CN107282924B - 一种3d打印装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印装置和方法，该装置包括机体、粉料收集器和控制装置；机体内设有直接金属烧结区、激光熔覆区和中间隔板；直接金属烧结装置由粉料室、烧结室、粉料刮板和激光发射装置组成，粉料刮板设置于分隔板顶部的平面上；所述烧结室还具有依次设置的底板、托盘、承载底座和升降装置，激光发射装置设置于烧结室上部；中间隔板是由烧结室的一部分侧壁形成的；激光熔覆区内设有机械手和激光熔覆装置；打印装置还设有两个风枪。本发明的装置和方法具有以下优点：不用单纯使用一种方法加工，工件的几何形状范围得到提升；更容易采用复合材料；方便打印特定的结构，比如悬垂结构；缩短零件的后处理时间；优化空间配置，设备一体化。

Description

一种3D打印装置和方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种可进行复合材料打印的一体化3D打印装置及打印方法。

背景技术

近年来，随着产品复杂度不断增加，对轻量化零件的需求越来越大，工业界中各种有关金属增材的制造技术受到的重视程度也日渐提高。目前常用的金属增材制造技术为直接金属烧结技术及激光金属沉积技术，此两种技术都采用了激光打印技术，有着各自的独特优点，很大程度上实现了产品定制化，也可以灵活小批量的生产复杂零件以及实现免组装设计。

直接金属烧结技术是一种基于电脑3D模型并利用高功率激光，通过激光光束熔化在粉床上铺设的金属粉末，一层一层的建立零件结构的技术。由于直接金属烧结技术是根据3D模型分层建造的，因此该技术可以加工零件内部的复杂结构。随着整体工业界趋向轻量化浪潮，直接金属烧结技术亦可制造一些特别的超轻量结构，但该技术亦存在以下限制：

由于此技术是基于分层建造的，在建造一些复杂的悬垂结构时，需要额外建造一些支撑结构，这不但会导致较复杂的后加工，而且还会造成额外的材料消耗；同时，直接金属烧结技术的整体工件大小(主体结构和附属结构大小之和)亦会受到激光可照射范围以及工作平台的容量限制，即便是主体结构不大但附属结构较大时其也不能整体打印；另外，更换制造原料时，必先把整个粉缸中及粉床上的原料彻底清除；而直接金属烧结技术中所使用的粉材的特性(细度十分高)则会导致其难以清除干净，从而容易导致材料污染而在后续烧结时产生质量问题，因此在此技术中，难以制造复合材料的工件。

激光金属熔覆技术中会有一个多轴喷嘴，可喷射出金属粉末材料并同时射出激光束，利用激光能量让喷射出的金属粉末材料熔化，打印出3D工件结构。与直接金属烧结技术相比，激光金属熔覆技术并不局限于平面，也可以于3D面上打印出所需的结构形状。此技术对于材料的限制也较少，同时可使用不同的粉材来加工同一工件；但同样激光金属熔覆技术亦有其限制，与直接金属烧结技术不同，激光金属熔覆技术所制成的工件会较为粗糙，不但表面的光洁度较低而且一些特殊结构(例如，网格结构及低密度梳气结构等)亦不能实现。

因受到两项技术的自身缺陷的限制，一些拥有复杂几何形状的工件需要一个较长的后加工时间才能完成，而不能通过单独的3D金属打印工艺来实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可进行复合材料打印、能打印特定结构并且后续处理时间短的自动化的3D打印装置和方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的方案为：

一种3D打印装置，其包括机体、粉料收集器和控制装置，所述机体底部设有若干开口、孔洞或狭缝，或者使用三者中至少一种的组合，以供粉料漏出；用于收集机休内漏出的粉料的漏斗形状的粉料收集器设置于机体下方，控制装置为计算机；

所述机体内设有相邻地设置的直接金属烧结区和激光熔覆区，两者之间设有可向上打开的中间隔板；

所述直接金属烧结区中设有直接金属烧结装置，所述直接金属烧结装置由粉料室、烧结室、粉料刮板和激光发射装置组成，所述粉料室和烧结室均具有若干竖直设置的侧壁；所述粉料室和烧结室之间设有分隔板，粉料室和烧结室的其他侧壁的高度高于分隔板的高度，所述粉料刮板设置于分隔板顶部所在的平面上，其底部是平直的；具体来说，分隔板可以具有以下三种结构之一或者类似结构：1)其是由粉料室和烧结室共同的一部分侧壁形成的，2)其是由分属于粉料室和烧结室但一部分完全贴合在一起的侧壁形成的，3)其是由分属于粉料室和烧结室且间隔一定距离的侧壁和设置于两侧壁顶部的连接块共同形成的；当然也可以是现有技术中其他可以实现上述粉料室和烧结室功能的其他方式。为实现该功能，对粉料室和烧结室的结构要求是：粉料室和烧结室是邻近设置的，各自由若干侧壁围成一个空间，两室之间部分的侧壁较其他部分要低、而在该中间部分设有刮板；从而可以将粉料室中的粉料刮到烧结室中而不会外溢(因为两室相邻的部分低而其他部分高)。

所述粉料室除各侧壁外还具有底板和升降装置，所述底板设置于各侧壁组成的空间内且与侧壁完全贴合，升降装置设置于底板下方并与之固定相连；所述烧结室除侧壁外还具有从上至下依次设置的底板、托盘、承载底座和升降装置，托盘可拆卸地配合于承载底座，承载底座与升降装置固定连接；所述激光发射装置设置于烧结室上部；上述粉料室和烧结室的内部结构和其侧壁组成了完整的粉料室和烧结室。

所述中间隔板是由烧结室的一部分侧壁形成的，其向上打开后可以使烧结室与激光熔覆区相连通；中间隔板在需要时开启，其他时间下降后作为烧结室侧壁使用；并且中间隔板打开的操作可与机械手的抓取和移动操作相匹配。

所述激光熔覆区为一空置作业空间，所述作业空间内设有一机械手和一激光熔覆装置；所述机械手可与烧结室的托盘上设置的抓取机构相配合而将其牢固地抓取，激光熔覆装置由粉料喷射头、激光发射器和运动机构组成，粉料喷射头和激光发射器均安装于运动机构上；所述运动机构可在至少三个轴向上运动，以使粉料喷射头和激光发射器可以完成各种形状的打印工作和粉料更换操作。

所述打印装置还设有两个风枪，其中第一风枪设置于金属烧结区内并且朝向烧结室中，第二风枪设置于激光熔覆区内的激光熔覆装置上。

工作时，首先向计算机中输入待打印的产品结构设计图纸，并将其分割为主体结构和附属结构后得到各部分的具体结构并设定各部分打印所使用的粉料；计算机准备打印装置，将粉料室底板降低并通过设置于粉料室中的粉料上料装置向其中灌装指定的粉料，烧结室底板上升至指定位置，待粉料灌装完成后刮板刮动若干次将粉料室和烧结室顶部的粉料刮平；计算机向直接金属烧结区传送主体结构数据开始打印，打印时激光发射装置按图纸设计结构向烧结室发射激光烧结粉料，单层打印完成后烧结室底板向下运动一定距离同时粉料室底板向上运动一定距离，刮板往复刮动使两室的粉料平整，激光发射装置发射激光开始下一层打印；需要更换粉料打印主体结构时，中间隔板向上打开一定距离至只露出托盘的抓取机构，待机械手抓牢托盘后，中间隔板继续向上打开直至机械手可以将托盘以及底板上的附着的主体结构取出；当空间足够之后，机械手运动使托盘离开承载底座，并将其直接移出直接金属烧结区；同时，第一风枪启动以对烧结室内的粉料进行吹扫使其掉落干净，而粉料室的底板亦向上运动直至最顶端同时刮板配合刮除粉料，以使粉料室内原有的粉料排除干净；吹扫操作完成后，机械手将初步打印完成的主体结构重新放置于承载托盘上，中间隔离板下降以恢复烧结室功能；并向粉料室中灌装下一次打印所需的粉料，烧结室底板上升至使前次打印的主体结构的顶部与刮板底部处于同一平面的位置，刮板往复刮动若干次以使前次打印好的主体结构内部以及烧结室内部充满新的粉料；最后，烧结室底板向下运动一定距离同时粉料室底板向上运动一定距离，刮板往复刮动使两室的粉料表面平整后继续打印操作，不断重复上述操作直至主体结构的打印完全完成。待主体结构打印完成后，中间隔板向上运动至机械手完成抓取操作，抓取时第一风枪启动以将烧结室内的粉料吹扫干净；机械手夹持着主体结构运动至激光熔覆装置下方并倒置，第二风枪启动以对主体结构内部残留的粉料进行补充吹扫，待吹扫完成后激光熔覆装置启动，在主体结构上打印附属结构，待全部打印完成后取出产品；如有需要，再对打印完成的产品进行补充整形加工。

该装置对传统的3D打印装置的结构进行大胆地创新，将打印分为主体结构打印和附属结构打印这两个阶段进行，两个阶段分别使用不同的打印方法，通过机械手抓取被打印的部件在两区域间的转移，从而一定程度上克服了传统打印方法中整体结构大小受限于打印装置尺寸这一问题(因为有些附属结构分开打印了)；该装置和方法具有以下优点：

1、不用单纯使用一种方法加工，工件的几何形状范围得到提升；

2、更容易采用复合材料；

3、方便打印特定的结构，比如悬垂结构；

4、缩短零件的后处理时间；

5、优化空间配置，设备一体化。

优选地，所述3D打印装置还包括粉料上料装置，所述粉料上料装置具有两套并分别设置于直接金属烧结区和激光熔覆区内，每套粉料上料装置由若干个粉料上料管路组成，每个粉料上料管路由依次相连的粉料储存容器、粉料输送泵、输送管和设置于输送管上的阀门组成。同一套粉料上料装置内的各粉料上料管路并联地连接，用于向粉料室或粉料喷射头中输送粉料，正常工作时其中的一条粉料上料管路开启而其他管路关闭；当需要更换粉料时，前一粉料上料管路关闭而后一粉料上料管路开启，通过后一粉料上料管路中的粉料的输送来实现对于相关管路和部件中残存的前一批次粉料进行置换，从而保证不同粉料间不会有不良的影响。

优选地，所述3D打印装置还包括废料收集装置，所述废料收集装置由依次连接的收集管道和储存装置组成，收集管道与收集装置相连接。漏斗形状的收集装置收集粉料后通过收集管道进入储存装置，储存装置中收集到的粉料可以进行无害化处理或是分离后重复利用。

优选地，所述3D打印装置还包括三维扫描装置，所述三维扫描装置为超声扫描装置，其设置于烧结室上方和/或激光熔覆区内，所述超声扫描装置扫描烧结室内实时烧结产生的主体结构形状和/或是扫描最终产品的结构形状并将扫描结构传输至控制装置。

进一步地，所述3D打印装置还包括一组设置于直接金属烧结区和/或激光熔覆区内的铣刀工具，其可以在主体结构打印过程中同时进行切削加工来修正形状，和/或在打印完成后对最终产品的形状进行修整。

优选地，所述机体上还设有观察口或透明面板，以方便操作员在打印过程中实时查看打印情况。

一种3D打印方法，所述方法包括以下步骤；

分割的步骤：依据待打印的产品的结构将其分割为主体部分和附属部分，并设定各部分打印所使用的粉料，从而将整体产品的打印划分为主体结构打印和附属结构打印的步骤；

所述主体结构打印的步骤包括：

S11初始准备：将权利要求1-6任一项所述的3D打印装置的粉料室底板降至下部后通过粉料上料装置向其中灌装粉料，而烧结室底板上升至顶部位置，待粉料灌装完成后刮板往复刮动若干次而将粉料室和烧结室粉料顶部刮平；

S12单层打印：激光发射装置向烧结室发射激光从而烧结粉料以完成单层打印，单层打印完成后烧结室底板向下运动一定距离，同时粉料室底板向上运动一定距离，刮板往复刮动若干次以使两室的粉料表面平整；不断重复上述单层打印的操作步骤，直至完成由当前材料打印的主体部分的打印；

S13换料准备：当主体结构在不同层使用不同粉料打印而需要更换粉料时，中间隔板向上打开一定距离至只露出托盘的抓取机构，待机械手抓牢托盘后，中间隔板继续向上打开直至机械手可以将托盘以及底板上的附着的主体结构取出；从而避免烧结室中的粉末掉在机械手的夹持部位而不会影响抓取精度，进而提升后续加工的精度；当空间足够之后，机械手运动使托盘离开承载底座，并将其直接移出直接金属烧结区；同时，第一风枪启动以对烧结室内的粉料进行吹扫使其掉落干净，而粉料室的底板亦向上运动直至最顶端同时刮板配合刮除粉料，以使粉料室内原有的粉料排除干净；

上述吹扫操作完成后，机械手将初步打印完成的主体结构重新放置于承载托盘上，中间隔离板下降以恢复烧结室功能；向粉料室中灌装下一次打印所需的粉料，烧结室底板上升至使前次打印的主体结构的顶部与刮板底部处于同一平面的位置，刮板往复刮动若干次使前次打印好的主体结构内部以及烧结室内部充满新的粉料；

最后，烧结室底板向下运动一定距离同时粉料室底板向上运动一定距离，刮板往复刮动使两室的粉料表面平整，然后转至S12步骤执行；

S14主体打印：不断重复S12和S13的步骤直至主体结构的打印完全完成；

所述附属结构打印的步骤包括：

S21吹扫：待主体结构的打印完全完成后，机械手将连接有主体结构的托盘转移至激光熔覆装置下方并倒置，设置于激光熔覆装置上的第二风枪向其喷射气流，同时机械手和/或激光熔覆装置发生运动而将主体结构内部残留的粉料吹扫干净；

S22熔覆：吹扫完成后，激光熔覆装置的粉料喷射头向主体结构的指定位置喷射粉料而激光发射器发射激光将喷射的粉料融化，同时机械手和运动机械根据附属结构打印的需要发生相对运动或转动，从而使激光熔覆装置按设定的附属结构在主体结构上完成附属部分的熔覆操作；

S23换料：需要更换附属结构打印所需的粉料时，运动机构向下运动使粉料喷射头下降至靠近机体底部，激光熔覆装置上的粉料上料装置切换到下次打印所需的粉料管路，粉料喷射头开启喷射粉料直至原有粉料被消耗完毕，激光熔覆装置复位并准备下一次打印操作；

S24附属打印：重复S22和S23的步骤直至附属结构的打印全部完成。

优选地，所述分割的步骤是由人工和/或计算机处理的。

优选地，所述S13换料准备的步骤中，在每次重复之前还增加对主体结构补充吹扫的操作，机械手将连接有主体结构的托盘转移至激光熔覆装置下方并倒置，设置于激光熔覆装置上的第二风枪喷射气流，同时机械手和激光熔覆装置相对运动将主体结构内部残留的粉料吹扫干净。

优选地，所述3D打印方法还包括三维扫描的步骤，通过设置于烧结室上方或激光熔覆区内的超声扫描装置扫描产品结构；当打印的产品与设计图纸有误差时，设置于直接金属烧结区或激光熔覆区中的铣刀工具启动以对产品进行修整。

本发明的装置和方法将打印分为主体结构打印和附属结构打印这两个阶段进行，两个阶段分别使用不同的打印方法，通过机械手抓取完成打印的部件在两区域间的转移，从而一定程度上克服了传统打印方法中整体结构大小受限于打印装置尺寸这一问题；此外，对于需要采用复合材料(不同部位使用不同材料)的产品，该装置也可以自动完成换料操作，并且换料时彻底，不会出现不同粉料间相互影响以及新的激光参数不能匹配原粉料的情况，有效解决了目前的金属增材零件制造难点。该装置和方法是一种可适用于各种形状和结构、可采用多种复合材料进行打印的自动化3D打印设备和方法。

附图说明

图1是本发明实施例的一种设计产品示意图；

图2是本发明的装置和方法打印图1所示的产品烧结过程中某时刻的示意图；

图3是本发明的装置和方法打印图1所示的产品的吹扫示意图；

图4是本发明的装置和方法打印图1所示的产品激光熔覆过程中某时间的示意图；

图5是具有第3种分隔板结构的直接金属烧结区结构示意图。

其中，1、直接金属烧结区，2、激光熔覆区，3、中间隔板，11、粉料室，12、烧结室，13、粉料刮板，14、激光发射装置，15、分隔板，111、粉料室底板，112、升降装置，121、烧结室底板，122、托盘，123、承载底座，124、升降装置，21、机械手，22、激光熔覆装置，4、第一风枪。

具体实施方式

为了使本领域技术人员可以更好地理解本发明，从而对本发明的保护范围作出更清楚地限定，下面以图1所示的产品的结构为例对本发明的装置的具体结构及其工作方法进行详细描述；需要说明的是，以下关于本发明实施方式的描述仅是示例性说明，描述和附图中所示的具体形状、结构和方位并不当然、直接地限定本发明所要求保护的范围，在本发明的发明构思的前提下，本领域技术人员根据本发明记载的内容所作的常规的选择和替换也应当落入本发明的保护范围内。

一种3D打印装置，其由机体、粉料收集器和控制装置组成，所述机体的底部设有若干开口、孔洞或狭缝(也可以是三者的组合)，以供机体内的粉料在必要时掉落出；漏斗形状的粉料收集器设置于机体下方，其用于收集从机体内落出的粉料，收集的粉料转移至特定盛装容器中；控制装置为计算机，其用于将设计图纸转换成3D打印操作指令并控制机体内的各部件工作，计算机相当于装置的大脑而机体及其内的各零件相当于手脚，两者之间相互配合以完成自动化的3D打印工作。在确定需打印的产品结构以后，向计算机中输入其三维图纸(CAD格式或其他计算机可以识别的格式)，由人工和/或计算机将其划分为主体结构和附属结构两部分，计算机在收到主体结构和附属结构的图纸信息后，将其转化成3D打印的操作指令信息，转化操作可以于开始前转换好或是边打印边转换。更佳地，所述机体上设有观察口或透明面板；通过该观察口或透明面板操作人员可以清楚直观地看到打印装置内部的工作情况。

所述机体内设有直接金属烧结区1和激光熔覆区2，两者相邻地设置，两者之间设有可向上打开的中间隔板3；中间隔板3的设置方式可以是现有技术中可以实现该功能的各种方式，例如导轨、滑槽等。一般情况下中间隔板3将两区分隔开来，当需要两区协同工作时，中间隔板3可向上打开以使两者连通。所述直接金属烧结区1中设有直接金属烧结装置，所述直接金属烧结装置由粉料室11、烧结室12、粉料刮板13和激光发射装置14组成，所述粉料室11和烧结室12均竖直地设置于机体内，粉料室11和烧结室12均由若干侧壁组成，侧壁均竖直地设置(垂直于机体底面)，因此，粉料室11和烧结室12的水平截面形状和尺寸完全相同的，其是类似圆筒状的结构，具体的截面形状可以是圆形、正方形、矩形、椭圆形或其他任意形状；其中，矩形是本发明的一种优选水平截面形状。图2-图5所示的为矩形的粉料室11和烧结室12的示意图，但本发明的粉料室11和烧结室12的形状并不限于矩形形状。

所述粉料室11和烧结室12相邻地设置并且两者之间设有分隔板15，粉料室11和烧结室12的其他侧壁高度高于分隔板15的高度，所述粉料刮板13的底部是平直的，其设置于分隔板15顶部所在的平面上，从而可以将粉料室11的粉料刮至烧结室12并形成平整的表面；分隔板15具体可以有三种结构：1)其是由粉料室11和烧结室12共同的一部分侧壁形成的(如图2、3所示)，2)其是由分属于粉料室11和烧结室12但一部分完全贴合在一起的侧壁形成的(图中未示出，但与图2、3所示接近，可以参考图2、3)，3)其是由分属于粉料室11和烧结室12且间隔一定距离的侧壁和设置于两侧壁顶部的连接块共同形成的(如图5所示)；或是现有技术中可以实现粉料室11和烧结室12功能的其他结构。

粉料室11除各侧壁外还具有粉料室底板111和升降装置112，所述粉料室底板111设置于各侧壁组成的空间内且其尺寸与各侧壁完全贴合，升降装置112设置于底板下方并与之固定相连，从而驱动粉料室底板111上下运动。烧结室12除侧壁外还具有从上至下依次设置的烧结室底板121、托盘122、承载底座123和升降装置124，所述烧结室底板121设置于托盘122上，托盘122可拆卸地配合于承载底座123，而承载底座123与升降装置124固定连接；从而使烧结室底板121可以在升降装置124的驱动下上下运动；托盘122上设有供机械手21抓取时配合的抓取机构，从而使烧结室12的托盘122和烧结室底板121可通过机械手21转移。所述中间隔板3是烧结室12的一部分侧壁形成的，其向上打开后可以使烧结室12与激光熔覆区2相连通；打开时烧结室12内的粉料掉落而被收集，而打印有主体结构的烧结室底板121则被激光熔覆区2的机械手21抓取转移。所述激光发射装置14设置于烧结室12上部适当位置，从而可以在需要时发射激光对烧结室12内的粉料进行烧结。所述升降装置(112、124)优选为气缸或步进电机。

所述激光熔覆2区为一空置的作业空间，所述作业空间内设有一机械手21和一激光熔覆装置22；所述机械手21可与烧结室12的托盘上设置的抓取机构配合而将托盘122连同烧结室底板121和附着于底板上的被打印的装置一同抓取过来；激光熔覆装置22由粉料喷射头、激光发射器和运动机构组成，粉料喷射头和激光发射器均安装于运动机构上；运动机构采用了三轴设计，可以进行X,Y,Z三个方向的运动，以配合机械手的运动。在粉料清理完成后，机械手21开始配合激光熔覆装置22进行加工，并保持加工切面需要与激光垂直；当两者运行到程序指定位置时，粉料喷射头喷射金属粉末(附属装置打印所需的材料，可能和主体结构相同也可能不同)，激光发射器同时发射激光束，激光束融化粉料，使熔融粉料在主体结构上积累，形成附属结构。由于机械手可以灵活运动至不同角度，因此此过程不需重新装夹零件，全程可以满足自动化生产。

所述打印装置还设有两个风枪，第一风枪4设置于金属烧结区内并且朝向烧结室中，第二风枪(图中未示出)设置于激光熔覆区内的激光熔覆装置上，从而可以分别在抓取托盘时和激光熔覆前对打印好的主体结构进行吹扫除去残留的粉料。

工作时，首先向计算机中输入待打印的产品结构设计图纸，由人工和/或计算机将该设计图纸分割为主体部分和附属部分，并设定各部分打印所使用的粉料；计算机准备打印装置，将粉料室底板降低并向其中灌装指定的粉料，烧结室底板上升至指定位置，待粉料灌装完成后刮板运动若干次将粉料室和烧结室顶部刮平；计算机向直接金属烧结区传送主体结构数据开始打印，打印时激光发射装置按图纸设计结构向烧结室发射激光烧结粉料，单层打印完成后烧结室底板向下运动一定距离同时粉料室底板向上运动一定距离，刮板往复刮动使两室的粉料平整，激光发射装置发射激光开始下一层打印；计算机根据主体结构形状将划分为若干步骤重复上述操作直至总体或部分主体结构打印完成。待主体结构打印完成后，中间隔板向上运动至机械手完成抓取操作，抓取时第一风枪启动以将烧结室内的粉料吹扫干净；机械手夹持着主体结构运动至激光熔覆装置下方，第二风枪启动以对主体结构内部残留的粉料进行补充吹扫，待吹扫完成后激光熔覆装置启动，在主体结构上打印附属结构，待全部打印完成后取出产品；如有需要，再对打印完成的产品进行补充整形加工。

在另一些实施例中，所述3D打印装置还包括自动化的粉料上料装置和废料收集装置；所述粉料上料装置具有两套并分别设置于直接金属烧结区和激光熔覆区内，每套粉料上料装置由若干个并联设置的粉料上料管路组成，每个粉料上料管路其由依次相连的粉料储存容器、粉料输送泵、输送管和设置于输送管上的阀门组成；所述废料收集装置由依次连接的收集管道和储存装置组成，收集管道与收集装置相连接。

在某些较佳实施例中，所述3D打印装置还包括三维扫描装置，所述三维扫描装置为超声扫描装置，其设置于烧结室上方或激光熔覆区内，可以扫描烧结室内适时烧结产生的主体结构形状，或是在机械手抓取主体结构以后结合机构手的配合运动对打印好的产品的结构进行全面扫描，以确定打印的产品是否与设计图纸一致。

更佳地，所述3D打印装置还包括一组设置于直接金属烧结区中的铣刀工具，其在扫描装置扫描确认打印的形状与设计要求存在一定偏差时启动，在主体结构打印过程中同时进行切削加工来修正形状，以使打印的形状和设计要求完全一致。

一种3D打印方法，该方法包括以下步骤；

分割的步骤：依据待打印的产品的结构将其分割为主体部分和附属部分，并设定各部分打印所使用的粉料，之后针对这两部分分别进行打印(主体结构打印和附属结构打印)；分割的过程可以由人工处理，也可以由计算机处理，亦或是由计算机配合人工共同处理；

主体结构打印的步骤包括：

S11初始准备：根据待打印的主体结构对材料的要求在上述的3D打印装置的粉料室内预先灌装所需的粉料；灌装前，将粉料室底板降低并向其中灌装指定的粉料，烧结室底板上升至指定位置，待粉料灌装完成后刮板刮动若干次将粉料室和烧结室顶部刮平，从而完成第一次打印前的准备工作；

S12单层打印：激光发射装置按图纸设计结构向烧结室发射激光烧结粉料，单层打印完成后烧结室底板向下运动一定距离同时粉料室底板向上运动一定距离，刮板往复刮动若干次以使两室的粉料表面平整，从而完成单层打印；不断重复上述单层打印操作，直至完成由当前材料打印的主体部分的打印；

S13换料准备：当主体结构在不同层使用不同粉料打印而需要更换粉料时，中间隔板向上打开一定距离至只露出托盘的抓取机构，当机械手抓牢托盘后(这样粉料不会提前泄露，机械手夹持部分不会沾到粉末，从而就不会影响抓取精度)，中间隔板继续向上打开直至机械手可以将托盘以及底板上的附着的主体结构取出；当空间足够之后，机械手运动使托盘离开承载底座，并将其直接移出直接金属烧结区；同时第一风枪启动以对烧结室内的粉料进行吹扫使其掉落干净，而粉料室的底板亦向上运动直至最顶端同时刮板配合刮除粉料，以使粉料室内原有的粉料排除干净。此过程中托盘上的粉末将会倾倒流入下部空间，中间隔板和机构手的配合运动可以防止粉料泄露而附着在机械手上而影响抓取的精度。

更佳地，在每次重复之前还增加在主体结构补充吹扫的操作，机械手将连接有主体结构的托盘转移至激光熔覆装置下方，设置于激光熔覆装置上的第二风枪开始喷射气流，同时机械手和/或激光熔覆装置相对运动而将主体结构内部残留的粉料吹扫干净；每次打印前均将粉料室、烧结室和主体结构吹扫干净可以消除不同粉料间的相互影响。

上述吹扫操作完成后，机械手将初步打印完成的主体结构重新放置于承载托盘上，中间隔离板下降以恢复烧结室功能；通过设置于粉料室中的粉料上料装置向粉料室中灌装下一次打印所需的粉料，烧结室底板上升至使前次打印的主体结构的顶部与刮板底部处于同一平面的位置，刮板往复刮动若干次使前次打印好的主体结构内部以及烧结室内部充满新的粉料；

最后，烧结室底板向下运动一定距离同时粉料室底板向上运动一定距离，刮板往复刮动使两室的粉料表面平整，然后转至S12步骤执行；

S14主体打印：不断重复S12和S13的步骤直至主体结构的打印完全完成。

附属结构打印的步骤包括：

S21吹扫：待主体结构的打印完全完成后，机械手将连接有主体结构的托盘转移至激光熔覆装置下方并且将主体结构倒置，设置于激光熔覆装置上的第二风枪开始向其喷射气流，同时机械手和/或激光熔覆装置发生运动，将主体结构内部残留的粉料吹扫干净；

S22熔覆：吹扫完成后，激光熔覆装置的粉料喷射头向主体结构的指定位置喷射粉料而激光发射器发射激光将喷射的粉料融化，同时机械手和运动机械根据需要发生相对运动或转动，从而使激光熔覆装置按设定的附属结构在主体结构上完成附属部分的熔覆操作。

S23换料：需要更换附属结构打印所需的粉料时，运动机构向下运动使粉料喷射头下降至靠近机体底部，激光熔覆装置上的粉料上料装置切换到下次打印所需的粉料管路，粉料喷射头开启喷射粉料直至原有粉料被消耗完毕，激光熔覆装置复位并准备下一次打印操作；

S24附属打印：重复S22和S23的步骤直至打印全部完成。

在某些较佳实施例中，所述3D打印方法还包括三维扫描的步骤，通过设置于烧结室上方或激光熔覆区内超声扫描装置扫描烧结室内实时烧结产生的主体结构形状，或是在机械手抓取主体结构以后结合机构手的配合运动对打印好的产品的结构进行全面扫描，以确定打印的产品是否与设计图纸一致。更佳地，所述3D打印装置还包括一组设置于直接金属烧结区或激光熔覆区中的铣刀工具，其在扫描装置扫描确认打印的形状与设计要求存在一定偏差时启动，在主体结构打印过程中同时进行切削加工来修正形状或是在打印完成以后对产品结构进行微调，以使打印的形状和设计要求完全一致。

在另一些实施例中，所述S13换料准备的步骤中，在每次重复之前还增加对主体结构补充吹扫的操作，机械手将连接有主体结构的托盘转移至激光熔覆装置下方，设置于激光熔覆装置上的第二风枪喷射气流，同时机械手和激光熔覆装置相对运动而将主体结构内部残留的粉料吹扫干净。

Claims (9)

1.一种3D打印装置，其包括机体、粉料收集器和控制装置，所述机体底部设有若干开口、孔洞、狭缝或其组合，漏斗形状的粉料收集器设置于机体下方，控制装置为计算机；

其特征在于，

所述机体内设有相邻地设置的直接金属烧结区和激光熔覆区，两者之间设有可向上打开的中间隔板；

所述直接金属烧结区中设有直接金属烧结装置，所述直接金属烧结装置由粉料室、烧结室、粉料刮板和激光发射装置组成，所述粉料室和烧结室均具有若干竖直设置的侧壁；所述粉料室和烧结室之间设有分隔板，粉料室和烧结室的其他侧壁的高度高于分隔板的高度，所述粉料刮板设置于分隔板顶部所在的平面上，其底部是平直的；

所述粉料室除各侧壁外还具有底板和升降装置，所述底板设置于各侧壁组成的空间内且与侧壁完全贴合，升降装置设置于底板下方并与之固定相连；所述烧结室除侧壁外还具有从上至下依次设置的底板、托盘、承载底座和升降装置，托盘可拆卸地配合于承载底座，承载底座与升降装置固定连接；所述激光发射装置设置于烧结室上部；

所述中间隔板是由烧结室的一部分侧壁形成的，其向上打开后可以使烧结室与激光熔覆区相连通；

所述激光熔覆区为一空置作业空间，所述作业空间内设有一机械手和一激光熔覆装置；所述机械手可与烧结室的托盘上设置的抓取机构相配合，激光熔覆装置由粉料喷射头、激光发射器和运动机构组成，粉料喷射头和激光发射器均设置于运动机构上；

所述3D打印装置还包括粉料上料装置和废料收集装置，

所述粉料上料装置具有两套并分别设置于直接金属烧结区和激光熔覆区内，每套粉料上料装置由若干个并联设置的粉料上料管路组成，每个粉料上料管路由依次相连的粉料储存容器、粉料输送泵、输送管和设置于输送管上的阀门组成；

所述废料收集装置由依次连接的收集管道和储存装置组成，收集管道与收集装置相连接。

2.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述打印装置还设有两个风枪，其中第一风枪设置于金属烧结区内并且朝向烧结室中，第二风枪设置于激光熔覆区内的激光熔覆装置上。

3.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述3D打印装置还包括三维扫描装置，所述三维扫描装置为超声扫描装置，其设置于烧结室上方和/或激光熔覆区内，所述超声扫描装置扫描烧结室内实时烧结产生的主体结构形状和/或扫描最终产品的结构形状并将扫描结果传输至控制装置。

4.根据权利要求3所述的3D打印装置，其特征在于，所述3D打印装置还包括一组设置于直接金属烧结区和/或激光熔覆区内的铣刀工具，其可以在主体结构打印过程中同时进行切削加工来修正形状，和/或在打印完成后对最终产品的形状进行修整。

5.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述机体上还设有观察口或透明面板。

6.一种3D打印方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤；

分割的步骤：依据待打印的产品的结构将其分割为主体部分和附属部分，并设定各部分打印所使用的粉料，从而将整体产品的打印划分为主体结构打印和附属结构打印的步骤；

所述主体结构打印的步骤包括：

S11初始准备：将权利要求1-5任一项所述的3D打印装置的粉料室底板降至下部后通过粉料上料装置向其中灌装粉料，而烧结室底板上升至顶部位置，待粉料灌装完成后刮板往复刮动若干次而将粉料室和烧结室的粉料顶部刮平；

S12单层打印：激光发射装置向烧结室发射激光而烧结粉料以完成单层打印，单层打印完成后烧结室底板向下运动一定距离同时粉料室底板向上运动一定距离，刮板往复刮动若干次以使两室的粉料表面平整；不断重复上述单层打印操作，直至完成由当前材料打印的主体部分的打印；

S13换料准备：当主体结构在不同层使用不同粉料打印而需要更换粉料时，中间隔板向上打开一定距离至只露出托盘的抓取机构，待机械手抓牢托盘后，中间隔板继续向上打开直至机械手可以将托盘以及底板上的附着的主体结构取出；当空间足够之后，机械手运动使托盘离开承载底座，并将其直接移出直接金属烧结区；同时，第一风枪启动以对烧结室内的粉料进行吹扫使其掉落干净，而粉料室的底板亦向上运动直至最顶端同时刮板配合刮除粉料，以使粉料室内原有的粉料排除干净；

上述吹扫操作完成后，机械手将初步打印完成的主体结构重新放置于承载托盘上，中间隔离板下降以恢复烧结室功能；向粉料室中灌装下一次打印所需的粉料，烧结室底板上升至使前次打印的主体结构的顶部与刮板底部处于同一平面的位置，刮板往复刮动若干次以使前次打印好的主体结构内部以及烧结室内部充满新的粉料；

最后，烧结室底板向下运动一定距离同时粉料室底板向上运动一定距离，刮板往复刮动使两室的粉料表面平整，然后转至S12步骤执行；

S14主体打印：不断重复S12和S13的步骤直至主体结构的打印完全完成；

所述附属结构打印的步骤包括：

S21吹扫：待主体结构的打印完全完成后，机械手将连接有主体结构的托盘转移至激光熔覆装置下方并倒置，设置于激光熔覆装置上的第二风枪向其喷射气流，同时机械手和/或激光熔覆装置发生运动而将主体结构内部残留的粉料吹扫干净；

S22熔覆：吹扫完成后，激光熔覆装置的粉料喷射头向主体结构的指定位置喷射粉料而激光发射器发射激光将喷射的粉料融化，同时机械手和运动机械根据需要发生相对运动或转动，从而使激光熔覆装置按设定的附属结构在主体结构上完成附属部分的熔覆操作；

S23换料：需要更换附属结构打印所需的粉料时，运动机构向下运动使粉料喷射头下降至靠近机体底部，激光熔覆装置上的粉料上料装置切换到下次打印所需的粉料管路，粉料喷射头开启喷射粉料直至原有粉料被消耗完毕，激光熔覆装置复位并准备下一次打印操作；

S24附属打印：重复S22和S23的步骤直至附属结构的打印全部完成。

7.根据权利要求6所述的3D打印方法，其特征在于，所述分割的步骤是由人工和/或计算机处理的。

8.根据权利要求6所述的3D打印方法，其特征在于，所述S13换料准备的步骤中，在每次重复之前还增加对主体结构补充吹扫的操作，机械手将连接有主体结构的托盘转移至激光熔覆装置下方并倒置，设置于激光熔覆装置上的第二风枪喷射气流，同时机械手和激光熔覆装置相对运动而将主体结构内部残留的粉料吹扫干净。

9.根据权利要求6所述的3D打印方法，其特征在于，所述3D打印方法还包括三维扫描的步骤，通过设置于烧结室上方或激光熔覆区内的超声扫描装置扫描产品结构；当打印的产品与设计图纸有误差时，设置于直接金属烧结区或激光熔覆区中的铣刀工具启动以对产品进行修整。