CN107336441A - 一种刮粉机构、铺粉装置及3d打印装置 - Google Patents

一种刮粉机构、铺粉装置及3d打印装置 Download PDF

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曹玄扬
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周朝辉
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    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor

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Abstract

本发明涉及一种刮粉机构，包括刮刀，所述刮刀上固定有与刮刀长度方向平行的铺粉辊，所述铺粉辊的最低限位不高于刮刀的最低限位；还包括用于驱动铺粉辊转动的驱动机构；当所述刮粉机构运行时，所述铺粉辊顶部的线速度方向与刮刀的前进方向相反。本发明针对传统刮刀铺粉松散，粉层颗粒间间隙较多，容易在零件内部形成气孔等问题，增加了一个利用驱动机构向前转动来压实粉末的铺粉辊结构，从而大大增加了粉层的密实程度，减少粉末颗粒间隙，对提高最终打印零件的质量具有较大的帮助，通过控制滚筒的转动方向，获得更好的技术效果。

Description

一种刮粉机构、铺粉装置及3D打印装置
技术领域
本发明涉及一种刮粉机构、铺粉装置及3D打印装置，属于增材制造设备领域。
背景技术
3D打印技术是快速成型技术的一种，它是一种以三维模型为基础，运用金属粉末或者塑料等可粘合材料，通过逐层扫描，层层堆垛的方式来构造出立体三维零件的技术。该技术结合了CAD/CAM、光学、数控及材料科学等各类学科，应用领域非常广泛，在珠宝、医疗、鞋类、工业设计、建筑、航空航天、汽车、教育等都有应用前景。
选区激光熔化（SLM）、选择性激光烧结（SLS）等方法都是使用粉末原料，通过将粉末原料粘接、熔融烧结等方法制备成产品。但其在实际加工工程中仍存在致密度不够、尺寸精度低、表面质量差等问题。铺粉装置是3D打印设备中重要的组成部分，其铺粉的稳定性和可靠性对成型零件的精度和质量都有着重要的影响。通过改善铺粉刮刀的结构和铺粉方式，保证粉层的水平度、均匀度和密实度，可有效保证成形零件的最终质量。
现有的铺粉装置是单纯利用刀片式的薄刮刀进行铺粉，刮刀制造材料因为打印粉末的不同而不同，有不锈钢、高速钢、陶瓷、塑胶和炭纤维（毛刷刮刀）等。这种铺粉方式可有效将粉末按照预设的粉层厚度均匀的铺展在打印平台上。但这类铺粉方式的粉层是自由滚动向前铺展，粉末始终处于松散状态，颗粒间存在较多的间隙，在激光照射熔化后，间隙间的气体容易因为冷却速度较快溢散不出而在零件内部形成气孔，极大影响了零件打印后的质量。
现有常用的刮刀结构及刮粉方式如图1和图2所示，现有刮刀材质一般为不锈钢、高速钢、陶瓷或者橡胶，表面非常光滑，对粉末不具吸附作用，可利用3D打印成型舱内两侧导轨加同步带轮或丝杆驱动刮刀，将前进方向上的粉末按照预设的粉层厚度均匀铺展。但是这种现有刮刀7的铺粉方式粉层是自由滚动向前铺展，将粉末铺展于工作台面6上，粉末始终处于松散状态，颗粒间存在较多的间隙，在激光照射熔化后，间隙间的气体容易因为冷却速度较快溢散不出而在零件内部形成气孔，极大影响了零件打印后的质量。
现有技术中，另一种铺粉方式是通过具有高度差的滚筒的压实来实现粉末的铺实，前一大滚筒10对未铺展的粉末9实现初步的粗铺，后一小滚筒8对铺粉面进一步压实，以进一步提高粉末的平整度。前一铺平装置采用滚筒，滚筒粗铺的刮粉效果不如刮刀平整，且容易导致粉末从滚筒的上方漏至已经铺粉的平面。而后一滚筒的旋转方向与铺粉方向相同，由于铺粉辊与粉末间的摩擦容易在切离面产生剪切力，造成粉末层的移动，影响已经铺好的粉末层。
因此，为了提高铺粉过程粉末的紧实程度，减少粉末间隙，本发明对在传统刮刀结构的基础上进行重新设计。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种刮粉机构，以解决现有刮刀铺粉后粉体颗粒间间隙较大的问题，提高铺粉层的密实度；另外，本发明还提供一种铺粉装置及3D打印装置。
本发明的技术方案如下：一种刮粉机构，包括刮刀，还包括与刮刀长度方向平行的铺粉辊，所述铺粉辊的最低限位不高于刮刀的最低限位；还包括用于驱动铺粉辊转动的驱动机构；当所述刮粉机构运行时，所述铺粉辊顶部的线速度方向与刮刀的前进方向相反。
本发明中，驱动机构控制铺粉辊相对刮刀的前进方向逆向转动，即运行时，铺粉辊顶部的线速度方向与刮刀前进方向相反，铺粉辊底部的线速度方向与刮刀前进方向相同。相对顺转而言，逆向转动拥有以下两个优点：1）逆向转动时铺粉辊最开始接触粉末的点为已经铺好了的粉末层，从随意堆积的粉末（经刮刀粗铺后的粉末）中切离，粉末体中的空气受到挤压向前面松散的粉末体中溢出，不会影响已经铺好的粉末颗粒的状态，从而得到密实且厚度均一的粉层；2）由于铺粉辊与粉末间的摩擦容易在切离面产生剪切力，造成粉末层的移动，而逆向转动可保证粉层的移动面在铺粉辊的前端，不会影响已经铺好的粉末层。
进一步地，所述铺粉辊的最低限位比刮刀的最低限位低0.1~0.5mm 。
进一步地，所述铺粉辊表面的光洁度不低于0.025μm。
优选地，所述铺粉辊与刮刀的相对位置可以调节。
进一步地，所述的铺粉辊表面基本不沾粘有粉末。
进一步地，所述铺粉辊上设有用于将清除铺粉辊上的粉末的除粉机构。
优选地，所述铺粉辊可选用不锈钢、高速钢、陶瓷等材料中的一种或多种制造而成。
优选的，所述铺粉辊固定在刮刀上，或者铺粉辊固定在其他机构上使得铺粉辊与刮刀平行，且铺粉辊的下端（最低限位）低于刮刀的下端（最低限位）。
进一步地，还包括传动机构，所述驱动机构与铺粉辊通过传动机构传动连接。
进一步地，驱动机构通过传动机构与铺粉辊连接或者直接与铺粉辊连接，优选地，传动机构可为齿轮传动、蜗轮蜗杆传动等中的一种或多种，优选地，保证铺粉辊的转动是持续均匀的。
进一步地，所述驱动机构为小型电机。
进一步地，所述刮刀的底部设有曲率半径大于铺粉辊半径的弧形腔，所述铺粉辊安装于该弧形腔内。
作为本发明的另一种实施方式，所述铺粉辊设置于刮刀的背面（即刮粉机构运行时，刮刀上远离刮刀前进方向的一面）。
本发明还提供一种铺粉方法，使用如上所述的刮粉机构进行铺粉，其中，优选的，铺粉辊的转速W与刮刀的移动速度V之间的关系满足：V≤n•2πRW，其中，n为正数，优选地，1<n<2。
采用该铺粉方法，可以保证铺粉辊与粉层之间均是以滚动摩擦的形式进行铺粉，避免滑动摩擦的产生，同时，避免因铺粉辊转速太快而造成扬尘现象。
本发明还提供一种铺粉装置，包括如上所述的刮粉机构。
本发明还提供一种3D打印设备，包括如上所述的铺粉装置。
本发明针对传统刮刀铺粉松散，粉层颗粒间间隙较多，容易在零件内部形成气孔等问题，增加了一个利用驱动机构向前转动来压实粉末的铺粉辊结构，从而大大增加了粉层的密实程度，减少粉末颗粒间隙，同时保证粉层厚度的均一性，对提高最终打印零件的质量具有较大的帮助，通过控制滚筒的转动方向，获得更好的技术效果。
附图说明
图1为一种现有刮粉机构的正视图；
图2是现有刮粉机构的铺粉过程示意图；
图3是另一种现有刮粉机构的铺粉过程示意图；
图4是本发明的一种刮粉机构的正视图；
图5是本发明的一种刮粉机构的后视图；
图6为铺粉辊斜面自锁现象；
图7为本发明的另一种刮粉机构的正视图；
图8为本发明的另一种刮粉机构的后视图；
图9为本发明的一种刮粉机构的铺粉过程示意图。
具体实施方式
一种刮粉机构，包括刮刀1，所述刮刀1上固定有与刮刀长度方向平行的铺粉辊2，所述铺粉辊2的最低限位不高于刮刀1的最低限位；还包括用于驱动铺粉辊2转动的驱动机构3；当所述刮粉机构运行时，所述铺粉辊2顶部的线速度方向与刮刀1的前进方向相反。
其中，铺粉辊2的最低限位比刮刀1的最低限位低0.1~0.5mm。进一步地，铺粉辊的最低限位与刮刀本体的最低限位之间的尺寸差不宜过大，避免因堆压的粉末过多而造成铺粉辊的斜面自锁现象（如图6所示，因作用于物体的主动力的合力的作用线在摩擦角之内，则无论这个力怎样大，总有一个全反力与之平衡，物体保持静止的现象），影响刮刀前行。
优选地，铺粉辊2表面的光洁度不低于0.025μm。
所述铺粉辊2上设有用于将清除铺粉辊2上的粉末的除粉机构。
该刮粉机构还包括传动机构4，所述驱动机构3与铺粉辊2通过传动机构4传动连接。
作为本发明的一种方案，刮刀1的底部设有曲率半径大于铺粉辊2半径的弧形腔，所述铺粉辊2安装于该弧形腔内（见图4和图5）。
本刮刀装置工作原理如图9所示，刮刀1在两侧导轨加同步带轮或丝杆驱动刮刀装置往前推进，刮刀1将粉末均匀松散地铺在工作台上，此时电机经传动机构带动铺粉辊2对粉末进行压实，将松散的粉层变成紧实的粉层。
作为本发明的另一种方案，铺粉辊2设置于刮刀1的背面（见图7和图8），具体地，铺粉辊2通过传动机构4与刮刀主体相连，可达到同样的效果。
铺粉时，铺粉辊2的转速W与刮刀1的移动速度V之间的关系满足：V≤ n•2πRW，其中，n为正数。
下面结合实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
该刮粉机构配置在EOS设备M290中，刮刀将粉末从供粉仓顶层按照预设的粉层厚度向工作基台推进，同时小型电机开始运动，在刮刀刮平粉末后，同时，铺粉辊对刮平后的粉末实施压实处理，最终到达粉末回收仓，刮刀上提，电机停止运转，并整体往回运动到起点。同时，供粉仓上移一个层厚，工作基台下移一个层厚，刮刀下移后重复以上的过程，并最终打印出气孔和缺陷少的高质量零件。
实施例2
该刮粉机构配置在Renishaw设备AM400中，粉末先从供粉仓内落入铺粉装置，然后铺粉装置从后往前运动，刮刀将落入成形基板上的粉末进行均匀铺展，同时小型电机带动铺粉辊对刮平后的粉末实施压实处理，最终到达前端的粉末回收仓，铺粉装置上提，电机停止运转，并整体往回运动到起点。同时供粉仓再次向铺粉装置供入一定量的粉末，工作基台下移一个层厚，铺粉装置下移后重复以上的过程，并最终打印出气孔和缺陷少的高质量零件。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

Claims (10)

1.一种刮粉机构，包括刮刀（1），其特征在于，还包括与刮刀（1）长度方向平行的铺粉辊（2），所述铺粉辊（2）的最低限位不高于刮刀（1）的最低限位；还包括用于驱动铺粉辊（2）转动的驱动机构（3）；当所述刮粉机构运行时，所述铺粉辊（2）顶部的线速度方向与刮刀（1）的前进方向相反。
2.根据权利要求1所述的刮粉机构，其特征在于，所述铺粉辊（2）的最低限位比刮刀（1）的最低限位低。
3.根据权利要求1所述的刮粉机构，其特征在于，所述铺粉辊（2）表面的光洁度不低于0.025μm。
4.根据权利要求1所述的刮粉机构，其特征在于，所述铺粉辊（2）上设有用于将清除铺粉辊（2）上的粉末的除粉机构。
5.根据权利要求1所述的刮粉机构，其特征在于，还包括传动机构（4），所述驱动机构（3）与铺粉辊（2）通过传动机构（4）传动连接。
6.根据权利要求1所述的刮粉机构，其特征在于，所述刮刀（1）的底部设有曲率半径大于铺粉辊（2）半径的弧形腔，所述铺粉辊（2）安装于该弧形腔内。
7.根据权利要求1所述的刮粉机构，其特征在于，所述铺粉辊（2）设置于刮刀（1）的背面。
8.一种铺粉方法，其特征在于，使用如权利要求1~8任一项所述的刮粉机构进行铺粉，其中，铺粉辊（2）的转速W与刮刀（1）的移动速度V之间的关系满足：V≤n·2πRW，其中，n为正数。
9.一种铺粉装置，其特征在于，包括如权利要求1~8任一项所述的刮粉机构。
10.一种3D打印设备，其特征在于，包括如权利要求9所述的铺粉装置。
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