CN106694883B - 一种同步铺粉式金属激光3d打印的送粉装置 - Google Patents

一种同步铺粉式金属激光3d打印的送粉装置 Download PDF

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Abstract

一种同步铺粉式金属激光3D打印的送粉装置，包括储粉仓（1）、送粉仓（2）、送粉带（3）、铺粉头（4）、主传动齿轮（5）、从传动齿轮（6）、驱动电机（7）、横梁（18）、熔覆头（19）和外壳（11）。送粉仓通过滚动轴承固定在熔覆头上自由转动，送粉仓上部安装有传动齿轮，与另一传动齿轮啮合组成传动齿轮副，在电机驱动下实现预定动作；储粉仓静止不动，但与送粉仓保持相对滑动；粉末从送粉仓底出口进入送粉带并在驱动轮带动下被送至铺粉头，在重力作用下粉末均匀铺展在基板上形成粉末层；铺粉头与外壳一起固定在熔覆头上；通过程序设定使送粉仓与熔覆头协调运动，保证粉末层始终在激光光斑的正前方；铺粉头内部采用循环水冷却。

Description

一种同步铺粉式金属激光3D打印的送粉装置
技术领域
本发明涉及一种同步铺粉式金属激光3D打印的送粉装置与方法，属激光3D打印技术领域。
背景技术
目前，金属激光熔覆或激光3D打印过程粉末供给方式主要有两种，即铺粉式和同步送粉式。铺粉式粉末供给系统通过机械方式将金属粉末在腔体的整个区域铺上薄薄的一层，激光在指定区域进行“选区熔化”，大部分的粉末并未利用；而同步送粉式粉末供给系统通过气体或重力将金属粉末送至激光光斑处，边送粉边熔化，大部分粉末被气体吹走或者从基体弹走，粉末利用率很低。更重要的是，在载流气体和保护气体的冲击下，熔池液面会发生明显扰动，从而对熔覆层的组织形态产生影响。在某些激光熔覆或激光金属3D打印的探索性研究中，金属粉末十分昂贵且稀有，需要高效利用，而打印室都被惰性气体保护，因此载流气体及保护气体的作用减弱以致可以忽略。
发明内容
本发明的目的是，为了提高粉末供给精度及效率，消除载流气体和保护气体对熔池的冲击与扰动，提高金属激光3D打印的精度与效率，减少粉末浪费，本发明提出一种同步铺粉式金属激光3D打印的送粉装置。
实现本发明的技术方案如下：一种同步铺粉式金属激光3D打印的送粉装置包括储粉仓、送粉仓、送粉带、铺粉头、主传动齿轮、从传动齿轮、驱动电机、横梁、熔覆头和外壳。
所述储粉仓1固定在熔覆头19之上并设置有进粉口10，与送粉仓2滑动配合；所述送粉仓2与从传动齿轮6固定安装在一起，并通过滚动轴承8固定在熔覆头19之上；从传动齿轮6上设置有输粉口22与储粉仓1相连，储粉仓1中的粉末9通过进粉口10进入储粉仓1后通过输粉口22进入送粉仓2，实现对粉末9的连续输送；所述送粉仓2底部设置出粉口23，粉末9通过出粉口23被经过的送粉带3带走并输送至铺粉头4，然后在重力作用下均匀铺展在基板17之上形成粉末层21，其宽度为1～10mm；所述从传动齿轮6与主传动齿轮5相互啮合，主传动齿轮5在电机7驱动下带动从传动齿轮6从而带动送粉仓2及送粉带3一起绕熔覆头19转动，通过程序设定与熔覆头19做协调运动，以保证粉末层21始终位于激光光斑20前进方向的正前方；所述电机7安装在横梁18上；所述铺粉头4通过外壳11固定在熔覆头19之上，其内部采用循环冷却水冷却，冷却水15通过进水口13进入铺粉头4，并通过出水口14流出铺粉头4；所述激光光斑20照射在粉末层21之上，形成熔覆层，层层打印之后得到金属激光3D打印样品。
所述送粉带3上均布大量的送粉斗24，起运输粉末之用，其宽度为1～20mm；所述送粉斗24在送粉带3上横向分布1～10个，其结构可为倒圆锥台、倒四棱锥台、斗形；所述送粉带3运动速度为0～1000mm/min；在驱动轮12的驱动下，送粉带3可按照实际需要实现连续送粉、改变送粉速度、暂停动作；所述驱动轮12与两个从动轮相对位置可调，从而实现送粉带3下坡角度调节，下坡角度调节范围30°～60°。
所述铺粉头4为中空圆锥环结构，其上设置有进水口13、出水口14；内部圆锥孔母线与轴线之间的角度在30°～60°，从而调节粉末铺展均匀性。
所述主传动齿轮5直径为10～50mm，主传动齿轮5和从传动齿轮6直径比1:1～1:5。
所述送粉仓2与从传动齿轮6固定在一起，通过从传动齿轮6与主传动齿轮5相啮合并在电机7驱动下与熔覆头19协调运动，即熔覆头19在运动轨迹上转动θ角度，送粉仓2绕熔覆头19相应转动θ角度，以保证粉末层21始终均匀铺展在激光光斑20的正前方；送粉仓2转动速度0～100r/min。
所述滚动轴承8内圈固定在熔覆头19之上，外圈与所述的送粉仓2紧密配合，并保证送粉仓2能够运动自如。
所述铺粉头4通过外壳11固定在熔覆头19之上，外壳11上设置有窗口16，供主传动齿轮5进入与从传动齿轮6相啮合。
所述储粉仓1、送粉仓2、外壳11均采用透明材料，以便于观察。
与现有技术比较，本发明的有益效果是，
本发明以同步铺粉方式，金属粉末通过送粉仓、送粉带、铺粉头在重力的作用下将粉末平稳均匀的铺展在基板之上，减小了粉末的流动速度，降低了粉末对基板表面的冲击，减少了粉末从基板反弹的可能性，从而大大提高粉末利用率。本发明采用的驱动机构，可以通过程序设定使送粉仓与熔覆头协调运动，保证粉末层始终位于激光光斑的正前方；本发明的送粉带，可在驱动程序的指导下完成连续送粉、改变送粉速度等动作，也可配合送粉仓的转动暂停送粉(如熔覆头180°急转弯时，送粉仓绕熔覆头旋转180°，在此期间送粉带暂停送粉)以减少粉末的浪费。本发明采用的铺粉头与基板距离、熔覆头出光口与铺粉头相对位置可调，从而能保证激光光斑以聚焦的状态辐照在金属粉末之上。本发明的送粉带由大量的送粉斗组成，通过对连续粉流的离散化完成对金属粉末的可控送粉(改变送粉速率、粉末层宽度、粉末层厚度等)，提高粉末利用率。
本发明适用于具有保护气氛室的3D打印过程，粉末的输送与铺展过程中不涉及载流气体与保护气体，从而消除了气体及粉末对熔池的冲击与扰动，改善打印层内部组织结构一致性与方向性。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为送粉带平面结构示意图；
图3为送粉带横截面结构示意图；
图4为送粉仓与熔覆头协调运动示意图；
其中：1为储粉仓，2为送粉仓，3为送粉带，4为铺粉头，5为主传动齿轮，6为从传动齿轮，7为驱动电机，8为滚动轴承，9为金属粉末，10为进粉口，11为外壳，12为驱动轮，13为进水口，14为出水口，15为冷却水，16为窗口，17为基板，18为横梁，19为熔覆头，20为激光光斑，21为粉末铺展层，22为输粉口，23为出粉口，24为送粉斗。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述：
本实施例一种同步铺粉式金属激光3D打印的送粉装置结构如图1所示，包括储粉仓1、送粉仓2、送粉带3、铺粉头4、主传动齿轮5、从传动齿轮6、驱动电机7、横梁18、熔覆头19和外壳11。
本实施例中金属粉末9采用Inconel 625高温合金粉末，粉末为球状，粒径为40～100μm。通过激光3D打印制备一块尺寸为50mm×50mm×50mm的样品，扫描路径采用“S”形，激光光斑直径3mm，搭接率50％，扫描速度300mm/min，激光功率1000W。
如图1所示，金属粉末9从进粉口10装进储粉仓1，储粉仓1固定在熔覆头19之上；粉末9通过输粉口22流入送粉仓2直至填满；此时送粉带3处于静止状态，粉末9不会从出粉口流出；调整铺粉头4与基板17之间的距离为4mm，光斑直径为3mm；启动送粉带3，输送粉末9至铺粉头4，在重力作用下粉末9沿着铺粉头4内壁均匀平滑铺展在基板17之上，形成粉末层21，粉末层21宽度约为4mm，在本实施例中送粉速度30mm/min，送粉带3宽度为8mm，宽度方向分布送粉斗24为4个，送粉斗结构可为倒圆锥台或倒四棱锥台，在本实施例中采用倒四棱锥台，如图2和图3所示。打开激光器电源产生激光光斑20，辐照在粉末层21之上并发生熔化，形成熔覆层。
根据程序设定，扫描路径中短边不出光，以改善直角转弯处熔覆精度；通过配合熔覆头19运动轨迹，即当熔覆头19顺时针转过180°作反方向扫描时，驱动电机7带动主传动齿轮5逆时针转过180°带动从传动齿轮6顺时针转过180°，从而使送粉仓2绕熔覆头19相对于原来方向同样顺时针转过180°，以保证粉末层21始终位于激光光斑20的正前方；配合送粉仓2运动轨迹，送粉带3的驱动轮12在送粉仓2转动过程中停止转动，从而使粉末9停留在送粉斗24之中，减少粉末浪费。本实施例送粉仓与熔覆头协调运动如图4所示。
本实施例中驱动电机7转动速度为30r/min，主传动齿轮5直径为20mm，主传动齿轮5与从传动齿轮6直径比为1:2。
铺粉头4通过外壳11固定在熔覆头19之上，工作时储粉仓1、铺粉头4、外壳11固定不动，从传动齿轮6、送粉仓2、送粉带3绕熔覆头19转动，送粉带3在驱动轮12带动下作循环运动；铺粉头4材料可用铜合金以增强冷却效果，内部中空，循环冷却水15从进水口13进入，从出水口14流出，本实施例中冷却水流量在为20L/min。

Claims (8)

1.一种同步铺粉式金属激光3D打印的送粉装置，其特征在于，所述装置包括储粉仓、送粉仓、送粉带、铺粉头、主传动齿轮、从传动齿轮、驱动电机、横梁、熔覆头和外壳；所述储粉仓固定在熔覆头之上并设置有进粉口，与送粉仓滑动配合；所述送粉仓与从传动齿轮固定安装在一起，并通过滚动轴承固定在熔覆头之上；从传动齿轮上设置有输粉口与储粉仓相连，储粉仓中的粉末通过进粉口进入储粉仓后通过输粉口进入送粉仓，实现对粉末的连续输送；所述送粉仓底部设置出粉口，粉末通过出粉口被经过的送粉带带走并输送至铺粉头，然后在重力作用下均匀铺展在基板之上形成粉末层，其宽度为1~10mm；所述从传动齿轮与主传动齿轮相互啮合，主传动齿轮在电机驱动下带动从传动齿轮从而带动送粉仓及送粉带一起绕熔覆头转动，通过程序设定与熔覆头做协调运动，以保证粉末层始终位于激光光斑前进方向的正前方；所述电机安装在横梁上；所述铺粉头通过外壳固定在熔覆头之上，其内部采用循环冷却水冷却，冷却水通过进水口进入铺粉头，并通过出水口流出铺粉头；所述激光光斑照射在粉末层之上，形成熔覆层，层层打印之后得到金属激光3D打印样品。
2.按权利要求1所述的一种同步铺粉式金属激光3D打印的送粉装置，其特征在于，所述送粉带上均布大量的送粉斗，起运输粉末之用，其宽度为1~20mm；所述送粉斗在送粉带上横向分布1~10个，其结构可为倒圆锥台、倒四棱锥台、斗形；所述送粉带运动速度为0~1000mm/min；在驱动轮的驱动下，送粉带可按照实际需要实现连续送粉、改变送粉速度、暂停动作；所述驱动轮与两个从动轮相对位置可调，从而实现送粉带下坡角度调节，下坡角度调节范围30°~ 60°。
3.按权利要求1所述的一种同步铺粉式金属激光3D打印的送粉装置，其特征在于，所述铺粉头为中空圆锥环结构，其上设置有进水口、出水口；内部圆锥孔母线与轴线之间的角度在30°~ 60°，从而调节粉末铺展均匀性。
4.按权利要求1所述的一种同步铺粉式金属激光3D打印的送粉装置，其特征在于，所述主传动齿轮直径为10~50mm，主传动齿轮和从传动齿轮直径比1:1~1:5。
5.按权利要求1所述的一种同步铺粉式金属激光3D打印的送粉装置，其特征在于，所述送粉仓与从传动齿轮固定在一起，通过从传动齿轮与主传动齿轮相啮合并在电机驱动下与熔覆头协调运动，即熔覆头在运动轨迹上转动θ角度，送粉仓绕熔覆头相应转动θ角度，以保证粉末层始终均匀铺展在激光光斑的正前方；送粉仓转动速度0~100 r/min。
6.按权利要求1所述的一种同步铺粉式金属激光3D打印的送粉装置，其特征在于，所述滚动轴承内圈固定在熔覆头之上，外圈与所述的送粉仓紧密配合，并保证送粉仓能够运动自如。
7.按权利要求1所述的一种同步铺粉式金属激光3D打印的送粉装置，其特征在于，所述铺粉头通过外壳固定在熔覆头之上，外壳上设置有窗口，供主传动齿轮进入与从传动齿轮相啮合。
8.按权利要求1所述的一种同步铺粉式金属激光3D打印的送粉装置，其特征在于，所述储粉仓、送粉仓、外壳均采用透明材料，以便于观察。
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