CN107303608B - 3d打印用微梳铺粉法及带有梳状刮粉片的打印机 - Google Patents

Abstract

3D打印用微梳铺粉法及带有梳状刮粉片的打印机，属机械领域。使用微梳铺粉法包括：除溢粉铺粉法、留溢粉铺粉法及双缸梳推铺粉法；结构特点是利用梳状刮粉片的铲状构造，前沿部位加工成较薄的梳状锯齿状平面曲线，该曲线平面与成型仓口的表面重合；梳状刮粉片在成型仓口表面滑动，锯齿的尖部恰好使得多余的粉末向齿尖的两侧分开，以填补选择性落粉的无落粉区域；本发明是一种能快速铺粉的方法及简化的铺粉装置及降低了对设备精度的要求，与现有技术相比，本发明结构简单，最为重要的优点是效率快，可以提高2‑3倍以上，具有推广应用的价值。

Description

3D打印用微梳铺粉法及带有梳状刮粉片的打印机

[技术领域]

本发明属于机械技术领域，确切的讲是激光烧结及喷粘式3D打印专用一种快速的逐层铺粉的方法。

[背景技术]

目前，3D打印机逐渐出现在人们的视野中，而粉末激光逐层烧结及粉末逐层粘接的3D打印机作为工业加工的一种重要手段也越来越体现出不可忽视的作用。铺粉技术及装置是金属粉末3D打印机中很重要的一部分，它直接影响工件的打印速度与打印质量。现有的粉末3D打印机的铺粉装置大多为设置能够升降的活塞仓式及上落式供粉装置，这样的铺粉装置都需要刮粉片(也称刮刀)平推粉堆将粉铺匀的机械过程，由于绝对不能扰动上一层已经打印好的成型物件结构，极大地延缓了铺粉速度，也必然会增加结构的复杂程度，效率较低。

技术背景详述：

三维印刷技术(3DP，Three-DimensionalPrinting)主要为粉末粘结成型。3DP的具体工艺为：在每一层粘结完毕后，成型缸下降一个距离(等于层厚)，供粉缸上升一段高度，推出多余粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。喷头在计算机控制下，按照下一个截面的二维几何信息进行运动，有选择地喷射粘结剂，最终构成层面。原理和打印机非常相似，即为三维打印这一名称的由来。铺粉辊铺粉时多余的粉末被粉末收集装置收集。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结，从而生产制品。

3DP技术较为成熟。1989年，美国麻省理工学院的EmanualSachs等人申请了3DP专利，该专利是非成形材料微滴喷射成形范畴的核心专利之一。采用3DP技术的厂商，主要是ZCorporation公司(3DSystems2011年收购)、Ex-One公司和日本RikonInstituto等，zprinter、R系列三维打印机为主。2000年以色列ObjectGeometries(Stratasys2012年收购)推出基于结合3Dink-Jet与SLA工艺的打印设备Quadra。3DP打印设备能使用的材料比较多，包括石膏、塑料、陶瓷和金属等，而且还可以打印彩色零件，成型过程中没有被粘结的粉末起到支撑作用，能够形成内部具备复杂形状的零件。此类打印机通过多碰头和喷嘴来提高速度。国内方面，目前清华大学、西安交通大学、上海大学等也在积极研发。3DP成型速度快，可做彩色原型。3DP技术成型速度快，成型材料价格低，适合做桌面型的快速成型设备。同时，由于在粘结剂中添加颜料，可以制作彩色原型，这是该工艺最具竞争力的特点之一。整个成型过程不需要支撑，多余粉末的去除比较方便，特别适合于做内腔复杂的原型。当然，由于3DP成型件强度较低，只能做概念型模型，而不能做功能性试验件。3DP技术在国外的家电、汽车、航空航天、船舶、工业设计、医疗等领域已得到了较为广泛的应用。目前市场上主流的全彩3D人像打印多采用3DP技术。

金属3D打印SLS技术是3D打印体系中最为前沿和最具潜力的技术。随着科技发展及推广应用的需求，利用快速成型直接制造金属功能零件成为了快速成型主要的发展方向。目前可用于直接制造金属功能零件的快速成型方法主要有：激光净成形(LENS，LaserEngineeredNetShaping)、选择性激光烧结(SLS，SelectiveLaserSintering)和选择性激光熔化(SLM，SelectiveLaserMelting，SLM)、直接金属激光烧结(DMLS，DirectMetalLaserSintering)和电子束熔化技术(EBM，ElectronBeamMelting)等。

SLS技术是以激光器为能量源，通过激光束使粉末均匀地烧结在加工平面上。在工作台上均匀铺上一层很薄(亚毫米级)的粉未作为原料，激光束在计算机的控制下，通过扫描器以一定的速度和能量密度按分层面的二维数据扫描。经过激光束扫描后，相应位置的粉末就烧结成一定厚度的实体片层，未扫描的地方仍然保持松散的粉末状。这一层扫描完毕，随后需要对下一层进行扫描。如此反复，直至扫描完所有层面。去掉多余粉末，并经过打磨、烘干等适当的后处理，即可获得零件。SLS技术适用于复杂零件制造。SLS技术最早于1989年由德克萨斯大学奥斯丁分销的CarlDeckard和JoeBeaman提出，后来两人成立了DTM公司，并于1992年开始SLS商业化产品SinterSation。2001年，3DSystems公司收购了DTM，完成了技术整合。SLS可处理的原料包括塑料粉末(尼龙、聚苯乙烯、聚碳酸酯等，直接激光烧结)、金属粉末(工艺分直接法、间接法和双组员法)、陶瓷粉末(需使用粘结剂，包括无机粘结剂、有机粘结剂和金属粘结剂)。SLS已成功应用于汽车、造船、航天和航空等诸多行业。除DTM公司外，德国EOS公司也开发了相应的系列成型设备。在国内，如华中科技大学、南京航空航天大学、西北工业大学、华北工学院和北京隆源自动成型有限公司等,也取得了许多重大成果，如南京航空航天大学研制的RAP-I型激光烧结快速成型系统、北京隆源自动成型有限公司开发的AFS-300激光快速成型设备等。SLS目前已成功应用于汽车、造船、航天和航空等诸多行业，主要涉及快速原型制造、快速模具和工具制造以及小批量生产等环节。

[发明内容]

本发明的目的就在于为了解决上述问题：铺粉速度极慢、结构复杂及效率较低等缺陷。由于现有的粉末3D打印机的铺粉装置大多为设置能够升降的活塞仓式及上落式供粉装置，这样的铺粉装置都需要刮粉片(也称刮刀)平推粉堆将粉铺匀的机械过程，由于绝对不能扰动上一层已经打印好的成型物件结构，极大地延缓了铺粉速度，也必然会增加结构的复杂程度，效率较低。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的:

本发明的微梳铺粉法法包括以下几类：

除溢粉铺粉法----对成型缸进行选择性落粉或均匀性落粉之后、再使用具有铲状外形并加工有齿状前沿的梳状刮粉片进行刮粉及同时扫除溢粉区域所堆积的粉末的过程。

留溢粉铺粉法----对成型缸进行选择性落粉或均匀性落粉之后、再使用具有铲状外形并加工有齿状前沿的梳状刮粉片进行刮粉的过程。

双缸梳推铺粉法----首先在供粉缸使用具有铲状外形并加工有齿状前沿的梳状刮粉片集粉、再进入除溢粉铺粉法或留溢粉铺粉法的除了落粉以外的铺粉过程。

当上述各铺粉过程仅仅是一个铺粉周期的一部分，完成之后进行激光烧结成型或喷胶粘结成型过程后该周期结束；然后成型缸上的活塞再次下降一层的高度，设有供粉缸的其供粉缸活塞再次上升1层的高度，再进行下一轮成型过程，循环往复。

梳状刮粉片的结构特点：是一个铲状的外形构造，前沿部位加工成较薄的梳状，且具有锯齿的形状；尖端部位较薄，远离尖端部位的结构较厚，与成型缸表面的粉层的接触线是锯齿状曲线，该锯齿状曲线是平面曲线，该曲线平面与成型仓口的表面重合，铲状的外形适合于铲粉，对上一周期的成型粉层的冲击较小，阻力也小，适合于快速梳理粉层。梳状刮粉片在成型仓口表面滑动，像铲雪车一样铲平高出成型仓口表面的粉末，锯齿的尖部恰好使得多余的粉末向齿尖的两侧分开，以填补选择性落粉的无落粉区域。

进一步，在梳状刮粉片的结构上使用震荡器对其前沿的梳状部位提供震荡，用来使得与梳状刮粉片接触的粉末易于滑动及添实，还可以进一步减小对成型缸粉体的冲击力，阻力也更小。

进一步，均匀性落粉过程指的是：在与梳状刮粉片移动的垂直方向上均匀落粉，粉量一次落下或多次落下；相对于均匀性落粉过程而言，所述选择性落粉指的是将粉末落在成型缸上的梳状刮粉片的前沿部齿尖运行路径的条形区域，的宽度小于梳状刮粉片的前沿部齿尖的间距，就一定存在有无落粉区域，所以需要在该条形区域内堆积有超过铺层厚度的粉末带，需要指出的是：选择性落粉意义在于极大的减低对落粉的精细控制度的要求，因为任何常规机械无法一次将落粉层厚精准成目标厚度，只能过量堆粉，给刮粉时的扰动成型物件造成隐患；而在梳状刮粉片的前沿齿尖部运行路径的条形区域以外的区域没有落粉或只有少量落粉；落粉机构是一个下端是一漏斗形的通孔，通孔使用阀门构造使得粉料落下或阻止落下及落下的速度。

进一步，同步扫粉排粉过程指的是：需要通过螺旋刷或吸粉装置或位移刮粉板或吹粉装置等，将梳状刮粉片的刮粉过程所积累溢粉区域(13)的粉体及时移出梳状刮粉片的前端的齿状区域；以减少由于过度的粉量的堆积对成型缸粉体的增加的压力，螺旋刷的结构是刷毛生根在一个圆柱上，毛的方向指向径向，整个圆柱上并不是布满刷毛，而是在圆柱上螺旋分布或单纯的轴向分布；吸粉装置的结构是使用管道将多余的粉吸除；吹粉装置的结构是使用管道将多余的粉吹除；需要指出：清除多余的粉是将之输运出成型缸外部或重新散布在成型缸表面的未被刮粉处理的广大区域上；溢粉区域(13)积粉过多时在高速刮粉时会产生粉体之间剪切力的凹坑问题，甚至推移上一层的悬浮成型物件体。

本发明的有益效果在于:

本发明是一种能快速铺粉的方法及简化的铺粉装置及降低了对设备精度的要求，与现有技术相比，本发明结构简单，最为重要的优点是效率快，可以提高2-3倍以上，具有推广应用的价值。

[附图说明]

以下结合附图就较佳实施例对本发明作进一步说明：

图1激光烧结及喷粘式3D打印专用微梳快速铺粉法示意图。

标号说明：

1 梳状刮粉片

2 刮粉片梳状齿

3 成型缸

4 回粉刷

5 回粉刷轴

6 回粉电机

7 回粉刷转动轴心

8 回粉刷圆周轨迹

9 回粉刷劈尖状前沿

10 铺粉过的粉面

11 选择性落粉区域

12 未落粉区域

13 溢粉区域

14 刮粉方向

15 梳状刮粉片缩小全图

16 回粉刷缩小全图

[具体实施方式]

如图1所示：

刮粉器被铺粉电机拖动，其与粉接触部分为梳状刮粉片1，梳状刮粉片1沿着刮粉方向14水平运动在成型缸3表面扫过；对比梳状刮粉片缩小全图可以看出实际刮粉过程中所生成的溢粉区域13；未落粉区域12的粉面的高度略低于成型缸3的上表面01—3毫米之间该高差是完成一个成型周期后成型缸内的活塞下降而形成的)，选择性落粉区域11是一个条状区域，粉堆积的高度将略凸出于成型缸3的上表面01—3毫米之间，刮粉片劈尖状前沿9所行走的路径位于其中心线位置，由于刮粉片梳状齿2的劈尖形状使得条状的选择性落粉区域11被分成2侧，恰好填补未落粉区域12的缺粉区域，溢粉区域13的过量堆积被回粉刷4扫过，回粉刷圆周轨迹8恰好能扫到堆积粉而不接触到成型缸3的表面位置，详见：回粉刷缩小全图所示；回粉电机6固定在刮粉器上，驱动回粉刷轴5绕着回粉刷转动轴心7转动；铺粉过的粉面10可以被压粉辊再压实，是与成型缸3表面齐平的平整表面。

落粉过程由铺粉漏斗完成，被刮去的多余粉可以被回粉仓回收而再利用。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.3D打印用微梳铺粉法，专门用于激光烧结或喷胶粘结的3D打印机中，包括：除溢粉铺粉法、留溢粉铺粉法或双缸梳推铺粉法；其特征就在于：除溢粉铺粉法是对成型缸进行选择性落粉或均匀性落粉之后、再使用具有铲状外形并加工有齿状前沿的梳状刮粉片进行刮粉及同时扫除溢粉区域所堆积的粉末的过程；留溢粉铺粉法是对成型缸进行选择性落粉或均匀性落粉之后、再使用具有铲状外形并加工有齿状前沿的梳状刮粉片进行刮粉的过程；双缸梳推铺粉法是在供粉缸使用具有铲状外形并加工有齿状前沿的梳状刮粉片集粉、再进入除溢粉铺粉法或留溢粉铺粉法的除了落粉以外的铺粉过程；在完成上述过程之后，进行激光烧结成型或喷胶粘结成型过程后该周期结束；然后成型缸上的活塞再次下降一层的高度，设有供粉缸的其供粉缸活塞再次上升1层的高度，再进行下一轮成型过程，循环往复；梳状刮粉片是一个铲状的外形构造，前沿部位加工成较薄的梳状，且具有锯齿的形状；尖端部位较薄，远离尖端部位的结构较厚，与成型缸表面的粉层的接触线是锯齿状曲线，该锯齿状曲线是平面曲线，曲线平面与成型仓口的表面重合；梳状刮粉片在成型仓口表面滑动，锯齿的尖部恰好使得多余的粉末向齿尖的两侧分开，以填补选择性落粉的无落粉区域。

2.根据权利要求1所述的3D打印用微梳铺粉法，其特征在于:梳状刮粉片的结构上使用震荡器对其前沿的梳状部位提供震荡。

3.根据权利要求1所述的3D打印用微梳铺粉法，其特征在于:均匀性落粉过程指的是：在与梳状刮粉片移动的垂直方向上均匀落粉，粉量一次落下或多次落下；相对于均匀性落粉过程而言，所述选择性落粉指的是将粉末落在成型缸上的梳状刮粉片的前沿部齿尖运行路径的条形区域，的宽度小于梳状刮粉片的前沿部齿尖的间距，就一定存在有无落粉区域，所以需要在该条形区域内堆积有超过铺层厚度的粉末带，而在梳状刮粉片的前沿齿尖部运行路径的条形区域以外的区域没有落粉或只有少量落粉。

Images