CN108115931A - 一种三维打印装置及其振动式铺粉装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维打印装置及其振动式铺粉装置，属于快速成型技术领域。三维打印装置包括控制单元、机架及安装在该机架上的打印平台、铺粉装置与固结装置；铺粉装置为振动式铺粉装置，包括粉筒，可转动地安装在粉筒内的搅拌送粉螺杆，驱动搅拌送粉螺杆转动以搅拌及送粉的驱动器，对粉筒施加振动的振动源，固设在粉筒的出粉口处用于对送出的打印粉进行充电的静电滤网，设于打印平台与静电滤网间用于对已带电的打印粉进行加速的加速电场装置。通过对其铺粉装置的结构进行改进，可在提高铺粉均匀性的同时，提高铺粉效率，可广泛应用于制造领域。

Description

一种三维打印装置及其振动式铺粉装置

技术领域

本发明涉及一种快速成型设备及其零部件，具体地说，涉及一种三维打印装置用的振动式铺粉装置及以该振动式铺粉装置构建的三维打印装置。

背景技术

在三维打印技术中，粉末粘合成型(三维P)、选择性激光烧结(SLS)及选择性激光熔融(SLM)技术均需进行铺粉操作；这三类三维打印装置通常包括控制单元，用于盛装铺设出的粉末层及固结出三维物体的打印平台，受控制单元控制地在打印平台上铺设预定层厚粉末层的铺粉装置，及受控制单元控制地在粉末层上有选择地使部分粉末固结成体结构层的固结装置。在粉末固结过程中，粉末粘合成型技术为使用固结装置在粉末层上有选择地喷洒粘结剂以固结出当前打印层，选择性激光烧结与选择性激光熔融技术均为使用激光器在粉末层上有选择性地烧结部分粉末层以固结出当前打印层；完成当前层粉末固结成型之后，控制单元控制打印平台向下移动将要打印切片层的厚度或控制铺粉装置朝上移动将要打印切片层的厚度，并进行下层铺粉操作。

当前的铺粉装置为使用铺粉辊以平动方式进行铺粉，存在铺粉不均匀及铺粉效率低等问题。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种三维打印装置，通过对其铺粉装置的结构进行改进，以提高其铺粉效率与均匀性的同时，提高其打印质量；

本发明的另一目的是提供一种用于构建上三维打印装置的振动式铺粉装置。

为了实现上述目的，本发明提供的三维打印装置，包括控制单元、机架及安装在该机架上的打印平台、铺粉装置与固结装置；铺粉装置为振动式铺粉装置，包括粉筒，可转动地安装在粉筒内的搅拌送粉螺杆，驱动搅拌送粉螺杆转动以搅拌及送粉的驱动器，对粉筒施加振动的振动源，固设在粉筒的出粉口处用于对送出的打印粉进行充电的静电滤网，设于打印平台与静电滤网间用于对已带电的打印粉进行加速的加速电场装置；铺粉装置受控制单元控制地相对打印平台可沿竖向往复移动及可沿横向往复移动，该竖向为垂直于打印平台的台面的方向，横向为平行于台面的方向；固结装置位于铺粉装置上方地安装在打印平台的正上方，包括激光系统及基于光寻址光阀技术的振镜系统。

在工作过程中，通过搅拌送粉螺杆将装入粉筒内的打印粉搅拌均匀；在铺粉时，通过振动源施加振动，使打印粉进入静电滤网的过粉孔并被充电而带上负电荷，接着带电的粉末进入加速电场装置的加速通道内进行加速，以迅速地喷射到打印平台上，起到压实作用并减少延迟效应，从而有效地提高了打印质量；同时，通过静电滤网可进行大面积的铺粉，有效地提高了其铺粉效率。

具体的方案为静电滤网的过粉孔内设有充电晕丝。有效地提高充电效率与质量。

更具体的方案为打印平台的台面为导体结构，导体结构与直流电源的正极电连接，静电滤网与直流电源的负极电连接。有效的避免因为打印出物体上负电荷累积而降低压实效果。

再具体的方案为加速电场装置为空心螺线管，空心螺线管的轴向沿竖向布置，空心螺线管的内孔构成打印粉加速通道；粉筒的出粉口部的内侧壁内凹形成用于安装空心螺线管的环形凹槽。用螺线管可在其内孔内构建出大致均匀的加速电场，加速电场装置的结构简单且有效。

优选的方案为振动源输出谐振波；粉筒为轴向沿竖向布置的圆筒体，圆筒体的下端口由静电滤网封口，上端口由设有进粉口的端板封口；驱动器为电机，端板下表面固设有用于安装电机的密闭腔室，搅拌送粉螺杆可转动地安装在密闭腔室的腔底壁板上。通过施加谐振波，可有效地提高其出粉质量，以进一步提高打印质量。

为了实现上述另一目的，本发明提供的振动式铺粉装置包括送粉单元、振动单元、充电单元与加速单元；送粉单元包括粉筒、可转动地安装在粉筒内的搅拌送粉螺杆及驱动搅拌送粉螺杆转动以送粉的驱动器；振动单元包括对送粉单元施加振动的振动源；充电单元包括固设在粉筒的出粉口处，用于对送出的打印粉进行充电的静电滤网；加速单元沿出粉的方向，包括位于静电滤网下游且用于对已带电的打印粉进行加速的加速电场装置。

以该铺粉装置构建的三维打印装置，能有效地提高其铺粉质量以提高打印质量的同时，有效地提高铺粉效率。

具体的方案为静电滤网的过粉孔内设有充电晕丝。有效地提高充电效率与质量。

更具体的方案为加速电场装置为空心螺线管，该空心螺线管的轴向沿出粉方向布置，空心螺线管的内孔构成打印粉加速通道；粉筒的出粉口部的内侧壁内凹形成用于安装空心螺线管的环形凹槽。

再具体的方案为振动源输出谐振波。有效地提高其出粉质量，以进一步提高铺粉质量。

优选的方案为粉筒为圆筒体，圆筒体的下端口由静电滤网封口，上端口由设有进粉口的端板封口；驱动器为电机，端板下表面固设有用于安装电机的密闭腔室，搅拌送粉螺杆可转动地安装在密闭腔室的腔底壁板上。

附图说明

图1为从斜向下视角观看本发明三维打印装置实施例中铺粉装置时的结构示意图；

图2为斜向上视角观看本发明三维打印装置实施例中铺粉装置时的结构示意图；

图3为本发明三维打印装置实施例中铺粉装置在略去振动源后的轴向剖视示意图；

图4为图3中的A局部放大图；

图5为本发明三维打印装置实施例进行打印三维物体的过程示意图；

图6为本发明三维打印装置在打印过程中对带电打印粉进行加速的过程示意图。

以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式

以下各实施例主要针对本发明三维打印装置，由于本发明三维打印装置采用了本发明振动式铺粉装置，在三维打印装置实施例中的说明中已包含对振动式铺粉装置实施例的说明，不再对振动式铺粉装置实施例进行赘述。

本发明主要是对三维打印装置中铺粉装置的结构进行改进，以在提高铺粉效率的同时，提高铺粉质量，三维打印中打印平台、固结装置等其他零部件结构可采用现有产品的结构设计。

三维打印装置实施例

参见图1、图2及图5，本发明三维打印装置包括控制单元、机架及安装在该机架上的打印平台1、固结装置2与铺粉装置3。

打印平台1为一安装在机架上且上端敞口的圆筒体结构，其下端安装有驱动机构，用于驱动整个打印平台1在Z轴向上往复上下移动。其中，Z轴向构成本实施例中的竖向，XOY平面构成本实施例中的横向。打印平台1的台面为由导电材料制成的导体结构。

固结装置2固设在打印平台1的正上方，包括激光系统21及基于光寻址光阀技术的振镜系统22，其用于向铺设在打印平台1上的粉层进行部分有选择地激光烧结或激光熔融，以固结出当前打印层。

参见图1至图4，铺粉装置3为振动式铺粉装置，包括送粉单元、振动单元31、充电单元及加速单元。

送粉单元包括粉筒40、可转动地安装在粉筒40内的搅拌送粉螺杆51及驱动器。粉筒40为圆筒体结构，该圆筒体结构的下端口由静电滤网6封口，上端口由设有进粉口410的端板41封口。在端板41的下表面上固设有密封腔室42，搅拌送粉螺杆51可转动地安装在密封腔室42的腔底壁板上，并在密封腔室42内安装有用于驱动搅拌送粉螺杆51绕其自身中心轴线转动的电机43。电机43构成本实施例中用于驱动搅拌送粉螺杆51转动以搅拌及送粉的的驱动器。

振动单元31为电磁谐波振动器，其振子与固设在端板41上的连接座44固定连接，从而对整个粉筒40及安装在粉筒40上的零部件施加谐波振动，即电磁谐波振动器构成本实施例中向送粉单元施加振动的振动源。

充电单元包括固设在粉筒40的出粉口处的静电滤网6，静电滤网6为均匀地设有若干个过粉孔60的板体结构，该板体结构为圆板结构，在每个过粉孔60中均设有用于对通过该过粉孔的打印粉进行充负电荷的电晕丝61，在本实施例，每个过粉孔60中设有沿其周向均匀布置的四个电晕丝61。

加速单元包括设置在粉筒40的出粉口处且位于静电滤网6的下方的加速电场装置7，即沿出粉的方向，加速电场装置7位于静电滤网6下游，加速电场装置7为空心螺线管，在粉筒40的出粉口部的内侧壁内凹形成用于安装空心螺线管的环形凹槽400，空心螺线管的内孔构成本实施例中打印粉的加速通道，用于对已带电的打印粉进行加速。

参见图1至图6，在本发明三维打印装置中，打印平台1在竖向驱动机构的驱动下而能在Z轴向上往复上下移动，而铺粉装置3在横向驱动机构的驱动下能够在XOY平面内平移，即铺粉装置3受控制单元控制地相对打印平台1可沿竖向往复移动及可沿垂直于竖向的横向往复移动，其中，竖向为垂直于打印平台1台面的方向，即Z轴向，横向为平行于台面的方向，即XOY平面的方向。打印平台中为导体结构的台面与高压直流电源7的正极电连接，且静电滤网6与直流电源的负极电连接，从而在对位于过粉孔60内的打印粉01进行充负电荷的同时，并将落于导电结构上的打印粉所携带电荷导走而使打印粉避免负电荷累积而影响打印质量。

在打印过程中，静电滤网6与打印平台1均通电，使静电滤网6与打印平台之间形成高压电场。静电滤网6的过粉孔60内部由金属丝构成的电晕丝61由于电晕放电原理，其释放出的电子迅速向正极移动，在电晕区与粉末分子撞击使之离子化，接着远离金属丝，电场强度降低，离子化过程结束，电子被粉末分子捕获，使得粉末表面带有负电荷，并在电场的作用下朝工作台方向做定向运动。静电滤网与粉末由于电荷的同性相斥原理，不会吸附带有负电荷的粉末。

静电滤网6的起始电晕电压与电极形状、几何尺寸等因素有关，起始电晕所需要电场强度预估为：

其中，δ为空气的相对密度；m为金属丝光滑修正系数，对于清洁的光滑圆丝m＝1，实际可取0.6-0.7。

开始产生电晕电流所施加的电压为：

其中，

C为两个电晕级之间的距离；a为电晕极半径；b为电晕级到工作台的距离。

铺粉前开启进粉口410，将打印粉通过进粉口410装填到粉筒40内，设置电磁谐波振动器的振动频率，使其符合谐波特征。

铺粉开始，关闭进粉口410，铺粉装置3移动到打印平台1正上方。搅拌送粉螺杆51在电机43的驱动下开始旋转运动，不断搅拌铺粉筒内的打印粉，使得打印粉足够的均匀化。

粉筒40在电磁谐波振动器的带动下开始以谐波频率开始振动，驱动铺粉筒内打印粉01垂直下落。打印粉在经过静电滤网6后带上负电荷，之后经过加速电极加速，迅速铺散到打印平台1上，从而起到压实作用以及减少延迟效应。当打印平台上的打印粉达到预定层厚时，铺粉装置3停止工作并退回原点。并可通过将打印平台接地，以使打印粉表面的电子经由打印平台逃离其表面，因此失去电性，不会出现粉末与粉末排斥的现象。

在完成一层的打印后，铺粉装置3重复上述步骤继续工作，直至整个三维物体的打印。

Claims (10)

1.一种三维打印装置，包括控制单元、机架及安装在所述机架上的打印平台、铺粉装置与固结装置；

其特征在于：

所述铺粉装置为振动式铺粉装置，包括粉筒，可转动地安装在所述粉筒内的搅拌送粉螺杆，驱动所述搅拌送粉螺杆转动以搅拌及送粉的驱动器，对所述粉筒施加振动的振动源，固设在所述粉筒的出粉口处用于对送出的打印粉进行充电的静电滤网，设于所述打印平台与所述静电滤网间用于对已带电的打印粉进行加速的加速电场装置；

所述铺粉装置受所述控制单元控制地相对所述打印平台可沿竖向往复移动及可沿横向往复移动，所述竖向为垂直于所述打印平台的台面的方向，所述横向为平行于所述台面的方向；

所述固结装置位于所述铺粉装置上方地安装在所述打印平台的正上方，包括激光系统及基于光寻址光阀技术的振镜系统。

2.根据权利要求1所述的三维打印装置，其特征在于：

所述静电滤网的过粉孔内设有充电晕丝。

3.根据权利要求1或2所述的三维打印装置，其特征在于：

所述打印平台的台面为导体结构，所述导体结构与直流电源的正极电连接，所述静电滤网与所述直流电源的负极电连接。

4.根据权利要求1至3任一项权利要求所述的三维打印装置，其特征在于：

所述加速电场装置包括空心螺线管，所述空心螺线管的轴向沿所述竖向布置，所述空心螺线管的内孔构成打印粉加速通道；

所述粉筒的出粉口部的内侧壁内凹形成用于安装所述空心螺线管的环形凹槽。

5.根据权利要求1至4任一项权利要求所述的三维打印装置，其特征在于：

所述振动源输出谐振波，所述振动源为电磁谐波振动器；

所述粉筒为轴向沿所述竖向布置的圆筒体，所述圆筒体的下端口由所述静电滤网封口，上端口由设有进粉口的端板封口；

所述驱动器为电机，所述端板下表面固设有用于安装所述电机的密闭腔室，所述搅拌送粉螺杆可转动地安装在所述密闭腔室的腔底壁板上。

6.一种三维打印装置的振动式铺粉装置，其特征在于，所述振动式铺粉装置包括：

送粉单元，包括粉筒、可转动地安装在所述粉筒内的搅拌送粉螺杆及驱动所述搅拌送粉螺杆转动以送粉的驱动器；

振动单元，包括对所述送粉单元施加振动的振动源；

充电单元，包括固设在所述粉筒的出粉口处，用于对送出的打印粉进行充电的静电滤网；

加速单元，沿出粉的方向，包括位于所述静电滤网下游且用于对已带电的打印粉进行加速的加速电场装置。

7.根据权利要求6所述的振动式铺粉装置，其特征在于：

所述静电滤网的过粉孔内设有充电晕丝。

8.根据权利要求6或7所述的振动式铺粉装置，其特征在于：

所述加速电场装置包括空心螺线管，所述空心螺线管的轴向沿出粉方向布置，所述空心螺线管的内孔构成打印粉加速通道；

所述粉筒的出粉口部的内侧壁内凹形成用于安装所述空心螺线管的环形凹槽。

9.根据权利要求6至8任一项权利要求所述的振动式铺粉装置，其特征在于：

所述振动源输出谐振波，所述振动源为电磁谐波振动器。

10.根据权利要求6至9任一项权利要求所述的振动式铺粉装置，其特征在于：

所述粉筒为圆筒体，所述圆筒体的下端口由所述静电滤网封口，上端口由设有进粉口的端板封口；

所述驱动器为电机，所述端板下表面固设有用于安装所述电机的密闭腔室，所述搅拌送粉螺杆可转动地安装在所述密闭腔室的腔底壁板上。