CN108620583B - 增材制造选区成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增材制造选区成形装置及方法，其中，增材制造选区成形装置包括成形缸(1)，成形缸(1)包括多个按几何形状阵列方式排布的子成形缸(1)，各个子成形缸可根据待成形件(5)的尺寸形状单独或组合使用。本发明的增材制造选区成形装置能够灵活地适用于多种不同零件的制造，而且使得粉末仅在所需成形的区域内铺满，以实现在成形缸的工作台上局部铺粉，能够减少粉末的使用量，提高粉末利用率，同时还能减小烧结时带来的粉末污染，提高粉末回收的质量，并降低粉末的回收难度。

Description

增材制造选区成形装置及方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种增材制造选区成形装置及方法。

背景技术

增材制造技术是一种基于数字化逐层熔合堆积形成实体的制造技术。粉床式增材制造技术是增材制造领域最常用的技术方法之一，其基本的工艺步骤如下：首先，铺粉装置在成形缸基板上均匀铺一层很薄的金属粉末；接着，基于三维零件模型生成的二维切片数据，采用激光或电子束进行分区扫描，经扫描的粉末被烧结或熔化后粘结在一起，成为所成形金属零件的一部分；然后工作台下降一个粉末层厚的高度，在已成形零件表面再铺上一层新的粉末；重复以上步骤，直至该实体零件制造完成。

当前国际上通用的选区激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)和电子束熔化(Electron Beam Melting，EBM)工业级设备存在以下问题：在进行铺粉成形时，刮刀按一定层厚刮过整个基板上方进行铺粉，铺粉面积为成形缸内基板上表面的面积，实际零件每层烧结面积相对整块基板上表面面积往往较小，经过逐层累积，需要大量的冗余粉末来填充成形缸内零件之外的空间，粉末利用率很低，使得一次性需储备的粉末数量大幅增加，粉末购置成本增加。另一方面，大量的冗余粉末增大了粉末回收处理的难度，加大了粉末回收、筛分及储存的工作量，同时，在一定程度上也造成了粉末的污染。

目前随着SLM与EBM技术在航空航天零部件成形上的应用日趋成熟，利用该装置成形零部件的尺寸及复杂程度逐步增大，相应地，SLM与EBM技术的工业级设备成形缸尺寸也相应地增大，使得冗余粉末这一技术缺陷更加突出。

针对冗余粉末过多导致粉末利用率低的问题，现有技术中出现了一种能够避免或减少冗余粉末填充的装置，该装置的基板具有与所成形金属零部件切片轮廓相适应的形状，并在基板的外围或内部设置镶块，用于在增材制造过程中尽可能多地占据成形缸中待成形零部件以外的位置，避免或减少冗余粉末的填充。然而，针对不同金属零部件的尺寸及形状特征，需要对该装置进行重构与定制，因而仅适用于特定零部件的批量增材制造，难以在高粉末利用率的前提下满足不同尺寸、不同形状零部件的增材制造需求。

发明内容

本发明的目的是提出一种增材制造选区成形装置及方法，能够在提高粉末利用率的同时，灵活地适用于各种形状和尺寸零件的成形加工。

为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种增材制造选区成形装置，包括成形缸，所述成形缸包括多个按几何形状阵列方式排布的子成形缸，各个所述子成形缸可根据待成形件的尺寸形状单独或组合使用。

进一步地，多个所述子成形缸按矩形阵列方式排布。

进一步地，相邻的所述子成形缸之间相互接触。

进一步地，还包括供粉缸，所述供粉缸设在所述成形缸的侧面，能够根据需求为放置有所述待成形件的所述子成形缸提供粉末。

进一步地，各个所述子成形缸按照多行排列，所述供粉缸包括多个子供粉缸，各个所述子供粉缸并排设在所述成形缸沿行的一侧，每个所述子供粉缸用于为相应行的所述子成形缸提供粉末。

进一步地，每个所述子成形缸均包括子基板和第一驱动部件，各个所述子基板均能够在各自对应的所述第一驱动部件的带动下独立运动，以对放置在相应所述子基板上的所述待成形件进行加工。

进一步地，所述成形缸还包括第一缸体，所述第一缸体与各个所述子成形缸整体形成的外轮廓相适配。

进一步地，每个所述子成形缸还包括成形缸支撑结构，所述成形缸支撑结构设在所述子基板和所述驱动部件之间，用于对所述子基板提供支撑，各个所述子基板和成形缸支撑结构位于所述第一缸体内，相邻所述成形缸支撑结构之间设有第一密封结构，用于在各个所述子成形缸独立工作时阻止粉末落入相邻所述子成形缸之间。

进一步地，所述成形缸支撑结构包括承载部和作为所述第一密封结构的阻挡部，所述承载部设在所述子基板下部，所述阻挡部垂直设在所述承载部的至少部分边缘上，且朝向远离所述子基板的一侧延伸。

进一步地，所述供粉缸包括第二缸体，所述第二缸体与各个所述子供粉缸整体形成的外轮廓相适配。

进一步地，每个所述子供粉缸均包括第二驱动部件和用于支撑粉末的供粉缸支撑结构，各个所述供粉缸支撑结构均位于所述第二缸体内，且能够在各自对应的所述第二驱动部件的带动下独立运动，相邻所述供粉缸支撑结构之间设有第二密封结构，用于在各个所述子供粉缸独立供粉时阻止粉末落入相邻所述子供粉缸之间。

进一步地，所述供粉缸支撑结构包括承载部和作为所述第二密封结构的阻挡部，所述承载部设在所述第二缸体内用于支撑粉末，所述阻挡部垂直设在所述承载部的至少部分边缘上，且朝向远离放置粉末的一侧延伸。

进一步地，还包括成形控制部件，用于根据所述待成形件的切片数据和扫描路径数据，在每成形一层之前控制用于放置所述待成形件的子成形缸对应的工作台向下移动第一预设距离。

进一步地，还包括铺粉控制部件，用于根据所述待成形件的切片数据和扫描路径数据，在每成形一层之前控制需要为所述子成形缸提供粉末的子供粉缸对应的粉末支撑台向上移动第二预设距离。

为实现上述目的，本发明第二方面提供了一种增材制造选区成形方法，基于上述实施例的增材制造选区成形装置，所述增材制造选区成形装置包括多个子供粉缸，所述成形方法包括如下步骤：

在所述待成形件每成形一层之前，根据所述待成形件的切片数据和扫描路径数据，控制放置有所述待成形件的子成形缸对应的工作台向下移动第一预设距离；

在所述待成形件每成形一层之前，根据所述待成形件的切片数据和扫描路径数据，控制需要为所述子成形缸提供粉末的子供粉缸对应的粉末支撑台向上移动第二预设距离。

进一步地，在对所述待成形件进行成形加工之前，还包括：

根据所述待成形件的尺寸形状，选择各个所述子成形缸单独或组合使用的方式。

进一步地，各个所述子成形缸用于对多个所述待成形件进行加工，在成形加工过程中，所述成形方法具体包括：

在每成形一层时，通过一次铺粉覆盖全部所述待成形件；或者在部分所述待成形件完成至少一层成形或全部成形之后，再对剩余所述待成形件进行成形加工。

基于上述技术方案，本发明的增材制造选区成形装置，将成形缸设置为多个按几何形状阵列方式排布的子成形缸，各个子成形缸可根据待成形件的尺寸形状单独或组合使用，能够灵活地适用于多种不同零件的制造，而且使得粉末仅在所需成形的区域内铺满，以实现在成形缸的工作台上局部铺粉，能够减少粉末的使用量，提高粉末利用率，同时还能减小烧结时带来的粉末污染，提高粉末回收的质量，并降低粉末的回收难度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1a为采用本发明增材制造选区成形装置加工待成形件的第一实施例的俯视图；

图1b和图1c分别为图1a的A-A截面剖视图和B-B截面剖视图；

图2a为采用本发明增材制造选区成形装置加工待成形件的第二实施例的俯视图；

图2b和图2c分别为图2a的C-C截面剖视图和D-D截面剖视图；

图3a为采用本发明增材制造选区成形装置加工待成形件的第三实施例的俯视图；

图3b和图3c分别为图3a的E-E截面剖视图和F-F截面剖视图；

图4为本发明增材制造选区成形装置中成形缸支撑结构的一个实施例的结构示意图；

图5为本发明增材制造选区成形装置中供粉缸支撑结构的一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下详细说明本发明。在以下段落中，更为详细地限定了实施例的不同方面。如此限定的各方面可与任何其他的一个方面或多个方面组合，除非明确指出不可组合。尤其是，被认为是优选的或有利的任何特征可与其他一个或多个被认为是优选的或有利的特征组合。

本发明中出现的“第一”、“第二”等用语仅是为了方便描述，以区分具有相同名称的不同组成部件，并不表示先后或主次关系。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”和“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

为了克服现有技术中增材制造选区成形装置对不同零件适应性较差的问题，本发明提供了一种增材制造选区成形装置，在一个示意性的实施例中，参考图1a至图3c所示，包括成形缸1，成形缸1包括多个按几何形状阵列方式排布的子成形缸，各个子成形缸可根据待成形件5的尺寸形状单独或组合使用。

该实施例的成形装置将传统的成形缸以某种方式划分为多个可独立工作的子成形缸，各个子成形缸可阵列形成多种几何形状，如菱形、圆形、矩形或多边形等，也可在这些几何形状的外部延伸设置若干个子成形缸，几何形状的选择最好便于多种待成形件5的布局。而且，各个子成形缸的工作台的尺寸可保持一致或不同，单个工作台或其组合用于放置待成形件5。

在对待成形件5进行成形加工之前，需要根据待成形件5的尺寸形状，选择各个子成形缸单独或组合使用的方式。首先，将呈预设角度摆放的待成形件5在平行于工作台的平面内进行投影，得到待成形件5投影的最大轮廓线。接着，为待成形件5选择摆放位置和角度，将用于放置待成形件5的一个或多个子成形缸的组合作为待成形件5的成形缸，要求所选择的成形缸在平行于工作台的平面内投影的最大轮廓线完全包含待成形件5在该平面内的投影轮廓线。

优选地，为待成形件5选择的摆放位置和角度能够使占用的子成形缸数量最少，以最大限度地减少粉末的使用量，从而提高粉末利用率。粉末利用率是有效粉末使用量与总粉末量之比，待成形件5的体积与成形缸1的体积之比决定了成形加工的粉末利用率，粉末利用率的值越大，说明粉末利用率越高，需要的冗余粉末越少。

下面以设有四个子成形缸的成形装置为例，四个子成形缸(对应标号11、12、13、14)的大小相同，且按2x2矩形阵列排布，针对不同的待成形件5给出成形装置的三种不同使用方式。而且如下使用方式可借鉴到子成形缸以任意几何形状排布的实施例中。

参考图1a至图1c，待成形件5是投影为环形的圆柱体，外廓尺寸小于单个子成形缸工作台的尺寸。在进行成形加工之前，可选择任一个子成形缸用于成形加工，成形过程中的铺粉面积为成形缸1上总工作台面积的四分之一。

参考图2a至图2c，待成形件5是水平投影为L形的结构，L形结构中两部分的宽度均小于单个子成形缸工作台的尺寸。在进行成形加工之前，可选择任意三个成形缸用于成形加工，成形过程中的铺粉面积为成形缸1上总工作台面积的四分之三。

参考图3a至图3c，待成形件5的外廓尺寸小于单个子成形缸工作台的尺寸，对多个待成形件5进行加工时，可使每个待成形件5占据一个子成形缸，适用于对四个任意形状的待成形件5进行成形加工。在成形过程中，可采用同时打印、独立打印或间歇打印的方式。同时打印是指通过一次铺粉能够覆盖各个待成形件5所占据的子成形缸；独立打印是指完成一个待成形件5的打印之后，再进行下一个待成形件5的打印；间歇打印是指部分待成形件5完成一层或多层打印之后，再对其它子成形缸中的待成形件5进行打印，随后再返回对之前的待成形件5进行打印。

结合本发明成形装置的不同使用方式，此种成形装置至少具有如下优点之一：

(1)各个子成形缸可根据待成形件5的尺寸形状单独或组合使用，能够灵活地适用于多种不同零件的制造，而且使得粉末仅在所需成形的区域内铺满，以实现在成形缸的工作台上局部铺粉，能够减少粉末的使用量，提高粉末利用率。

(2)由于粉末增材制造成形仓内环镜较差，伴随着高能量密度热源(如激光和电子束)对粉末的熔融或烧结，该成形过程易产生粉末的挥发、飞溅，产生颗粒物等，使其它无需扫描区域内的大面积粉末受污染，从而影响回收粉的质量。本发明的成形装置通过局部铺粉的方式，能够减小烧结时带来的粉末污染，提高粉末回收的质量，并降低粉末的回收、筛分及储存的难度。

(3)在进行多个零件的成形加工时，可在成形过程中对不同的子成形缸或其组合采用不同的工艺参数(例如铺粉厚度)进行独立打印，各个子成形缸内待成形件5的加工过程相互独立，能够对不同待成形件5的成形参数进行灵活控制，具有较强的参数可控性。

(4)在进行多个零件的成形加工时，能够灵活调整成形顺序，并灵活控制成形过程，如多个待成形件5可同时打印，或依次逐个打印，或打印某待成形件5的一部分后才开始打印其它待成形件5。

(5)在进行多个零件的成形加工时，对不同待成形件5采用同时打印的方式能够提高加工效率，采用间歇打印的方式能够减小某一待成形件5受自身局部热源的影响，防止由于局部过热而产生变形，提高成形精度。

在多种子成形缸的排布方式中，优选地，多个子成形缸按矩形阵列方式排布。相应地，可将子成形缸的工作台也设计为矩形。此种排布方式能够简化成形装置的结构，设置简单方便，而且容易根据待成形件5的大小和形状选择子成形缸。可选地，矩形阵列的行列数目可以相同或者不同。

优选地，相邻的子成形缸之间相互接触，这样当各个子成形缸独立工作时，当铺粉区域跨过相邻子成形缸之间时，能够防止粉末落入成形缸1内部，以进一步减少粉末的浪费，提高粉末的利用率。可选地，若相邻的子成形缸之间不接触，在只需要利用一个子成形缸进行加工时，可以选择离供粉位置最近的子成形缸，如果需要利用多个子成形缸组合进行加工，则可以通过移动各子成形缸使其接触，这样也能减少粉末浪费。

进一步地，如图1a、2a和3a，该成形装置还包括供粉缸2，供粉缸2设在成形缸1的侧面，能够根据需求为放置有待成形件5的子成形缸提供粉末，以减少粉末的供应量，从而减少粉末的储备量。优选地，供粉缸2设在成形缸1的一侧，在另一侧设置粉末回收缸。

对于各个子成形缸按照多行排列的结构形式，供粉缸2可包括多个子供粉缸(对应标号21和22)，各个子供粉缸并排设在成形缸1沿行的一侧，每个子供粉缸用于为相应行的子成形缸提供粉末。

该实施例依照成形缸1的划分方式，将供粉缸2也划分为多个子供粉缸，而且各个子供粉缸相互独立。在进行成形加工前，可根据待成形件5的大小、形状及摆放位置构建不同尺寸的成形缸，再配合使用一个或多个子供粉缸，能够在实现高粉末利用率的前提下，实现不同尺寸待成形件5的加工。

各个子成形缸采用矩形阵列排布还有另外一个优点，能够使每个子供粉缸为数量相等的子成形缸提供粉末，由此可使各个子供粉缸的粉末容量保持一致。仍参考图1a、2a和3a，各个子供粉缸的尺寸相同，与子成形缸相适应地，子供粉缸也设计为矩形。若各个子成形缸按照MxN进行矩形阵列排布，则各个子供粉缸按照Mx1的矩形阵列排布在各行子成形缸的一侧。

在进行成形加工之前，需要根据子成形缸的选择方式相应地选择子供粉缸，要求所选择的子供粉缸或其组合能够在刮刀6运动进行铺粉的过程中在所选成形缸基板上均匀铺粉。在成形过程中，被选择的子成形缸或其组合在每成形完一层后，需要控制工作台下降第一预设距离(例如一个粉末层厚度)，未被选择的子成形缸不发生竖直方向的运动。

同理，被选择的子供粉缸或其组合在每成形完一层后，需要控制粉末支撑台上升第二预设距离进行供粉，未被选择的子供粉缸不发生竖直方向的运动。此种成形装置能够实现分区域局部铺粉，可以保证粉末在所需成形的区域内铺满，而在其它区域无需铺粉，显著减少粉末的用量，提高粉末的利用率。

下面将给出各个子成形缸的具体结构。每个子成形缸均包括子基板(对应标号111、121、131和141)和第一驱动部件(对应标号113、123、133和143)，子基板水平设在子成形缸内，子基板作为子成形缸的工作台，子基板的上表面用于放置待成形件5。第一驱动部件设在子基板下方，各个子基板均能够在各自对应的第一驱动部件的带动下独立运动，以对放置在相应子基板上的待成形件5进行加工。优选地，第一驱动部件为丝杠，能够达到较高的控制精度，以精确控制子基板下降一个粉末层后的高度，从而提高零件的成形精度。

如图1a、图2a和图3a所示，成形缸1还包括第一缸体15，第一缸体15与各个子成形缸整体形成的外轮廓相适配。对于多个子成形缸按照矩形阵列排布的结构，第一缸体15呈矩形。

进一步地，每个子成形缸还包括成形缸支撑结构(对应标号112、122、132和142)，成形缸支撑结构设在子基板和驱动部件之间，用于对子基板提供支撑，各个子基板和成形缸支撑结构位于第一缸体15内，相邻成形缸支撑结构之间设有第一密封结构，用于在各个子成形缸独立工作时阻止粉末落入相邻子成形缸之间。

具体地，如图4所示，成形缸支撑结构包括承载部A和作为第一密封结构的阻挡部B，承载部A设在子基板下部，阻挡部B垂直设在承载部A的至少部分边缘上，且朝向远离子基板的一侧延伸，以使相邻子成形缸在邻接的位置能够依靠阻挡部B的相互接触阻止粉末落入。优选地，阻挡部B的高度大于子基板在成形加工过程中的最大升降高度，以针对不同高度的零件都能实现可靠的密封。可选地，第一密封结构也可以是连接在相邻承载部A侧面之间的柔性膜。

对于图1a、图2a和图3a所示的结构，每个子成形缸都可以采用图4所示的成形缸支撑结构，承载部A为矩形板状结构，阻挡部B连接在承载部A相邻的两个边上。在装配成形装置时，相邻两个成形缸支撑结构的阻挡部B相互接触。

若多个子成形缸按照1xN或者Nx1的矩阵排布，则两端的子成形缸对应的成形缸支撑结构仅需要在承载部A的一个边上设置阻挡部B，中间的子成形缸对应的成形缸支撑结构需要在承载部A一组相对的边上设置阻挡部B。若多个子成形缸按照NxN的矩阵排布，可根据情况在承载部A的两个、三个或四个边上设置阻挡部B。

接下来再给出子供粉缸的具体结构。仍参考图1a、图2a和图3a，供粉缸2包括第二缸体23，第二缸体23与各个子供粉缸整体形成的外轮廓相适配。

在一种具体的结构形式中，每个子供粉缸均包括第二驱动部件(对应标号213和223)和用于支撑粉末的供粉缸支撑结构(对应标号212和222)，供粉缸支撑结构作为子供粉缸的粉末支撑台，各个供粉缸支撑结构均位于第二缸体23内，且能够在各自对应的第二驱动部件的带动下独立运动。在子供粉缸内的供粉缸支撑结构上堆积有粉末，在每成形一层之前，控制需要供粉的子供粉缸对应的第二驱动部件带动供粉缸支撑结构向上运动第二预设高度，子供粉缸上方设有铺粉装置，铺粉装置可驱动刮刀6在当前行内朝向成形缸1运动以实现铺粉。

进一步地，相邻供粉缸支撑结构之间设有第二密封结构，用于在各个子供粉缸独立供粉时阻止粉末落入相邻子供粉缸之间。

具体地，如图5所示，供粉缸支撑结构包括承载部A和作为第二密封结构的阻挡部B，承载部A设在第二缸体23内用于支撑粉末，第二驱动部件与承载部A连接，阻挡部B垂直设在承载部A的至少部分边缘上，且朝向远离放置粉末的一侧延伸，以使相邻子供粉缸在邻接的位置能够依靠阻挡部B的相互接触阻止粉末落入。优选地，阻挡部B的高度大于供粉缸支撑结构在成形加工过程中的最大升降高度，以实现可靠的密封。可选地，第二密封结构也可以是连接在相邻承载部A侧面之间的柔性膜。

对于图1a、图2a和图3a所示的结构，每个子供粉缸都可以采用图5所示的成形缸支撑结构，承载部A为矩形板状结构，阻挡部B连接在承载部A的其中一个边上。在装配成形装置时，相邻两个供粉缸支撑结构的阻挡部B相互接触。如果设有三个以上的子供粉缸，则两端的子成形缸对应的供粉缸支撑结构仅需要在承载部A的一个边上设置阻挡部B，中间的子供粉缸对应的供粉缸支撑结构需要在承载部A一组相对的边上设置阻挡部B。

在上述实施例的基础上，本发明的成形装置还包括成形控制部件3，用于根据待成形件5的切片数据和扫描路径数据，在每成形一层之前控制用于放置待成形件5的子成形缸对应的工作台向下移动第一预设距离。具体为通过第一驱动部件带动成形缸支撑结构和子基板向下移动第一预设距离。优选地，第一预设距离为一个粉末层厚的高度。

进一步地，本发明的成形装置还包括铺粉控制部件4，用于根据待成形件5的切片数据和扫描路径数据，在每成形一层之前控制需要为子成形缸提供粉末的子供粉缸对应的粉末支撑台向上移动第二预设距离。具体为通过第二驱动部件带动供粉缸支撑结构向上运动第二预设距离。优选地，第二预设距离大于第一预设距离，这样提供的粉末量在粉末压实后仍能满足一个粉末层的厚度。在准备工作完成之后，铺粉装置驱动刮刀6沿当前行运动以实现铺粉。

下面将结合图1a至图3c所示的具体结构，给出三种实施例来详细阐述本发明成形装置在加工不同类零件时的成形方式。

在该成形装置中，包括四个子成形缸和两个子供粉缸，四个子成形缸分别为第一子成形缸11、第二子成形缸12、第三子成形缸13和第四子成形缸14，四个子成形缸大小相同且都呈矩形，按2x2矩形阵列排布。两个子供粉缸分别为第一子供粉缸21和第二子供粉缸22，两个子供粉缸大小相同且都呈矩形，分别相邻设在每行子成形缸沿行的同一侧。

每个子成形缸中均包括成形缸支撑结构和贴设在成形缸支撑结构上方的子基板，每个子供粉缸中均包括供粉缸支撑结构，成形缸支撑结构和供粉缸支撑结构均由丝杠驱动。此外，驱动部件也可以采用直线电机等。

在第一实施例中，若待成形件5的外廓尺寸小于单个子成形缸工作台的尺寸。在进行成形加工之前，可选择任一个子成形缸用于成形加工。

如图1a所示的俯视图，单独采用左上角的第二子成形缸12进行成形加工，相应地，选择第二子成形缸12右侧对应行的第二子供粉缸22进行供粉。参考图1b所示的A-A剖视图，开始加工时，成形控制部件3控制第二子成形缸12中的第二丝杠123带动第二成形缸支撑结构122和第二子基板121在竖直方向下降一个粉末层厚度h，铺粉控制部件4控制第二子供粉缸22中的第六丝杠223带动第二供粉缸支撑结构222在竖直方向上升高度t。优选地，t>h。

铺粉装置(图中未示出)驱动刮刀6从第二子供粉缸22的外边缘朝向成形缸1直线运动，直至到达第二子成形缸12的外边缘，以实现铺粉。

再结合图1c所示的B-B剖视图，第一子成形缸11、第三子成形缸13和第四子成形缸14中的丝杠不工作，子基板仍处于初始最高的位置，以使粉末不会铺设在这些子成形缸对应的子基板上。

以此类推，每完成一层粉末的成形加工，就继续控制第二子基板121下降厚度h，第二供粉缸支撑结构222上升高度t。

成形过程中的铺粉面积为第二子基板121的面积，占成形缸1中工作台总面积的四分之一。对于体积较小零件的成形加工，所需粉末量明显减少。

在第二实施例中，若待成形件5的外廓尺寸需要占据多个子成形缸的工作台。在进行成形加工之前，需要选择子成形缸的组合用于成形加工。

待成形件5是投影为L形的结构，L形结构中两部分的厚度均小于单个子成形缸工作台的尺寸。在进行成形加工之前，可选择任意三个成形缸用于成形加工。

如图2a所示的俯视图，单独采用左上角的第二子成形缸12、右上角的第一子成形缸11和左下角的第三子成形缸13进行成形加工，相应地，第一子供粉缸21和第二子供粉缸22同时供粉。

参考图2b所示的C-C剖视图和图2c所示的D-D剖视图，开始加工时，成形控制部件3同时控制第一子成形缸11中的第一丝杠113、第二子成形缸12中的第二丝杠123、第三子成形缸13中的第三丝杠133联动下降，以带动第一子基板111、第二子基板121和第三子基板131同时在竖直方向下降一个粉末层厚度h。

铺粉控制部件4控制第一子供粉缸21中的第五丝杠213和第二子供粉缸22中的第六丝杠223分别上升，以带动第一供粉缸支撑结构212在竖直方向上升高度t，从而为第三子成形缸13供粉，第二供粉缸支撑结构222在竖直方向上升高度2t，以为第一子成形缸11和第二子成形缸12供粉。铺粉装置驱动刮刀6从第一子供粉缸21和第二子供粉缸22的外边缘朝向成形缸1直线运动，直至到达第一子成形缸11和第三子成形缸13的外边缘，以实现铺粉。

以此类推，每完成一层粉末的成形加工，就继续控制第一子基板111、第二子基板121和第三子基板131同步下降厚度h，第一供粉缸支撑结构212上升高度t，第二供粉缸支撑结构222上升高度2t。

成形过程中的铺粉面积为第一子基板111、第二子基板121和第三子基板131的面积和，占成形缸1中工作台总面积的四分之三。对于体积较大零件的成形加工，所需粉末量也能减少。

在第三实施例中，待成形件5的外廓尺寸小于单个子成形缸工作台的尺寸，至少部分子成形缸独立对多个待成形件5进行加工。选择此种加工方式有两方面的考虑：其一，多个待成形件5同时加工，能够提高零件成形效率；其二，便于对零件成形工艺参数及扫描策略进行探索和试验，各个独立的子成形缸内的待成形件5的成形工艺参数互不影响，成形先后次序、铺粉厚度、扫描方式等均可独立进行设计。

如图3a所示的俯视图，四个形状不同的待成形件5分散在四个子成形缸内独立成形，相应地，同时选择第一子供粉缸21和第二子供粉缸22进行供粉，下面给出三种可选的成形加工方式。

1、若要对四个相同的待成形件5同时加工，开始加工时，成形控制部件3同时控制四个子成形缸中的丝杠联动下降，以带动四个子基板同时在竖直方向下降一个粉末层厚度h。铺粉控制部件4控制两个子供粉缸中的丝杠联动上升，以带动两个供粉缸支撑结构在竖直方向上升高度2t。铺粉装置驱动刮刀6运动以实现铺粉，这种加工方式能提高加工效率。

2、若要对四个待成形件5完全独立地逐个加工，成形先后次序不受限制，例如，成形过程可在第一子成形缸11、第二子成形缸12、第三子成形缸13和第四子成形缸14中依次进行，参考图3b和图3c，如下：

(1)进行第一子成形缸11中零件的成形，由成形控制部件3控制第一丝杠113驱动第一成形缸支撑结构112和第一子基板111在竖直方向下降一个粉末层厚度h(或2h)，铺粉控制部件4控制第二子供粉缸22中的第六丝杠223带动第二供粉缸支撑结构222在竖直方向上升高度t(或2t)，铺粉装置驱动刮刀6运动实施铺粉。重复上述步骤至第一子成形缸11中的待成形件5结束成形。

(2)进行第二子成形缸12中零件的成形，由成形控制部件3控制第二丝杠123驱动第二成形缸支撑结构122和第二子基板121在竖直方向下降一个粉末层厚度h(或2h)，铺粉控制部件4控制第二子供粉缸22中的第六丝杠223带动第二供粉缸支撑结构222在竖直方向上升高度t(或2t)，铺粉装置驱动刮刀6运动实施铺粉。重复上述步骤至第二子成形缸12中的待成形件5结束成形。

(3)进行第三子成形缸13中零件的成形，由成形控制部件3控制第三丝杠133驱动第三成形缸支撑结构132和第三子基板131在竖直方向下降一个粉末层厚度h(或2h)，铺粉控制部件4控制第一子供粉缸21中的第五丝杠213带动第二供粉缸支撑结构212在竖直方向上升高度t(或2t)，铺粉装置驱动刮刀6运动实施铺粉。重复上述步骤至第三子成形缸13中的待成形件5结束成形。

(4)进行第四成形缸14中零件的成形，由成形控制部件3控制第四丝杠143驱动第丝成形缸支撑结构142和第四子基板141在竖直方向下降一个粉末层厚度h(或2h)，铺粉控制部件4控制第一子供粉缸21中的第五丝杠213带动第二供粉缸支撑结构212在竖直方向上升高度t(或2t)，铺粉装置驱动刮刀6运动实施铺粉。重复上述步骤至第四子成形缸14中的待成形件5结束成形。

采用多个子成形缸进行多个独立零件成形时，不同子成形缸内零件的打印参数如扫描方式、铺粉厚度等参数可调，亦可随时启动或停止不同子成形缸内待成形件5的打印。

3、若要对四个待成形件5间歇式加工，成形先后次序不受限制，在某个或部分子成形缸内的零件加工完一部分(一层或多层)之后，再进行其它子成形缸内零件的成形。此种加工方式能够使零件在加工过程中有充裕的散热时间，防止在加工过程中零件因过热而产生变形，从而提高零件的成形精度。

另外，本发明还提供了一种增材制造选区成形方法，基于上述各实施例的增材制造选区成形装置，在一个实施例中，增材制造选区成形装置包括多个子成形缸和多个子供粉缸，成形方法包括如下步骤：

在待成形件5每成形一层之前，根据待成形件5的切片数据和扫描路径数据，成形控制部件3控制用于放置待成形件5的子成形缸对应的工作台向下移动第一预设距离。

在待成形件5每成形一层之前，根据待成形件5的切片数据和扫描路径数据，铺粉控制部件4控制需要为子成形缸提供粉末的子供粉缸对应的粉末支撑台向上移动第二预设距离。优选地，第二预设距离大于第一预设距离。

进一步地，在对待成形件5进行成形加工之前，还包括如下步骤：根据待成形件5的尺寸形状，选择各个子成形缸单独或组合使用的方式。

在一种加工方式中，成形缸1的工作台上放置有多个待成形件5，即每个待成形件5均占据一个或多个子成形缸，各个待成形件5的形状不作限制。在成形加工过程中，成形方法具体包括：

同时打印：在每成形一层时，通过一次铺粉覆盖全部待成形件5所占据的子成形缸；或者

独立打印：完成一个待成形件5的全部成形加工后，再进行下一个待成形件5的成形加工；或者

间歇打印：在部分待成形件5完成一层或多层成形之后，再对剩余待成形件5进行成形加工，随后再返回对之前的待成形件5进行成形加工。

采用同时打印的方式能够提高零件加工效率。在进行独立打印或间歇打印时，各个待成形件5的加工顺序可灵活调整，加工参数也可灵活控制。而且间歇打印的方式能够减小某一待成形件5受自身局部热源的影响，防止由于局部过热而产生变形，提高成形精度。

以上对本发明所提供的一种增材制造选区成形装置进行了详细介绍。本文中应用了具体的实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (16)

1.一种增材制造选区成形装置，包括成形缸(1)，其特征在于，所述成形缸(1)包括多个按几何形状阵列方式排布的子成形缸，相邻的所述子成形缸之间相互接触，各个所述子成形缸可根据待成形件(5)的尺寸形状单独或组合使用，用于放置所述待成形件(5)的一个或多个所述子成形缸的组合作为所述待成形件(5)的成形缸，所述成形缸在平行于其工作台的平面内投影的最大轮廓线完全包含所述待成形件(5)在该平面内的投影轮廓线，且通过所述待成形件(5)的摆放位置和角度使占用的所述子成形缸数量最少。

2.根据权利要求1所述的增材制造选区成形装置，其特征在于，多个所述子成形缸按矩形阵列方式排布。

3.根据权利要求1或2所述的增材制造选区成形装置，其特征在于，还包括供粉缸(2)，所述供粉缸(2)设在所述成形缸(1)的侧面，能够根据需求为放置有所述待成形件(5)的所述子成形缸提供粉末。

4.根据权利要求3所述的增材制造选区成形装置，其特征在于，各个所述子成形缸按照多行排列，所述供粉缸(2)包括多个子供粉缸，各个所述子供粉缸并排设在所述成形缸(1)沿行的一侧，每个所述子供粉缸用于为相应行的所述子成形缸提供粉末。

5.根据权利要求1或2所述的增材制造选区成形装置，其特征在于，每个所述子成形缸均包括子基板和第一驱动部件，各个所述子基板均能够在各自对应的所述第一驱动部件的带动下独立运动，以对放置在相应所述子基板上的所述待成形件(5)进行加工。

6.根据权利要求5所述的增材制造选区成形装置，其特征在于，所述成形缸(1)还包括第一缸体(15)，所述第一缸体(15)与各个所述子成形缸整体形成的外轮廓相适配。

7.根据权利要求6所述的增材制造选区成形装置，其特征在于，每个所述子成形缸还包括成形缸支撑结构，所述成形缸支撑结构设在所述子基板和所述驱动部件之间，用于对所述子基板提供支撑，各个所述子基板和成形缸支撑结构位于所述第一缸体(15)内，相邻所述成形缸支撑结构之间设有第一密封结构，用于在各个所述子成形缸独立工作时阻止粉末落入相邻所述子成形缸之间。

8.根据权利要求7所述的增材制造选区成形装置，其特征在于，所述成形缸支撑结构包括承载部(A)和作为所述第一密封结构的阻挡部(B)，所述承载部(A)设在所述子基板下部，所述阻挡部(B)垂直设在所述承载部(A)的至少部分边缘上，且朝向远离所述子基板的一侧延伸。

9.根据权利要求4所述的增材制造选区成形装置，其特征在于，所述供粉缸(2)包括第二缸体(23)，所述第二缸体(23)与各个所述子供粉缸整体形成的外轮廓相适配。

10.根据权利要求9所述的增材制造选区成形装置，其特征在于，每个所述子供粉缸均包括第二驱动部件和用于支撑粉末的供粉缸支撑结构，各个所述供粉缸支撑结构均位于所述第二缸体(23)内，且能够在各自对应的所述第二驱动部件的带动下独立运动，相邻所述供粉缸支撑结构之间设有第二密封结构，用于在各个所述子供粉缸独立供粉时阻止粉末落入相邻所述子供粉缸之间。

11.根据权利要求10所述的增材制造选区成形装置，其特征在于，所述供粉缸支撑结构包括承载部(A)和作为所述第二密封结构的阻挡部(B)，所述承载部(A)设在所述第二缸体(23)内用于支撑粉末，所述阻挡部(B)垂直设在所述承载部(A)的至少部分边缘上，且朝向远离放置粉末的一侧延伸。

12.根据权利要求1或2所述的增材制造选区成形装置，其特征在于，还包括成形控制部件(3)，用于根据所述待成形件(5)的切片数据和扫描路径数据，在每成形一层之前控制用于放置所述待成形件(5)的子成形缸对应的工作台向下移动第一预设距离。

13.根据权利要求4所述的增材制造选区成形装置，其特征在于，还包括铺粉控制部件(4)，用于根据所述待成形件(5)的切片数据和扫描路径数据，在每成形一层之前控制需要为所述子成形缸提供粉末的子供粉缸对应的粉末支撑台向上移动第二预设距离。

14.一种基于权利要求1～13任一所述增材制造选区成形装置的成形方法，其特征在于，所述增材制造选区成形装置包括多个子供粉缸，所述成形方法包括如下步骤：

在所述待成形件(5)每成形一层之前，根据所述待成形件(5)的切片数据和扫描路径数据，控制放置有所述待成形件(5)的子成形缸对应的工作台向下移动第一预设距离；

在所述待成形件(5)每成形一层之前，根据所述待成形件(5)的切片数据和扫描路径数据，控制需要为所述子成形缸提供粉末的子供粉缸对应的粉末支撑台向上移动第二预设距离。

15.根据权利要求14所述的成形方法，其特征在于，在对所述待成形件(5)进行成形加工之前，还包括：

根据所述待成形件(5)的尺寸形状，选择各个所述子成形缸单独或组合使用的方式。

16.根据权利要求14所述的成形方法，其特征在于，各个所述子成形缸用于对多个所述待成形件(5)进行加工，在成形加工过程中，所述成形方法具体包括：

在每成形一层时，通过一次铺粉覆盖全部所述待成形件(5)；或者在部分所述待成形件(5)完成至少一层成形或全部成形之后，再对剩余所述待成形件(5)进行成形加工。

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