝簡單、無需支撐結構、材料利用率高。但該方法加工出的制作表面粗糙、燒結過程揮發異味、制作過程需要比較復雜的輔助工藝等，特別是制造出來的工件的強度和硬度與鍛件相比都有很大的差異，很難作為結構件直接使用。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供了一種激光燒結與電紡碳纖維相結合的金屬3D打印裝置及方法，該裝置及方法制備出強度及硬度較好的工件，工件的表面較為光滑，并且制備過程中不揮發異味，制作過程較為簡單。為達到上述目的，本專利技術所述的激光燒結與電紡碳纖維相結合的金屬3D打印裝置包括計算機、機架、基板、XY二維運動平臺、豎向運動裝置、激光燒結裝置及靜電紡絲裝置，其中激光燒結裝置包括激光器、噴嘴及金屬原料料筒，靜電紡絲裝置包括高壓電源、針頭及碳纖維溶液料筒；基板通過XY二維運動平臺固定于機架的底部，豎向運動裝置固定于機架的側面，激光器設置于豎向運動裝置的側面，針頭及噴嘴固定于豎向運動裝置的底部，且針頭的出口、噴嘴的出口及激光器均正對基板，高壓電源的正極及負極分別與針頭及基板相連接，碳纖維溶液料筒及金屬原料料筒均固定于機架的頂部，且碳纖維溶液料筒的出口與針頭的入口相連通，金屬原料料筒的出口與噴嘴的入口相連通，計算機與XY二維運動平臺的控制端及豎向運動裝置的控制端相連接。金屬原料料筒的出口通過金屬送料管與噴嘴的入口相連通。金屬原料料筒的出口處設有金屬原料調節閥，金屬原料調節閥的控制端與計算機相連接。碳纖維溶液料筒的出口通過碳纖維送料管與針頭的入口相連通。碳纖維溶液料筒的出口處設有碳纖維溶液調節閥，碳纖維溶液調節閥的控制端與計算機相連接。本專利技術所述的激光燒結與電紡碳纖維相結合的金屬3D打印方法包括以下步驟：計算機根據待打印工件的三維模型通過XY二維移動平臺調整基板在水平面內的位置，計算機根據待打印工件的三維模型通過豎向運動裝置調節噴嘴、針頭及激光器在豎向方向上的位置，同時金屬原料料筒中的金屬原料經噴嘴掉落到基板上，激光器發出的激光照射到金屬原料上，使金屬原料融化、燒結成型，與此同時，碳纖維溶液料筒中的碳纖維溶液經針頭噴出，高壓電源在針頭與基板之間形成高壓電，使針頭噴出的碳纖維溶液液滴克服表面張力被拉伸形成泰勒錐，同時在靜電力的作用下射流分岔形成絲狀碳纖維，并掉落到金屬原料的燒結區域內，再經激光器燒結，最終排布在工件的內部及表面，得待打印工件。本專利技術具有以下有益效果：本專利技術所述的激光燒結與電紡碳纖維相結合的金屬3D打印裝置及方法在具體操作時，將靜電紡絲技術與激光燒結成型技術相結合，根據待打印工件的形狀調整基板、噴嘴及針頭的位置，并在金屬原料激光燒結的過程中在燒結區域加入絲狀碳纖維，從而制備出任意復雜形狀的工件，工件的強度及耐磨性得到大幅的提高，工件的表面光滑，并且制備過程中不揮發異味，操作較為簡單，避免傳統加工工序多、效率低下的弊端，同時不需要使用工裝夾具就能快速的獲得金屬功能工件，有效的解決激光燒結直接成型的功能工件強度低的問題。附圖說明圖1為本專利技術的原理圖；圖2為本專利技術的結構示意圖；圖3為本專利技術的主視圖。其中，1為基板、2為噴嘴、3為機架、4為金屬送料管、5為金屬原料調節閥、6為金屬原料料筒，7為碳纖維溶液料筒、8為碳纖維溶液調節閥、9為碳纖維送料管、10為豎向運動裝置、11為轉動盤、12為激光器、13為絕緣套、14為針頭、15為縱向運動裝置、16為橫向運動裝置、17為高壓電源。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術做進一步詳細描述：參考圖1，本專利技術所述的激光燒結與電紡碳纖維相結合的金屬3D打印裝置包括計算機、機架3、基板1、XY二維運動平臺、豎向運動裝置10、激光燒結裝置及靜電紡絲裝置，其中激光燒結裝置包括激光器12、噴嘴2及金屬原料料筒6，靜電紡絲裝置包括高壓電源17、針頭14及碳纖維溶液料筒7；基板1通過XY二維運動平臺固定于機架3的底部，豎向運動裝置10固定于機架3的側面，激光器12設置于豎向運動裝置10的側面，針頭14及噴嘴2固定于豎向運動裝置10的底部，且針頭14的出口、噴嘴2的出口及激光器12均正對基板1，高壓電源17的正極及負極分別與針頭14及基板1相連接，碳纖維溶液料筒7及金屬原料料筒6均固定于機架3的頂部，且碳纖維溶液料筒7的出口與針頭14的入口相連通，金屬原料料筒6的出口與噴嘴2的入口相連通，計算機與XY二維運動平臺的控制端及豎向運動裝置10的控制端相連接。金屬原料料筒6的出口通過金屬送料管4與噴嘴2的入口相連通；金屬原料料筒6的出口處設有金屬原料調節閥5，金屬原料調節閥5的控制端與計算機相連接；碳纖維溶液料筒7的出口通過碳纖維送料管9與針頭14的入口相連通；碳纖維溶液料筒7的出口處設有碳纖維溶液調節閥8，碳纖維溶液調節閥8的控制端與計算機相連接。激光器12通過轉動盤11固定于豎向運動裝置10上，通過安裝在180°轉動臺上的激光器12，使激光在燒結層的截面上掃描；XY二維運動平臺由縱向運動裝置15及橫向運動裝置16組成；針頭14通過絕緣套13固定于豎向運動裝置10上。本專利技術所述的激光燒結與電紡碳纖維相結合的金屬3D打印方法包括以下步驟：計算機根據待打印工件的三維模型通過XY二維移動平臺調整基板1在水平面內的位置，計算機根據待打印工件的三維模型通過豎向運動裝置10調節噴嘴2、針頭14及激光器12在豎向方向上的位置，同時金屬原料料筒6中的金屬原料經噴嘴2掉落到基板1上，激光本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種激光燒結與電紡碳纖維相結合的金屬3D打印裝置，其特征在于，包括計算機、機架(3)、基板(1)、XY二維運動平臺、豎向運動裝置(10)、激光燒結裝置及靜電紡絲裝置，其中激光燒結裝置包括激光器(12)、噴嘴(2)及金屬原料料筒(6)，靜電紡絲裝置包括高壓電源(17)、針頭(14)及碳纖維溶液料筒(7)；基板(1)通過XY二維運動平臺固定于機架(3)的底部，豎向運動裝置(10)固定于機架(3)的側面，激光器(12)設置于豎向運動裝置(10)的側面，針頭(14)及噴嘴(2)固定于豎向運動裝置(10)的底部，且針頭(14)的出口、噴嘴(2)的出口及激光器(12)均正對基板(1)，高壓電源(17)的正極及負極分別與針頭(14)及基板(1)相連接，碳纖維溶液料筒(7)及金屬原料料筒(6)均固定于機架(3)的頂部，且碳纖維溶液料筒(7)的出口與針頭(14)的入口相連通，金屬原料料筒(6)的出口與噴嘴(2)的入口相連通，計算機與XY二維運動平臺的控制端及豎向運動裝置(10)的控制端相連接。
【技術特征摘要】
1.一種激光燒結與電紡碳纖維相結合的金屬3D打印裝置，其特征在于，包括計算機、機架(3)、基板(1)、XY二維運動平臺、豎向運動裝置(10)、激光燒結裝置及靜電紡絲裝置，其中激光燒結裝置包括激光器(12)、噴嘴(2)及金屬原料料筒(6)，靜電紡絲裝置包括高壓電源(17)、針頭(14)及碳纖維溶液料筒(7)；基板(1)通過XY二維運動平臺固定于機架(3)的底部，豎向運動裝置(10)固定于機架(3)的側面，激光器(12)設置于豎向運動裝置(10)的側面，針頭(14)及噴嘴(2)固定于豎向運動裝置(10)的底部，且針頭(14)的出口、噴嘴(2)的出口及激光器(12)均正對基板(1)，高壓電源(17)的正極及負極分別與針頭(14)及基板(1)相連接，碳纖維溶液料筒(7)及金屬原料料筒(6)均固定于機架(3)的頂部，且碳纖維溶液料筒(7)的出口與針頭(14)的入口相連通，金屬原料料筒(6)的出口與噴嘴(2)的入口相連通，計算機與XY二維運動平臺的控制端及豎向運動裝置(10)的控制端相連接。2.根據權利要求1所述的激光燒結與電紡碳纖維相結合的金屬3D打印裝置，其特征在于，金屬原料料筒(6)的出口通過金屬送料管(4)與噴嘴(2)的入口相連通。3.根據權利要求2所述的激光燒結與電紡碳纖維相結合的金屬3D打印裝置，其特征在于，金屬原料料筒(6)的出口處設有金屬原料調節閥(5)，金屬原...
【專利技術屬性】
技術研發人員：董貴榮，楊來俠，徐超，
申請(專利權)人：西安科技大學，
類型：發明
國別省市：陜西,61
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