CN109420762A - 一种3d打印装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D打印装置及方法，该装置包括工作平台、供粉单元、铺粉单元、成型单元、激光束单元、缺陷检测单元、切削单元、以及控制单元；所述缺陷检测单元设于成型单元上方，用于检测打印的片层是否存在缺陷；所述切削单元相对所述工作平台运动，用于切除存在缺陷的片层；所述控制单元根据检测到的缺陷调整工艺参数。通过缺陷检测单元对每一片层的缺陷进行探测，通过控制单元对探测信息的分析，对不良片层的工艺参数及时调整，采用切削单元对有缺陷的片层进行削除，并用调整后的工艺参数再次打印，有效减少完善工艺参数的时间，降低因完善工艺做试验的成本，加强工艺参数的研发效率。

Description

一种3D打印装置及方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种3D打印装置及方法。
背景技术
3D打印技术不是一项崭新的技术，在工业应用的领域已使用了30多年。3D打印技术从狭义上来说是一种增材成型技术，从成型工艺上看3D打印技术突破了传统成型方法，通过快速自动成型系统与计算机数据模型结合，无需任何附加的传统模具制造和机械加工就能够制造出各种形状复杂的原型，这使得产品的设计生产周期大大缩短，生产成本大幅下降。
选择性激光烧结工艺(SLS)是3D打印成型工艺的其中一种，SLS使用的是粉末状材料，激光器在计算机的操控下对粉末进行扫描照射而实现材料的烧结粘合，就这样材料层层堆积实现成型。与其他3D打印工艺相比SLS具有：成型速度快，每小时成型高度达14毫米，打印金属零件具有锻件性能，塑料零件与注塑零件性能相同，无需设计支撑结构，粉末材料可以回收利用等优势。由于打印精度的不断提高和打印工件尺寸的不断加大，使得打印成本也越来越高，打印成型件的质量也就显得尤为重要。
3D打印在成型过程中，由于加热温度过高过低，激光扫描速度过快或过慢等很多因素都可能导致最终成型件的缺陷，如裂纹，孔隙等，这些孔隙小的到几微米，大的到几百微米不等，而且随机分布，导致金属对象内部可能产生裂纹，这些缺陷需要调整工艺参数来减少或消除，而这个完善工艺参数的过程是漫长的。目前对成品质量的检测都是在整个加工过程结束后对成型件的检测，产品成型后一旦发现质量缺陷，其结果是不可逆的，带来的损失也是巨大的，特别是一些大型工件。所以如何在打印前预防，或打印过程中消除打印缺陷成为最终成型件质量的保证，但目前还没有有效的办法解决打印过程中对成型质量的把控。
现有技术中提供了一种多轴铣削加工及激光熔融复合3D打印设备，该3D打印设备是将传统的以铣削为主的去除式精密加工与激光束熔融3D打印为主的增量叠层制造工艺集成为一体。解决了传统技术采用金属熔融3D打印技术加工的零件在机床进行二次加工，存在装夹困难、加工误差大、零件易变形及难以加工的问题。然而该技术也未能在打印过程中对成型质量进行有效把控。
发明内容
本发明提供了一种3D打印装置及方法，以解决现有技术中存在的未能在打印过程中对成型质量进行有效把控的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种3D打印装置，包括工作平台、供粉单元、铺粉单元、成型单元、激光束单元、缺陷检测单元、切削单元、以及控制单元；所述缺陷检测单元设于成型单元上方，用于检测打印的片层是否存在缺陷；所述切削单元相对所述工作平台运动，用于切除存在缺陷的片层；所述控制单元根据检测到的缺陷调整工艺参数。
进一步的，还包括粉末收集单元，所述供粉单元、成型单元和粉末收集单元依次设于所述工作平台下方。
进一步的，所述铺粉单元、缺陷检测单元、激光束单元和切削单元依次设于所述工作平台上方；所述铺粉单元位于所述供粉单元上方，所述铺粉单元相对所述工作平台沿X向运动；所述激光束单元位于所述成型单元上方，所述激光束单元相对于所述工作平台沿X/Y方向运动；所述切削单元相对与所述工作平台沿X/Y/Z方向运动。
进一步的，还包括粉末收集单元，所述成型单元和粉末收集单元依次设于所述工作平台下方，所述成型单元连有一X向运动台，带动所述成型单元相对所述工作平台沿X向运动。
进一步的，所述铺粉单元、缺陷检测单元、激光束单元、切削单元依次设于所述工作平台上方，所述铺粉单元相对所述工作平台沿X向运动。
进一步的，所述缺陷检测单元设于所述切削单元上或激光束单元与铺粉单元之间。
进一步的，所述缺陷检测单元采用电涡流探伤仪或红外线热电偶传感器。
进一步的，所述控制单元包括缺陷库，所述控制单元将检测到的缺陷与所述缺陷库进行自动匹配并调整工艺参数，如匹配不成功则人工调整工艺参数并将该缺陷新增到所述缺陷库中。
进一步的，所述工艺参数包括激光束的功率及能量分布、激光束的光斑移动速度和路径、铺粉单元加料速度、设置工作平台的氮气室的压力、3D打印装置内外部温度。
进一步的，所述供粉单元包括相互连接的送粉桶和送粉活塞。
进一步的，所述铺粉单元采用铺粉滚轮。
进一步的，所述成型单元包括依次连接的成型筒和成型活塞，所述成型筒上方设有加热器，内部设有型腔，所述型腔由上至下包括若干片层。
进一步的，所述激光束单元包括相互连接的激光器和扫描器。
进一步的，所述切削单元包括运动台、设于所述运动台上的升降机构和设于所述升降机构上的切削轴。
进一步的，所述工作平台设于一氮气室中。
本发明还提供了一种3D打印方法，包括以下步骤：
S1：供粉单元对工作平台提供物料，铺粉单元将物料均匀铺设于成型单元上方，激光束单元将成型单元上的物料烧结成型，打印第一片层；
S2：缺陷检测单元对所述第一片层进行探测，判断是否存在缺陷，若存在缺陷则执行步骤S3，若不存在缺陷则执行步骤S6；
S3：根据检测到的缺陷调整工艺参数；
S4：切削单元对第一片层进行切削；
S5：采用调整后的工艺参数打印第一片层，并执行步骤S2；
S6：重复步骤S1-S5，打印下一片层，直至完成全部片层的打印。
进一步的，所述步骤S1中，还包括先将氮气室升温，并保持在物料的熔点以下。
进一步的，所述步骤S2中，所述缺陷检测单元为电涡流探伤仪或红外线热电偶传感器，位于切削单元上或激光束单元与铺粉单元之间，通过与激光束单元的随动，在激光束单元进行烧结成型的过程中完成探测过程。
进一步的，所述步骤S3中，控制单元进行缺陷模式匹配，若探测到的缺陷为缺陷库中已有缺陷，则控制单元自动匹配到缺陷库中已有的缺陷，自动调整工艺参数；若探测到的缺陷不同于缺陷库中任何一个缺陷，则人工调整工艺参数并将此缺陷作为新的缺陷增加到缺陷库中。
进一步的，所述步骤S3中，所述工艺参数包括激光束的功率及能量分布、激光束的光斑移动速度和路径、铺粉单元加料速度、设置工作平台的氮气室的压力、3D打印装置内外部温度。
进一步的，所述步骤S4中，控制单元控制运动台相对工作平台沿X/Y/Z方向运动，从而带动切削单元对第一片层进行切削。
本发明提供的3D打印装置及方法，该装置包括工作平台、供粉单元、铺粉单元、成型单元、激光束单元、缺陷检测单元、切削单元、以及控制单元；所述缺陷检测单元设于成型单元上方，用于检测打印的片层是否存在缺陷；所述切削单元相对所述工作平台运动，用于切除存在缺陷的片层；所述控制单元根据检测到的缺陷调整工艺参数。通过缺陷检测单元对每一片层的缺陷进行探测，通过控制单元对探测信息的分析，对不良片层的工艺参数及时调整，采用切削单元对有缺陷的片层进行削除，并用调整后的工艺参数再次打印，可以有效减少完善工艺参数的时间，降低因完善工艺做试验的成本，加强工艺参数的研发效率，由于3D打印具有逐层打印立体成型的特点，因此在整个加工过程中的每一片层都能找出缺陷，并根据缺陷优化工艺，由于是在打印过程中完善了工艺，减少了完善工艺的时间，同时避免了工件成型后的损失，降低了打印成本，提高了效率和打印质量。
附图说明
图1是本发明实施例1中3D打印装置的结构示意图；
图2a-2b是本发明实施例1中电涡流探伤仪的探测原理图；
图3是本发明实施例1中运动台的结构示意图；
图4是本发明实施例2中3D打印装置的结构示意图；
图5是本发明实施例3中3D打印装置的结构示意图。
图中所示：1、工作平台；2、供粉单元；21、送粉桶；22、送粉活塞；3、铺粉单元；4、成型单元；41、成型筒；42、成型活塞；43、型腔；5、粉末收集单元；6、激光束单元；61、激光器；62、扫描器；7、缺陷检测单元；8、切削单元；81、运动台；82、升降机构；83、切削轴；84、Y向导轨；85、X向导轨；9、氮气室；10、X向运动台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述。
实施例1
如图1所示，本发明一种3D打印装置，包括工作平台1、与所述工作平台1对应的供粉单元2、铺粉单元3、成型单元4、激光束单元6、缺陷检测单元7、切削单元8以及控制单元，本实施例中，控制单元为计算机。所述缺陷检测单元7设于成型单元4上方，用于检测打印的片层是否存在缺陷；所述切削单元8相对所述工作平台1运动，用于切除存在缺陷的片层；所述控制单元根据检测到的缺陷调整工艺参数。具体的，所述切削单元8相对所述工作平台1沿X、Y、Z三个方向运动。通过缺陷检测单元7对每一片层的缺陷进行探测，通过控制单元对探测信息的分析，对不良片层的工艺参数及时调整，采用切削单元8对有缺陷的片层进行削除，并用调整后的工艺参数再次打印，可以有效减少完善工艺参数的时间，降低因完善工艺做试验的成本，提高了效率和打印质量。
优选的，所述3D打印装置还包括粉末收集单元5，所述供粉单元2、成型单元4和粉末收集单元5依次设于所述工作平台下方，其中供粉单元2包括相互连接的送粉桶21和送粉活塞22，送粉活塞22向上移动将送粉桶21中的物料(即粉墨)输送至工作平台1上，工件平台1位于一氮气室9内，内部的氮气在3D打印过程中起到保护的作用，铺粉单元3、缺陷检测单元7、激光束单元和切削单元依次设于工件平台上方，铺粉单元3与供粉单元2的位置对应，所述铺粉单元3相对所述工作平台1沿X向运动，具体的，铺粉单元3采用铺粉滚轮，可相对工作平台1沿X轴方向滚动，将物料均匀铺设于成型单元4上方。成型单元4包括依次连接的成型筒41和成型活塞42，所述成型筒41上方设有加热器，内部设有型腔43，所述型腔43由上至下包括若干片层；激光束单元6位于所述成型单元4上方，相对于所述工作平台1沿X/Y方向运动，激光束单元6包括相互连接的激光器61和扫描器62，激光器61发出激光，计算机控制激光器61的开关及扫描器62的扫描角度，使得激光束以一定的速度和能量密度在成型单元4的加工平面上扫描，激光束扫过之处，物料烧结成一定厚度的片层，未扫过的地方仍然是松散的粉末，这样零件的第一片层就制造出来了，每次成型一个片层，并通过缺陷检测单元7进行缺陷检测，本实施例中，缺陷检测单元7采用电涡流探伤仪，设于切削单元8上或激光束单元与铺粉单元3之间，切削单元8相对与所述工作平台1沿X/Y/Z方向运动，如图3所示，切削单元8包括运动台81、设于所述运动台81上的升降机构82和设于所述升降机构82上的切削轴83，运动台81活动设于Y向导轨84上，可沿Y向导轨84移动，同时Y向导轨84的两端活动设于两条平行的X向导轨85上，可沿X向导轨85移动。电涡流探伤仪位于运动台81上，通过运动台81与激光束单元6的随动，在激光束单元6进行烧结成型的过程中完成探测过程，无需占用单独的检测时间。
优选的，所述控制单元包括缺陷库，所述控制单元将检测到的缺陷与所述缺陷库进行自动匹配并调整工艺参数，如匹配不成功则人工调整工艺参数并将该缺陷新增到所述缺陷库中。所述工艺参数包括激光束的功率及能量分布、激光束的光斑移动速度和路径、铺粉单元3加料速度、设置工作平台1的氮气室的压力、3D打印装置内外部温度。如图2a、2b所示，电涡流探伤仪是一种由交流电流产生的交变磁场作用于待探伤的导电材料，感应出电涡流。如果打印的片层中有缺陷，如裂纹，孔隙，它将缺陷所产生的电涡流，形成波形缺陷信号经过前置预滤波器去掉模拟型号中的噪声，再经过模数转换器，把模拟量变成数字量，通过控制单元中的数字信号处理器进行处理后输送数字波形至缺陷库中自动比对，识别缺陷状态，自动匹配已有工艺方案并调整完善工艺参数，该工艺参数包括激光束的功率及能量分布、激光束的光斑移动速度和路径、铺粉单元3加料速度、设置工作平台1的氮气室的压力、3D打印装置内外部温度等，如果该缺陷是缺陷库中未出现过的，则上传该缺陷数据，人工处理后保存至缺陷库，计算机调用库中新的数据后调整加工工艺参数，然后启动切削单元8，将有缺陷的片层切削干净，并采用调整后的工艺参数重新打印该片层。
本发明还提供了一种3D打印制造方法，包括以下步骤：
S1：将氮气室升温，并保持在物料的熔点以下，供粉单元2对工作平台1提供物料，送粉活塞22上移一定量，上移的量与打印的片层厚度有关，一般是略大于该片层厚度，铺粉单元3将物料均匀铺设于成型单元4上方的加工平面，成型筒41上端的加热器将成型筒41内的物料加热至98-102℃，激光束单元6将成型单元4上的物料烧结成型，打印第一片层。
S2：缺陷检测单元7对所述第一片层进行探测，判断是否存在缺陷，若存在缺陷则执行步骤S3，若不存在缺陷则执行步骤S6；具体的，所述缺陷检测单元7为电涡流探伤仪，位于切削单元8上或激光束单元与铺粉单元3之间，通过运动台81与激光束单元6的随动，在激光束单元6进行烧结成型的过程中完成探测过程，减少缺陷检测需要单独占用的时间，提高了3D打印的整体效率。
S3：根据检测到的缺陷调整工艺参数，该工艺参数包括激光束的功率及能量分布、激光束的光斑移动速度和路径、铺粉单元3加料速度、设置工作平台1的氮气室的压力、3D打印装置内外部温度；控制单元进行缺陷模式匹配，若探测到的缺陷为缺陷库中已有缺陷，则控制单元自动匹配到缺陷库中已有的缺陷，自动调整工艺参数；若探测到的缺陷不同于缺陷库中任何一个缺陷，则人工调整工艺参数并将此缺陷作为新的缺陷增加到缺陷库中。
S4：切削单元8对第一片层进行切削，具体的，控制单元控制运动台81相对工作平台沿X/Y/Z方向运动，从而带动切削单元8对第一片层进行切削。由于每个片层的高度不同，当缺陷出现在不同高度时就需要进行运动台Z向高度的调整，因此通过升降机构82沿Z向升降，以便带动切削单元8准确地切除该缺陷片层。
S5：采用调整后的工艺参数打印第一片层，并执行步骤S2，对重新打印的第一片层再次进行检测，直至缺陷消除。
S6：重复步骤S1-S5，打印下一片层，直至完成全部片层的打印。
实施例2
如图4所示，与实施例1不同的是，所述缺陷检测单元7采用红外线热电偶传感器，设于切削单元8上或激光束单元与铺粉单元3之间。
与该3D打印装置对应的制造方法中，激光器61发出激光，计算机控制激光器61的开关及扫描器的角度，使得激光束以一定的速度和能量密度在成型单元4的加工平面上扫描。同时，红外线热电偶传感器启动，对激光加热熔池的温度进行实时监测，如果熔池温度出现偏差，则给计算机发送信号，调整激光器61的功率以调整熔池温度，并且计算机记录出现偏差位置段和热成像图，激光器61的开与关以及扫描器62的角度和待成型的零件的第一片层的信息相关。计算机根据偏差位置信息和分析热成像图识别缺陷，自动匹配已有工艺方案并调整完善工艺参数，如果该缺陷是工艺库中未出现过的，则上传该缺陷数据，人工处理后保存至工艺库，计算机调用库中新的数据后调整加工工艺参数，然后启动切削单元8，将有缺陷的片层切削干净，并采用调整后的工艺参数重新打印该片层。
实施例3
如图5所示，与实施例1-2不同的是，本实施例中，所述成型单元4和粉末收集单元5依次设于所述工作平台1下方，所述成型单元4连有一X向运动台10，带动所述成型单元4相对所述工作平台1沿X向运动。所述铺粉单元3、缺陷检测单元7、激光束单元6、切削单元8依次设于所述工作平台1上方，所述铺粉单元3相对所述工作平台1沿X向运动，所述缺陷检测单元7采用电涡流探伤仪或红外线热电偶传感器，图5中为电涡流探伤仪，设于外部框架上。
与该3D打印装置对应的制造方法中，X向运动台10驱动成型单元4向供粉单元2方向运动，移动过程中供粉单元2将物料铺在成型单元4上，铺粉滚轮具有正向和反向转动功能，保证成型单元4在运动过程中将物料均匀地铺在加工平面上，成型筒41上端的加热器将成型筒41内的物料加热至98-102℃，激光束单元6将成型单元4上的物料烧结成型，打印第一片层，接着X向运动台10驱动成型单元4向铺粉单元3方向运动，并经过位于激光束单元6和供粉单元2之间的电涡流探伤仪，通过电涡流探伤仪对打印的第一片层探伤扫描，探测的原理与实施例1相同。本实施例中，电涡流探伤仪在X向运动台10驱动成型单元4向铺粉单元3方向运动去铺粉的同时完成探测过程，无需单独占用缺陷检测的时间，提高了3D打印的整体效率。
综上所述，本发明提供的3D打印装置及方法，该装置包括工作平台1、与所述工作平台1对应的供粉单元2、铺粉单元3、成型单元4、激光束单元6、缺陷检测单元7、切削单元8以及控制单元，所述缺陷检测单元7设于成型单元上方，用于检测打印的片层是否存在缺陷；所述切削单元8相对所述工作平台1运动，用于切除存在缺陷的片层；所述控制单元根据检测到的缺陷调整工艺参数。通过缺陷检测单元7对每一片层的缺陷进行探测，通过控制单元对探测信息的分析，对不良片层的工艺参数及时调整，采用切削单元8对有缺陷的片层进行削除，并用调整后的工艺参数再次打印，可以有效减少完善工艺参数的时间，降低因完善工艺做试验的成本，加强工艺参数的研发效率，由于3D打印具有逐层打印立体成型的特点，因此在整个加工过程中的每一片层都能找出缺陷，并根据缺陷优化工艺，由于是在打印过程中完善了工艺，减少了完善工艺的时间，同时避免了工件成型后的损失，降低了打印成本，提高了效率和打印质量。
虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (21)

1.一种3D打印装置，其特征在于，包括工作平台、供粉单元、铺粉单元、成型单元、激光束单元、缺陷检测单元、切削单元、以及控制单元；所述缺陷检测单元设于成型单元上方，用于检测打印的片层是否存在缺陷；所述切削单元相对所述工作平台运动，用于切除存在缺陷的片层；所述控制单元根据检测到的缺陷调整工艺参数。
2.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，还包括粉末收集单元，所述供粉单元、成型单元和粉末收集单元依次设于所述工作平台下方。
3.根据权利要求2所述的3D打印装置，其特征在于，所述铺粉单元、缺陷检测单元、激光束单元和切削单元依次设于所述工作平台上方；所述铺粉单元位于所述供粉单元上方，所述铺粉单元相对所述工作平台沿X向运动；所述激光束单元位于所述成型单元上方，所述激光束单元相对于所述工作平台沿X/Y方向运动；所述切削单元相对与所述工作平台沿X/Y/Z方向运动。
4.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，还包括粉末收集单元，所述成型单元和粉末收集单元依次设于所述工作平台下方，所述成型单元连有一X向运动台，带动所述成型单元相对所述工作平台沿X向运动。
5.根据权利要求4所述的3D打印装置，其特征在于，所述铺粉单元、缺陷检测单元、激光束单元、切削单元依次设于所述工作平台上方，所述铺粉单元相对所述工作平台沿X向运动。
6.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述缺陷检测单元设于所述切削单元上或激光束单元与铺粉单元之间。
7.根据权利要求6所述的3D打印装置，其特征在于，所述缺陷检测单元采用电涡流探伤仪或红外线热电偶传感器。
8.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述控制单元包括缺陷库，所述控制单元将检测到的缺陷与所述缺陷库进行自动匹配并调整工艺参数，如匹配不成功则人工调整工艺参数并将该缺陷新增到所述缺陷库中。
9.根据权利要求8所述的3D打印装置，其特征在于，所述工艺参数包括激光束的功率及能量分布、激光束的光斑移动速度和路径、铺粉单元加料速度、设置工作平台的氮气室的压力、3D打印装置内外部温度。
10.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述供粉单元包括相互连接的送粉桶和送粉活塞。
11.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述铺粉单元采用铺粉滚轮。
12.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述成型单元包括依次连接的成型筒和成型活塞，所述成型筒上方设有加热器，内部设有型腔，所述型腔由上至下包括若干片层。
13.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述激光束单元包括相互连接的激光器和扫描器。
14.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述切削单元包括运动台、设于所述运动台上的升降机构和设于所述升降机构上的切削轴。
15.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述工作平台设于一氮气室中。
16.一种3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：供粉单元对工作平台提供物料，铺粉单元将物料均匀铺设于成型单元上方，激光束单元将成型单元上的物料烧结成型，打印第一片层；
S2：缺陷检测单元对所述第一片层进行探测，判断是否存在缺陷，若存在缺陷则执行步骤S3，若不存在缺陷则执行步骤S6；
S3：根据检测到的缺陷调整工艺参数；
S4：切削单元对第一片层进行切削；
S5：采用调整后的工艺参数打印第一片层，并执行步骤S2；
S6：重复步骤S1-S5，打印下一片层，直至完成全部片层的打印。
17.根据权利要求16所述的3D打印方法，其特征在于，所述步骤S1中，还包括先将氮气室升温，并保持在物料的熔点以下。
18.根据权利要求16所述的3D打印方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述缺陷检测单元为电涡流探伤仪或红外线热电偶传感器，位于切削单元上或激光束单元与铺粉单元之间，通过与激光束单元的随动，在激光束单元进行烧结成型的过程中完成探测过程。
19.根据权利要求16所述的3D打印方法，其特征在于，所述步骤S3中，控制单元进行缺陷模式匹配，若探测到的缺陷为缺陷库中已有缺陷，则控制单元自动匹配到缺陷库中已有的缺陷，自动调整工艺参数；若探测到的缺陷不同于缺陷库中任何一个缺陷，则人工调整工艺参数并将此缺陷作为新的缺陷增加到缺陷库中。
20.根据权利要求16所述的3D打印方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述工艺参数包括激光束的功率及能量分布、激光束的光斑移动速度和路径、铺粉单元加料速度、设置工作平台的氮气室的压力、3D打印装置内外部温度。
21.根据权利要求16所述的3D打印方法，其特征在于，所述步骤S4中，控制单元控制运动台相对工作平台沿X/Y/Z方向运动，从而带动切削单元对第一片层进行切削。
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