CN104057617B - 激光烧结3d打印机的刮刀系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了激光烧结3D打印机的刮刀系统，包括刮刀、刮刀固定机构和刮刀微调机构；刮刀是由一块刀片组成，刀片下部两侧对称设有内凹的圆弧，在刀片表面涂有防静电的膜层；刮刀固定机构包括左固定机构和右固定机构；左固定机构与刀片左端连接；右固定机构通过刮刀微调机构与刀片右端连接。本发明采用单个刀片构成刮刀系统，结构简单，调节方便且精度高，制造和装配容易，成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光烧结3D打印机的刮刀系统。
背景技术
所谓3D打印技术，是快速成型技术的一种，主要以一种格式为STL的数学模型文件为基础，利用切片软件对数学模型进行切片，生成代码，即打印路径，再通过控制器进行控制，以金属或塑料等材料为原材料，通过加热等方式逐层打印将物体构建出来。其中选择性激光烧结(selecting Laser Sintering，SLS)作为3D打印技术的一种，整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成，工作时粉末缸活塞(送粉活塞)上升，由铺粉辊将粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均匀铺上一层计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。
粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉。控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。最后，将未烧结的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。对于金属粉末激光烧结，在烧结之前，整个工作台被加热至一定温度，可减少成型中的热变形，并利于层与层之间的结合。
SLS以塑料粉末为原材料，通过激光加热的方式使塑料粉末发生固化，通过控制激光的扫描路径即可以生成物体某个截面的形状，然后再利用刮刀或铺粉棍将塑料粉末从供粉桶推向成形桶，形成一层新的粉末层以打印出新的截面轮廓。在SLS打印过程中，每一层粉末的厚度和均匀度决定了打印物体的精度，粉末层越薄，铺粉时越均匀，则打印精度越高，铺粉的刮刀或铺粉棍对打印精度有关键性作用。目前常见的SLS设备每一层粉末的厚度约为100um，所以要求刮刀前后左右平面度在0.01左右，对刮刀的设计、制造和装配有较高要求。
目前常见的刮刀系统主要是双刀片的形式组成的刮刀，这种双刀片的刮刀不仅要求制造精度高，而且在装配时容易出现对中不正确的问题，影响成型精度，而且生产成本高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种激光烧结3D打印机的刮刀系统。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：激光烧结3D打印机的刮刀系统，包括刮刀、刮刀固定机构和刮刀微调机构；
刮刀是由一块刀片(8)组成，刀片(8)下部两侧沿长度方向对称设有向内的凹槽(9)，在刀片表面涂有防静电的膜层；
刮刀固定机构包括左固定机构和右固定机构；左固定机构与刀片左端连接；右固定机构通过刮刀微调机构与刀片右端连接；
左固定机构包括台阶轴(1)、左连接块(2)、法兰轴承(3)、刮刀固定块(4)、调节螺钉(5)、预紧用压缩弹簧(6)和锁紧螺钉(7)；
左连接块置于刮刀固定块的上方，刮刀固定块(4)的侧面与刀片(8)的左端通过锁紧螺钉(7)固定连接，刮刀固定块(4)上固定有法兰轴承(3)；台阶轴从上向下穿过设在左连接块(2)上的通孔，并用螺钉加锁紧螺母将台阶轴固定在左连接块的上端，台阶轴(1)下部的光轴穿过位于其下方的刮刀固定块上的法兰轴承(3)，法兰轴承(3)带动刀片(7)可沿台阶轴(1)下部的光轴轴向上下滑动；调节螺钉从上向下穿过左连接块(2)上的沉孔，与刮刀固定块(4)上面开的螺孔连接，预紧用的压缩弹簧(6)套在调节螺钉(5)上并顶在左连接块与刮刀固定块之间，通过拧紧调节螺钉可以锁定左连接块和刮刀固定块的间距，以调节刮刀刀片的高低。
作为优选，在刀片(8)表面涂有防静电的所述膜层为特氟龙膜层。
作为优选，右固定机构包括底部连接块(17)、台阶轴(1)、法兰轴承(3)、调节螺钉(5)、预紧用的压缩弹簧(6)、右连接块(19)；
底部连接块(17)上开有通孔，台阶轴(1)从底部连接块下面向上穿过通孔并用螺钉和锁紧螺母进行将台阶轴固定在底部连接块的底面；右连接块(19)位于底部连接块的上方且上端面开有通孔，法兰轴承(3)从上向下穿过通孔并用螺钉和锁紧螺母将法兰轴承固定在右连接块的上端面，台阶轴(1)的上部光轴伸进法兰轴承(3)与法兰轴承连接，并使台阶轴(1)可以法兰轴承内沿轴向上下滑动；调节螺钉(5)向下穿过右连接块上端面的通孔与底部连接块(17)上的螺孔连接，预紧用的压缩弹簧(6)套在调节螺钉上并顶在右连接块与底部连接块之间。
作为优选，刮刀微调机构包括外框(10)、外套筒(11)、内套筒(13)、连接轴(12)、微调压缩弹簧(12)、预紧小弹簧(14)和锁紧螺钉(7)；
外框(8)的内部空心，外框的侧面通过锁紧螺钉(7)与刀片(8)的右端连接，外框上端开有圆形通孔，圆形通孔的一周设有刻度(18)，外套筒(11)上端面沿径向设有一根指向刻度的指针，外套筒(11)下部设有内螺纹，且与上部设有外螺纹的内套筒(13)螺合，内套筒由从外框侧面通孔伸进的螺栓固定，以防止内套筒径向转动；内套筒的下端通过预紧小弹簧与外框的下端连接，外套筒与内套筒的中间设有微调压缩弹簧(12)，微调压缩弹簧的上端与外套筒上部连接，微调压缩弹簧的下端焊在连接轴(15)的上端，连接轴下端固定在右固定机构的底部连接块(17)的一端，微调压缩弹簧(12)处于弹性变形范围内并将外套筒与内套筒置于张紧状态，以消除外套筒与内套筒连接的螺纹间隙。
本发明的有益效果是：
采用单个刀片构成刮刀系统，结构简单，调节方便且精度高，制造和装配容易，成本低廉。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明激光烧结3D打印机的刮刀系统实施例的立体结构示意图。
图2是本发明激光烧结3D打印机的刮刀系统实施例的主视图。
图3是本发明激光烧结3D打印机的刮刀系统实施例的俯视图。
图4是图2的局部剖视图。
图5是本发明激光烧结3D打印机的刮刀系统实施例的刀片横截面剖视图。
图6是本发明激光烧结3D打印机的刮刀系统实施例的左固定机构的结构图。
图7是本发明激光烧结3D打印机的刮刀系统实施例的微调机构和右固定机构的结构图。
图中，1-台阶轴，2-左连接块，3-法兰轴承，4-刮刀固定块，5-调节螺钉，6-预紧用压缩弹簧，7-锁紧螺钉，8-刀片，9-凹槽，10-外框，11-外套筒，12-微调弹簧，13-内套筒，14-预紧小弹簧，15-连接轴，16-螺钉，17-底部连接块，18-刻度盘，19-右连接块。
具体实施方式
图1是一种激光烧结3D打印机的刮刀系统，由刮刀、刮刀固定机构和刮刀微调机构组成。
刮刀是由一块刀片8组成，刀片下部对称的两端铣两个向内凹进的圆弧形凹槽9(图5)，铺粉时可防止粉末堵塞。同时刀片表面涂有特氟龙膜层，具有防静电的效果。
在图2中，刮刀固定机构分为左固定机构和右固定机构。其中左固定机构与刀片的左端连接，右固定机构通过刮刀微调机构与刀片的右端连接。
在图4中，左固定机构由台阶轴1、左连接块2、法兰轴承3、刮刀固定块4、调节螺钉5、预紧用压缩弹簧6和锁紧螺钉7构成。
如图6所示，在左固定机构中，刮刀固定块4的侧面通过2根锁紧螺钉7与刀片8进行固定，刮刀固定块4的上端面开孔，孔上穿过一个法兰轴承3并用螺钉加锁紧螺母固定在刮刀固定块的上端面。左连接块2上也开有通孔，通孔上穿过一根台阶轴1并用螺钉加锁紧螺母固定在左连接块的上面，台阶轴1的下部光轴向下穿过位于下方的法兰轴承3，法兰轴承3可沿台阶轴的光轴作上下运动。另外在左连接块2上开有一个M3的沉孔，其与刮刀固定块4上开的螺孔配合，其间穿过一根M3的调节螺钉5和一个预紧用压缩弹簧6。当法兰轴承3带动刀片8在光轴上滑动到合适位置时，通过拧紧调节螺钉5可以锁定刮刀固定块4和左连接块2的间距，并通过预紧用压缩弹簧6将该间距进行张紧固定。
如图7所示，右固定机构由底部连接块17、台阶轴1、法兰轴承3、调节螺钉5、预警弹簧、右连接块19构成。
在右固定机构中，底部连接块17与连接轴15的端部通过一根锁紧螺钉16连接，底部连接块17上开有通孔，台阶轴1穿过通孔并用螺钉和锁紧螺母固定在底部连接块下面。右连接块19上也开有通孔，法兰轴承3穿过该通孔并用螺钉和锁紧螺母固定在右连接块上面，台阶轴1的光轴部分穿入法兰轴承3中，使台阶轴1可以通过微调机构带动刀片8沿台阶轴的光轴部分上下滑动。右连接块19上有一个M3的沉孔，与底部连接块17上的螺孔相配合，其间穿过一根M3调节螺钉5并以一个预紧弹簧6套在调节螺钉外面。当微调机构带动刮刀进行微调并到合适位置时，拧紧调节螺钉5可以固定。
微调机构由外框10、外套筒11、内套筒13、连接轴15、微调弹簧12、预紧小弹簧14构成。
在微调机构中的外框10上面设有刻度盘18，刻度盘上设有50个刻度，用于指示拧紧微调弹簧的力度大小(图3)。外框10通过锁紧螺钉与刀片8的右端连接，外框10内部挖空，上端面上开有圆孔，用于装入外套筒11，外套筒11上设有一个径向的指针，用于指示外套筒转过的刻度。外套筒11下部设有内螺纹，与内套筒13上部的外螺纹螺合。在内、外套筒的中间装有一根微调弹簧12，微调弹簧的下端焊有一根连接轴15，由于每次微调时所施加的力较小，所以微调弹簧12一直处于弹性变形范围内。
确定微调弹簧12与连接轴15的焊接位置按如下方法计算：
假设微调弹簧12的自由长度为L，弹性系数为K，连接轴15的质量为M，则微调弹簧12下端与连接轴15焊接之后，微调弹簧的总长(原长+弹性伸长)为L’＝L+Mg/K。假设微调弹簧上所施加的外力为F，则形变为ΔX＝F/K。根据设计，要求每次进行微调时，刮刀上下方向能有0.005mm的位移变化，而每一圈弹簧的形变和其距离施力点的位置成反比，因此假设连接轴15在微调弹簧上的位置为X1处与之焊接，则X1/(L+Mg/K)＝0.005/(F/K)，则连接轴15的焊接位置可确定为：
X1＝0.005*(K*L+Mg)/F
其中F按以下方法确定：
在微调弹簧和连接轴都选定的情况下，假设F为10N(应选一个适合人体工学的力)，那么X1的位置可确定，X1确定之后，接下来要做的就是将F力的大小分解成螺纹之间的摩擦力，为使每次转动都能得到一个恒定的压缩力F，则每次转动螺纹的摩擦力都不同，根据已知公式计算，将计算出的这些不一样的摩擦力以渐变的刻度变化标记在刻盘上面。
按照上式确定连接轴15的焊接位置后，在内套筒13上开有螺孔，在外框10的两侧面与螺孔相对应的位置处开有通孔，用2根锁紧螺钉从外框侧面的通孔伸进与内套筒上的螺孔连接，由此将内套筒进行锁紧固定，防止内套筒13产生径向转动。在外框内腔底部同时开有一个通孔和四个沉孔，通孔用于穿过连接轴15的轴端，沉孔则用于放置预紧小弹簧14进行预紧，以消除内套筒与外套筒上的螺纹间隙。
本实施例的工作过程：
首先将刮刀系统放入成形室，刮刀系统左端装在成形室上的后滑块上，根据所需的成形室工作台的高度调节左固定机构的高度，调节方法如下：拧左固定机构中的调节螺栓直到刮刀处于较合适的位置，同时预紧弹簧的预紧力能消除螺纹间隙，使固定更加可靠。
固定好刮刀左端之后，将刮刀的右固定机构装在成形室的前滑块上，然后使用微调机构进行微调，此时借助水平仪，通过拧外套筒使其每次变化一个刻度，刮刀就会上升或下降0.005mm，通过观察水平仪，确定刮刀右端的平衡位置，确定平衡位置后，用刮刀系统右端的调节螺栓进行固定。此时刮刀系统便能开始正常工作。
工作时，成形室的前后滑块带动刮刀系统沿X方向左右运动，先由供粉系统输入适量粉末在成形室的左边，刮刀系统开始从成形室的左端带动粉末往右边运动，在运动的过程中，粉末被均匀的铺在成形缸的表面上，待刮刀系统运动到成形室的右边终点时，激光系统开始扫描并形成物体新一层的轮廓。然后供粉系统往成形室的右边输入粉末，刮刀系统带动粉末由成形室的右边向左边运动，如此循环进行铺粉。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (4)
1.激光烧结3D打印机的刮刀系统，其特征在于：包括刮刀、刮刀固定机构和刮刀微调机构；
刮刀是由一块刀片(8)组成，所述刀片(8)下部两侧沿长度方向对称设有向内的凹槽(9)，在刀片表面涂有防静电的膜层；
所述刮刀固定机构包括左固定机构和右固定机构；所述左固定机构与刀片左端连接；所述右固定机构通过刮刀微调机构与刀片右端连接；
所述左固定机构包括台阶轴(1)、左连接块(2)、法兰轴承(3)、刮刀固定块(4)、调节螺钉(5)、预紧用压缩弹簧(6)和锁紧螺钉(7)；
所述左连接块置于刮刀固定块的上方，所述刮刀固定块(4)的侧面与刀片(8)的左端通过锁紧螺钉(7)固定连接，刮刀固定块(4)上固定有法兰轴承(3)；所述台阶轴从上向下穿过设在左连接块(2)上的通孔，并用螺钉加锁紧螺母将台阶轴固定在左连接块的上端，所述台阶轴(1)下部的光轴穿过位于其下方的刮刀固定块上的法兰轴承(3)，所述法兰轴承(3)带动刀片(7)可沿台阶轴(1)下部的光轴轴向上下滑动；所述调节螺钉从上向下穿过左连接块(2)上的沉孔，与刮刀固定块(4)上面开的螺孔连接，预紧用的压缩弹簧(6)套在调节螺钉(5)上并顶在左连接块与刮刀固定块之间，通过拧紧调节螺钉可以锁定左连接块和刮刀固定块的间距，以调节刮刀刀片的高低。
2.根据权利要求1所述的刮刀系统，其特征在于：在刀片表面涂有防静电的所述膜层为特氟龙膜层。
3.根据权利要求1所述的刮刀系统，其特征在于：所述右固定机构包括底部连接块(17)、台阶轴(1)、法兰轴承(3)、调节螺钉(5)、预紧用的压缩弹簧(6)、右连接块(19)；
所述底部连接块(17)上开有通孔，所述台阶轴(1)从底部连接块下面向上穿过通孔并用螺钉和锁紧螺母进行将台阶轴固定在底部连接块的底面；所述右连接块(19)位于底部连接块的上方且上端面开有通孔，所述法兰轴承(3)从上向下穿过通孔并用螺钉和锁紧螺母将法兰轴承固定在右连接块的上端面，所述台阶轴(1)的上部光轴伸进法兰轴承(3)与法兰轴承连接，并使台阶轴(1)可以法兰轴承内沿轴向上下滑动；所述调节螺钉(5)向下穿过右连接块上端面的通孔与底部连接块(17)上的螺孔连接，所述预紧用的压缩弹簧(6)套在调节螺钉上并顶在右连接块与底部连接块之间。
4.根据权利要求1所述的刮刀系统，其特征在于：所述刮刀微调机构包括外框(10)、外套筒(11)、内套筒(13)、连接轴(12)、微调压缩弹簧(12)、预紧小弹簧(14)和锁紧螺钉(7)；
所述外框(8)的内部空心，外框的侧面通过锁紧螺钉(7)与刀片(8)的右端连接，外框上端开有圆形通孔，圆形通孔的一周设有刻度(18)，外套筒(11)上端面沿径向设有一根指向刻度的指针，外套筒(11)下部设有内螺纹，且与上部设有外螺纹的内套筒(13)螺合，所述内套筒由从外框侧面通孔伸进的螺栓固定，以防止内套筒径向转动；内套筒的下端通过预紧小弹簧与外框的下端连接，外套筒与内套筒的中间设有微调压缩弹簧(12)，微调压缩弹簧的上端与外套筒上部连接，微调压缩弹簧的下端焊在连接轴(15)的上端，连接轴下端固定在右固定机构的底部连接块(17)的一端，所述微调压缩弹簧(12)处于弹性变形范围内并将外套筒与内套筒置于张紧状态，以消除外套筒与内套筒连接的螺纹间隙。
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Granted publication date: 20160921 Termination date: 20180630 |