CN103173759B - 一种粉床随动送铺粉机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于增材制造设备的送铺粉机构。该机构包括送粉机构、铺粉机构和传动机构，其送粉箱体在电机的带动下沿安装在成型腔侧壁上的导轨在成形工作台上作左右运动，通过在下粉口的两侧安装刮板，实现送粉的同时左右铺粉；在料斗中装入不同的粉末，通过控制活塞的位移速度来精确控制不同粉末的送给量，从而调节不同材料粉末的配比，通过搅拌器高速旋转实现不同粉末的均匀混合，可以在一次成形中多次改变粉末的配比，从而可制备成形多材料任意复合的梯度材料零件。本装置大大减小了成型腔的体积，节约粉末用量，并且操作简单，调整方便。

Description

一种粉床随动送铺粉机构

技术领域

本发明属于增材制造(快速制造)领域，具体涉及到一种粉床随动送铺粉机构。

背景技术

基于粉床工艺制造实体零件是目前增材制造(快速制造)领域最常用的工艺方法之一。根据成形原理和实现方式的不同，主要包括选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)，选择性激光熔化(Selective LaserMelting，SLM)，直接金属粉末激光烧结(Direct Metal Laser Sintering，DMLS)和电子束熔化(Flectron Beam Melting，EBM)等。SLS是利用低功率激光烧结低熔点高分子粉末材料；SLM是利用高能束激光直接熔化金属粉末；DMLS是采用激光对二元金属进行烧结，熔化低熔点金属实现成形；EBM采用电子束熔化金属粉末。大致流程如下：首先，在工作台(平面)上均匀铺一层很薄的粉末材料；然后，计算机根据成形零件的截面数据控制加工源(如激光、电子束等)对粉末进行分区扫描，在该层截面轮廓内的粉末经烧结或熔化后粘结在一起，并与下面已加工实体连接为一体；一层完成后，工作台下降一个层厚，由铺粉机构在已成形实体表面再铺一个层厚的粉末材料；重复该过程，直至三维实体完成。

基于粉床的增材制造工艺具有成形精度高、可成形复杂结构等突出优点。作为重要的工艺基础之一，送铺粉方法及实现装置的稳定性、可靠性与连续性对粉床增材制造的成形速度与精度具有重要影响。同时，铺粉方式也对成形材料的利用率有很大影响。因此，送铺粉方法及其实现装置是粉床增材制造装备的关键部分。

一般送铺粉机构由供粉设备与铺粉设备构成。通常采用上送粉或下送粉机构为成形供应所需的粉末。下送粉是现有最传统的粉末送粉方式，这种送粉方式成熟，在现有的增材制造机中应用较多。但下送粉机构结构复杂，需要在成形工作缸平行位置配置供粉腔，从而导致成形机的整体尺寸较大、机器制造成本较高。另外，下送粉机构具有中途不能添加粉末的缺陷。当加工较大零件，粉末不够时须停止加工过程，打开成型腔予以添加粉末。这样不仅增加加工成本，耗费工时，还可能影响零件的成形质量。上送粉机构一般需要在成型腔内安置上置粉箱，需要占据较大的成型腔的空间，且粉末从高处落下，容易造成部分粉料撒落在工作加工区之外，造成工作环境的污染和粉料的浪费。现有的铺粉多采用双侧水平导轨，即两个平行的导轨控制铺粉机构的左右运动。由于导轨由滚珠丝杠控制精度，带轮传动，快速成型机成型腔的工作缸的两侧需安置带轮，占据了很大空间，甚至比工作区域还要大。图1所示是现在比较常用的用于快速成型下送粉辊筒铺粉方式的快速成形腔内部结构简图。送粉缸1和用于回收粉末的落粉缸5与工作缸4平行放置；工作缸的两侧安装有带动铺粉辊运动的带轮丝杠等传动装置；送粉缸、落粉缸和传动装置使成形腔空间大大增加，导致成型机的整体尺寸较大，增加了机器的制造成本。同时过大的成形腔不利于均匀预热和严格的气氛控制，会极大地影响成形质量。此外，现在的送铺粉方式主要是串行工作，即先由送粉缸上升一定高度，供应适量粉末，然后由传动装置带动铺粉机构铺粉，铺粉完毕后铺粉机构回到初始位置，加工源开始加工。送铺粉的为一系列串行动作，耗时较长。

以粉末为原料的增材制造技术是一顶能够实现近全致密复杂精细金属零部件快速制造的先进制造技术，可广泛用于航空航天、汽车、医疗等领域。由于受现有送粉及铺粉的方式的限制，以粉末为原料的增材制造技术，只能成形单一成分的材料。但是，有时人们常常希望同一件材料的不同部位具有不同的性质和功能。最好的解决方法是采用梯度材料。梯度材料的基本思想是根据具体要求，选择使用两种具有不同性能的材料，通过连续的改变两种材料的组成和结构，内部界面消失，从而得到功能相应于组成和结构变化而渐变的均值材料，以减少和克服结合部位的性能不匹配因素。现有的送粉方式主要有工作缸的上移送粉和移动斗式送粉，不能根据成形梯度材料的要求实时改变粉末的比例组成。中国专利CN202062079U介绍了一种直接制造梯度材料零件的装置，该装置采用两个装粉料斗分开铺粉，装有第一种粉末的料斗铺粉成形到一定厚度后，再由装有另一种粉末的漏斗铺粉，只能用于堆积方向为两种不同材料的成形，且粉末回收困难，最终易造成材料的浪费。

发明内容

为解决背景技术所述现有基于粉床的增材制造技术中无法实现随动送铺粉和无法制备任意成分的梯度材料的问题，本发明提供了一种粉床随动送铺粉机构，该机构结构简单，便于拆装，大幅度减小了成型腔的体积，提高加工效率。

本发明提供的一种粉床随动送铺粉机构，其特征在于，该机构包括送粉机构、铺粉机构和传动机构；

送粉机构包括送粉箱体和位于送粉箱体内的至少一个送粉组件，每个送粉组件均包括料斗、电机和活塞，活塞安装在料斗内，活塞由电机控制在料斗内上、下移动，活塞上方用于放置粉末；

铺粉机构包括安装在送粉箱体的底部的刮板；

传动机构与送粉箱体连接，以带动送粉箱体在垂直于工作台的平面内移动。

本发明所述的送铺粉机构与现有技术相比具有以下优点：

1.减小了成型腔的体积

将导轨由原先的固定在工作台面上改为固定在成型腔侧壁上后，送粉铺粉同时进行的随动方式，送铺粉机构整体设计，减去了如图1中传统快速成型机的送粉缸、落粉缸等结构和安置带轮的空间，最大限度的减少送铺粉机构的占用空间，大大减小了装备体积，降低了制造成本，改善了成形环境。

2.节约粉末用量，提高送铺粉效率

采用随动送铺粉方法，送铺粉机构整体设计，送粉的同时即时铺粉，并且可以实现局部区域铺粉，可以保证铺粉仅铺满成形区域及附近，显著提高粉末利用率和送铺粉效率。

3.减小粉末污染，保护成型腔内器件

粉末增材制造环境一般较差，经常需要高能量密度热源(如激光)对粉体进行熔化或烧结，这些过程均伴随粉末挥发、飞溅等现象，因而粉末易黏着在工作平面上的诸如轴承、铰链或运动部件上，影响其工作的可靠性，甚者阻碍设备的正常运转。本发明中，铺粉机构的运动部件置于侧壁上，不易受到污染。

4.保证了铺粉机构的刚度

将导轨由原先的固定在工作台面上改为固定在成型腔侧壁上后，刚度减小，影响铺粉过程的稳定性，长方体需要适量的重量保证刚度，我们将长方体当作粉箱，装入粉末，在实现随动送粉的同时保证了铺粉机构的刚度。

5.采用逆向供粉装置

由活塞向上运动供粉，避免了重力式供粉装置由于振动等原因易漏粉的缺陷。

6.可实现多组分粉末混合的梯度材料的成形，且可以在线调节成分比。

成形多种材料混合成分不断变化的复合材料时，可根据需要在箱体中安装多个装有不同粉末的料斗。调节电机转速，即可调节单位时间内活塞位移，调节多种粉末的成分比。

附图说明

图1是传统的快速成型腔的结构简图；

图2是本发明机构的一种具体实施方式的结构示意图；

图3是图2中箱体部分的一种具体实施方式的结构示意图；

上述图中：1-送粉缸；2-铺粉辊；3，3′-带轮；4-工作缸；5-落粉缸；6-加料口；7，7′-导轨；8，8′-滑块；9-成型腔内壁；10，10′-固定板；11，11′-刮板；12-成形工作台；13-送粉箱体；14，14′-溢粉口；15，15′-粉末A，B；16，16′-活塞；17-搅拌器；18，18′-料斗；19-下粉仓；20-下粉口；21，21′-电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图2中所示，本发明实例提供的粉床随动送铺粉机构主要包括送粉机构、铺粉机构和传动机构。

送粉机构包括送粉箱体13和位于送粉箱体13内的至少一个送粉组件，每个送粉组件均包括料斗18、电机21和活塞16，活塞16安装在料斗18内，活塞16由电机21控制在料斗18内上、下移动，粉末15放置在活塞16的上方。

铺粉机构包括二个刮板11，11′，二个刮板11，11′分别通过固定板10，10′安装在送粉箱体13的底部下粉口的两侧，刮板11，11′移动将从送粉箱体13内流出到工作台12上的粉末在工作区域内铺平。

传动机构由导轨7，7′和滑块8，8′组成，滑块8，8′分别安装在导轨7，7′上，送粉箱体13的侧壁与滑块8，8′相连，送粉箱体13由传动机构带动沿导轨7，7′在垂直于工作台的平面内移动；

送粉箱体13内可以设置二个或二个以上的送粉组件，并增设混粉机构，以满足成形梯度材料的需要，混粉机构位于各送粉组件的料斗18，18′之间，混粉机构包括下粉仓19和位于下粉仓19上部的搅拌器17；在料斗18，18′靠近混粉机构的侧壁的上部开有溢粉口14，14′，通过控制单位时间内活塞16的位移，可以精确控制单位时间内由料斗18上溢粉口14流出的粉末量。由此调节两种或多种成分粉末的配比。

当送粉组件的个数超过二个时，搅拌器17为多级搅拌。

如图3所示是本发明箱体内置二个送粉组件时的具体结构示意图。两个料斗18，18′内装有不同的粉末15，15′，搅拌器17安装在两个料斗18，18′之间，在两个料斗18，18′靠近搅拌器17的侧壁开有溢粉口14，14′，活塞16，16′在电机21，21′的带动下在料斗18，18′内向上运动，推动粉末15，15′向上运动至溢粉口14，14′流出，在搅拌器17的高速旋转下，两种粉末15，15′均匀混合，流至下粉仓19，并沿下粉仓19流至下粉口20处。通过电机控制单位时间内活塞16，16′的位移，可以精确控制单位时间内由料斗18，18′上溢粉口14，14′流出的粉末量。由此调节两种成分粉末的配比。

实例

以图3所示成形含两种粉末的梯度材料为例。以SLM工艺为例。首先，用UG等造型软件画出零件，转换成STL格式，导入快速成型系统的PowerRP软件中。软件读取零件信息，对零件三维模型切片分层。在工作缸上固定好基板，并调平基板。预先在料斗18，18′中各自装足量的A，B两种粉末。待成形腔内抽真空充保护气等预备工序完成后，开始送铺粉动作。根据两种不同材料成分比例设定相应的控制活塞16，16′的电机21，21′转速，当初始状态时需成形A粉末作为基体材料时，可将B粉末的料斗活塞16′电机21′转速设为零。基体材料成形后，再设置B粉末的料斗活塞16′电机21′的转速。

在与活塞16，16′相连的电机21，21′的作用下，活塞16，16′向上运动，粉末由各自溢粉口14，14′流出，在搅拌器17的高速旋转下，两种粉末充分混合由送粉箱体13的下粉口20流出至工作缸上基板附近，送粉箱体13在电机的带动下做左右平移运动，安装在箱体13底部的刮板11，11′由左向右做铺粉运动，同时活塞16，16′向上移动继续供粉。刮板11，11′运动到成形区域右方后，箱体停止运动，铺粉停止，活塞16，16′也停止运动，供粉停止。待完成激光扫描工序后，送粉箱体13和活塞16，16′开始运动，刮板11，11′由右向左铺粉。

成形到需要厚度L₁后，改变与活塞16，16′相连的电机21，21′转速，即可改变粉末成分比，混粉，铺粉成形。如此，继续成形到需要厚度L₂后，可再次改变与活塞16，16′相连的电机21，21′转速，完成成形，由此，可实现具有材料梯度的复合材料的零件的成形。为了保证材料界面处的连接可在材料界面处重复单层扫描3次。

本发明不限于两种粉末的混合成形，当需要多种不同的粉末混合成形时可以在箱体中安装多个料斗，增设多级混粉机构，即可用于多种材料的混合成形。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种粉床随动送铺粉机构，其特征在于，该机构包括送粉机构、铺粉机构和传动机构；

送粉机构由一个送粉箱体和位于该送粉箱体内的至少一个送粉组件构成，每个送粉组件均包括料斗、电机和活塞，活塞安装在料斗内，活塞由电机控制在料斗内上、下移动，活塞上方用于放置粉末，由活塞向上运动供粉；

铺粉机构包括安装在送粉箱体底部的刮板；

传动机构由二个导轨和安装在导轨上的二个滑块组成，送粉箱体的侧壁与二个滑块相连，送粉箱体由传动机构带动沿导轨在垂直于工作台的平面内移动；

导轨固定在成型腔侧壁上，并采用送粉机构、铺粉机构整体设计，实现送粉、铺粉同时进行的随动方式，减去送粉缸、落粉缸，并节省安置带轮的空间。

2.根据权利要求1所述的粉床随动送铺粉机构，其特征在于，送粉箱体内设置有二个或二个以上的送粉组件，并设有混粉机构，混粉机构位于各送粉组件的料斗之间，各料斗靠近混粉机构的侧壁上部开有溢粉口。

3.根据权利要求2所述的粉床随动送铺粉机构，其特征在于，所述混粉机构包括下粉仓和位于下粉仓上部的搅拌器。

4.根据权利要求3所述的粉床随动送铺粉机构，其特征在于，所述搅拌器为多级搅拌。

5.根据权利要求2、3或4所述的粉床随动送铺粉机构，其特征在于，所述刮板的数量为二个，分别通过固定板安装在送粉箱体的下粉口两侧。

6.根据权利要求2、3或4所述的粉床随动送铺粉机构，其特征在于，单位时间内由各料斗的溢粉口流出的粉末量由各送粉组件内活塞的位移速度控制，以实现所需的成分粉末配比。