CN108312537B - 一种精确控制出粉量的3d打印装置及打印方法 - Google Patents

一种精确控制出粉量的3d打印装置及打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种控制出粉量的3D打印装置及打印方法，属于快速成型技术领域。包括称重传感器、工作平台、数据处理单元、控制中心、同轴送粉装置和激光熔覆装置；所述同轴送粉装置和激光熔覆装置置于所述工作平台的上方，所述同轴送粉装置用于向工作平台输送激光打印原料，并经激光熔覆装置熔覆成型；所述称重传感器置于所述工作平台的下方，用于称量工作平台上的打印的零件的实时成型重量；所述称重传感器还与所述数据处理单元相连；所述数据处理单元与所述控制中心相连；所述控制中心与所述同轴送粉装置相连。采用本发明可以达到实时调整出粉量的目的，不仅会提高产品的成型效率，还可以提高3D打印产品的打印精度、打印效果的优点。

Description

一种精确控制出粉量的3D打印装置及打印方法
技术领域
本发明涉及一种精确控制出粉量的3D打印装置及打印方法，属于快速成型技术领域。
背景技术
3D打印是一种以数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。常常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型或者用于一些产品的直接制造。在3D打印过程中，通常会对同轴送粉装置设置一定的出粉速度，然而成型过程中，激光成型速度常常与出粉速度不一致，当出粉速度大于成型速度时，会导致激光成型原料的浪费，而当出粉速度小于成型速度时，又会导致成型效率降低，如何精准控制同轴送粉装置的出粉速度与成型速度相匹配，是本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种精确控制出粉量的3D打印装置。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种精确控制出粉量的3D打印装置，包括称重传感器、工作平台、数据处理单元、控制中心、所述同轴送粉装置和激光熔覆装置；所述同轴送粉装置和激光熔覆装置置于所述工作平台的上方，所述同轴送粉装置用于向工作平台输送激光打印原料，并经激光熔覆装置熔覆成型；所述称重传感器置于所述工作平台的下方，用于称量工作平台上的打印的零件的实时成型重量；所述称重传感器还与所述数据处理单元相连；所述数据处理单元与所述控制中心相连；所述控制中心与所述同轴送粉装置相连。
进一步地，所述称重传感器用于将称量的重量数据实时传输至所述数据处理单元。
进一步地，所述数据处理单元用于将处理后的数据传输至所述控制中心。
进一步地，所述控制中心用于根据传输的数据实时控制同轴送粉装置的送粉量。
本发明还提供一种精确控制出粉量的打印方法，包括步骤：
S1、在3D打印开始前清理所述工作平台（2），激活称重传感器（1）并清零，在数据处理单元（3）中设置基材需求成型速度VFR、成型标准件重量WS、成型速度允许误差量ε、重量误差量δ、单位时间t，此时，第k个单位时间的激光送粉装置（5）的粉末速度VPk、成型重量Wk均为0，k为正整数；
S2、3D打印过程中，数据处理单元（3）获取VPk、Wk，计算实际成型速度VFk；
S3、数据处理单元（3）判断WS与Wk的差值是否小于δ，如果差值小于δ，则进入步骤S7，如果差值大于δ则进入步骤S4；
S4、判断VFk和VFR的差值是否小于ε，若差值小于ε，则返回步骤S2，若差值大于ε，则进入步骤S5；
S5、数据处理单元（3）根据VPk、VFk和VFR计算调节速度ΔVk；
S6、对第k+1时刻的VPk+1进行调节，并返回步骤S2；
S7、结束3D打印。
进一步地，步骤S2中根据公式VFk=（Wk-Wk-1）/t，计算实际成型速度VFk。
进一步地，步骤S5中根据公式ΔVk=|VPk×(1-VFR/VFk)|，计算调节速度ΔVk。
进一步地，步骤S6中对VPk+1进行调节具体为：
如果VFk>VFR，则VPk+1=VPk-ΔVk；
如果VFk<VFR，则VPk+1=VPk+ΔVk。
本发明由于采用以上技术方案，其达到的技术效果为：
（1）本发明所述控制出粉量的3D打印装置及打印方法，通过在工作平台下方设置称重传感器，对激光成型过程中实时监控成型重量，通过对成型速度与出粉速度进行比对，成型速度大时，降低粉末送粉速度，成型速度小时，增加粉末的送粉速度，可以达到实时调整出粉量的目的，不仅会提高产品的成型效率，还可以提高3D打印产品的打印精度、打印效果的优点。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的打印方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明一种精确控制出粉量的3D打印装置，包括称重传感器1、工作平台2、数据处理单元3、控制中心4、同轴送粉装置5和激光熔覆装置6；所述同轴送粉装置5和激光熔覆装置6置于所述工作平台的上方，所述同轴送粉装置5用于向工作平台输送激光打印原料，并经激光熔覆装置6熔覆成型；所述称重传感器置于所述工作平台2的下方，用于称量工作平台上的打印的零件的实时成型重量；所述称重传感器1还与所述数据处理单元3相连，用于将称量的重量数据实时传输至所述数据处理单元3；所述数据处理单元3与所述控制中心4相连，用于将处理后的数据传输至所述控制中心4，本发明中所述数据处理单元可以为任意可实现数据处理的系统，例如西门子828D机床数控系统；所述控制中心4与所述同轴送粉装置5相连；所述控制中心4用于根据传输的数据实时控制同轴送粉装置5的送粉量。
如图2所示，一种精确控制出粉量的打印方法，包括步骤：
S1、在3D打印开始前清理所述工作平台2，激活称重传感器1并清零，在数据处理单元3中设置基材需求成型速度VFR、成型标准件重量WS、成型速度允许误差量ε、重量误差量δ、单位时间t，此时，第k个单位时间的激光送粉装置5的粉末速度VPk、成型重量Wk均为0，k为正整数。
其中需求成型速度VFR范围为0.5-1kg/h，成型标准件重量WS范围为50-200kg、粉末速度VPk范围为1-3kg/h，单位时间t范围为1-5min，成型速度允许误差量ε为需求成型速度VFR的5%-10%，重量误差量δ为成型标准件重量WS的0.1-0.5kg。
清理工作平台可以采用吹气或吸尘的方式，使工作平台2表面清洁，不存在打印原料粉末或杂物，然后将称重传感器1数值清零。
S2、3D打印过程中，数据处理单元3获取VPk、Wk，计算实际成型速度VFk。
为了能够更准确的控制基材的成型速度，数据处理单元3每隔一个单元时间就对获取一次VPk、Wk，计算实际成型速度VFk，计算公式为VFk=（Wk-Wk-1）/t。
S3、数据处理单元（3）判断WS与Wk的差值是否小于δ，如果差值小于δ，说明基材成型重量接近标准件重量，打印已经完成，进入步骤S7；如果差值大于δ则说明打印尚未完成，继续执行3D打印，返回步骤S4；
S4、判断VFk和VFR的差值是否小于ε，若差值小于ε，则返回步骤S2，若差值大于ε，则进入步骤S5。
若VFk和VFR的差值是否小于ε说明成型速度在允许范围内，不用对VPk进行调整，若差值大于ε，说明存在的偏差较大，此时通过调节VPk达到控制VFk的目的。
S5、数据处理单元3根据VPk、VFk和VFR计算调节速度ΔVk。
计算公式为ΔVk=|VPk×(1-VFR/VFk)|。
S6、对第k+1时刻的VPk+1进行调节，并返回步骤S2。
调节具体为：
如果VFk>VFR，说明实际成型速度大于设定的需求成型速度，需要降低成型速度，则VPk+1=VPk-ΔVk；
如果VFk<VFR，说明实际成型速度小于设定的需求成型速度，需要提高成型速度，则VPk+1=VPk+ΔVk。
S7、结束3D打印。
实施例1：
在数据处理单元3中设置VFR=1kg/h，VP0=2kg/h，WS=100kg，ε=0.1kg/h，δ=0.1kg，t=5min。
此时k=0,VP0=0,W0=0。
当k=1时，
VP1=2kg/h，测得W1= 0.05kg；
由于|WS-W1|>δ，打印继续进行；
根据计算公式VF1=（W1-W0）/t获得VF1=0.6kg/h；
|VF1-VFR|>ε需要调整粉末速度；
ΔV1=|VP1×(1-VFR/VF1)|=0.8kg/h；
由于VF1<VFR，说明实际成型速度小于设定的需求成型速度，需要提高成型速度，则VP2=VP1+ΔV1=2.8kg/h。
当k=2时，
测得W2= 0.15kg；
由于|WS-W2|>δ，打印继续进行；
通过计算公式获得VF2=1.2kg/h；
|VF1-VFR|>ε需要调整粉末速度；
ΔV2=|VP2×(1-VFR/VF2)|=0.56kg/h；
由于VF2>VFR，说明实际成型速度大于设定的需求成型速度，需要降低成型速度，则VP3=2.24kg/h。
当k=3时，
测得W3= 0.23kg；
由于|WS-W3|>δ，打印继续进行；
通过计算公式获得VF2=0.96kg/h；
|VF1-VFR|<ε，不需要调整粉末速度；
则VP4=VP3=2.24kg/h。
…
当k=n时，
测得Wn=100.02kg，
此时|WS-Wn|<δ,3D打印结束。
上述实施方式中，所述数据处理单元采用现有技术中任意能够实现数据处理的装置，通常数据处理装置能够满足如下要求即可：根据称量的重量与成型时间计算出成型速度，数据处理单元将处理的成型速度数据传输至控制中心，与控制中心中监控的同轴送粉装置的出粉速度相比较，当成型速度大于出粉速度时，降低粉末送粉速度，成型速度小于出粉速度时，增加粉末的送粉速度。
上述实施方式旨在举例说明本发明可为本领域专业技术人员实现或使用，对上述实施方式进行修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，故本发明包括但不限于上述实施方式，任何符合本权利要求书或说明书描述，符合与本文所公开的原理和新颖性、创造性特点的方法、工艺、产品，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种精确控制出粉量的3D打印装置，其特征在于：包括称重传感器(1)、工作平台(2)、数据处理单元(3)、控制中心(4)、同轴送粉装置(5)和激光熔覆装置(6)；所述同轴送粉装置(5)和激光熔覆装置(6)置于所述工作平台的上方，所述同轴送粉装置(5)用于向工作平台输送激光打印原料，并经激光熔覆装置(6)熔覆成型；所述称重传感器置于所述工作平台(2)的下方，用于称量工作平台上的打印的零件的实时成型重量；所述称重传感器(1)还与所述数据处理单元(3)相连；所述数据处理单元(3)与所述控制中心(4)相连；所述控制中心(4)与所述同轴送粉装置(5)相连；所述称重传感器(1)用于将称量的重量数据实时传输至所述数据处理单元(3)；所述数据处理单元(3)用于将处理后的数据传输至所述控制中心(4)；所述控制中心(4)用于根据传输的数据实时控制同轴送粉装置(5)的送粉量；
在3D打印开始前清理所述工作平台(2)，激活称重传感器(1)并清零，在数据处理单元(3)中设置基材需求成型速度VFR、成型标准件重量WS、成型速度允许误差量ε、重量误差量δ、单位时间t，此时，第k个单位时间的激光送粉装置(5)的粉末速度VPk、成型重量Wk均为0，k为正整数；
3D打印过程中，数据处理单元(3)获取VPk、Wk，计算实际成型速度VFk；
数据处理单元(3)判断WS与Wk的差值是否小于δ，如果差值小于δ，则结束3D打印，如果差值大于δ则判断VFk和VFR的差值是否小于ε，若差值小于ε，则数据处理单元(3)重新获取VPk、Wk，计算实际成型速度VFk，若差值大于ε，则数据处理单元(3)根据VPk、VFk和VFR计算调节速度ΔVk；对第k+1时刻的VPk+1进行调节，并重新获取VPk、Wk，计算实际成型速度VFk。
2.一种使用权利要求1所述3D打印装置的精确控制出粉量的打印方法，其特征在于，包括步骤：
S1、在3D打印开始前清理所述工作平台(2)，激活称重传感器(1)并清零，在数据处理单元(3)中设置基材需求成型速度VFR、成型标准件重量WS、成型速度允许误差量ε、重量误差量δ、单位时间t，此时，第k个单位时间的激光送粉装置(5)的粉末速度VPk、成型重量Wk均为0，k为正整数；
S2、3D打印过程中，数据处理单元(3)获取VPk、Wk，计算实际成型速度VFk；
S3、数据处理单元(3)判断WS与Wk的差值是否小于δ，如果差值小于δ，则进入步骤S7，如果差值大于δ则进入步骤S4；
S4、判断VFk和VFR的差值是否小于ε，若差值小于ε，则返回步骤S2，若差值大于ε，则进入步骤S5；
S5、数据处理单元(3)根据VPk、VFk和VFR计算调节速度ΔVk；
S6、对第k+1时刻的VPk+1进行调节，并返回步骤S2；
S7、结束3D打印。
3.如权利要求2所述的打印方法，其特征在于，步骤S2中根据公式
VFk＝(Wk-Wk-1)/t
计算实际成型速度VFk。
4.如权利要求2所述的打印方法，其特征在于，步骤S5中根据公式
ΔVk＝|VPk×(1-VFR/VFk)|
计算调节速度ΔVk。
5.如权利要求2所述的打印方法，其特征在于，步骤S6中对VPk+1进行调节具体为：
如果VFk>VFR，则VPk+1＝VPk-ΔVk；
如果VFk<VFR，则VPk+1＝VPk+ΔVk。
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