CN108480639A - 一种电子束钛合金粉末熔融成形的铺粉装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子束钛合金粉末熔融成形的铺粉装置，属于精密增材制造领域。储粉模块位于工作台上方、并通过支撑件与水平工作台固定连接，用以储存金属粉末并向铺粉模块输送金属粉末，对称直线行走模块中的两个相同的两个直线电缸对称布置在成型室两侧，并固定连接于水平工作台上，同时直线电缸的移动连接端与铺粉模块固定连接，余料回收模块中的两个竖直回收筒分别置于储粉箱两侧并与工作台和储粉箱固定连接。优点是使粉层均匀平整、密度较高且解决了压辊不能顺利通过金属飞溅颗粒和局部翘曲的难题，大幅度提高了装置的铺粉效果，同时提高了实验或产品加工的成功率。

Description

一种电子束钛合金粉末熔融成形的铺粉装置

技术领域

本发明属于精密增材制造领域，尤其涉及一种电子束钛合金粉末粉熔融成形(以下称钛合金电子束3D打印)的铺粉装置。

背景技术

随着智能增材制造技术的迅速发展，金属3D打印技术在多个行业得以应用和发展。金属3D打印装置根据热源进行分类，主要可以分为激光式和电子束式，由于电子束3D打印技术相对于激光3D打印技术存在着输出功率和扫描速度较高、预热效果较好等优势所以其有很大的发展前景。钛合金电子束3D打印的人体植入件在口腔科、神经外科、心血管科、胸外科、骨外科等生物医学领域有着极为广泛的应用需求，所以钛合金电子束3D技术是一种非常具有市场潜力的数字化快速成形加工技术。但钛合金电子术3D打印产品的力学性能及表面精度等方面都有待提高，其中钛合金粉末的铺粉效果起着重要的作用。

目前研究人员对激光式3D打印的铺粉装置进行了大量研究和结构设计，但是由于电子束式与激光式能量源性质的巨大差异，使得适用于激光式3D打印的铺粉装置应用在电子束3D打印过程中会出现诸多问题亟待解决。例如，电子束这种高能量的热源要求铺粉层密度较高以免产生金属飞溅和局部翘曲，所以不宜选用落粉、抖粉或者刮粉方式进行铺粉，然而压粉方式的铺粉机构很难顺利通过较大的金属飞溅颗粒和局部翘曲部分，会产生已成形部分的移动甚至是实验失败亦或是装置的损坏；由于电子束3D打印加工过程需要在真空隔磁的环境下进行，要求铺粉及加工过程中减少灰尘，保持工作环境清洁并消除元器件的磁性对电子束的影响，需要铺粉装置有较好的密封隔磁性以及防射线功能，并及时清理工作台表面的铺粉余料；由于医用人体植入件的个性化设计使得成形件的形状、大小及数量存在较大的差异，需要铺粉装置的铺粉区域具有可调性且铺粉速度较快，进而提高加工效率。上述问题很大程度上影响了加工环境、加工效率、铺粉效果以及装置的可靠性，直接影响了工件的加工效果。

发明内容

本发明提供一种电子束钛合金粉末熔融成形的铺粉装置，使其具有良好的铺粉效果，是结构完善，功能齐全的铺粉装置。

本发明采取的技术方案是：

包括储粉模块、铺粉模块、对称直线行走模块、余料回收模块和水平工作台，储粉模块位于工作台上方、并通过支撑件与水平工作台固定连接，用以储存金属粉末并向铺粉模块输送金属粉末，对称直线行走模块中的两个相同的两个直线电缸对称布置在成型室两侧，并固定连接于水平工作台上，同时直线电缸的移动连接端与铺粉模块固定连接，余料回收模块中的两个竖直回收筒分别置于储粉箱两侧并与工作台和储粉箱固定连接，用于将铺粉余料回收至储粉箱中。

本发明所述储粉模块包括储粉箱、储粉箱封口机构、支撑连接件，储粉箱通过支撑连接件与工作台固定连接，储粉箱封口机构与储粉箱支撑件固定连接，处于储粉箱出粉口的下端用以完成储粉箱出粉口的密封功能。

本发明储粉箱两侧面的上端分别留有两个矩形口，两个矩形口与余料回收模块的竖直回收筒的上端矩形口对齐；

储粉箱封口机构由封口片、两个电磁铁以及相应固定连接板组成，两个电磁铁通过相应的固定连接板与储粉箱支撑连接件固定连接，电磁铁移动端与封口片两端连接。

本发明所述对称直线行走模块包括电机、齿轮换向器、电缸组、传动轴、联轴器、轴承及其固定连接件、行位开关组，电机通过固定座与齿轮换向器固定连接，齿轮换向器与工作台平面固定连接，电机通过齿轮换向器、联轴器、传动轴、轴承及其固定连接件将动力同时传递给两个直线电缸组，电缸组分别布置在成型室两侧，与工作台固定连接，电缸的移动托盘与铺粉模块的托板固定连接，以带动整个铺粉模块进行直线往复运动，行位开关组由四个行为开关组成，分别固定在一个电缸的两端。

本发明所述铺粉模块包括：落粉子模块、刮粉子模块、压辊子模块、防护外壳子模块和托板，其中：

落粉子模块包括：落粉漏斗、搅粉机构、长度调节机构、落粉闭口机构、余料检测开关；

刮粉子模块包括：预刮粉片、刮粉连接杆、柔性刮粉薄片组、余料刮块组；

压辊子模块包括：钢形压辊、轴承、轴承支撑座、压辊驱动单元、压辊竖直导向机构、压辊防脱落螺钉；

防护外壳子模块包括：防护壳体、密封盖、密封盖驱动。

本发明所述落粉子模块的结构是，落粉漏斗与托板固定连接，搅粉机构与长度调节机构与托板上表面固定连接，分别置于漏斗的两侧，落粉闭口机构位于托板的下部与托板固定连接，余料检测装置由三对对射式光电开关组成，三对光电开关布置在托板长边的两侧，与托板下表面固定连接，对射光电开关的光束通过落粉漏斗的透明部分，进行余料余量的检测；

所述搅粉机构包括：搅粉拨叉、丝杠螺母、螺母座、丝杠、轴承及其支撑座、联轴器、驱动电机、导向机构，搅粉拨叉固定端与螺母座固定连接，拨叉端深入落粉漏斗内部且与漏斗壁保持间隙，使得刮粉拨叉在落粉漏斗内部沿着漏斗纵向做往复运动起到搅粉的作用，以保证落粉漏斗内部金属粉末下落流畅；

所述长度调节机构包括：左滑片、右滑片、两个滑片连接件、两个丝杠螺母、两个丝杠螺母座、双向丝杠、轴承及其支撑座、联轴器、驱动电机、导向轴，左滑片和右滑片置于落粉漏斗内部，通过连接件与丝杠螺母座固定连接，电机驱动双向丝杠，使得两个滑片、可以在落粉漏斗内侧实现同时的往复运动，进而调节铺粉漏斗的落粉的纵向长度；

所述落粉闭口机构包括：挡片、挡片连接件、电磁铁、固定支撑座，挡片位于落粉漏斗落粉口粉下端，挡片两端通过挡片连接件与电磁铁的移动端固定连接，电磁铁通过固定支撑座与托板固定连接。

本发明所述刮粉子模块包括：预刮粉片、刮粉连接杆、柔性刮粉薄片组、余料刮块组；预刮粉片通过刮粉连接杆与落粉闭口机构的固定支撑座固定连接，余料刮粉块组与托板下表面固定连接，柔性刮粉薄片组与余料刮粉块组固定连接；

所述预刮粉片空间上位于落粉漏斗和压辊之间，与落粉闭口机构中的固定支撑座固定连接，预刮粉片下端设计为斜面；

所述余料刮粉块组包括四个余料刮粉块，分别与托板下表面固定连接，刮粉块两两一组分布在托板的两长边，刮粉块组的最下端竖直深入水平工作台上的两个落粉槽中与落粉槽底面保持距离；

所述每个柔性刮粉薄片组由多个柔性刮粉薄片组成，每个柔性刮粉薄片为梳齿形，然后将多个齿型相错的柔性刮粉薄片共同组合成柔性刮粉薄片组，选择五片柔性刮粉薄片组成一个柔性刮粉薄片组。

本发明所述压辊子模块包括：钢性压辊、轴承、轴承支撑座、压辊驱动单元、压辊竖直导向机构、压辊防脱落螺钉，轴承及其支撑座安装在刚性压辊的两端，与压辊竖直导向机构固定连接，压辊驱动单元与刚性压辊固定连接，并与轴承的支撑座固定连接，压辊防脱落螺钉透过轴承支撑座的圆孔与托板螺纹连接；

所述压辊驱动单元包括：驱动电机、电机固定支座、短联轴器，刚性压辊与驱动电机通过短联轴器连接，驱动电机通过电机固定支座与轴承支座固定连接；

所述压辊竖直导向机构包括：光杠、光杠支座、直线轴承、橡胶块，光杠通过光杠支座与轴承支撑座固定连接，直线轴承与托板固定连接，圆柱形弹性橡胶块置于直线轴承内部，橡胶块上端面与托板下表面接触，下端面与光杠的上端面接触。

本发明所述防护外壳子模块包括：防护外壳及密封盖、密封盖闭合单元，防护外壳及密封盖由隔磁防射线隔热材料组合而成，密封盖闭合单元包括电磁铁驱动器及其固定座、密封盖旋转连接件、合页。

本发明所述余料回收模块包括：落粉槽、余料传送管、回收筒、滑块、滑块升降单元，在落粉槽内的中间部分开有长方形落粉口，余料传送管的一端与落粉槽的落粉口连接，另一端与回收筒的进粉口连接，回收筒与工作台固定连接，回收筒通过方形孔穿过工作台，上端的与储粉箱固定连接，出粉口与储粉箱侧壁的矩形进粉口相合，滑块位于回收筒内部，通过提线与滑块升降单元连接，滑块可以由升降单元驱动，沿着回收筒的内部进行上下移动，滑块升降单元固定连接在工作台上表面；

所述余料传送管内壁光滑，使得金属粉末可以在所设计的结构斜度上自由滑落，所述滑块上端表面设计成斜面，斜面光滑且斜度满足金属粉末自由下落，所述滑块升降单元由电机、线轮、提线、导轮组成，线轮内孔与电机输出轴连接，导轮安装于回收筒的顶部，提线一端与线轮连接，另一端通过导轮与滑块的斜面固定连接。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、本发明将落粉、刮粉与压粉相结合，使粉层均匀平整、密度较高且解决了压辊不能顺利通过金属飞溅颗粒和局部翘曲的难题，大幅度提高了装置的铺粉效果，同时提高了实验或产品加工的成功率。

2、所设计的搅粉机构及余料检测机构优化了铺粉模块的功能，减少粉末搭桥/结节现象对铺粉效果的影响，同时提高了铺粉装置的自动化。

3、所设计的长度调节机构可以调节落粉区域的纵向长度，结合系统对落粉时间的控制使得本发明能够实现铺粉区域可调，且采用双向往复铺粉的方式，提高铺粉效率，大幅度减少加工时间，更适用于医用人体植入件的个性化设计和生产。

4、所设计的铺粉装置具有较好的密封隔磁性以及防射线功能，减少铺粉装置及铺粉过程对电子束的影响，同时提高铺装置的可靠性及使用寿命。

5、本设计采用料箱储粉、自动送粉、移动漏斗落粉的粉末流动方式，节省空间，减轻移动铺粉装置的惯性质量，提高铺粉精度。

6、本装置能够及时清理工作台表面的铺粉余料并实现余料的循环利用，节约空间、省略人工清理余料的环节，更适用于电子束3D打印的工作条件。

附图说明

图1是本发明一种医用电子束钛合金粉末熔融成形铺粉装置的模块分布图；

图2是储粉模块的轴测图(去掉其他模块)；

图3是对称直线行走模块的俯视图；

图4是铺粉模块的轴测图(虚化防护外壳)；

图5是落粉子模块的落粉机构、搅粉机构、长度调节机构三维结构示意图；

图6是落粉子模块的落粉闭口机构、余料检测机构三维结构示意图；

图7是刮粉子模块的三维结构示意图；

图8是预刮粉片、余料刮块结构布局简图；

图9是柔性刮粉薄片组的三位结构爆炸图；

图10是柔性刮粉薄片组工作原理简图；

图11是压辊模块三维结构示意图；

图12是压辊竖直导向机构结构示意图；

图13是防护外壳子模块三维结构示意图(内部、仰视图)；

图14是余料回收模块三维结构示意图；

图15为铺粉过程的原理示意简图；

图16是余料回收模块的工作原理简图。

具体实施方式

如图1所示，包括储粉模块1、铺粉模块2、对称直线行走模块3、余料回收模块4和水平工作台5，储粉模块1位于工作台5上方、并通过支撑件1-3与水平工作台5固定连接，用以储存金属粉末并及时向铺粉模块2输送金属粉末，对称直线行走模块3中的两个相同的两个直线电缸3-3对称布置在成型室6两侧，并固定连接于水平工作台5上，同时直线电缸的移动连接端3-3-1与铺粉模块2固定连接，两个直线电缸3-3由电机3-1及相应的传动机构进行同步驱动，用以带动铺粉模块2进行直线往复铺粉运动，余料回收模块4中的两个竖直回收筒4-3分别置于储粉箱1-1两侧并与工作台5和储粉箱1-1固定连接，将铺粉余料回收至储粉箱1-1中实现循环利用。

如图2所示，所述储粉模块1包括储粉箱1-1、储粉箱封口机构1-2、支撑连接件1-3，储粉箱1-1通过支撑连接件1-3与工作台5固定连接，储粉箱封口机构1-2与储粉箱支撑件1-3固定连接，处于储粉箱出粉口1-1-1的下端用以完成储粉箱出粉口1-1-1的密封功能。

储粉箱1-1两侧面的上端分别留有两个矩形口1-1-2，两个矩形口1-1-2与余料回收模块的竖直回收筒4-3的上端矩形口4-3-1对齐，铺粉余料将通过此矩形口1-1-2、4-3-1从竖直回收筒上端流动到储粉箱1-1内部，实现余料的循环利用。

储粉箱封口机构1-2由封口片1-2-1、两个电磁铁1-2-2以及相应固定连接板1-2-3组成，两个电磁铁1-2-2通过相应的固定连接板1-2-3与储粉箱支撑连接件1-3固定连接，电磁铁移动端1-2-2-1与封口片1-2-1两端连接。

如图3所示，所述对称直线行走模块3包括电机3-1、齿轮换向器3-2、电缸组3-3、传动轴3-4、联轴器3-5、轴承及其固定连接件3-6、行位开关组3-7，电机3-1通过固定座3-1-1与齿轮换向器3-2固定连接，齿轮换向器3-2与工作台5平面固定连接，电机3-1通过齿轮换向器3-2、联轴器3-5、传动轴3-4、轴承及其固定连接件3-6将动力同时传递给两个直线电缸组3-3，电缸组3-3分别布置在成型室6两侧，与工作台5固定连接，电缸3-3的移动托盘3-3-1与铺粉模块2的托板2-5固定连接，以带动整个铺粉模块2进行直线往复运动，行位开关组3-7由四个行为开关组成，分别固定在一个电缸3-3的两端，将铺粉模块2的直线位移反馈给控制系统。

如图4所示，所述铺粉模块2包括：落粉子模块2-1、刮粉子模块2-2、压辊子模块2-3、防护外壳子模块2-4和托板2-5，其中：

落粉子模块2-1包括：落粉漏斗2-1-1、搅粉机构2-1-2、长度调节机构2-1-3、落粉闭口机构2-1-4、余料检测开关2-1-5；

刮粉子模块2-2包括：预刮粉片2-2-1、刮粉连接杆2-2-2、柔性刮粉薄片组2-2-3、余料刮块组2-2-4；

压辊子模块2-3包括：钢形压辊2-3-1、轴承2-3-2、轴承支撑座2-3-3、压辊驱动单元2-3-4、压辊竖直导向机构2-3-5、压辊防脱落螺钉2-3-6；

防护外壳子模块2-4包括：防护壳体2-4-1、密封盖2-4-2、密封盖驱动2-4-3；

如图5，6所示，所述落粉子模块2-1的结构是，落粉漏斗2-1-1与托板2-5固定连接，搅粉机构2-1-2与长度调节机构2-1-3与托板2-5上表面固定连接，分别置于漏斗2-1-1的两侧，落粉闭口机构2-1-4位于托板2-5的下部与托板2-5固定连接，余料检测装置2-1-5由三对对射式光电开关组成，三对光电开关布置在托板5长边的两侧，与托板5下表面固定连接，对射光电开关的光束通过落粉漏斗2-1-1的透明部分2-1-1-1，进行余料余量的检测；

如图5所示，所述搅粉机构2-1-2包括：搅粉拨叉2-1-2-1、丝杠螺母2-1-2-2、螺母座2-1-2-3、丝杠2-1-2-4、轴承及其支撑座2-1-2-5、联轴器2-1-2-6、驱动电机2-1-2-7、导向机构2-1-2-8，搅粉拨叉2-1-2-1固定端与螺母座2-1-2-3固定连接，拨叉端深入落粉漏斗2-1-1内部且与漏斗壁保持间隙，使得刮粉拨叉2-1-2-1在落粉漏斗2-1-1内部沿着漏斗纵向做往复运动起到搅粉的作用，以保证落粉漏斗2-1-1内部金属粉末下落流畅。

如图5所示，所述长度调节机构2-1-3包括：左滑片2-1-3-1、右滑片2-1-3-2、两个滑片连接件2-1-3-3、两个丝杠螺母2-1-3-4、两个丝杠螺母座2-1-3-5、双向丝杠2-1-3-6、轴承及其支撑座2-1-3-7、联轴器2-1-3-8、驱动电机2-1-3-9、导向轴2-1-3-10，左滑片2-1-3-1和右滑片2-1-3-2置于落粉漏斗2-1-1内部，通过连接件2-1-3-3与丝杠螺母座2-1-3-4固定连接，电机2-1-3-9驱动双向丝杠2-1-3-6，使得两个滑片2-1-3-1、2-1-3-2可以在落粉漏斗2-1-1内侧实现同时的往复运动，进而调节铺粉漏斗2-1-1的落粉的纵向长度。

如图6所示，所述落粉闭口机构2-1-4包括：挡片2-1-4-1、挡片连接件2-1-4-2、电磁铁2-1-4-3、固定支撑座2-1-4-4，挡片2-1-4-1位于落粉漏斗2-1-1落粉口粉下端，挡片2-1-4-1两端通过挡片连接件2-1-4-2与电磁铁2-1-4-3的移动端固定连接，电磁铁2-1-4-3通过固定支撑座2-1-4-4与托板2-5固定连接，系统通过对电磁铁2-1-4-3的通断电来控制移动端的移动，进而控制挡片2-1-4-1的往复移动，实现对落粉口的开口与闭口控制，落粉闭口机构2-1-4是常闭设计即通电有磁为开口落粉，断电无磁为闭口状态，即电子束加工粉层时，电磁铁2-1-4-3为断电状态状态，以排除电磁铁2-1-4-3通电对电子束的影响。

如图7所示，所述刮粉子模块2-2包括：预刮粉片2-2-1、刮粉连接杆2-2-2、柔性刮粉薄片组2-2-3、余料刮块组2-2-4；预刮粉片2-2-1通过刮粉连接杆2-2-2与落粉闭口机构2-1-4的固定支撑座2-1-4-4固定连接，余料刮粉块组2-2-4与托板2-5下表面固定连接，柔性刮粉薄片组2-2-3与余料刮粉块组2-2-4固定连接。

如图8所示，所述预刮粉片2-2-1空间上位于落粉漏斗2-1-1和压辊2-3-1之间，与落粉闭口机构中的固定支撑座2-1-4-4固定连接，即在落粉漏斗2-1-1与两侧的刚性压辊2-3-1之间都有预刮粉片2-2-1以实现双向刮粉，零件装配后，预刮粉片2-2-1的下端面与工作台5的水平面留有适当的距离(约每次铺粉粉层的1/3厚度)，预刮粉片2-2-1下端设计为斜面，使之对粉层既产生横向剪切力又产生垂直方向的压力，对粉层起到预先刮粉的处理。

如图8所示，所述余料刮粉块组2-2-4包括四个余料刮粉块，分别与托板2-5下表面固定连接，刮粉块两两一组分布在托板的两长边，装配之后，刮粉块组2-2-4的最下端竖直深入水平工作台5上的两个落粉槽4-1中与落粉槽4-1底面保持适当的微小距离。

如图9，10所示，所述每个柔性刮粉薄片组2-2-3由多个柔性刮粉薄片2-2-3-1组成，每个柔性刮粉薄片2-2-3-1为梳齿形，然后将多个齿型相错的柔性刮粉薄片2-2-3-1共同组合成柔性刮粉薄片组2-2-3，本发明选择五片柔性刮粉薄片2-2-3-1组成一个柔性刮粉薄片组2-2-3。装配之后，柔性刮粉薄片2-2-3-1的最下端与压辊2-3-1圆柱表面最低端齐平，加工时与工作台5上表面重合，在铺粉过程中，由于刚性压辊2-3-1需要越过金属飞溅和局部翘曲，所以会在压辊2-3-1的轴向产生一道或者多道的金属粉末凸起，安装在压辊2-3-1后方的柔性刮粉薄片组2-2-3会对这些粉末凸起进行二次刮粉，使得柔性刮粉薄片组2-2-3顺利通过金属飞溅颗粒及局部翘曲的同时将多余的金属粉末刮走，尽量保持铺粉平面的均匀平整。

如图11，12所示，所述压辊子模块2-3包括：钢性压辊2-3-1、轴承2-3-2、轴承支撑座2-3-3、压辊驱动单元2-3-4、压辊竖直导向机构2-3-5、压辊防脱落螺钉2-3-6，轴承及其支撑座2-3-3安装在刚性压辊2-3-1的两端，与压辊竖直导向机构2-3-5固定连接，压辊驱动单元2-3-4与刚性压辊2-3-1固定连接，并与轴承的支撑座2-3-3固定连接，压辊防脱落螺钉2-3-6透过轴承支撑座2-3-3的圆孔与托板2-5螺纹连接，本发明由前后两个压辊子模块2-3，分别安装在落粉漏斗2-1-1的前后，随着铺粉装置的往复运动进而实现双向铺粉。

如图11所示，所述压辊驱动单元2-3-4包括驱动电机2-3-4-1、电机固定支座2-3-4-2、短联轴器2-3-4-3，刚性压辊2-3-1与驱动电机2-3-4-1通过短联轴器2-3-4-3连接，驱动电机2-3-4-1通过电机固定支座2-3-4-2与轴承支座2-3-3固定连接。

如图12所示，所述压辊竖直导向机构2-3-5包括：光杠2-3-5-1、光杠支座2-3-5-2、直线轴承2-3-5-3、橡胶块2-3-5-4，光杠2-3-5-1通过光杠支座2-3-5-2与轴承支撑座2-3-3固定连接，直线轴承2-3-5-3与托板2-5固定连接，圆柱形弹性橡胶块2-3-5-4置于直线轴承2-3-5-3内部，装配后，橡胶块2-3-5-4上端面与托板2-5下表面接触，下端面与光杠2-3-5-1的上端面接触，对由光杠2-3-5-1及刚性压辊2-3-1等组成的压辊子模块2-3产生适当的推力，以便于刚性压辊2-3-1在越过凸起时候尽快的下落复位并且具有减震的效果。

如图12所示，所述压辊防脱落螺钉2-3-6的长度适中，使装置安装之后刚性压辊2-3-1圆柱表面可以与水平工作台5接触，并使得光杠2-3-5-1不会从直线轴承2-3-5-3内部脱落。

如图13所示，所述防护外壳子模块2-4包括：防护外壳及密封盖2-4-1、密封盖闭合单元2-4-2，防护外壳及密封盖2-4-1由隔磁防射线隔热材料组合而成，密封盖闭合单元2-4-2包括电磁铁驱动器及其固定座2-4-2-1、密封盖旋转连接件2-4-2-2、合页2-4-2-3。

如图14所示，所述余料回收模块4包括：落粉槽4-1、余料传送管4-2、回收筒4-3、滑块4-4、滑块升降单元4-5，落粉槽4-1是在工作台5面上成型室6两侧开的长度适中的槽，落粉槽4-1深度适中，在落粉槽4-1内的中间部分开有长方形落粉口4-1-1，余料传送管4-2的一端与落粉槽的落粉口4-1-1连接，另一端与回收筒4-3的进粉口4-3-1连接，回收筒4-3与工作台5固定连接，回收筒4-3通过方形孔穿过工作台5，上端的与储粉箱1-1固定连接，出粉口4-3-2与储粉箱侧壁的矩形进粉口1-1-2相合，滑块4-4位于回收筒4-3内部，通过提线4-5-2与滑块升降单元4-5连接，滑块4-4可以由升降单元4-5驱动，沿着回收筒4-3的内部进行上下移动，滑块升降单元4-5固定连接在工作台5上表面。

所述余料传送管4-2内壁光滑，使得金属粉末可以在所设计的结构斜度上自由滑落，滑块4-4上端表面设计成斜面，斜面光滑且斜度满足金属粉末自由下落，滑块升降单元4-5由电机4-5-1、线轮4-5-2、提线4-5-3、导轮4-5-4组成，线轮4-5-2内孔与电机4-5-1输出轴连接，导轮4-5-4安装于回收筒4-3的顶部，提线4-5-3一端与线轮4-5-2连接，另一端通过导轮4-5-4与滑块4-4的斜面固定连接。

具体工作流程：结合附图，对本发明的工作原理及工作流程进行说明，装置的工作流程主要包括送粉过程、铺粉过程、余料回收过程。

送粉过程：所有的金属粉末都储存在处储粉箱1-1中，系统根据落粉漏斗余料检测机构2-1-5的反馈信息，适时地对落粉漏斗2-1-1进行送粉。送粉时，铺粉装置2运动到储粉箱1-1的下方，使储粉箱的落粉口与落粉漏洞的进粉口相对应，系统控制相关的开口、闭合机构进行送粉。整个送粉过程可以与电子束灼烧粉层同时进行，进而节省加工时间。

铺粉过程：铺粉装置2采用压辊式、刮粉式、移动落粉式三为一体的复合式铺粉方式。在铺粉的过程中，铺粉模块2沿着直线行走模块3在水平工作台5上移动，在此过程中，钛合金粉末先后分别经过漏斗2-1-1落粉、预刮粉片2-2-1预刮粉、压辊2-3-1压实、柔性刮粉组片2-2-3刮粉四个步骤。采用中间落粉两侧压粉、刮粉的结构设计可以实现单行程双向铺粉，提高铺粉效率。搅粉机构2-1-2由电机驱动2-1-2-7、丝杠螺母副进行传动，使得搅粉拨叉2-1-2-1进行往复的搅粉运动，搅粉机构2-1-2可以避免粉末结节/搭桥现象使得粉末均匀分布，保证落粉顺畅均匀，也使得漏斗2-1-1内的粉末余量的测量更加准确，以免出现一边粉末较多一边粉末较少的现象进而影响铺粉效果。余料检测模块2-1-5即对射式光电开开关器组可以透过落粉漏斗壁上的局部透明部分2-1-1-1对漏斗内的金属粉末的余量进行检测，当三个传感器同时接受到信号时说明落粉漏斗里面的粉末余量不足，以便进行及时的自动送粉。长度调节机构2-1-3的设计可以使得铺粉装置2自动调节落粉漏斗2-1-1的有效铺粉长度，结合系统对落粉时间的控制，可以实现对铺粉区域的大小及位置的自动调节。防护外壳2-4的材料采用高导磁率的软磁性材料形成磁屏蔽效果，同时外侧贴有放射线薄膜，侧壁贴有隔热薄膜，起到隔热放涉嫌的效果，延长装置的使用寿命。

铺粉原理：图15为铺粉过程的原理示意简图，如图所示，在铺粉模块2的金属粉末储存在落粉漏斗2-1-1内，系统对落粉和粉末供给进行实时控制，移动落粉式设计可以减少铺粉装置2的惯性质量，同时一定程度上减少了铺粉过程粉末堆积对成形件的影响。铺粉过程开始时，随着铺粉装置2的移动，粉末从落粉漏斗2-1-1中不断下落，落粉之后，粉末首先经过预刮粉片2-2-1刮粉，将较厚的金属粉层挂到适当厚度，将粉末预先均匀铺开并具有预压实的作用，同时可以带走掺杂在粉末里的未固化的金属飞溅颗粒。随后金属压辊模块2-3压过预先铺好的金属粉层进行进一步的压实，在这一步骤中，如果存在较大的局部翘曲和固化的金属飞溅颗粒的话，由于压辊子模块2-3的具有竖直导向机构2-3-5，刚性压辊2-3-1可以沿着竖直方向进行微小的位移，所以可以保证刚性压辊2-3-1顺利通过上述金属凸起。刚性压辊2-3-1跃过金属凸起之后，由于刚性压辊2-3-1的自重及橡胶块2-3-5-4推力，使得压辊2-3-1可以迅速且平稳的回复到原来的水平位置。压粉过程提高了金属粉层的致密度，同时对金属凸起具有较好的通过性，提高了实验或者加工的可靠性及流畅性。最后进行柔性刮粉过程，经过上述压粉过程的金属粉层会经过柔性刮粉薄片组2-2-3。如果已加工部分的局部翘曲和金属飞溅的固化颗粒较小，相对于铺粉平面没有产生凸起的话，最后的柔性刮粉薄片组2-2-3将对已经压实的粉层没有作用。如果在压粉过程中有金属凸起存在的话，由于金属压辊2-3-1跃过凸起时产生的微小位移，使得粉层在金属凸起所在的位置沿着金属压辊轴向产生了一条或多条微小的凸起线。压实过程结束后，柔性刮粉薄片组2-2-3在遇到金属凸起线时，锯齿形柔性金属薄片会产生局部的弯曲进而顺利的通过金属凸起，并且将残留的多余金属粉末刮平。经过上述的落粉、预刮粉、压粉、柔性刮粉的四个步骤，可实现均匀平整、高致密度、高可靠性的铺粉效果。

多余粉末回收过程：铺粉过程中，为了保证粉层的均匀平整及高致密度，落粉量要适当高于铺粉量，因此就会在工作台上产生一部分粉末余料。如图16所示，落粉漏斗2-1-1、预刮粉片2-2-1、刚性压辊2-3-1、柔性刮粉薄片组2-2-3的长度设计都略长于成型室6的长度，这使得多余的金属粉末会被挤压到刚性压辊2-3-1及柔性刮粉薄片组2-2-3的两侧和前面。两侧的多余粉末被挤压进成型室6两侧的落粉槽4-1中，而前段的多余粉末将会在反向铺粉时被另一次的刚性压辊2-3-1推进成型室6充当铺粉粉末。随后，上述安装在铺粉装置2上的余料刮块2-2-4下端深入刮粉槽4-1内部。随着铺粉装置2的往复运动使得落粉槽4-1里的余料被刮粉块2-2-4来回刮动，当余料在落粉槽4-1内经过上述落粉口4-1-1的时候，余料由落粉口4-1-1下落，使得工作台面5及落粉槽4-1内一直都没有余料推挤，保证真空室内的加工环境清洁。下落的余料经过余料传送管4-2滑过至回收筒4-3的进粉口，随后进入回收筒4-3的低端聚集在滑块4-4的上部。当余料积累到一定量时，此时滑块升降单元4-5开始驱动，带动滑块4-4沿着回收筒4-3竖直上升，将从进粉口4-3-1进入回收筒底部的金属余料运到回收筒顶部的出粉4-3-2口，进而使余料回收到储粉1-1箱内，实现余料的及时回收和循环利用。本设计能够及时清理工作台表面的铺粉余料并实现余料的循环利用，节约空间、省略人工清理余料的环节，更适用于电子束3D打印的工作条件。

Claims (10)

1.一种电子束钛合金粉末熔融成形的铺粉装置，其特征在于：包括储粉模块、铺粉模块、对称直线行走模块、余料回收模块和水平工作台，储粉模块位于工作台上方、并通过支撑件与水平工作台固定连接，用以储存金属粉末并向铺粉模块输送金属粉末，对称直线行走模块中的两个相同的两个直线电缸对称布置在成型室两侧，并固定连接于水平工作台上，同时直线电缸的移动连接端与铺粉模块固定连接，余料回收模块中的两个竖直回收筒分别置于储粉箱两侧并与工作台和储粉箱固定连接，用于将铺粉余料回收至储粉箱中。

2.根据权利要求1所述的一种电子束钛合金粉末熔融成形的铺粉装置，其特征在于：所述储粉模块包括储粉箱、储粉箱封口机构、支撑连接件，储粉箱通过支撑连接件与工作台固定连接，储粉箱封口机构与储粉箱支撑件固定连接，处于储粉箱出粉口的下端用以完成储粉箱出粉口的密封功能。

3.根据权利要求2所述的一种电子束钛合金粉末熔融成形的铺粉装置，其特征在于：储粉箱两侧面的上端分别留有两个矩形口，两个矩形口与余料回收模块的竖直回收筒的上端矩形口对齐；

储粉箱封口机构由封口片、两个电磁铁以及相应固定连接板组成，两个电磁铁通过相应的固定连接板与储粉箱支撑连接件固定连接，电磁铁移动端与封口片两端连接。

4.根据权利要求1所述的一种电子束钛合金粉末熔融成形的铺粉装置，其特征在于：所述对称直线行走模块包括电机、齿轮换向器、电缸组、传动轴、联轴器、轴承及其固定连接件、行位开关组，电机通过固定座与齿轮换向器固定连接，齿轮换向器与工作台平面固定连接，电机通过齿轮换向器、联轴器、传动轴、轴承及其固定连接件将动力同时传递给两个直线电缸组，电缸组分别布置在成型室两侧，与工作台固定连接，电缸的移动托盘与铺粉模块的托板固定连接，以带动整个铺粉模块进行直线往复运动，行位开关组由四个行为开关组成，分别固定在一个电缸的两端。

5.根据权利要求1所述的一种电子束钛合金粉末熔融成形的铺粉装置，其特征在于：所述铺粉模块包括：落粉子模块、刮粉子模块、压辊子模块、防护外壳子模块和托板，其中：

落粉子模块包括：落粉漏斗、搅粉机构、长度调节机构、落粉闭口机构、余料检测开关；

刮粉子模块包括：预刮粉片、刮粉连接杆、柔性刮粉薄片组、余料刮块组；

压辊子模块包括：钢形压辊、轴承、轴承支撑座、压辊驱动单元、压辊竖直导向机构、压辊防脱落螺钉；

防护外壳子模块包括：防护壳体、密封盖、密封盖驱动。

6.根据权利要求5所述的一种电子束钛合金粉末熔融成形的铺粉装置，其特征在于：所述落粉子模块的结构是，落粉漏斗与托板固定连接，搅粉机构与长度调节机构与托板上表面固定连接，分别置于漏斗的两侧，落粉闭口机构位于托板的下部与托板固定连接，余料检测装置由三对对射式光电开关组成，三对光电开关布置在托板长边的两侧，与托板下表面固定连接，对射光电开关的光束通过落粉漏斗的透明部分，进行余料余量的检测；

所述搅粉机构包括：搅粉拨叉、丝杠螺母、螺母座、丝杠、轴承及其支撑座、联轴器、驱动电机、导向机构，搅粉拨叉固定端与螺母座固定连接，拨叉端深入落粉漏斗内部且与漏斗壁保持间隙，使得刮粉拨叉在落粉漏斗内部沿着漏斗纵向做往复运动起到搅粉的作用，以保证落粉漏斗内部金属粉末下落流畅；

所述长度调节机构包括：左滑片、右滑片、两个滑片连接件、两个丝杠螺母、两个丝杠螺母座、双向丝杠、轴承及其支撑座、联轴器、驱动电机、导向轴，左滑片和右滑片置于落粉漏斗内部，通过连接件与丝杠螺母座固定连接，电机驱动双向丝杠，使得两个滑片、可以在落粉漏斗内侧实现同时的往复运动，进而调节铺粉漏斗的落粉的纵向长度；

所述落粉闭口机构包括：挡片、挡片连接件、电磁铁、固定支撑座，挡片位于落粉漏斗落粉口粉下端，挡片两端通过挡片连接件与电磁铁的移动端固定连接，电磁铁通过固定支撑座与托板固定连接。

7.根据权利要求5所述的一种电子束钛合金粉末熔融成形的铺粉装置，其特征在于：所述刮粉子模块包括：预刮粉片、刮粉连接杆、柔性刮粉薄片组、余料刮块组；预刮粉片通过刮粉连接杆与落粉闭口机构的固定支撑座固定连接，余料刮粉块组与托板下表面固定连接，柔性刮粉薄片组与余料刮粉块组固定连接；

所述预刮粉片空间上位于落粉漏斗和压辊之间，与落粉闭口机构中的固定支撑座固定连接，预刮粉片下端设计为斜面；

所述余料刮粉块组包括四个余料刮粉块，分别与托板下表面固定连接，刮粉块两两一组分布在托板的两长边，刮粉块组的最下端竖直深入水平工作台上的两个落粉槽中与落粉槽底面保持距离；

所述每个柔性刮粉薄片组由多个柔性刮粉薄片组成，每个柔性刮粉薄片为梳齿形，然后将多个齿型相错的柔性刮粉薄片共同组合成柔性刮粉薄片组，选择五片柔性刮粉薄片组成一个柔性刮粉薄片组。

8.根据权利要求5所述的一种电子束钛合金粉末熔融成形的铺粉装置，其特征在于：所述压辊子模块包括：钢性压辊、轴承、轴承支撑座、压辊驱动单元、压辊竖直导向机构、压辊防脱落螺钉，轴承及其支撑座安装在刚性压辊的两端，与压辊竖直导向机构固定连接，压辊驱动单元与刚性压辊固定连接，并与轴承的支撑座固定连接，压辊防脱落螺钉透过轴承支撑座的圆孔与托板螺纹连接；

所述压辊驱动单元包括：驱动电机、电机固定支座、短联轴器，刚性压辊与驱动电机通过短联轴器连接，驱动电机通过电机固定支座与轴承支座固定连接；

所述压辊竖直导向机构包括：光杠、光杠支座、直线轴承、橡胶块，光杠通过光杠支座与轴承支撑座固定连接，直线轴承与托板固定连接，圆柱形弹性橡胶块置于直线轴承内部，橡胶块上端面与托板下表面接触，下端面与光杠的上端面接触。

9.根据权利要求5所述的一种电子束钛合金粉末熔融成形的铺粉装置，其特征在于：所述防护外壳子模块包括：防护外壳及密封盖、密封盖闭合单元，防护外壳及密封盖由隔磁防射线隔热材料组合而成，密封盖闭合单元包括电磁铁驱动器及其固定座、密封盖旋转连接件、合页。

10.根据权利要求1所述的一种电子束钛合金粉末熔融成形的铺粉装置，其特征在于：所述余料回收模块包括：落粉槽、余料传送管、回收筒、滑块、滑块升降单元，在落粉槽内的中间部分开有长方形落粉口，余料传送管的一端与落粉槽的落粉口连接，另一端与回收筒的进粉口连接，回收筒与工作台固定连接，回收筒通过方形孔穿过工作台，上端的与储粉箱固定连接，出粉口与储粉箱侧壁的矩形进粉口相合，滑块位于回收筒内部，通过提线与滑块升降单元连接，滑块可以由升降单元驱动，沿着回收筒的内部进行上下移动，滑块升降单元固定连接在工作台上表面；

所述余料传送管内壁光滑，使得金属粉末可以在所设计的结构斜度上自由滑落，所述滑块上端表面设计成斜面，斜面光滑且斜度满足金属粉末自由下落，所述滑块升降单元由电机、线轮、提线、导轮组成，线轮内孔与电机输出轴连接，导轮安装于回收筒的顶部，提线一端与线轮连接，另一端通过导轮与滑块的斜面固定连接。