CN110238392A - 一种提高工件成形质量的3d打印刮刀集成装置与方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高工件成形质量的3D打印刮刀集成装置与方法，驱动伺服电机的输出轴连接双输出行星减速器，双输出行星减速器的两个输出端分别连接刮刀运动装置，刮刀固定在两个刮刀固定板上，由刮刀运动装置带动刮刀固定板进而带动刮刀实现铺粉方向的前后移动；刮刀中内含应力传感器阵列，用于实时监测刮刀铺粉过程中的受力情况，并将测量数据传输给控制器；控制器根据该测量数据判断是否出现不满足预设条件的应力值波动，若未出现，则当前操作继续执行；否则控制刮刀暂停移动，控制器根据测量数据控制调整装置抬高刮刀在竖直方向的位置，并控制刮刀返回初始铺粉位置重新进行铺粉打印操作，实现零件的高质量成形。

Description

一种提高工件成形质量的3D打印刮刀集成装置与方法
技术领域
本发明涉及增材制造领域，具体涉及一种实现提高工件成形质量的3D打印刮刀设备均匀铺粉的集成装置与方法。
背景技术
在3D打印领域中，零件打印工艺试验过程常常出现局部突起现象，局部突起逐层累积，会对刮刀橡胶条产生很大的影响，严重时刮刀橡胶条脱落，直接导致零件成形失败。导致出现局部突起的原因很多，譬如金属粉末烧结过程中产生的飞溅、金属粉末中的细小杂质、熔池的微小扰动以及成形零件的微小位移等。
目前市场上的3D打印设备刮刀设计较为简单，当零件成形区域出现局部突起现象时，不能做出有效地应对，刮刀仍然按照最初设定的垂直位置继续铺粉，导致局部突起随着刮刀的铺粉逐层累积，橡胶条受到局部突起的拖拉导致脱落，进而导致零件打印失败。
发明内容
本发明的技术解决问题是：提供一种可提高工件成形质量的实现3D打印刮刀设备均匀铺粉的集成装置与方法，解决零件成形平面局部突起累积导致零件打印失败的问题。
本发明的技术解决方案是：一种提高工件成形质量的3D打印刮刀集成装置，包括驱动伺服电机、双输出行星减速器、刮刀、刮刀运动装置以及调整装置、控制器；
驱动伺服电机的输出轴连接双输出行星减速器，双输出行星减速器的两个输出端分别连接刮刀运动装置，刮刀固定在两个刮刀固定板上，由刮刀运动装置带动刮刀固定板进而带动刮刀实现铺粉方向的前后移动；刮刀中内含应力传感器阵列，用于实时监测刮刀铺粉过程中的受力情况，并将测量数据传输给控制器；控制器根据该测量数据判断是否出现不满足预设条件的应力值波动，若未出现，则当前操作继续执行；否则控制刮刀暂停移动，控制器根据测量数据控制调整装置抬高刮刀在竖直方向的位置，并控制刮刀返回初始铺粉位置重新进行铺粉打印操作，实现零件的高质量成形。
优选的，所述的调整装置包括调节伺服电机、调节螺杆组件；所述的调节螺杆组件包括减速器、联轴器、丝杆、丝杆螺母、连接板以及轴承组件，调节伺服电机的输出轴连接减速器，减速器的输出通过联轴器连接丝杠的一端，与刮刀固连的连接板与丝杠上的丝杠螺母固定，丝杠的另一端通过轴承组件连接在刮刀固定板上，通过控制调节伺服电机调节刮刀在竖直方向的位置。
优选的，所述的调节伺服电机与刮刀固定板相连，能够随刮刀的运动而运动。
优选的，所述的调整装置为两套且相对刮刀中心位置对称排布。
优选的，所述的刮刀运动装置包括同步带轮、同步带、直线导轨、刮刀固定板。双输出行星减速器通过联轴器和转轴带动同步带轮旋转，然后通过同步带带动刮刀固定板进而带动刮刀实现铺粉方向的前后移动。
优选的，所述的刮刀包括刮刀本体、以及传感器阵列；所有的传感器阵列安装在应力传感器安装支座内；传感器阵列中的每个阵列包括刮刀应力传感器、聚四氟乙烯垫片、橡胶条安装架以及橡胶条，其中刮刀应力传感器与橡胶条安装支架上下安装在刮刀应力传感器安装支座内部空腔中，橡胶条安装架的下部伸出刮刀应力传感器安装支座的下部，使得安装在橡胶条安装架下部的橡胶条最下方位置与刮刀本体上实施铺粉功能部分处于同一水平位置；聚四氟乙烯垫片安装在橡胶条安装架与应力传感器安装支座之间起润滑作用；
应力传感器安装支座上方安装应力传感器盖板，通过应力传感器盖板将传感器阵列安装在刮刀本体上并对内部的刮刀压力传感器进行压紧。
优选的，所述的控制器将实时接收到的测量数据与预设的阈值进行比较判断，根据差值判断是否应力发生较大波动，若未发生较大波动，则继续当前铺粉打印操作；否则，控制器控制刮刀暂定移动，并从测量数据中选取应力最大值对应的单个橡胶条安装架以及橡胶条模型进行有限元分析，边界条件为固定橡胶条安装架的左右两侧以及顶部的位移，初始条件为橡胶条底部的外力；通过有限元分析得出相应位置的橡胶条在竖直方向上的变形量，将此变形量作为工件成形表面突起的高度，然后通过控制调整装置抬高刮刀在竖直方向上的位置，抬高量为上述突起的高度，刮刀退回到零点位置即初始铺粉操作位置，重新进行铺粉打印操作。
优选的，所述的控制器置于3D打印设备的真空箱体外，提高工件成形质量的3D打印刮刀集成装置的其余部件置于真空箱体内，驱动伺服电机直接连接到双输出行星减速器的输入端法兰盘，双输出行星减速器直接固定到真空箱开孔壁板，安装端面装有密封圈防止真空箱漏气；除驱动伺服电机与双输出行星减速器以外的刮刀、刮刀运动装置以及刮刀调整装置通过两侧刮刀固定板安装到真空箱壁板上。
一种提高工件成形质量的3D打印方法，具体步骤如下：
(1)首先进行真空箱体内气氛环境的准备工作，使得真空箱内氧含量达到工艺要求设定值；
(2)按照预先设定好的刮刀铺粉速度以及铺粉系数，驱动伺服电机通过双输出行星减速器以及刮刀运动装置实现刮刀在加工缸表面移动，粉末被均匀地铺到加工缸基板表面形成粉床；
(3)光路系统开始打印操作，按照预先设定的路径进行扫描，直至第一层扫描完成；
(4)控制刮刀退回到零点位置；
(5)按照预先设定好的刮刀铺粉速度以及铺粉系数，驱动伺服电机通过双输出行星减速器以及刮刀运动装置实现刮刀在加工缸表面移动，刮刀行进过程中内含的应力传感器阵列将实时监测的刮刀铺粉过程中的受力情况测量数据传输给控制器；
(6)控制器根据该测量数据判断是否出现不满足预设条件的应力值波动，若未出现，则继续执行步骤(5)，直至当前层铺粉完成，转步骤(7)；否则控制刮刀暂停移动，控制器根据测量数据控制调整装置抬高刮刀在竖直方向的位置，并从步骤(4)开始重新执行；
(7)光路系统开始打印操作，按照预先设定的路径进行扫描，直至该层扫描完成；重复步骤(4)-(7)直至完成铺粉打印操作。
优选的，所述步骤(6)中控制器根据测量数据控制调整装置抬高刮刀在竖直方向的位置具体通过下述方式实现：
控制器从实时接收到的测量数据中确定最大值，并该最大值对对应的单个橡胶条安装架以及橡胶条模型进行有限元分析，边界条件为固定橡胶条安装架的左右两侧以及顶部的位移，初始条件为橡胶条底部的外力；通过有限元分析得出相应位置的橡胶条在竖直方向上的变形量，将此变形量作为工件成形表面突起的高度，然后通过控制调整装置抬高刮刀在竖直方向上的位置，抬高量为上述突起的高度。
本发明与现有技术相比有益效果为：
本发明提出了一种可实现提高工件成形质量的3D打印刮刀设备均匀铺粉的集成装置与方法，该装置具有能够实即时检测感应刮刀底部应力值分布，并将应力数据传输到控制器，如果没有较大的应力值波动，刮刀铺粉以及打印过程继续进行，如果出现较大的应力值波动，控制器通过刮刀调节装置调节抬高刮刀在竖直方向上的位置并且降低刮刀运行速度，刮刀退回到零点位置，重新进行铺粉操作实现刮刀均匀铺粉的特点。
综上，本发明公开的一种可实现提高工件成形质量的3D打印设备均匀铺粉的刮刀集成装置与方法，改进了目前市场上多数3D打印设备不能有效解决局部突起累积导致零件打印失败的问题。
相较于传统的3D打印设备刮刀设计，本发明装置能够实时监测刮刀行进过程中的橡胶条底部应力分布，控制器根据应力分布能够及时作出响应，避免了工件成形表面可能存在的突起随着铺粉的进行持续累积，导致橡胶条被扯掉进而导致工件打印失败的现象，大大提高了工件高质量成形的可能性。
附图说明
图1是本发明装置总体图。
图2是本发明装置剖视图。
图3是本发明刮刀上视图与下视图。
图4是本发明刮刀俯视图(隐藏应力传感器盖板)。
图5是本发明装置剖视图(图2中A详细视图)。
图6是本发明调节螺杆组件详细构造图。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明作详细说明。
以下将结合图1、2、3、4、5、6对本发明的一种提高工件成形质量的3D 打印刮刀集成装置与方法作进一步的详细描述。
为解决在3D打印过程中，飞溅逐层被能量源烧结会形成局部突起，局部突起逐层累积，严重时刮刀橡胶条脱落，直接导致零件成形失败的问题。本发明的方案简易实用可靠，提供一种提高工件成形质量的3D打印刮刀集成装置与方法，可实现工件的高质量成形。
图1、2是一种提高工件成形质量的3D打印刮刀集成装置总体图与剖视图，包括驱动伺服电机、双输出行星减速器、刮刀、刮刀运动装置以及调整装置、控制器；刮刀运动装置有两套，每套均包括同步带轮、同步带、直线导轨、刮刀固定板。双输出行星减速器通过联轴器和转轴带动同步带轮旋转，然后通过同步带带动刮刀固定板进而带动刮刀实现铺粉方向的前后移动。
调整装置包也有两套，每套均包括调节伺服电机、调节螺杆组件；调节螺杆组件由减速器、小型联轴器、丝杆、丝杆螺母、连接板以及轴承组件构成，通过控制调节伺服电机调节刮刀在竖直方向的位置。具体针对图1，本发明装置包括：右侧联轴器1、右侧转轴2、右侧同步带3、右侧调节伺服电机4、右侧刮刀固定板5、右侧调节螺杆组件6、刮刀7、加工缸基板8、真空箱体9、聚四氟乙烯润滑垫片10、左侧调节螺杆组件11、左侧刮刀固定板12、左侧固定板13、左侧调节伺服电机14、左侧同步带15、左侧转轴16、左侧联轴器 17、双输出行星减速器18、驱动伺服电机19、同步带轮20、直线导轨21。
驱动伺服电机的输出轴连接双输出行星减速器，双输出行星减速器的两个输出端分别连接刮刀运动装置，刮刀固定在两个刮刀固定板上，由刮刀运动装置带动刮刀固定板进而带动刮刀实现铺粉方向的前后移动，刮刀行进过程中可内含的应力传感器阵列能够实时监测刮刀铺粉过程中的受力情况，并将测量数据传输给控制器，如果没有较大的应力值波动，铺粉以及打印操作继续进行。如果局部出现较大的应力值波动，刮刀暂停移动，控制器根据应力数据进行有限元分析得出相应位置的橡胶条在竖直方向上的变形量，以此作为工件成形表面突起的高度，然后通过控制调整装置抬高刮刀在竖直方向的位置，抬高量为突起的高度，刮刀退回到零点位置，重新进行铺粉打印操作，实现零件的高质量成形。
图3、4、5由总体到局部展示刮刀的构造，包括刮刀本体、以及传感器阵列；所有的传感器阵列安装在应力传感器安装支座24内；传感器阵列中的每个阵列包括刮刀应力传感器23、聚四氟乙烯垫片25、橡胶条安装架26以及橡胶条27，其中刮刀应力传感器与橡胶条安装支架上下安装在刮刀应力传感器安装支座内部空腔中，橡胶条安装架的下部伸出刮刀应力传感器安装支座的下部，使得安装在橡胶条安装架下部的橡胶条最下方位置与刮刀本体上实施铺粉功能部分处于同一水平位置；聚四氟乙烯垫片安装在橡胶条安装架与应力传感器安装支座之间起润滑作用；
应力传感器安装支座上方安装应力传感器盖板，通过应力传感器盖板22 将传感器阵列安装在刮刀本体上并对内部的刮刀压力传感器进行压紧。
图6是刮刀调节螺杆详细构造图，包括：减速器28、小型联轴器29、丝杆30、丝杆螺母31、连接板32、轴承组件33。
调节伺服电机的输出轴连接减速器，减速器的输出通过联轴器连接丝杠的一端，与刮刀固连的连接板与丝杠上的丝杠螺母固定，丝杠的另一端通过轴承组件连接在刮刀固定板上，通过控制调节伺服电机调节刮刀在竖直方向的位置。
(1)首先进行真空箱体内气氛环境的准备工作，使得真空箱内氧含量达到工艺要求设定值；
(2)按照预先设定好的刮刀铺粉速度以及铺粉系数，驱动伺服电机通过双输出行星减速器以及刮刀运动装置实现刮刀在加工缸表面移动，粉末被均匀地铺到加工缸基板表面形成粉床；
(3)光路系统开始打印操作，按照预先设定的路径进行扫描，直至第一层扫描完成；
(4)控制刮刀退回到零点位置；
(5)按照预先设定好的刮刀铺粉速度以及铺粉系数，驱动伺服电机通过双输出行星减速器以及刮刀运动装置实现刮刀在加工缸表面移动，刮刀行进过程中内含的应力传感器阵列将实时监测的刮刀铺粉过程中的受力情况测量数据传输给控制器；
(6)控制器根据该测量数据判断是否出现不满足预设条件的应力值波动，若未出现，则继续执行步骤(5)，直至当前层铺粉完成，转步骤(7)；否则控制刮刀暂停移动，控制器根据测量数据控制调整装置抬高刮刀在竖直方向的位置，并从步骤(4)开始重新执行；
控制器将实时接收到的测量数据与预设的阈值进行比较判断，根据差值判断是否应力发生较大波动，若未发生较大波动，则继续当前铺粉打印操作；否则，控制器控制刮刀暂定移动，并从测量数据中选取应力最大值对应的单个橡胶条安装架以及橡胶条模型进行有限元分析，边界条件为固定橡胶条安装架的左右两侧以及顶部的位移，初始条件为橡胶条底部的外力；通过有限元分析得出相应位置的橡胶条在竖直方向上的变形量，将此变形量作为工件成形表面突起的高度，然后通过控制调整装置抬高刮刀在竖直方向上的位置，抬高量为上述突起的高度。
(7)光路系统开始打印操作，按照预先设定的路径进行扫描，直至该层扫描完成；重复步骤(4)-(7)直至完成铺粉打印操作。
上述处理可以避免刮刀橡胶条被损坏，保证了打印的持续进行，进而实现工件的高质量成形。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种提高工件成形质量的3D打印刮刀集成装置，其特征在于：包括驱动伺服电机、双输出行星减速器、刮刀、刮刀运动装置以及调整装置、控制器；
驱动伺服电机的输出轴连接双输出行星减速器，双输出行星减速器的两个输出端分别连接刮刀运动装置，刮刀固定在两个刮刀固定板上，由刮刀运动装置带动刮刀固定板进而带动刮刀实现铺粉方向的前后移动；刮刀中内含应力传感器阵列，用于实时监测刮刀铺粉过程中的受力情况，并将测量数据传输给控制器；控制器根据该测量数据判断是否出现不满足预设条件的应力值波动，若未出现，则当前操作继续执行；否则控制刮刀暂停移动，控制器根据测量数据控制调整装置抬高刮刀在竖直方向的位置，并控制刮刀返回初始铺粉位置重新进行铺粉打印操作，实现零件的高质量成形。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的调整装置包括调节伺服电机、调节螺杆组件；所述的调节螺杆组件包括减速器、联轴器、丝杆、丝杆螺母、连接板以及轴承组件，调节伺服电机的输出轴连接减速器，减速器的输出通过联轴器连接丝杠的一端，与刮刀固连的连接板与丝杠上的丝杠螺母固定，丝杠的另一端通过轴承组件连接在刮刀固定板上，通过控制调节伺服电机调节刮刀在竖直方向的位置。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的调节伺服电机与刮刀固定板相连，能够随刮刀的运动而运动。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述的调整装置为两套且相对刮刀中心位置对称排布。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的刮刀运动装置包括同步带轮、同步带、直线导轨、刮刀固定板。双输出行星减速器通过联轴器和转轴带动同步带轮旋转，然后通过同步带带动刮刀固定板进而带动刮刀实现铺粉方向的前后移动。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的刮刀包括刮刀本体、以及传感器阵列；所有的传感器阵列安装在应力传感器安装支座内；传感器阵列中的每个阵列包括刮刀应力传感器、聚四氟乙烯垫片、橡胶条安装架以及橡胶条，其中刮刀应力传感器与橡胶条安装支架上下安装在刮刀应力传感器安装支座内部空腔中，橡胶条安装架的下部伸出刮刀应力传感器安装支座的下部，使得安装在橡胶条安装架下部的橡胶条最下方位置与刮刀本体上实施铺粉功能部分处于同一水平位置；聚四氟乙烯垫片安装在橡胶条安装架与应力传感器安装支座之间起润滑作用；
应力传感器安装支座上方安装应力传感器盖板，通过应力传感器盖板将传感器阵列安装在刮刀本体上并对内部的刮刀压力传感器进行压紧。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述的控制器将实时接收到的测量数据与预设的阈值进行比较判断，根据差值判断是否应力发生较大波动，若未发生较大波动，则继续当前铺粉打印操作；否则，控制器控制刮刀暂定移动，并从测量数据中选取应力最大值对应的单个橡胶条安装架以及橡胶条模型进行有限元分析，边界条件为固定橡胶条安装架的左右两侧以及顶部的位移，初始条件为橡胶条底部的外力；通过有限元分析得出相应位置的橡胶条在竖直方向上的变形量，将此变形量作为工件成形表面突起的高度，然后通过控制调整装置抬高刮刀在竖直方向上的位置，抬高量为上述突起的高度，刮刀退回到零点位置即初始铺粉操作位置，重新进行铺粉打印操作。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的控制器置于3D打印设备的真空箱体外，提高工件成形质量的3D打印刮刀集成装置的其余部件置于真空箱体内，驱动伺服电机直接连接到双输出行星减速器的输入端法兰盘，双输出行星减速器直接固定到真空箱开孔壁板，安装端面装有密封圈防止真空箱漏气；除驱动伺服电机与双输出行星减速器以外的刮刀、刮刀运动装置以及刮刀调整装置通过两侧刮刀固定板安装到真空箱壁板上。
9.一种提高工件成形质量的3D打印方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)首先进行真空箱体内气氛环境的准备工作，使得真空箱内氧含量达到工艺要求设定值；
(2)按照预先设定好的刮刀铺粉速度以及铺粉系数，驱动伺服电机通过双输出行星减速器以及刮刀运动装置实现刮刀在加工缸表面移动，粉末被均匀地铺到加工缸基板表面形成粉床；
(3)光路系统开始打印操作，按照预先设定的路径进行扫描，直至第一层扫描完成；
(4)控制刮刀退回到零点位置；
(5)按照预先设定好的刮刀铺粉速度以及铺粉系数，驱动伺服电机通过双输出行星减速器以及刮刀运动装置实现刮刀在加工缸表面移动，刮刀行进过程中内含的应力传感器阵列将实时监测的刮刀铺粉过程中的受力情况测量数据传输给控制器；
(6)控制器根据该测量数据判断是否出现不满足预设条件的应力值波动，若未出现，则继续执行步骤(5)，直至当前层铺粉完成，转步骤(7)；否则控制刮刀暂停移动，控制器根据测量数据控制调整装置抬高刮刀在竖直方向的位置，并从步骤(4)开始重新执行；
(7)光路系统开始打印操作，按照预先设定的路径进行扫描，直至该层扫描完成；重复步骤(4)-(7)直至完成铺粉打印操作。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述步骤(6)中控制器根据测量数据控制调整装置抬高刮刀在竖直方向的位置具体通过下述方式实现：
控制器从实时接收到的测量数据中确定最大值，并该最大值对对应的单个橡胶条安装架以及橡胶条模型进行有限元分析，边界条件为固定橡胶条安装架的左右两侧以及顶部的位移，初始条件为橡胶条底部的外力；通过有限元分析得出相应位置的橡胶条在竖直方向上的变形量，将此变形量作为工件成形表面突起的高度，然后通过控制调整装置抬高刮刀在竖直方向上的位置，抬高量为上述突起的高度。
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