CN109551761A - 一种可自动更新刮刀的铺粉装置及铺粉方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可自动更新刮刀的铺粉装置及铺粉方法，包括刮刀架、第一张紧轮、第二张紧轮、柔性丝材、第一收卷装置、第二收卷装置；第一张紧轮和第二张紧轮分别安装在刮刀架的两端且相对设置；柔性丝材的一端与第一张紧轮形成滑轮结构，且端部缠绕在第一收卷装置上；另一端与第二张紧轮形成滑轮结构，且端部缠绕在第二收卷装置上；柔性丝材连接第一张紧轮和第二张紧轮的部分为刮刀；第一收卷装置和第二收卷装置安装在刮刀架上。本发明采用张紧的柔性丝材作为刮刀，柔性丝材一端缠绕在第一收卷装置上，另一端缠绕在第二收卷装置上，当需要更换刮刀时，两个收卷装置一个收卷旧的柔性丝材，另一个释放新的柔性丝材，从而自动实现刮刀的更换。

Description

一种可自动更新刮刀的铺粉装置及铺粉方法
技术领域
本发明涉及粉末床3D打印工艺和设备技术领域，具体涉及一种可自动更新刮刀的铺粉装置及铺粉方法。
背景技术
在以粉末为材料的3D打印工艺中，如SLS工艺和SLM工艺，均需要在成型每层之前精确铺设一层粉末材料，材料铺设的质量直接影响打印质量与稳定性。
现有的刮刀制造及安装方案要首先解决刮刀刃的直线度以及刮刀与打印平面的平行度问题，才能满足基本的工艺需求。而随着打印层数的增加，刮刀必然由于磨损而精度下降的问题，或者刮刀粘有异物也会影响铺粉质量。一般的解决方法是更换新的刮刀，这种方案不但要中止打印过程，过程繁琐，不方便操作，而且难以保证重复安装精度，难以保证打印过程的持续性。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种可自动更新刮刀的铺粉装置及铺粉方法，具有自动更换刮刀的特点。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种可自动更新刮刀的铺粉装置，包括刮刀架、第一张紧轮、第二张紧轮、柔性丝材、第一收卷装置、第二收卷装置；
第一张紧轮和第二张紧轮分别安装在刮刀架的两端且相对设置；柔性丝材的一端与第一张紧轮形成滑轮结构，且端部缠绕在第一收卷装置上；另一端与第二张紧轮形成滑轮结构，且端部缠绕在第二收卷装置上；柔性丝材连接第一张紧轮和第二张紧轮的部分为刮刀；
第一收卷装置和第二收卷装置安装在刮刀架上。
优选的，还包括固定安装在刮刀架上的第一导向结构和第二导向结构，柔性丝材的一端通过第一导向结构导向缠绕在第一收卷装置上；另一端通过第二导向结构导向缠绕在第二收卷装置上。
优选的，刮刀架底部设有凹槽，刮刀的上半部分嵌入凹槽内。
优选的，还包括第一高度调节机构和第二高度调节机构，第一张紧轮和第二张紧轮分别通过第一高度调节机构和第二高度调节机构安装在刮刀架上；第一高度调节机构和第二高度调节机构结构相同，均包括用于调节高度的调节装置和用于固定张紧轮的张紧轮固定结构；
调节装置包括连接块和纵向设置的丝杆螺母副，丝杆螺母副的下端与连接块连接，连接块与下方的张紧轮固定结构固定连接；
或者，调节装置包括楔形体、水平设置的丝杆螺母副和弹性元件；张紧轮固定结构顶部为与楔形体底部斜面配合的斜面，切楔形体的底部斜面与张紧轮固定结构的顶部斜面接触；弹性元件一侧嵌入刮刀架中，另一侧嵌入张紧轮固定结构中；水平设置的丝杆螺母副与切楔形体固定连接，以带动切楔形体水平移动。
或者，调节装置包括压电陶瓷堆栈和弹性元件，压电陶瓷堆栈设置在张紧轮固定结构的上方，弹性元件一侧嵌入刮刀架中，另一侧嵌入张紧轮固定结构中。
优选的，还包括两个料仓和与料仓对应的动力装置，两个料仓分别由弹性结构安装在刮刀架的两侧壁上，料仓与刮刀架侧壁之间通过动力装置作用形成宽度在0.1mm至1mm范围内的可控漏粉缝隙。
优选的，在第一收卷装置和/或第二收卷装置上布置有张力控制器，用于采集柔性丝材的张力信息。
优选的，还包括驱动装置，驱动装置的输出端与刮刀架连接，驱动装置的输出端装有第二力学采集装置，用于采集刮刀架受力变形信息。
优选的，在刮刀架两端设置有对射式激光传感器，用于采集打印缺陷信息。
所述可自动更新刮刀的铺粉装置的使用方法，按照预定张紧力将柔性丝材张紧形成刮刀，驱动刮刀架移动，以带动刮刀进行铺粉；当需要更换刮刀时，停止铺粉，第一收卷装置和第二收卷装置转动，一个收卷装置收卷旧的柔性丝材，同时另一个收卷装置释放新的柔性丝材，刮刀更新完成后，继续铺粉。
所述可自动更新刮刀的铺粉装置的使用方法，按照预定张紧力将柔性丝材张紧形成刮刀；向两个料仓中装入粉末，根据工艺需求选择刮刀运动方向，根据运动方向，将刮刀前方的料仓切换至打开状态，粉末开始从漏粉缝隙中流出；驱动刮刀架移动，以带动刮刀进行铺粉；当需要更换刮刀时，停止铺粉，第一收卷装置和第二收卷装置转动，一个收卷装置收卷旧的柔性丝材，同时另一个收卷装置释放新的柔性丝材，刮刀更新完成后，继续铺粉。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明采用张紧的柔性丝材作为刮刀，柔性丝材一端缠绕在第一收卷装置上，另一端缠绕在第二收卷装置上。当需要更换刮刀时，两个收卷装置一个收卷旧的柔性丝材，另一个释放新的柔性丝材，从而自动实现刮刀的更换，收卷装置可在短时间内自动更换刮刀，提高效率，同时不需要重新安装刮刀，从而保证刮刀精度恒定。本发明可作为SLS激光选择性烧结和SLM激光选择性融化设备的粉末铺设装置。
进一步的，刮刀架底部设计凹槽，将刮刀的上半部分嵌入凹槽内，起到保持作用，可以避免柔性丝材形变太大而影响铺粉质量。
进一步的，通过高度调节机构可以便于调整刮刀与打印平面的平行度，使刮刀与打印平面保持平行。
进一步的，通过在刮刀架的两侧壁上各设置一个料仓，通过动力装置控制料仓的开闭，可以方便的实现双向铺粉。
进一步的，现有的铺粉系统方案对于铺粉过程的质量监控依赖光学方案来检测，存在易被干扰、鲁棒性不足的问题。铺粉的刮刀和粉末是直接接触的，若打印平面存在异常，则刮刀受到的阻力和支撑力也会发生变化。本发明通过张力控制器采集并分析刮刀的力学信号，能够更直接的检测刮刀的工作状态和铺粉质量，能进一步提升铺粉系统的智能化水平。
进一步的，通过力学采集装置采用刮刀架整体变形数据，通过对射式激光传感器采集打印缺陷信息，能进一步掌握设备状态及打印质量，及时作出调整，提高智能化水平，保证打印质量。
本发明当需要更换刮刀时，两个收卷装置一个收卷旧的柔性丝材，另一个释放新的柔性丝材，从而自动实现刮刀的更换，收卷装置可在短时间内自动更换刮刀，不需要重新安装刮刀，从而保证刮刀精度恒定。
附图说明
图1为本发明铺粉装置示意图。
图2为本发明刮刀架和料仓俯视图。
图3为本发明刮刀架和料仓侧视图。
图4为柔性丝材截面形状示意图。
图5为高度调整机构示意图。
图中：打印平台1，第二张紧轮2，调节装置3，丝杆螺母副30，楔形体31，压电陶瓷堆栈32，弹性元件33，张紧轮固定结构4，张紧力5，刮刀架6，第一导向结构7，柔性丝材8，第一力学采集装置9，第二力学采集装置10，隔板11，控制器12，第一收卷装置13，张力控制器14，粉末15，活塞16，料仓20，弹性结构21，刮刀运动方向22，动力装置23。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1所示，本发明所述的铺粉装置，包括刮刀架6、第一张紧轮、第二张紧轮2、柔性丝材8、第一导向结构7、第二导向结构、第一收卷装置13、第二收卷装置和驱动装置。
第一张紧轮和第二张紧轮2分别安装在刮刀架6的两端且相对设置；柔性丝材8的一端与第一张紧轮形成滑轮结构，且端头通过第一导向结构7导向缠绕在第一收卷装置13上；另一端与第二张紧轮2形成滑轮结构，且端头通过第二导向结构导向缠绕在第二收卷装置上。第一导向结构7和第二导向结构均为导向轮，固定安装在刮刀架6上；第一收卷装置13和第二收卷装置均为收卷轮，安装在刮刀架6上，收卷轮通过安装在刮刀架6上的电机进行驱动转动，以进行柔性丝材8的更换。第一收卷装置13存储新柔性丝材8，第二收卷装置存储旧柔性丝材8，当检测到工作段的刮刀磨损时或被污染时，收卷装置可在短时间内自动更换工作段丝材，从而保证刀刃精度恒定。
柔性丝材8连接第一张紧轮和第二张紧轮2的部分工作段丝材与打印平面平行，作为刮刀用于铺粉，刮刀位于刮刀架6的下方，对柔性丝材8施加张紧力5，刮刀张紧呈现直线，利用柔性丝材8张紧时的直线度保证刮刀刀刃的直线度。
柔性丝材8可以选择橡胶材质、聚醚醚酮、聚酰亚胺或金属材质，柔性丝材8的截面可以为任意形状，如圆形、椭圆形或方形等，优选圆形，如图4给出三种截面形状的柔性丝材8示意图。
为了避免柔性丝材8水平方向形变太大而影响铺粉质量，可在刮刀架6底部设计凹槽，将刮刀的上半部分嵌入凹槽内，起到保持作用。
为了便于调整刮刀与打印平面的平行度，本发明分别采用第一高度调节机构和第二高度调节机构将第一张紧轮和第二张紧轮2固定在刮刀架6上，从而便于通过调整第一张紧轮和第二张紧轮2的高度来调节刮刀的高度，使刮刀与打印平面保持平行。第一高度调节机构和第二高度调节机构结构相同，包括调节装置3和张紧轮固定结构4。张紧轮固定结构4可以为螺纹结构或压电致动等可精确定位的装置，为了进一步提高精度和稳定性，可以在调节装置3中采用优化的传动方式(如楔形结构)以放大支撑力，提高定位精度。
一个实施例中，调节装置3包括连接块和纵向设置的丝杆螺母副30，丝杆螺母副30的下端与连接块连接，连接块与下方的张紧轮固定结构4固定连接，张紧轮固定结构4底部固定张紧轮，结构示意图如图5(a)所示，采用丝杆螺母副30直接驱动张紧轮进行上下微动。
另一个实施例中，调节装置3包括楔形体31、水平设置的丝杆螺母副和弹性元件33；张紧轮固定结构4顶部为与楔形体31底部斜面配合的斜面；楔形体31设置在张紧轮固定结构4的上方，且切楔形体31的底部斜面与张紧轮固定结构4的顶部斜面接触；弹性元件33一侧嵌入刮刀架6中，另一侧嵌入张紧轮固定结构4中，一方面可以固定支撑张紧轮固定结构4，另一方面允许张紧轮固定结构4在一定范围内上下移动；水平设置的丝杆螺母副与切楔形体31固定连接，以带动切楔形体31水平移动，从而带动张紧轮固定结构4上下移动。即将丝杆螺母副驱动装置水平安装，然后通过楔形体驱动张紧轮进行上下微调。结构示意图如图5(b)所示。
另一个实施例中，调节装置包括压电陶瓷堆栈32和弹性元件33，压电陶瓷堆栈32设置在张紧轮固定结构4的上方，弹性元件33一侧嵌入刮刀架6中，另一侧嵌入张紧轮固定结构4中。采用压电陶瓷堆栈32直接驱动张紧轮固定结构4上下微调，从而实现张紧轮上下微调。结构示意图如图5(c)所示。
弹性元件33具体为弹簧或弹性体，提供张紧轮固定结构4向上运动的力。
驱动装置的输出端与刮刀架6连接，用于驱动刮刀架6移动，以带动刮刀移动进行铺粉工作。本实例中，驱动装置为导轨丝杠。
铺粉装置安装在打印平台1上，打印区域位于活塞16之上，整个打印区域由粉末15填充。第一收卷装置13和第二收卷装置位于非打印区域，由安装在刮刀架6上的隔板11与打印区域分开，随着刮刀同步运动。
如图2和3所示，为了实现双向铺粉，本发明在刮刀架6的两侧壁上分别安装一个轻质料仓20，料仓20由薄壁弹性材料制成，并由弹性结构21固定在刮刀架6上；料仓20与刮刀架6侧壁接触的一侧为开口结构。弹性结构21可以选择弹簧钢片。还设置动力装置23，在动力装置23的作用下，料仓20与刮刀架6侧壁之间能产生大于粉末颗粒直径的漏粉缝隙，一般是0.1-0.5mm漏粉缝隙，动力装置23能够控制漏粉缝隙的开闭，当漏粉缝隙打开时料仓20中的粉末从漏粉缝隙流出到打印区域，然后被运动的刮刀均匀铺设在打印平面内。动力装置23如压电致动器、偏心电机、电磁铁等。当动力装置23为偏心电机时，安装在料仓20与刮刀架6相对的侧壁下端。考虑刮刀运动方向22，粉末15落于刮刀前方，在刮刀的作用下，被均匀铺设于打印平面。
为了提升铺粉装置的可靠性和智能化程度，本发明还设置了张力传感器、力学采集装置和对射式激光传感器。
在第一收卷装置13和/或第二收卷装置上布置有张力控制器14，用于采集柔性丝材8的张力信息，以进行柔性丝材8张力的控制。在铺粉过程中，如果遇到障碍物，柔性丝材8的张力会发生变化，张力控制器14采集张力数据进行分析。另外在刮刀架6和驱动装置之间的连接部位装有第二力学采集装置10，该连接部位经过结构优化设计，使得其强度既能保证铺粉精度，又可以产生微小形变以进行作用力的测量。具体是在驱动装置的输出端装有第二力学采集装置10，第二力学采集装置10比如应变片，采集数据传输给控制器12以分析刮刀架整体变形数据；还可以在第一张紧轮和/或第二张紧轮2上安装第一力学采集装置9，用于测量刮刀由于受到意外阻力而产生的应力应变。另外在刮刀架6两端靠近打印平面的位置布置有对射式激光传感器，通过对采集到的数据进行实时分析，结合刮刀行走位置，可检测到打印缺陷的坐标位置。
本发明的工作过程如下：
第一收卷装置13或第二收卷装置动作，给柔性丝材8施加张紧力5，柔性丝材8张紧形成刮刀，上下调节刮刀使其与打印平面平行；向两个料仓20中装入同种或不同种的粉末15，根据工艺需求选择刮刀运动方向，根据运动方向，将刮刀前方的料仓20切换至打开状态，粉末15开始从漏粉缝隙中流出；料仓20可以一定频率切换开关，呈现振动状态，从而改善粉末的流动性；等待粉末15流出量达到预设值，或者不等待，按照预设的移动速度，刮刀架6在驱动装置的驱动下移动，带动刮刀移动，在刮刀的作用下落在刮刀前方的粉末15被均匀铺设于打印平面；在铺粉过程中，张力控制器检测柔性丝材8的张力变化并传送给控制系统，力学采集装置采集刮刀架整体变形数据，并传送给控制系统，对射式激光传感器采集打印平面的数据并传送给控制系统，以分析柔性丝材8的张力数据、刮刀架整体变形及打印缺陷。
需要更换刮刀时，打印过程自动暂停，第二收卷装置动作以收卷旧柔性丝材8，同时第一收卷装置13动作以释放新柔性丝材8，从而收卷装置可在短时间内自动更换工作段丝材，完成刮刀的更换后继续打印过程。
刮刀在空行程时可整体向上平移避免与打印平面接触。

Claims (10)

1.一种可自动更新刮刀的铺粉装置，其特征在于，包括刮刀架(6)、第一张紧轮、第二张紧轮(2)、柔性丝材(8)、第一收卷装置(13)和第二收卷装置；
第一张紧轮和第二张紧轮(2)分别安装在刮刀架(6)的两端且相对设置；柔性丝材(8)的一端与第一张紧轮形成滑轮结构，且端部缠绕在第一收卷装置(13)上；另一端与第二张紧轮(2)形成滑轮结构，且端部缠绕在第二收卷装置上；柔性丝材(8)连接第一张紧轮和第二张紧轮(2)的部分为刮刀；
第一收卷装置(13)和第二收卷装置安装在刮刀架(6)上。
2.根据权利要求1所述的可自动更新刮刀的铺粉装置，其特征在于，还包括固定安装在刮刀架(6)上的第一导向结构(7)和第二导向结构，柔性丝材(8)的一端通过第一导向结构(7)导向缠绕在第一收卷装置(13)上；另一端通过第二导向结构导向缠绕在第二收卷装置上。
3.根据权利要求1所述的可自动更新刮刀的铺粉装置，其特征在于，刮刀架(6)底部设有凹槽，刮刀的上半部分嵌入凹槽内。
4.根据权利要求1所述的可自动更新刮刀的铺粉装置，其特征在于，还包括第一高度调节机构和第二高度调节机构，第一张紧轮和第二张紧轮(2)分别通过第一高度调节机构和第二高度调节机构安装在刮刀架(6)上；第一高度调节机构和第二高度调节机构结构相同，均包括用于调节高度的调节装置(3)和用于固定张紧轮的张紧轮固定结构(4)；
调节装置(3)包括连接块和纵向设置的丝杆螺母副(30)，丝杆螺母副(30)的下端与连接块连接，连接块与下方的张紧轮固定结构(4)固定连接；
或者，调节装置(3)包括楔形体(31)、水平设置的丝杆螺母副和弹性元件(33)；张紧轮固定结构(4)顶部为与楔形体(31)底部斜面配合的斜面，切楔形体(31)的底部斜面与张紧轮固定结构(4)的顶部斜面接触；弹性元件(33)一侧嵌入刮刀架(6)中，另一侧嵌入张紧轮固定结构(4)中；水平设置的丝杆螺母副与切楔形体(31)固定连接，以带动切楔形体(31)水平移动。
或者，调节装置(3)包括压电陶瓷堆栈(32)和弹性元件(33)，压电陶瓷堆栈(32)设置在张紧轮固定结构(4)的上方，弹性元件(33)一侧嵌入刮刀架(6)中，另一侧嵌入张紧轮固定结构(4)中。
5.根据权利要求1所述的可自动更新刮刀的铺粉装置，其特征在于，还包括两个料仓(20)和与料仓(20)对应的动力装置(23)，两个料仓(20)分别由弹性结构(21)安装在刮刀架(6)的两侧壁上，料仓(20)与刮刀架(6)侧壁之间通过动力装置(23)作用形成宽度在0.1mm至1mm范围内的可控漏粉缝隙。
6.根据权利要求1所述的可自动更新刮刀的铺粉装置，其特征在于，在第一收卷装置(13)和/或第二收卷装置上布置有张力控制器(14)，用于采集柔性丝材(8)的张力信息。
7.根据权利要求1所述的可自动更新刮刀的铺粉装置，其特征在于，还包括驱动装置，驱动装置的输出端与刮刀架(6)连接，驱动装置的输出端装有第二力学采集装置(10)，用于采集刮刀架受力变形信息。
8.根据权利要求1所述的可自动更新刮刀的铺粉装置，其特征在于，在刮刀架(6)两端设置有对射式激光传感器，用于采集打印缺陷信息。
9.权利要求1所述可自动更新刮刀的铺粉装置的使用方法，其特征在于，按照预定张紧力将柔性丝材(8)张紧形成刮刀，驱动刮刀架(6)移动，以带动刮刀进行铺粉；当需要更换刮刀时，停止铺粉，第一收卷装置(13)和第二收卷装置转动，一个收卷装置收卷旧的柔性丝材(8)，同时另一个收卷装置释放新的柔性丝材(8)，刮刀更新完成后，继续铺粉。
10.权利要求5所述可自动更新刮刀的铺粉装置的使用方法，其特征在于，按照预定张紧力将柔性丝材(8)张紧形成刮刀；向两个料仓(20)中装入粉末(15)，根据工艺需求选择刮刀运动方向，根据运动方向，将刮刀前方的料仓(20)切换至打开状态，粉末(15)开始从漏粉缝隙中流出；驱动刮刀架(6)移动，以带动刮刀进行铺粉；当需要更换刮刀时，停止铺粉，第一收卷装置(13)和第二收卷装置转动，一个收卷装置收卷旧的柔性丝材(8)，同时另一个收卷装置释放新的柔性丝材(8)，刮刀更新完成后，继续铺粉。
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