CN105562689A - 一种双向铺粉的粉末基增材制造设备及其铺粉方法 - Google Patents

一种双向铺粉的粉末基增材制造设备及其铺粉方法 Download PDF

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路超
屈岳波
尹燕
刘鹏宇
栗子林
许广伟
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Lanzhou University of Technology
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Lanzhou University of Technology
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Abstract

本发明公开了一种双向铺粉的粉末基增材制造设备及其铺粉方法。在增材制造成型缸下部连接有升降机构,左右两侧分别对称布置有一个粉末回收缸,正上方设有对称分布的左、右两个自动送粉机构,自动铺粉机构通过设在左右走向的铺粉辅助导轨上的可移动滑块与铺粉辅助导轨滑动连接,其能对粉末进行铺粉及压实。铺粉方法包括以下步骤:送粉、铺粉压实、高能束烧结、第二层铺粉,压实粉末、高能束烧结,重复以上步骤直至成型件加工完成。本发明的优点在于,铺覆同种粉末时可来回铺粉,提高效率;对于异种粉末材料的铺覆,可实现层与层交替铺粉,可实现定量送粉,减少粉末的供应量;对粉末进行预热,减少粉末团聚现象;可用于对不同种粉末分别进行回收。

Description

一种双向铺粉的粉末基増材制造设备及其铺粉方法
技术领域
[0001]本发明属于增材制造领域,更具体的说,尤其涉及一种双向铺粉的粉末基增材制造设备及其铺粉方法。
背景技术
[0002] 增材制造(Additive Manufacturing),俗称3D打印,是指通过材料逐层增加的方式将数字化模型(3D模型)制造成三维实体的过程。与传统的去除材料加工及变形加工相比,逐层加工的增材制造技术具有制造过程直接而无需工模具,不受结构复杂程度限制而为设计创新提供更自由的空间,材料利用率高,制造过程节能环保等诸多优势突出,满足了工业领域单件小批量制品、医学领域定制化的植入体、文化创意展示品、个性化日用品及其他众多领域物品制作日益发展的需求。
[0003]增材制造技术,尤其是粉末基增材制造技术,集成了高能束(激光或电子束)、机械、自动控制、精密传动、材料科学与工程、化学、CAD/CAM等技术,从三维模型通过逐层扫描的模式直接制造最终产品,具有不受模型形状限制、完全的冶金结合,致密度近乎100%。粉末基增材制造由于具有各种优势而得到快速发展,现已应用到航空航天、军工、汽车、医疗、文化创意、消费电子产品等领域。
[0004]粉末基增材制造(SLS/SLM/EBM/3DP)是复杂产品部件制造的重要方式,其优势主要表现在:
(1)使用高功率的能量束如激光束、电子束等,对熔点高、难加工的金属材料可直接加工成最终广品;
(2)制造的金属零件具有冶金结合的特点,其致密度几乎达到100%,性能超过传统铸造件,和锻造件接近;
(3)采用分层实体制造技术,成型件不受几何复杂度的影响,对任意复杂金属零件可直接制造,适用于个性化定制及小批量生产;
(4)零件近净成形,机加余量小,材料利用率高,粉末材料可回收利用;
(5)可用的材料来源广泛,陶瓷材料、高分子材料、金属材料,只要做出颗粒合适的粉末,均可用于粉末基增材制造;
(6)无模具快速自由成型,制造周期短,小批量零件生产成本低,适于新产品的开发。
[0005]现有的粉末基增材制造的铺粉方式是:平行布置成型缸和送粉缸,采用单向铺粉,烧结一层之后,成型缸下降一层烧结层厚度,供粉缸上升挤出一定量的粉末,铺粉辊或刮板将供粉缸粉末平铺到成型缸,然后开始烧结或熔融,待该层横截面全部烧结后,再使成型缸下降一层烧结厚度,之后再供粉、铺粉,循环往复此过程,最终完成零部件的增材制造。
[0006]现有粉末基增材制造铺粉技术的缺点:(I)大多数都采用滚筒铺粉、或者是刮板刮粉的方式,此铺粉方式为单向铺粉,效率低;(2)铺粉辊将粉末材料铺展到成型缸过程中,会在铺粉辊前端造成大量粉末堆积,当堆积量太大时,粉末会溢满到铺粉辊后方,造成已铺粉末的破坏,同时,由于摩擦的作用,粉末的堆积对已成型层也有不利影响;(3)采用刮板刮粉时,由于未对已铺平粉末进行压实,降低了粉末的密度,从而降低了成型件的致密度、提高了孔隙率;(4)现有铺粉技术只能铺一种粉末,不能实现多种粉末的铺覆,对复合材料、多层材料无能为力。
发明内容
[0007]本发明的目的在于对现有的粉末基增材制造技术加以改进,以及对铺粉过程中的问题加以解决,提供了一种全新的、高效的、高质量的双向铺粉的粉末基增材制造设备及其铺粉方法。
[0008]本发明通过以下技术方案实现。
[0009]本发明是一种双向铺粉的粉末基增材制造设备,包括增材制造成型缸、粉末回收缸、自动铺粉机构和自动送粉机构,所述增材制造成型缸下部连接有升降机构,左右两侧分别对称布置有一个粉末回收缸,正上方设有对称分布的左、右两个自动送粉机构,左自动送粉机构和右自动送粉机构的出粉口分别对准增材制造成型缸的左边缘内侧和右边缘内侧,自动铺粉机构通过设在左右走向的铺粉辅助导轨上的可移动滑块与铺粉辅助导轨滑动连接,其能沿铺粉辅助导轨来回滑动对落在增材制造成型缸上表面的粉末进行铺粉及压实。
[0010] 优选的,自动送粉机构包括载粉器和定量送粉机构,两者呈上下设置且连通,出粉口设在定量送粉机构底部。
[0011]优选的,上述载粉器内设置有预热板,预热板能对粉末进行预热,定量送粉机构包括定量送粉齿轮、传动轴、驱动电机三和保护壳,保护壳为上方设有与载粉器连通的进粉口、底部设有出粉口的封闭壳体,其具有圆形内壁面,定量送粉齿轮通过能带其转动的传动轴安装于保护壳内,传动轴由驱动电机三驱动,定量送粉齿轮的齿顶与保护壳内壁圆周相切。
[0012]优选的,上述载粉器内设有粉末量检测传感器,用以对粉末量进行检测,当粉末量低于某一值时,则会报警提示添加粉末。
[0013]优选的,上述进粉口和出粉口的倾斜角大于对应粉末的安息角。
[0014]优选的,上述自动铺粉机构包括粉末柔性刮板、清洁器、粉末压实辊筒和辊筒传动轴,粉末压实辊筒套装在辊筒传动轴上与之固定,辊筒传动轴两端通过轴承与可移动滑块连接且轴端连接有能驱动其转动的驱动电机一,其中粉末压实辊筒前后各设一张粉末柔性刮板,清洁器设置在粉末压实辊筒上方能清洁其表面附着的粉末。
[0015]优选的,上述的粉末柔性刮板和粉末压实辊筒下部有高度差,高度差为粉末的压实量,且高度差可调节,可根据不同种粉末调节高度差的大小。
[0016] 优选的,上述粉末回收缸的上表面与增材制造成型缸的上表面在同一水平面上,用于对同种或不同种粉末进行回收。
[0017] —种基于权利要求1所述的双向铺粉的粉末基增材制造设备的铺粉方法,其特征在于包括以下步骤:
A、设备回零,启动自动送粉机构,对载粉器进行添加粉末;
B、在粉末量充足时,左自动送粉机构先工作,打开驱动传动轴旋转的驱动电机三,定量送粉齿轮开始送粉,粉末从出粉口落入增材制造成型缸左边缘;
C、启动自动铺粉机构,自动铺粉机构在铺粉辅助导轨上自左向右滑动,粉末柔性刮板将粉末均匀的铺平在增材制造成型缸上,并且由粉末压实辊筒进行压实,多余的粉末刮入右粉末回收缸;
D、铺粉完成,打开高能束,按照计算机输入的扫描路径对该层粉末进行烧结或者熔融;
E、进行第二层铺粉,增材制造成型缸在升降机构的带动下,下降一层粉末厚度,右自动送粉机构开始工作,定量送粉齿轮转动、送粉,自动铺粉机构从右往左铺平、压实粉末,多余的粉末刮入左粉末回收缸,实现双向铺粉;
F、铺粉完成,打开高能束,按照计算机输入的扫描路径对该层粉末进行烧结或者熔融;
G、重复步骤B〜F,直至成型件加工完成。
[0018]优选的,上述左自动送粉机构和右自动送粉机构的载粉器添加的粉末类型相同或不同。
[0019]本发明的优点在于,(I)本发明设有两套自动送粉机构,铺覆同种粉末时可来回铺粉,提高效率;对于异种粉末材料的铺覆,可实现层与层交替铺粉,为复合材料及多层材料的制备提供了解决方案;(2)本发明在保证成型精度的前提下,可通过定量送粉齿轮实现定量送粉,送粉量根据每层粉末的体积而定,同时减少粉末的供应量,对粉末进行预热,减少粉末团聚现象;(3)由于本发明采取了较为特殊的铺粉方式即铺粉与压实同时进行,保证了铺粉质量,有助于增加成型件的质量,同时可以实现双向铺粉,提高效率;(4)本发明设有两个粉末回收缸,粉末回收缸的上表面与成型缸上表面平齐,可用于对不同种粉末分别进行回收。
附图说明
[0020]图1是本发明的整体结构俯视简图。
[0021]图2是本发明的整体结构主视简图。
[0022]图3是本发明的自动送粉机构截面图。
[0023]图4是本发明的自动铺粉机构截面图。
[0024]附图中的标号的名称分别是:1-增材制造成型缸,2a_左粉末回收缸,2b_右粉末回收缸,3-铺粉辅助导轨,4-自动铺粉机构,5-可移动滑块,6-螺钉,7-驱动电机一,8-驱动电机二,9-升降机构,1a-左自动送粉机构,1b-右自动送粉机构,11-粉末柔性刮板,12-粉末压实辊筒,13-辊筒传动轴,14-清洁器,15-载粉器,16-预热版,17-定量送粉齿轮,18-传动轴,19-进粉口,20-出粉口,21-保护壳,22-驱动电机三。
具体实施方式
[0025]下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
[0026]如图1和图2所示,本发明是一种双向铺粉的粉末基增材制造设备,包括增材制造成型缸1、粉末回收缸、自动铺粉机构4和自动送粉机构,所述增材制造成型缸I下部连接有升降机构9用以控制其升降,左右两侧分别对称布置有左粉末回收缸2a和右粉末回收缸2b,在本实施例中,两个粉末回收缸外形尺寸及结构完全相同,增材制造成型缸I正上方设有对称分布的左、右自动送粉机构1a、1b,两套自动送粉机构可实现同种材料的双向铺粉或异种材料的层与层交替铺粉,为复合材料或多层材料的制备提供了解决方案,左自动送粉机构1a和右自动送粉机构1b的两个出粉口 20分别对准增材制造成型缸I的左边缘内侧和右边缘内侧,自动铺粉机构4通过设在左右走向的铺粉辅助导轨3上的可移动滑块5与铺粉辅助导轨3滑动连接,可移动滑块5由驱动电机二8驱动,自动铺粉机构4在可移动滑块5带动下能沿铺粉辅助导轨3来回滑动对落在增材制造成型缸I上表面的粉末进行铺粉及压实,其中左、右粉末回收缸2a、2b的上表面与增材制造成型缸I的上表面在同一水平线上,通过边缘紧贴的方式设置或通过连接板无逢连接,用于对同种或不同种粉末进行回收,又或者不在同一水平线上但需用倾斜引导板将左、右粉末回收缸2a、2b的边缘和增材制造成型缸I的边缘无逢连接起来。
[0027]如图3所示,作为进一步改进,自动送粉机构包括载粉器15和定量送粉机构,两者呈上下设置且连通,出粉口20设在定量送粉机构底部,其中载粉器15内设置有预热板16,预热板16能对粉末进行预热,有助于减少粉末温度与烧结温度的差值,对成型件有利,定量送粉机构包括定量送粉齿轮17、传动轴18、驱动电机三22和保护壳21,保护壳21为上方设有与载粉器15连通的进粉口 19、底部设有出粉口 20的封闭壳体,其具有圆形内壁面,定量送粉齿轮17通过能带其转动的传动轴18安装于保护壳21内,传动轴18由驱动电机三22驱动,定量送粉齿轮17的齿顶与保护壳21内壁圆周相切,齿轮槽的大小根据每层粉末的体积进行加工,定量送粉齿轮17可根据每层铺粉的体积实现定量送粉,从出粉口 20流出的粉末落在增材制造成型缸I的边缘。
[0028]作为进一步改进,载粉器15内设有粉末量检测传感器,用以对粉末量进行检测,当粉末量低于某一值时,则会报警提示添加粉末。
[0029]作为进一步改进,上述进粉口 19和出粉口 20的倾斜角大于对应粉末的安息角。
[0030]如图4所示,作为进一步改进,自动铺粉机构4包括粉末柔性刮板11、清洁器14、粉末压实辊筒12和辊筒传动轴13,粉末压实辊筒12套装在辊筒传动轴13上与之固定,辊筒传动轴14两端通过轴承与可移动滑块5连接且其轴端连接有能驱动其转动的驱动电机一7,其中粉末压实辊筒12前后各竖向设有一张粉末柔性刮板11,清洁器14设置在粉末压实辊筒12上方用以对其表面进行清理,避免因粘有粉末而影响铺粉质量,两张粉末柔性刮板11与清洁器14组合做成罩子形状罩于粉末压实辊筒12上方,通过螺钉6与可移动滑块5固定,上述结构可以同时实现自动铺粉及粉末的压实,提高粉末密度,有助于提高成型件致密度,由于粉末柔性刮板11左、右对称分布,可实现双向铺粉,提高效率。
[0031 ]作为进一步改进,粉末柔性刮板11和粉末压实辊筒12下部有高度差h,高度差h为粉末的压实量,且高度差h可通过调节粉末柔性刮板11的位置来进行调节,在实际操作中可根据不同种粉末调节高度差h的大小。
[0032]采用本发明的双向铺粉的粉末基增材制造设备进行的铺粉方法。
[0033] 实施例1
同种粉末成型的具体步骤为:
A、设备回零,启动自动送粉机构,对载粉器15进行添加粉末,两套自动送粉机构所添加粉末相同,载粉器15内设有粉末量检测传感器,当粉末量不够时,则发出警报,提醒添加粉末,当粉末量充足时,则继续下一步操作;
B、在粉末量充足时,左自动送粉机构1a先工作,打开驱动传动轴18旋转的驱动电机三22,定量送粉齿轮17开始送粉,送粉量根据每一层铺粉厚度提前设定好,粉末从出粉口 20落入增材制造成型缸I左边缘内侧; C、启动自动铺粉机构4,自动铺粉机构4在可移动滑块5带动下,在铺粉辅助导轨3上自左向右滑动,自动铺粉机构4的粉末柔性刮板11将粉末均匀的铺平在增材制造成型缸I上,并且由粉末压实辊筒12进行压实(铺粉方向为从左至右),多余的粉末刮入右粉末回收缸2b;
D、铺粉完成,打开高能束,按照计算机输入的扫描路径对该层粉末进行烧结或者熔融;
E、进行第二层铺粉,增材制造成型缸I在升降机构9的带动下,下降一层粉末厚度,右自动送粉机构1b开始工作,定量送粉齿轮17转动、送粉,自动铺粉机构4从右往左铺平、压实粉末,多余的粉末刮入左粉末回收缸2a中,实现双向铺粉;
F、铺粉完成,打开高能束,按照计算机输入的扫描路径对该层粉末进行烧结或者熔融;
G、重复步骤B〜F,直至成型件加工完成。
[0034] 实施例2
异种粉末成型的具体步骤为:
A、设备回零,启动自动送粉机构,对两个载粉器15分别添加不同的粉末,载粉器15内设有粉末量检测传感器,当粉末量不够时,则发出警报,提醒添加粉末,当粉末量充足时,则继续下一步操作;
B、在粉末量充足时,左自动送粉机构1a先工作,打开驱动传动轴18旋转的驱动电机三22,定量送粉齿轮17开始送粉(第一种粉末),送粉量根据每一层铺粉厚度提前设定好,粉末从出粉口 20落入增材制造成型缸I左边缘内侧;
C、启动自动铺粉机构4,自动铺粉机构4在可移动滑块5带动下,在铺粉辅助导轨3上自左向右滑动,自动铺粉机构4的粉末柔性刮板11将粉末均匀的铺平在增材制造成型缸I上,并且由粉末压实辊筒12进行压实(铺粉方向为从左至右),多余的粉末刮入右粉末回收缸2b;
D、第一种粉末铺粉完成,打开高能束,按照计算机输入的扫描路径对该层粉末进行烧结或者熔融;
E、进行第二层铺粉,即铺覆第二种粉末,增材制造成型缸I在升降机构9的带动下,下降一层粉末厚度,右自动送粉机构1b开始工作,定量送粉齿轮17转动、送粉,自动铺粉机构4从右往左铺平、压实粉末,多余的粉末刮入左粉末回收缸2a;
F、第二种粉末铺粉完成,打开高能束,按照计算机输入的扫描路径对该层粉末进行烧结或者熔融;
G、重复步骤B〜F,直至成型件加工完成,第一种粉末回收至右粉末回收缸2b,第二种粉末回收至左粉末回收缸2a,可重复利用。
[0035]以上所述的本发明的实施方式,并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、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 (10)

1.一种双向铺粉的粉末基增材制造设备,包括增材制造成型缸、粉末回收缸、自动铺粉机构和自动送粉机构,其特征在于,所述增材制造成型缸下部连接有升降机构,左右两侧分别对称布置有一个粉末回收缸,正上方设有对称分布的左、右两个自动送粉机构,左自动送粉机构和右自动送粉机构的出粉口分别对准增材制造成型缸的左边缘内侧和右边缘内侧,自动铺粉机构通过设在左右走向的铺粉辅助导轨上的可移动滑块与铺粉辅助导轨滑动连接,其能沿铺粉辅助导轨来回滑动对落在增材制造成型缸上表面的粉末进行铺粉及压实。
2.根据权利要求1所述的双向铺粉的粉末基增材制造设备,其特征在于,所述自动送粉机构包括载粉器和定量送粉机构,两者呈上下设置且连通,出粉口设在定量送粉机构底部。
3.根据权利要求2所述的双向铺粉的粉末基增材制造设备,其特征在于,所述载粉器内设置有预热板,预热板能对粉末进行预热,定量送粉机构包括定量送粉齿轮、传动轴、驱动电机三和保护壳,保护壳为上方设有与载粉器连通的进粉口、底部设有出粉口的封闭壳体,其具有圆形内壁面,定量送粉齿轮通过能带其转动的传动轴安装于保护壳内,传动轴由驱动电机三驱动,定量送粉齿轮的齿顶与保护壳内壁圆周相切。
4.根据权利要求3所述的双向铺粉的粉末基增材制造设备,其特征在于,所述载粉器内设有粉末量检测传感器。
5.根据权利要求3所述的双向铺粉的粉末基增材制造设备,其特征在于,所述进粉口和出粉口的倾斜角大于对应粉末的安息角。
6.根据权利要求1到5任一项所述的双向铺粉的粉末基增材制造设备,其特征在于,所述自动铺粉机构包括粉末柔性刮板、清洁器、粉末压实辊筒和辊筒传动轴,粉末压实辊筒套装在辊筒传动轴上与之固定,辊筒传动轴两端通过轴承与可移动滑块连接且轴端连接有能驱动其转动的驱动电机一,其中粉末压实辊筒前后各设一张粉末柔性刮板,清洁器设置在粉末压实辊筒上方能清洁其表面附着的粉末。
7.根据权利要求6所述的双向铺粉的粉末基增材制造设备,其特征在于,所述的粉末柔性刮板和粉末压实辊筒下部有高度差,高度差为粉末的压实量,且高度差可调节。
8.根据权利要求1所述的双向铺粉的粉末基增材制造设备,其特征在于,所述粉末回收缸的上表面与增材制造成型缸的上表面在同一水平线上。
9.一种基于权利要求1所述的双向铺粉的粉末基增材制造设备的铺粉方法,其特征在于包括以下步骤: A、设备回零,启动自动送粉机构,对载粉器进行添加粉末; B、在粉末量充足时,左自动送粉机构先工作,打开驱动传动轴旋转的驱动电机三,定量送粉齿轮开始送粉,粉末从出粉口落入增材制造成型缸左边缘; C、启动自动铺粉机构,自动铺粉机构在铺粉辅助导轨上自左向右滑动,粉末柔性刮板将粉末均匀的铺平在增材制造成型缸上,并且由粉末压实辊筒进行压实,多余的粉末刮入右粉末回收缸; D、铺粉完成,打开高能束,按照计算机输入的扫描路径对该层粉末进行烧结或者熔融; E、进行第二层铺粉,增材制造成型缸在升降机构的带动下,下降一层粉末厚度,右自动送粉机构开始工作,定量送粉齿轮转动、送粉,自动铺粉机构从右往左铺平、压实粉末,多余的粉末刮入左粉末回收缸,实现双向铺粉; F、铺粉完成,打开高能束,按照计算机输入的扫描路径对该层粉末进行烧结或者熔融; G、重复步骤B〜F,直至成型件加工完成。
10.根据权利要求9所述的铺粉方法,其特征在于,所述左自动送粉机构和右自动送粉机构的载粉器添加的粉末类型相同或不同。
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