CN106583714A - 3d打印机 - Google Patents

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黄叶新
徐学军
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Abstract

本发明公开了一种3D打印机，包括一工作平台、一铺粉装置、一推粉结构及一喷射装置，铺粉装置包括一供粉缸结构及一成形缸结构，供粉缸结构及成形缸结构活动安装于工作平台并能沿一垂直于工作平台的方向运动，推粉结构滑动安装于工作平台并能沿一平行于工作平台的方向移动将供粉缸结构内的粉末材料推至成形缸结构，喷射装置活动安装于工作平台并向成形缸结构喷射粘合剂使成形缸结构内的粉末形成一待制作产品。使金属零件的生产无需模具、制造过程无应力缺陷、材料密度均匀无偏析、对粉末材料种类无限制、无需工序准备、材料利用率高、易于实现复杂结构零件坯件的快速成形等亮点。

Description

3D打印机
技术领域
本发明涉及冶金行业，尤其是涉及一种利用3D打印技术进行粉末冶金。
背景技术
粉末冶金技术是一种重要的机械零部件生产技术，是当前新材料科学中最具发展活力的分支之一，已被广泛应用于交通、机械、电子、航空航天、兵器、生物、新能源、信息和核工业等领域。粉末冶金制品节能省材、性能优异、产品精度高且稳定性好，非常适合于大批量生产。另外，部分用传统铸造和机械加工方法无法制备的材料和复杂零件也可用粉末冶金技术制造，因而备受工业界的重视。粉末冶金零件是粉末冶金行业的主导产品之一，应用领域广、需求量大。在发达国家，采用粉末冶金工艺生产的机械零件已从小尺寸简单结构零件发展到大尺寸、复杂结构、高承载关键零部件。
目前粉末坯件的成形技术主要有模压成形、等静压成形、注射成形等。(a)模压成形是将金属粉末或粉末混合料装入钢制压模(阴模)中，通过模冲对粉末加压，卸压后脱模以得到压坯的技术。其优点是效率高、成本较低、工序少。缺点是压坯的尺寸、形状和密度有限制，难以成形尺寸精度要求高的大型复杂坯件。(b)等静压技术是根据帕斯卡原理开发出来的一种粉体成形缸和固结技术。该技术具有压坯密度高、压坯密度均匀一致、不需要在粉料中添加润滑剂等优点。缺点主要是工件尺寸精度、表面光洁度以及工艺效率较低，设备昂贵。(c)粉末注射成形缸是将塑料注射成形缸技术引入粉末冶金领域而形成的一种粉末冶金近净成形技术。该技术不仅具有工序少、无切削或少切削、经济效益高等优点，而且克服了其它传统粉末冶金技术制品密度低、材质不均匀、机械性能低、复杂结构成形等问题。缺点是难以制造薄壁及大型复杂结构坯件。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能够制造薄壁及大型复杂结构坯件的3D打印机。
本发明的目的采用以下技术方案实现：
一种3D打印机，包括一工作平台、一铺粉装置、一推粉结构及一喷射装置，所述铺粉装置包括一供粉缸结构及一成形缸结构，所述供粉缸结构及所述成形缸结构活动安装于所述工作平台并能沿一垂直于所述工作平台的方向运动，所述推粉结构滑动安装于所述工作平台并能沿一平行于所述工作平台的方向移动将所述供粉缸结构内的粉末材料推至所述成形缸结构，所述喷射装置活动安装于所述工作平台并向所述成形缸结构喷射粘合剂使所述成形缸结构内的粉末形成一待制作产品。
优选的，所述3D打印机还包括一底座，所述工作平台固定于所述底座，所述供粉缸结构包括一第二驱动件及一与所述第二驱动件固定连接的供粉缸活塞，所述第二驱动件收容于所述底座，所述供粉缸活塞安装于所述工作平台。
优选的，所述成形缸结构包括一第一驱动件及一与所述第一驱动件固定连接的成形缸活塞，所述第一驱动件收容于所述底座，所述成形缸活塞安装于所述工作平台。
优选的，所述铺粉装置还设有一前置粉末回收槽及一后置粉末回收槽，所述供粉缸活塞及所述成形缸活塞位于所述前置粉末回收槽及所述后置粉末回收槽之间。
优选的，所述推粉结构包括一固定安装于所述工作平台的第三驱动件、一与所述第三驱动件固定连接的第一减速机、一安装于所述第一减速机的第一传动件及一固定于所述第一传动件的推板，所述第三驱动件通过所述第一传动件带动所述推板沿所述平行于所述工作平台的方向移动。
优选的，所述喷射装置包括一固定安装于所述工作平台的第一移动结构、一滑动安装于所述第一移动结构的第二移动结构、一滑动安装于所述第二移动结构的第三移动结构及一固定安装于所述第三移动结构的喷射结构。
优选的，所述第一移动结构包括一第四驱动件、一第二减速机及一第二传动件，所述第四驱动件固定于所述工作平台，所述第二减速机与所述第四驱动件固定连接，所述第二传动件安装于所述第二减速机。
优选的，所述工作平台包括一主体及两固定于所述主体的滑轨，所述第二移动结构包括一支架、一第一直线模组及一第五驱动件，所述支架与所述第二传动件固定连接并与所述两滑轨配合沿所述滑轨移动。
优选的，所述第三移动结构包括一第二直线模组及一第六驱动件，所述第二直线模组滑动安装于所述第一直线模组，所述第六驱动件固定安装于所述第二直线模组。
优选的，所述喷射结构包括一喷射模块及一与所述喷射模块连通的喷嘴，所述喷射模块固定安装于所述第二直线模组。
相比现有技术，本发明3D打印机中推粉结构滑动安装于工作平台并能沿平行于工作平台的方向移动将供粉缸结构内的粉末材料推至成形缸结构，喷射装置活动安装于工作平台并向成形缸结构喷射粘合剂使成形缸结构内的粉末形成一待制作产品，使金属零件的生产无需模具、制造过程无应力缺陷、材料密度均匀无偏析、对粉末材料种类无限制、无需工序准备、材料利用率高、易于实现复杂结构零件坯件的快速成形等亮点。
附图说明
图1为本发明3D打印机的一立体图。
图2为图1的3D打印机的另一立体图。
图3为图1的3D打印机的又一立体图。
图中：100、3D打印机；10、工作平台；12、主体；14、滑轨；16、连接柱；20、铺粉装置；21、成形缸结构；22、第一驱动件；23、成形缸活塞；24、供粉缸结构；25、第二驱动件；26、供粉缸活塞；27、后置粉末回收槽；28、前置粉末回收槽；30、推粉结构；31、第三驱动件；32、第一减速机；33、第一传动件；34、推板；40、喷射装置；41、第一移动结构；410、第四驱动件；411、第二减速机；412、第二传动件；42、第二移动结构；421、第五驱动件；422、第一直线模组；423、支架；43、第三移动结构；431、第六驱动件；432、第二直线模组；44、喷射结构；441、喷射模块；442、喷嘴；50、底座。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1至图3，一种3D打印机100包括一工作平台10、一铺粉装置20、一推粉结构30、一喷射装置40及一底座50。
所述工作平台10包括一主体12、两滑轨14及若干连接柱16。所述两滑轨14固定于所述主体12一侧，所述若干连接柱16固定于所述主体12的相对另一侧。每一所述连接柱16为水平调节柱。
所述铺粉装置20包括一成形缸结构21、一供粉缸结构24、一后置粉末回收槽27及一前置粉末回收槽28。所述成形缸结构21包括一第一驱动件22及一成形缸活塞23。所述成形缸活塞23固定于所述第一驱动件22。所述供粉缸结构24包括一第二驱动件25及一供粉缸活塞26。所述供粉缸活塞26固定安装于所述第二驱动件25。所述第一驱动件22及所述第二驱动件25为电动缸。
所述推粉结构30包括一第三驱动件31、一第一减速机32、一第一传动件33及一推板34。所述第一减速机32固定安装于所述第三驱动件31。所述传动件33安装于所述第一减速机32。所述推板34固定安装于所述第一传动件33。所述第三驱动件31为一伺服电机。所述第一传动件33为丝杆。
所述喷射装置40包括一第一移动结构41、一第二移动结构42、一第三移动结构43及一喷射结构44。所述第一移动结构41包括一第四驱动件410、一第二减速机411及一第二传动件412。所述第二减速机411固定安装于所述第四驱动件410。所述第二传动件412安装于所述第二减速机411。所述第四驱动件410为一伺服电机。所述第二传动件412为丝杆。所述第二移动结构42包括一第五驱动件421、一第一直线模组422及一支架423。所述支架423与所述第二传动件412固定连接。所述第一直线模组422安装于所述支架423并与所述第五驱动件421连接。所述第五驱动件421为一伺服电机。所述第三移动结构43包括一第六驱动件431及一第二直线模组432。所述第二直线模组432滑动安装于所述第一直线模组422，所述第六驱动件431固定安装于所述第二直线模组432。所述喷射结构44包括一喷射模块441及一喷嘴442。所述喷射模块441固定安装于所述第二直线模组432。所述喷嘴442与所述喷射模块441连通。
组装所述3D打印机100时，所述工作平台10通过所述若干连接柱16固定于所述底座50。所述第一驱动件22及所述第二驱动件25安装于所述底座50。所述成形缸活塞23及所述供粉缸活塞26位于所述工作平台10的主体12内并与所述主体12侧壁紧密配合。所述后置粉末回收槽27由所述成形缸活塞23一侧与所述工作平台10的间隙形成。所述前置粉末回收槽28由所述供粉缸活塞26一侧与所述工作平台10的间隙形成。所述后置粉末回收槽27及所述前置粉末回收槽28位于所述供粉缸活塞26及所述成形缸活塞23两侧。所述第三驱动件31及所述第四驱动件410固定于所述主体12。所述推板34与一所述滑轨14配合。所述支架423滑动安装于所述两滑轨14。
使用所述3D打印机100时，调节所述连接柱16使所述工作平台10的主体12保持水平。
模型数据准备阶段。打开设备总电源开关；启动设备的控制计算机；将粉末冶金零件的三维CAD模型文件及作业工艺文件导入到控制计算机中；按照作业工艺文件设定的层厚及线条宽度要求进行分层切片处理；计算处理结果按层号从低到高顺序保存到轮廓及填充路径文件中。
设备初始化阶段。控制计算机自动检查各驱动端口；通过控制所述第六驱动件431、第五驱动件421及第四驱动件410使所述喷嘴442位于原点。控制所述第三驱动件31使所述推板34位于原点。控制所述第二驱动件25使所述供粉缸活塞26下降至原点。控制所述第一驱动件22使所述成形缸活塞23处于工作平面。启动设备外部的真空吸粉装置，回收所述后置粉末回收槽27及所述前置粉末回收槽28中的剩余粉末材料；停止设备外部的真空吸粉装置；初始化其它电气接口。
粉末材料及粘合剂准备阶段。根据模型数据准备阶段的计算结果准备相应重量的粉末材料及粘合剂；控制所述第二驱动件25使所述供粉缸活塞26上升到粉末材料指定容积位置；粉末材料倒入所述供粉缸活塞26中并铺平；粘合剂容器瓶通过聚氨酯胶管连接到所述喷射模块441的入料接口。在一实施例中，所述粉末材料为金属粉末。
启动作业阶段。控制计算机的作业状态数据清零，设定当前层号为0层；驱动所述喷射模块441的喷射电磁阀及压力泵进行喷射动作以排空流道中的空气、同时吸入粘合剂；粘合剂吸入过程完成，停止喷射动作；
底粉铺送阶段。控制所述第二驱动件25使所述供粉缸活塞26上升到底粉指定厚度；控制所述第一驱动件22使所述成形缸活塞23下降指定的底粉厚度位置；控制所述第三驱动件31使所述推板34推动铺送的粉末材料匀速移动到所述后置粉末回收槽27位置，过程中粉末材料均匀铺设在所述成形缸活塞23上(即成形缸中)，多余的粉末材料落入所述后置粉末回收槽27中；控制所述第三驱动件31使所述推板34移动到所述前置粉末回收槽28位置，多余的粉末材料落入所述前置粉末回收槽28中；
预热阶段。控制计算机启动安装在所述第一驱动件22四周的加热板，当控制计算机测量到成形缸的缸体温度达到作业工艺预设粘合剂凝胶化温度后，等待保温指定时间以保证成形缸中底粉的温度均匀。
分层印刷开始阶段。控制计算机将当前层号加一，从文件中读取相应的轮廓及填充路径数据；控制所述第一驱动件22使所述成形缸活塞23下降指定的一层高度；控制所述第二驱动件25使所述供粉缸活塞26上升指定的一层高度；
分层铺粉阶段。控制所述第三驱动件31使所述推板34推动铺送的粉末材料匀速移动到所述后置粉末回收槽27位置，过程中粉末材料均匀铺设在所述成形缸活塞23上(即成形缸中)，多余的粉末材料落入所述后置粉末回收槽27中；控制所述第三驱动件31使所述推板34移动到所述前置粉末回收槽28位置，多余的粉末材料落入所述前置粉末回收槽28中；
分层轮廓描绘阶段。控制所述第六驱动件431使所述喷射结构44下降到所述喷嘴442离所述工作平台10的主体12的上平面1mm位置；按照作业工艺所设定的轮廓线宽度设置所述喷射结构44的压力泵对应参数；同步控制第五驱动件421及第四驱动件410以及所述喷射结构44的喷射电磁阀开闭，按照轮廓路径描绘分层实体轮廓。
分层实体填充阶段。按照作业工艺所设定的填充线宽度设置所述喷射结构44的压力泵对应参数；同步控制第五驱动件421及第四驱动件410以及所述喷射结构44的喷射电磁阀开闭，按照填充路径描绘分层实体填充图案。
喷头回位及凝胶阶段。通过控制所述第六驱动件431、第五驱动件421及第四驱动件410使所述喷嘴442位于原点；按照作业工艺所设定的凝胶时间等待当前分层所喷射的粘合剂完成渗透和凝胶。
分层印刷判断阶段。按照作业文件的设定判断当前层是否为最高的一层，如果是则进入下一阶段工序，如果不是则转到分层印刷开始阶段以继续执行后续分层的印刷作业。
自动清洗阶段。所述喷射结构44的喷射电磁阀及压力泵进行喷射动作以排空流道中的粘合剂；所述喷射结构44的溶剂阀及压力泵以吸入清洗溶剂；等待指定的清洗时间；所述喷射结构44的喷射电磁阀及压力泵进行喷射动作以排空流道中的清洗溶剂；停止喷射动作；
粘合剂强化阶段。控制计算机提高所述第一驱动件22四周的加热板的控制温度，当缸体温度达到作业工艺预设的粘合剂强化温度后，持续保温指定时间以保证粘合剂固化强度；停止加热并等待成形缸冷却到室温。
清粉阶段。使用额外的外部真空吸粉装置清除所述成形缸活塞23上未粘合固化的粉末材料，取出已完全固化成形的粉末冶金零件坯件；释放作业数据及文件资源，关闭控制计算机及设备总电源开关。
对所述固化成形的粉末冶金零件坯件进行烧结致密化处理。
本发明相对于现有的粉末冶金零件坯件的成形技术而言，具有无需模具、制造过程无应力缺陷、对粉末材料种类无限制、无需工序准备、易于实现复杂结构零件坯件的快速成形的优点。提高了复杂结构粉末冶金零件坯件的制造质量，降低了设计和制造的综合成本。
本发明相对于现有的模压成形、注射成形等主流粉末冶金零件成形技术而言，还具有材料密度均匀无偏析的优点，同时有效地克服了这些技术中存在的压坯尺寸、形状、密度有限制以及难以成形尺寸精度要求高的薄壁和大型复杂坯件等缺点。提高零件产品的性能指标。
本发明相对于现有的数控机床切削加工技术而言，具有材料利用率接近100％、易于实现复杂结构零件的快速成形的优点。大大降低了加工制造成本。
本发明综合了计算机辅助设计技术、软件技术、数控技术、机械工程、电子技术等领域，实现了从零件的三维模型数据到三维实体制造的过程一体化，是一种全新的全数字化先进智能制造技术设备。
本发明相对于现有的FDM、SLA、SLS、SLM、LENS、3DP等3D打印技术而言，具有对粉末材料种类无限制、材料成本低、零件坯件经烧结致密化后性能指标能够接近甚至优于传统主流的粉末冶金零件成形技术等优点。这些优点克服了当前3D打印技术的大多数应用还仅限于概念原型设计和零件装配检验阶段的问题。本发明的意义在于通过将新兴的3D打印技术与传统的粉末冶金烧结致密化加工技术相结合，提升粉末冶金零部件行业的设计和生产水平，促进制造业转型升级，为发展结构与功能一体化的新材料等战略性新兴产业提供装备技术基础。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种3D打印机，包括一工作平台，其特征在于：所述3D打印机还包括一铺粉装置、一推粉结构及一喷射装置，所述铺粉装置包括一供粉缸结构及一成形缸结构，所述供粉缸结构及所述成形缸结构活动安装于所述工作平台并能沿一垂直于所述工作平台的方向运动，所述推粉结构滑动安装于所述工作平台并能沿一平行于所述工作平台的方向移动将所述供粉缸结构内的粉末材料推至所述成形缸结构，所述喷射装置活动安装于所述工作平台并向所述成形缸结构喷射粘合剂使所述成形缸结构内的粉末形成一待制作产品。
2.根据权利要求1所述的3D打印机，其特征在于：所述3D打印机还包括一底座，所述工作平台固定于所述底座，所述供粉缸结构包括一第二驱动件及一与所述第二驱动件固定连接的供粉缸活塞，所述第二驱动件收容于所述底座，所述供粉缸活塞安装于所述工作平台。
3.根据权利要求2所述的3D打印机，其特征在于：所述成形缸结构包括一第一驱动件及一与所述第一驱动件固定连接的成形缸活塞，所述第一驱动件收容于所述底座，所述成形缸活塞安装于所述工作平台。
4.根据权利要求3所述的3D打印机，其特征在于：所述铺粉装置还设有一前置粉末回收槽及一后置粉末回收槽，所述供粉缸活塞及所述成形缸活塞位于所述前置粉末回收槽及所述后置粉末回收槽之间。
5.根据权利要求1所述的3D打印机，其特征在于：所述推粉结构包括一固定安装于所述工作平台的第三驱动件、一与所述第三驱动件固定连接的第一减速机、一安装于所述第一减速机的第一传动件及一固定于所述第一传动件的推板，所述第三驱动件通过所述第一传动件带动所述推板沿所述平行于所述工作平台的方向移动。
6.根据权利要求1所述的3D打印机，其特征在于：所述喷射装置包括一固定安装于所述工作平台的第一移动结构、一滑动安装于所述第一移动结构的第二移动结构、一滑动安装于所述第二移动结构的第三移动结构及一固定安装于所述第三移动结构的喷射结构。
7.根据权利要求6所述的3D打印机，其特征在于：所述第一移动结构包括一第四驱动件、一第二减速机及一第二传动件，所述第四驱动件固定于所述工作平台，所述第二减速机与所述第四驱动件固定连接，所述第二传动件安装于所述第二减速机。
8.根据权利要求7所述的3D打印机，其特征在于：所述工作平台包括一主体及两固定于所述主体的滑轨，所述第二移动结构包括一支架、一第一直线模组及一第五驱动件，所述支架与所述第二传动件固定连接并与所述两滑轨配合沿所述滑轨移动。
9.根据权利要求8所述的3D打印机，其特征在于：所述第三移动结构包括一第二直线模组及一第六驱动件，所述第二直线模组滑动安装于所述第一直线模组，所述第六驱动件固定安装于所述第二直线模组。
10.根据权利要求9所述的3D打印机，其特征在于：所述喷射结构包括一喷射模块及一与所述喷射模块连通的喷嘴，所述喷射模块固定安装于所述第二直线模组。
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