CN105729806B - 一种用于粉末层叠制造的3d装置及3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于粉末层叠制造的3D打印装置及3D打印方法，装置包括有粉末床、机架、铺粉仓、刮刀和加工装置构成，铺粉仓、刮刀和加工装置布设在机架上，粉末床能在机架上左右移动；刮刀位于粉末床上方；用于铺粉的材料颗粒为具有一定长度的片状或柱状粒子，这些粒子在受到刮刀的铺平作用后，可以产生一种定向的诱导作用，使得这些粒子在刮刀进给方向上定向排列，使其具备某些特殊的优良性能；粉末床可以沿其轴心旋转任意角度，通过控制旋转角度的不同，可以改变成型件相对刮刀的进给方向的不同，既可以控制不同层粒子的不同排列方向，也可以实现单层粒子不同区域排布方向的多样性，然后通过激光烧结或者粘结剂粘结等方式实现粉末层叠制造。
Description
技术领域
本发明涉及一种成型方法，特别涉及一种用于粉末层叠制造的3D 打印装置及3D打印方法。
背景技术
3D打印技术是一种通过逐层累积材料，运用增材的制造方式进行快速成型制造的工艺。随着近年来3D打印技术的进步，3D打印已经不仅用于打印模型，而且可以更多地应用在打印制造直接使用的零部件，这标志着3D打印技术已经从初期“快速成型”时期发展到“快速制造”阶段。
粉末的3D打印工艺，主要包括选择性激光烧结（SLS）、三维打印工艺（3DP）、选择性热固化（SLA）和激光近净成形（LENS）等。其中，选择性激光烧结是利用激光烧结粉末，在需要成型的区域内使粉末在短时间内迅速固化的过程；三维打印工艺是利用粘结剂粘结上下两层粉末，实现逐层累积的过程。
无论是选择性激光烧结，还是利用粘结剂粘结，其工艺过程中都存在着刮平粉末这一步骤。现有的刮刀进给方向通常都是固定单一方向的，当粉末颗粒为具有一定长度的粒子时，或者在粉末中添加类似纤维结构的具有一定长径比的粒子时，粒子的排列方向不会呈现定向排列方向的多样性，导致最终成型件在结构上的单一性，在某些性能上就可能存在一定缺陷，从而影响零件的整体制造应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于粉末层叠制造的3D 打印装置及3D打印方法。
本发明之用于粉末层叠制造的3D 打印装置包括有粉末床、机架、铺粉仓、刮刀和加工装置构成，铺粉仓、刮刀和加工装置布设在机架上，粉末床能在机架上左右移动；刮刀位于粉末床上方，粉末床是由活塞、升降台、支架、粉末回收仓、外框架和圆形成型平台构成，活塞的活塞杆与升降台连接，活塞固定在支架上，圆形成型平台设置在升降台上，圆形成型平台位于外框架之中，外框架的外侧设置粉末回收仓；外框架用于限定工作区域。
所述的加工装置是激光熔融装置或三维打印装置。
铺粉仓由步进电机精确控制供粉量的多少。
本发明具有四个工作位置：停放位置、铺粉位置、刮粉位置和成型工作位置。
本发明的工作过程和原理是：
粉末床的升降台的初始位置，即圆形成型平台的上平面与成型平台外框架的最高平面保持一致时，可以通过活塞来精确控制圆形成型平台上下移动的距离；铺第一层粉末时，升降台下降一个层厚的高度，为5-50μm；粉末床的旋转装置是以其轴心位置为旋转中心，能旋转任意角度，粉末床的平移机构是沿机架长度方向，机架长度方向上存在停放位置、铺粉位置、刮粉位置和成型工作位置。
本发明之用于粉末层叠制造的3D打印方法是：该方法是通过控制粉末床旋转角度的不同，再经过刮刀的定向诱导作用，通过固化，控制不同层面上粒子具有不同的定向排列方向；或通过控制粉末床旋转角度的不同，再经过刮刀的定向诱导作用，通过分区固化，实现同一层不同区域的粒子排列方向的不同。
受到刮刀定向诱导作用的粒子形状是具有一定长度的长形片状粒子或柱状粒子；刮刀铺平粉末时，需要对粉末进行3-4次的重复刮粉，保证粒子定向排列的精准性；在不同层面上，可以对粒子设置不同的定向排列方向；在同一层面上，可以对不同区域的粒子设置不同的定向排列方向。
本发明的有益效果：
粉末床可以沿轴心旋转任意角度，可以实现不同层粒子定向排列方向的不同，也可以实现单层粒子排布方向的多样性，从而可以加工出具有不同特性的同一部件。
附图说明
图1为本发明的用于粉末层叠制造的3D打印装置示意图。
图2为本发明的粉末床结构示意图。
图3为本发明的刮刀刮粉动作侧视图。
图4为本发明的刮刀刮粉动作俯视图。
图5为在不同进给方向的刮刀导致不同层粒子不同排布方向的产品示意图。
图6为产品的单层粒子的不同排布方向区域示意图。
图7为不同进给方向的刮刀导致单层不同区域粒子不同排布方向的过程示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明包括有粉末床10、机架11、铺粉仓1、刮刀2和加工装置3构成，铺粉仓1、刮刀2和加工装置3布设在机架11上，粉末床10能在机架11上左右移动；刮刀2位于粉末床10上方，粉末床10是由活塞4、升降台5、支架6、粉末回收仓7、外框架8和圆形成型平台9构成，活塞4的活塞杆与升降台5连接，活塞4固定在支架6上，圆形成型平台9设置在升降台5上，圆形成型平台9位于外框架8之中，外框架8的外侧设置粉末回收仓7；外框架8用于限定工作区域。
所述的加工装置3是激光熔融装置或三维打印装置。
铺粉仓1由步进电机精确控制供粉量的多少。
如图1所示，本发明具有四个工作位置：停放位置、铺粉位置、刮粉位置和成型工作位置。
本发明的工作过程和原理是：
粉末床10的升降台5的初始位置，即圆形成型平台9的上平面与成型平台外框架7的最高平面保持一致时，可以通过活塞4来精确控制圆形成型平台9上下移动的距离；铺第一层粉末时，升降台5下降一个层厚的高度，为5-50μm；粉末床10的旋转装置是以其轴心位置为旋转中心，能旋转任意角度，粉末床10的平移机构是沿机架11长度方向，机架11长度方向上具有停放位置、铺粉位置、刮粉位置和成型工作位置。
一个工作循环如下：如图1、图2和图3、图4所示；
1.不工作状态下，粉末床A位于停放位置。
2.当粉末床10由停放位置移动到铺粉位置时，粉末床10保持匀速移动状态，同时粉末由铺粉仓1定量的漏出。
3.当粉末床10移动到刮粉位置时，粉末床10保持匀速移动状态，而刮刀2是固定在圆形成型平台9上方不动，从而对粉末产生刮粉作用；多余的粉末掉落到粉末回收仓7中，之后粉末床10向后运动，重复刮粉操作3-4次，保证圆形成型平台9上的颗粒定向排列，并与粉末床10移动方向保持一致。
4.当粉末床10移动到成型工作位置时，在指定的成型区域位置上，通过加工装置3，采用激光烧结或者粘结剂粘结方式完成一层的打印。
之后粉末床10又回到停放位置，循环操作，直至完成多层打印，得到最终的产品。
当粉末床10进入到铺粉位置时，处于匀速运动状态，同时铺粉仓1中的粉末由步进电机控制，从供粉仓中漏出，保证在圆形成型平台9上有足够的粉末，在刮粉时粉末可以在该层均匀分布。
当粉末床10移动到刮粉位置时，保持匀速运动状态，同时粉末床10可以沿其轴心位置旋转任意角度，通过改变角度的不同，可以控制粒子在成型面上排布方向的不同，如图5所示。为保证粒子定向排列的精准性，在完成一次刮粉操作后，粉末床10会后移，重复刮粉这一操作3-4次。
本发明还可以在同一层上控制实现不同区域的粒子按照不同方向排列。但完成这一操作，需要在粉末床10停放位置上方设置吸粉装置，具体操作流程如下：
如图5和图6所示，先对区域A内粒子进行定向诱导，如图7中的a视图，完成一个工作循环的四步操作，回到停放位置，吸粉装置将粉末吸走，如图7中的b视图；将粉末床10沿轴心逆时针旋转120°，重新铺粉和刮粉，如图7中的c视图，对区域B内粒子进行烧结或者粘结，吸粉装置再次吸走粉末，如图7中的d视图；再将粉末床10沿轴心逆时针旋转120°，对区域C内粒子进行定向诱导，如图7中的e视图，就可以实现同一层不同区域的粒子排列方向的不同。
Claims (4)
1.一种用于粉末层叠制造的3D打印方法，其特征在于：该方法是通过控制粉末床旋转角度的不同，再经过刮刀的定向诱导作用，通过分层固化，控制不同层面上粒子具有不同的定向排列方向；或通过控制粉末床旋转角度的不同，再经过刮刀的定向诱导作用，通过分区固化，实现同一层不同区域的粒子排列方向的不同；所述的粉末为长形片状粒子或柱状粒子；
1).不工作状态下，粉末床(10)位于停放位置(I)；
2).当粉末床(10)由停放位置(I)移动到铺粉位置(II)时，粉末床(10)保持匀速移动状态，同时粉末由铺粉仓(1)定量的漏出；
3).当粉末床(10)移动到刮粉位置(III)时，粉末床(10)保持匀速移动状态，而刮刀(2)是固定在圆形成型平台(9)上方不动，从而对粉末产生刮粉作用；多余的粉末掉落到粉末回收仓(7)中，之后粉末床(10)向后运动，重复刮粉操作3-4次，保证圆形成型平台(9)上的颗粒定向排列，并与粉末床(10)移动方向保持一致；
4).当粉末床(10)移动到成型工作位置(IV)时，在指定的成型区域位置上，通过加工装置(3)，采用激光烧结或者粘结剂粘结方式完成一层的打印；
之后粉末床(10)又回到停放位置(I)，循环操作，直至完成多层打印，得到最终的产品。
2.根据权利要求1所述的一种用于粉末层叠制造的3D打印方法，其特征在于：当粉末床(10)进入到铺粉位置(II)时，处于匀速运动状态，同时铺粉仓(1)中的粉末由步进电机控制，从供粉仓中漏出，保证在圆形成型平台(9)上有足够的粉末，在刮粉时粉末可以在该层均匀分布。
3.根据权利要求1所述的一种用于粉末层叠制造的3D打印方法，其特征在于：当粉末床(10)移动到刮粉位置(III)时，保持匀速运动状态，同时粉末床(10)沿其轴心位置旋转任意角度，通过改变角度的不同，能控制粒子在成型面上排布方向的不同，为保证粒子定向排列的精准性，在完成一次刮粉操作后，粉末床(10)会后移，重复刮粉这一操作3-4次。
4.根据权利要求1所述的一种用于粉末层叠制造的3D打印方法，其特征在于：所述粉末床(10)的停放位置(I)上方设置吸粉装置；先对区域A内粒子进行定向诱导，完成一个工作循环的四步操作，回到停放位置(I)，吸粉装置将粉末吸走；将粉末床(10)沿轴心逆时针旋转120°，重新铺粉和刮粉，对区域B内粒子进行烧结或者粘结，吸粉装置再次吸走粉末；再将粉末床(10)沿轴心逆时针旋转120°，对区域C内粒子进行定向诱导，实现同一层不同区域的粒子排列方向的不同。
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