CN106111986A - 一种激光3d打印设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光3D打印设备，包括机架部，与机架部固定成一体的气体保护部、成型部、激光扫描部、铺粉部和预热部，所述激光扫描部固定在成型部外顶部的上方，所述气体保护部与成型部可循环的连通，所述激光扫描部沿成型部的顶部可活动的固定，所述铺粉部可活动的固定在成型部的内腔，所述预热部固定在成型部相对设置的另外一侧，可伸缩的固定在机架部的内部；通过铺粉部将加载在成型机台上的成性粉末，均匀的铺撒在成型部的底层表面上，通过与外部热隔绝的预热部，实现快速、高效的升温，能够高效、均匀的提高成性粉末的温度，可实现对工作台各区域温度的精准控制，缩短了激光成型的周期，极大的提高了加工效率。

Description

一种激光3D打印设备

技术领域

本发明属于增材制造领域，特别是涉及一种基于扫描振镜利用激光将粉末逐层熔化/融化堆积成成型的激光3D打印设备。

背景技术

3D打印是快速成型技术(Additive Manufacturing Technologies)的一种，是以软件建模、控制技术为基础，运用金属、非金属、粘接剂等多种材料，通过连续的逐层增加材料“打印”出三维产品。3D打印机(又称三维打印机)是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。它具有很多传统制造技术所不具有的功能，特别在加工复杂曲面产品方面。3D打印技术被认为是第三次工业革命的开端，广发应用于艺术设计、工业设计、建筑、汽车、航天航空、医疗、生物等领域。

在增材制造技术成形金属及陶瓷零件的过程中，由于粉末经历热源的熔化或者是部分熔化，对工作台面的粉末预热加温系统要求比较苛刻，现有激光3D成型设备在加工导热性不佳或大厚度尺寸的成型工件，由于热传导温度梯度的存在，待成型粉末得不到有效的预热，加工成型困难，并且现有技术中的制件成型后，其后段工艺通常需要特定后段工艺处理以改善制件的性能，比如热处理工艺，需要另外进行处理，既耗能，又费时。

中国专利号CN201010239385.9，名称为一种选择性激光烧结用多区加热装置，公开了如下方案：通过采用多区加热方法，将工作台面划分为多个区域，在每个区域安装一组石英加热管和反光板，该种加热方式可提高工作台面温度分布均匀性，加热完毕后没有冷却装置，无法解决冷却时间长，制件后段处理需要另外处理的问题。中国专利号CN201410611790.7，名称为一种激光3D打印设备及打印方法，公开了如下方案：通过辐射照射的加热方式对成型粉末进行预加热，虽然一定程度上，可以一定程度上消除导热性不佳或大厚度尺寸的成型过程中温度梯度的影响。然而，这种通过整体辐射的加热模式能耗大，且导致成型后的制件和周边粉末的温差很小，容易粘附在制件上，直接影响成型后的产品精度及良率，只适用于造型简单、精度要求不高的零件的成型。而且现有的激光3D打印，其形成周期长，从而无法高效的批量化生产，且容易存在工作台温度分配不均，材料受热不仅，烧结层容易出现热点及过冷点，无法采取更为精准的方法对工作台各区域进行加热控制，最终影响成型后制件的质量。

易于周知的是，激光高温融/熔化成型粉末之前，需要对成型粉末预热加温，经过激光的高温融/熔化之后，制件最终的形状确定后，需要进行冷却，直至常温，在以往的技术中，在加热的情况下，基板侧的热能传递，以及在冷却的情况下，还需额外的冷却工作台，必定也会使冷却效率降低。

有鉴于此，这也构成了需要进一步改进激光3D打印设备的设计，以图解决所存在的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种激光3D打印设备，本发明提供的激光3D打印设备的铺粉部将加载在成型机台上的成性粉末，均匀的铺撒在成型部的底层表面上，同时，实现不同区域性的个性化的铺粉要求，通过与外部热隔绝的预热部，实现快速、高效的升温，能够高效、均匀的提高成性粉末的温度，同时，将单个单元组成的加热源，可实现对工作台各区域温度的精准控制，缩短了激光成型的周期，极大的提高了加工效率。

为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种激光3D打印设备，包括机架部，与机架部固定成一体的气体保护部、成型部、激光扫描部、铺粉部和预热部，所述激光扫描部固定在成型部外顶部的上方，所述气体保护部与成型部可循环的连通，所述激光扫描部沿成型部的顶部可活动的固定，所述铺粉部可活动的固定在成型部的内腔，所述预热部固定在成型部相对设置的另外一侧，可伸缩的固定在机架部的内部；通过铺粉部将加载在成型机台上的成性粉末，均匀的铺撒在成型部的底层表面上，通过与外部热隔绝的预热部，实现快速、高效的升温，能够高效、均匀的提高成性粉末的温度，可实现对工作台各区域温度的精准控制，缩短了激光成型的周期，极大的提高了加工效率。

优选地，所述铺粉部包括具有内部型腔的铺粉箱，固定在铺粉箱上的刮刀，和将铺粉部的内部型腔间隔成上下连通的进料通道，以及固定在铺粉箱上，朝进料通道内部延伸的分料杆，以此，将管道输入进来的成型粉末通过进料通道，在分料杆的作用下，均匀的撒向成型板上，在传动机构的带动下，刮刀将铺撒的成型粉末进一步的抹平，确保铺设的成型粉末整体的平整。

优选地，所述进料通道包括沿铺粉箱宽度方向中心对称设置的第一通道和第二通道，所述第一通道和第二通道底部均连通有一出料口，用以实现不同区域性的个性化的铺粉要求。

更加优选地，所述刮刀设置在铺粉箱的底部，凸出所述铺粉箱底面的设置，以此，随着铺粉箱的来运动，便于对进料通道下泻出来的成性粉末进行强制性的推刮，确保成型粉末整体的平整性，进一步地，刮刀设置在第一通道和第二通道之间，以满足单个进料通道铺粉后抹平的需求。

优选地，为了方便局部的成性粉末的填补，或者精细控制成型粉末的铺粉纹路，所述铺粉部还包活动连接在进料通道上，可释放地锁止于分料杆上的电磁铁，以此，通过电路，可以较方便的控制电磁铁与分料杆之间的闭合与打开，从而可方便的远程控制进料通道的打开和闭合，实现成性粉末进料的智能化和自动化控制。

更加优选地，所述电磁铁包括上端铰接在来料入口处，下端可自由转动的第一电磁铁和第二电磁铁，所述第一电磁铁和第二电磁铁沿分料杆对策的布置，以此，通过第一电磁铁或/和第二电磁铁与分料杆之间的锁定与打开，实现对来料入口的打开或者封闭。

优选地，为了克服细小的成型粉末在下泻过程中容易堵塞的问题，所述铺粉部还包括旋转设置在来料入口处的搅拌器。

优选地，所述预热部包括依次固定的基板、固定型板和加热板，和夹设在所述基板、固定型板和加热板之间的隔热组件，以及固定在加热板一侧，为加热板提供热量的加热组件。

优选地，为了方便的控制加热板温度上升或者下降的灵敏度，控制加热的能耗，所述加热组件埋设在隔热组件内部，与基板和固定型板热隔绝的布置；

进一步地，为了控制整个预设部与外界的热交换，降低升温加热所需的能耗，所述加热板与固定型板热隔绝的固定。

更加优选地，所述加热板选用导热系数高的材料制作而成，以提高预设部热量传递的效率，减少制件冷却的时间，从而缩短整个成型的周期；进一步地，所述加热板由紫铜加工而成。

优选地，所述加热板还包括设置在内部的冷却组件，以此方便加工完成后，更加便捷的将加热板的热量转移，进一步的提高加工效率；

更加优选地，所述冷却组件为外接冷却源的镶嵌组件，或者是外接冷却介质的冷却管路。

优选地，所述隔热组件为基板和加热板镶嵌在固定型板上，共同围成内部密封的内部型腔，通过将将密封的隔热组件抽真空后，能够很好的隔离与基板之间的热交换。

更加优选地，所述预热部还包括设置在隔热组件固定面上的密封组件，以此，确保隔热组件能够保持持久的真空密封，确保隔热的效果；

进一步地，所述密封组件为不锈钢制成的金属橡胶密封圈，确保能够在高真空、高低温下的环境下，能够保持正常工作，其密封强度高、效果好。

更进一步地，所述密封组件包括第一密封件和第二密封件，所述第一密封件夹设在加热板和固定型板之间，所述第二密封件夹设在基板和固定型板之间，以此，通过夹设的密封件，减少了因为温度差异而使得空气容易从固定面之间的配合面进入的可能。

优选地，所述加热组件为可以直接加热的加热线圈，和/或是间接加热的电磁感应加热、热辐射加热；

更加优选地，为了便于精准的实现对加热板区域性的加热控制，所述加热组件为石英辐射加热单元组成；

进一步地，所述加热组件包括反光板和石英加热管，所述反光板整体为弧形，固定在石英加热管的下方，朝向加热板延伸，通过反光板对石英加热管发出的红外辐射光聚合反射到加热板，为加热板持续的提供热源；

更进一步地，所述反光板为多块可调节角度的弧形反光板堆砌而成，以此，可以通过控制系统调控各自的反射角度，从而用以区分快速加热与持久保温之间状态的切换。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：本发明提供的激光3D打印设备的铺粉部将加载在成型机台上的成性粉末，均匀的铺撒在成型部的底层表面上，同时，实现不同区域性的个性化的铺粉要求，通过与外部热隔绝的预热部，实现快速、高效的升温，能够高效、均匀的提高成性粉末的温度，同时，将单个单元组成的加热源，可实现对工作台各区域温度的精准控制，缩短了激光成型的周期，极大的提高了加工效率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了一种根据本发明实施例所实现的一种激光3D打印设备的示意图；

图2示出了另一种根据本发明实施例所实现的一种激光3D打印设备的示意图；

图3示出了一种适用于本发明实施例中所实现的激光3D打印设备的铺粉部的示意图；

图4示出了另外一种适用于本发明实施例中所实现的激光3D打印设备的预设部的截面示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

请参考图1至图4，图1示出了一种根据本发明实施例所实现的一种激光3D打印设备的示意图；图2示出了另一种根据本发明实施例所实现的一种激光3D打印设备的示意图；图3示出了一种适用于本发明实施例中所实现的激光3D打印设备的铺粉部的示意图；图4示出了另外一种适用于本发明实施例中所实现的激光3D打印设备的预设部的截面示意图。

为了突破现有技术中激光3D打印设备成型周期长，效率低下，无法高效的批量化生产，且容易存在工作台温度分配不均，材料受热不仅，烧结层容易出现热点及过冷点，无法采取更为精准的方法对工作台各区域进行加热控制，最终影响成型后制件的质量的难题，本发明提供了一种可以快速加热和冷却的激光3D打印设备。

如图1和图2所示，依照本发明专利原理设计的激光3D打印设备，包括机架部10，固定在机架部10上的成型部30、气体保护部20、激光扫描部40、铺粉部50，以及可对成型粉末预加热的预热部60，其中，成型部30为与机架部10固定的多个部件所围成的相对密封的内部型腔，气体保护部20与成型部30可循环的连通设置，激光扫描部40设置在成型部30的外侧可活动的固定，以便所产生的激光束能够选择的作用到成型部30的内部型腔的作业空间内，预热部60固定在成型部30相对设置的另外一侧，可伸缩的固定在机架部10的内部，通过激光扫描部40活动的沿着成型部30的外侧移动，带动激光束在成型部30内部局部的照射，对铺粉部50预先均匀铺设在成型部30内的成型粉末进行局部的持续加热，使得局部的成型粉末熔化、凝结后，最后形成具体零件的外形。

具体地，如图1和图2所示，一种具体的实施方式中，成型部30安装在机架部10的上部，激光扫描部40固定在成型部30的顶端表面上，由板材围合而成，具有内部隔热组件的预热部60紧贴成型部30的下端面固定，铺粉部50可活动的固定在成型部30的内腔。铺粉部将加载在成型机台上的成性粉末，均匀的铺撒在成型部的底层表面上，通过与外部热隔绝的预热部，实现快速、高效的升温，能够高效、均匀的提高成性粉末的温度，可实现对工作台各区域温度的精准控制，缩短了激光成型的周期，提高了效率。

在本发明的实施例中，如图1所示，气体保护部20包括气氛保护装置21、气泵22、过滤装置23以及管路24，通过管路24，从气氛保护装置21产生出来的气体，经由气泵22增压后，进入成型部30的一侧，固定在另外一侧连通的管路24将成型腔30内的气体引流至过滤装置23中，经由过滤装置23的过滤后，再次被吸入进入气泵22中，以此，构成一个气体封闭的循环系统。较佳地，为了避免成型过程中的氧化，气氛保护装置21为惰性气体发生器，以此，利用产生的惰性气体排出成型部30内的含氧空气，确保成型处于无氧状态下完成，进一步地，气氛保护装置21为氮气发生器。

参见图2和图3，铺粉部50可移动的固定在机架部10上，并通过固定在机架部10上的驱动机构带动下，沿轨道来回的移动，实现待成型粉末的铺撒和整平，其中，铺粉部50与机架部10之间的传动，可以是电机和皮带之间的带传动，或者电机和丝杆之间的丝杆副的传动，关于具体的传动结构设计，这对于本领域技术人员应当是易于构想到的，故在此不再一一赘述。

铺粉部50整体呈现长方体外形，包括由多块板材围合成，具有内部型腔的铺粉箱51，固定在铺粉箱51上的刮刀53，和将铺粉部51的内部型腔间隔成上下连通的进料通道52，以及固定在铺粉箱51上，朝进料通道52内部延伸的分料杆54。以此，铺粉部50将管道输入进来的成型粉末通过进料通道52，在分料杆54的作用下，均匀的撒向成型板上，在传动机构的带动下，刮刀53将铺撒的成型粉末进一步的抹平，确保铺设的成型粉末整体的平整。

在本发明的实施例中，进料通道52包括呈“八”字外形，沿铺粉箱51宽度方向中心对称设置的第一通道521和第二通道522，第一通道521和第二通道522底部均连通有一出料口523，用以实现不同区域性的个性化的铺粉要求。

较佳地，刮刀53设置在铺粉箱51的底部，凸出铺粉箱51底面的设置，以此，随着铺粉箱51的来运动，便于对进料通道52下泻出来的成性粉末进行强制性的推刮，确保成型粉末整体的平整性，较佳地，刮刀53设置在第一通道521和第二通道522之间，以满足单个进料通道铺粉后抹平的需求。

作为可选的实施方案，为了方便局部的成性粉末的填补，或者精细控制成型粉末的铺粉纹路，还包活动连接在进料通道52上的电磁铁55。较佳地，分料杆54由导磁材料制成，电磁铁55可释放地锁止于分料杆54上，以此，通过电路，可以较方便的控制电磁铁与分料杆之间的闭合与打开，从而可方便的远程控制进料通道的打开和闭合，实现成性粉末进料的智能化和自动化控制。

在上述实施例的基础上，一种具体的实施例中电磁铁55包括上端铰接在来料入口处，下端可自由转动的第一电磁铁551和第二电磁铁552，其中，第一电磁铁551和第二电磁铁552沿分料杆54对策的布置，以此，通过第一电磁铁551或/和第二电磁铁552与分料杆54之间的锁定与打开，实现对来料入口的打开或者封闭。

作为可选的实施方案，为了克服细小的成型粉末在下泻过程中容易堵塞的问题，还包括旋转设置在来料入口处的搅拌器56，通过不断旋转的搅拌器56，将来料的成型粉末进一步的搅拌，为成型粉末的下泻留下气流过道，避免因为下泻过程中，成性粉末堵塞进料通道，而无法下泻进料，从而导致无法连续铺粉的困境。

本发明中进料通道打开或者关闭的原理如下：

(一)、远程智能控制下，第一电磁铁551通电，第一电磁铁551在磁场的作用下，将向分料杆54靠拢，直至贴至该分料杆54上，来料入口与第二通道552相对应的出料口523连通，物料通过第二通道522以及与之对应的出料口523进行局部的铺粉作业。

(二)、远程智能控制下，第一电磁铁551断电，第二电磁铁552通电，第二电磁铁552在磁场的作用下，将向分料杆54靠拢，直至贴至该分料杆54上，来料入口与第一通道521相对应的出料口523连通，物料通过第一通道521以及与之对应的出料口进入局部的铺粉作业。

通过对进料通道的选择性打开或者关闭，能够有选择性的对第一通道521或/和第二通道552的供料，有助于提供更多丰富的铺粉轨迹，能够满足个性化的铺粉要求，避免了成型粉末的浪费，从而提高了铺粉的效率，缩短了加工成型的作业时间。

在本发明的实施例中，如图4所示，预热部60由多块板材叠合而成，具体地，包括依次固定的基板61、固定型板62和加热板63，和夹设在基板61、固定型板62和加热板63之间的隔热组件64，以及固定在加热板63一侧，为加热板63提供热量的加热组件66。较佳地，为了方便的控制加热板63温度上升或者下降的灵敏度，控制加热的能耗，加热组件66埋设在隔热组件64内部，与基板61和固定型板62热隔绝的布置，进一步地，为了控制整个预设部与外界的热交换，降低升温加热所需的能耗，加热板63与固定型板62热隔绝的固定。通过加热组件66的加热，热量经过加热板63传递给成型粉末，从而实现对成型粉末的预先加热，避免了局部加热热量分配不均的问题，从而克服了激光3D打印设备中，材料受热不均，烧结层会出现热点及过冷点的难题。

较佳地，加热板63选用导热系数高的材料制作而成，以提高预设部热量传递的效率，减少制件冷却的时间，从而缩短整个成型的周期，进一步地，加热板63采用紫铜加工制作而成。

优选地，加热板63还包括设置在内部的冷却组件631，以此方便加工完成后，更加便捷的将加热板63的热量转移，进一步的提高加工效率，其中，冷却组件631可以为外接冷却源的镶嵌组件，或者是外接冷却介质的冷却管路，关于具体的冷却组件设计，这对于本领域技术人员应当是易于构想到的，只需满足制件冷却阶段，能够快速地将热量转移出加热板即可，故在此不再一一赘述。

在本发明的实施例中，隔热组件64设置为可隔离热量传递的空腔隔热板，以用来隔绝加热板63与基板61之间的热传递，当然隔热组件64也可以为隔热材料组成的填充部件，只需满足能够隔绝加热板63与基板61之间的热交换即可。

一种优选的实施例中，如图4所示，隔热组件64为基板61和加热板63镶嵌在固定型板62上，共同围成内部密封的内部型腔。通过将将密封的隔热组件64抽真空后，能够很好的隔离与基板61之间的热交换。进一步地，预热部60还包括设置在隔热组件64固定面上的密封组件65，以此，确保隔热组件64能够保持持久的真空密封，确保隔热的效果，优选地，密封组件65采用不锈钢制成的金属橡胶密封圈，确保能够在高真空、高低温下的环境下，能够保持正常工作，其密封强度高、效果好，具体地，密封组件65包括第一密封件651和第二密封件652，第一密封件651夹设在加热板63和固定型板62之间，第二密封件652夹设在基板61和固定型板62之间，以此，通过夹设的密封件，减少了因为温度差异而使得空气容易从固定面之间的配合面进入的可能。

在本发明的实施例中，加热组件66为可以提供热量的发热源，可以理解的是，加热组件可以直接加热的加热线圈，和/或是间接加热的电磁感应加热、热辐射加热，能够为加热板63提供足够的热量，实现快速的升温即可。

以间接加热的热辐射加热为例进一步的做说明，为了便于精准的实现对加热板63区域性的加热控制，优选地，加热组件66为多个石英辐射加热单元组成，石英辐射加热单元包括反光板661和石英加热管662，反光板661整体为弧形，固定在石英加热管662的下方，朝向加热板63延伸，通过反光板661对石英加热管662发出的红外辐射光聚合反射到加热板63，为加热板63持续的提供热源。较佳地，反光板661为多块可调节角度的弧形反光板堆砌而成，以此，可以通过控制系统调控各自的反射角度，从而用以区分快速加热与持久保温之间状态的切换。

本发明专利虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明专利，任何本领域技术人员在不脱离本发明专利的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明专利技术方案的内容，依据本发明专利的技术实质对以上实施例所作的任何简单的修改、等同变化及修饰，均属于本发明专利技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光3D打印设备，包括机架部(10)，与机架部(10)固定成一体的气体保护部(20)、成型部(30)、激光扫描部(40)、铺粉部(50)和预热部(60)，所述激光扫描部(40)固定在成型部(30)外顶部的上方，其特征在于，所述气体保护部(20)与成型部(30)可循环的连通，所述激光扫描部(40)沿成型部(30)的顶部可活动的固定，所述铺粉部(50)可活动的固定在成型部(30)的内腔，所述预热部(60)固定在成型部(30)相对设置的另外一侧，可伸缩的固定在机架部(10)的内部。

2.根据权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于，所述铺粉部(50)包括具有内部型腔的铺粉箱(51)，固定在所述铺粉箱(51)上的刮刀(53)，和将所述铺粉部(51)的内部型腔间隔成上下连通的进料通道(52)，以及固定在所述铺粉箱(51)上，朝进料通道(52)内部延伸的分料杆(54)。

3.根据权利要求2所述的3D打印设备，其特征在于，所述进料通道(52)包括沿铺粉箱(51)宽度方向中心对称设置的第一通道(521)和第二通道(522)，所述第一通道(521)和第二通道(522)底部均连通有一出料口(523)。

4.根据权利要求2所述的3D打印设备，其特征在于，所述铺粉部(50)还包活动连接在进料通道(52)上，可释放地锁止于分料杆(54)上的电磁铁(55)。

5.根据权利要求2所述的3D打印设备，其特征在于，所述铺粉部(50)还包括旋转设置在来料入口处的搅拌器(56)。

6.根据权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于，所述预热部(60)包括依次固定的基板(61)、固定型板(62)和加热板(63)，和夹设在所述基板(61)、固定型板(62)和加热板(63)之间的隔热组件(64)，以及固定在加热板(63)一侧，为加热板(63)提供热量的加热组件(66)。

7.根据权利要求8所述的3D打印设备，其特征在于，所述加热组件(66)埋设在隔热组件(64)内部，与基板(61)和固定型板(62)热隔绝的布置。

8.根据权利要求8所述的3D打印设备，其特征在于，所述加热板(63)还包括设置在内部的冷却组件(631)。

9.根据权利要求8所述的3D打印设备，其特征在于，所述隔热组件(64)为基板(61)和加热板(63)镶嵌在固定型板(62)上，共同围成内部密封的内部型腔。

10.根据权利要求8所述的3D打印设备，其特征在于，所述加热组件(66)为可以直接加热的加热线圈，和/或是间接加热的电磁感应加热、热辐射加热。