CN110315081B - 一种基于激光近净成型设备的辅助成型及粉末回收系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种基于激光近净成型设备的辅助成型及粉末回收系统，涉及3D打印领域，包括机箱，机箱包括可以打开的前门，机箱的顶部设有可供熔覆头沿竖直方向进出机箱的开口，机箱内的上部可拆卸地设置有一框体，框体上固定连接有沿左右方向或前后方向布置的第一滑轨，第一滑轨上设置有在第一电机的驱动下沿第一滑轨滑动的第一滑动件，第一滑动件固定连接有与第一滑轨垂直并位于第一滑轨上方的第二滑轨，第二滑轨上设置有在第二电机的驱动下沿第二滑轨滑动的第二滑动件，还包括位于第二滑动件上方并与第二滑动件连接的用于固定基板的底板，机箱内的下部可拆卸地设置有一粉末回收盘。本发明的辅助成型及粉末回收系统便于回收粉末，成型产品质量好。

Description

一种基于激光近净成型设备的辅助成型及粉末回收系统
技术领域
本发明涉及3D打印领域，并且更具体地，涉及一种基于激光近净成型设备的辅助成型及粉末回收系统。
背景技术
激光近净成形技术LENSTM是激光3D打印(3D Printing)/增材制造 (AdditiveManufacturing) 技术的一种，通过激光在沉积区域产生熔池并持续熔化粉末或丝状材料而逐层沉积生成具有三维形貌尺寸的零部件。与其他3D打印技术相同，在LENSTM技术过程中，计算机首先将三维CAD模型进行分层切片，得到每一层的二维平面轮廓数据并转化为打印设备数控台的运动轨迹。高能量的激光束 (laser beam) 会在基板 (substrate) 上生成熔池 (molten pool)，同时金属粉末束流 (powder stream) 以一定的供给速度（约100cm3/小时）喷射至熔池并快速熔化凝固，通过点-线的方式来生成每一层的目标截面几何形状，这样层层叠加 (layer-by-layer) 制造出近净形的零部件实体。这种技术由美国桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratory）于上世纪90年代研制，使快速成型技术进入到了崭新阶段。随后，美国Optomec公司将LENSTM技术进行商业开发和推广，并逐渐推出成品机床LENS 450/850等设备。
现有的激光近净成型设备，包括但不限于上述LENS 450/850设备，包括设置在成型仓内可沿X轴或Y轴运动的数控工作台以及可沿Z轴运动的熔覆头，数控工作台包括用于固定基板的底板，控制主机控制数控工作台和熔覆头工作以在基板上进行3D打印。打印过程中未融化的粉末落在数控工作台或仓底，打印完后需要打开仓门用吸尘器进行回收，存在粉末回收困难的问题。
发明内容
本发明目的就是为了弥补现有技术存在的缺陷，提供一种基于激光近净成型设备的辅助成型及粉末回收系统，便于对激光近净成型设备打印过程中未融化的粉末进行回收。
本发明技术方案如下：一种基于激光近净成型设备的辅助成型及粉末回收系统，其特征在于：包括机箱，所述机箱包括可以打开的前门，所述机箱的顶部设有可供熔覆头沿竖直方向进出所述机箱的开口，所述机箱内的上部可拆卸地设置有一框体，所述框体上固定连接有沿左右方向或前后方向布置的第一滑轨，所述第一滑轨上设置有在第一电机的驱动下沿所述第一滑轨滑动的第一滑动件，所述第一滑动件固定连接有与所述第一滑轨垂直并位于所述第一滑轨上方的第二滑轨，所述第二滑轨上设置有在第二电机的驱动下沿所述第二滑轨滑动的第二滑动件，还包括位于所述第二滑动件上方并与所述第二滑动件连接的用于固定基板的底板，所述机箱内的下部可拆卸地设置有一粉末回收盘。
进一步，所述机箱内在所述框体与所述粉末回收盘之间从上到下依次可拆卸地设置有第一筛网和第二筛网，所述第一筛网的目数小于所述第二筛网的目数。
进一步，所述第一筛网和第二筛网的底部安装有多片振动片。
进一步，所述粉末回收盘的底部设置有多个排列设置的加热棒。
进一步，所述机箱内从上到下依次设置有左右相对的第一内衬对、第二内衬对、第三内衬对和第四内衬对，所述框体的左右两端搁置在所述第一内衬对上，所述第一筛网的左右两端搁置在所述第二内衬对上，所述第二筛网的左右两端搁置在所述第三内衬对上，所述粉末回收盘的左右两端搁置在所述第四内衬对上。
进一步，所述底板与所述第二滑动件之间通过超声波换能器连接，所述超声波换能器用于驱动所述底板振动。
进一步，所述机箱包括主箱体和上盖体，所述主箱体呈立方体形，所述上盖体由四个侧面围成并呈棱台形，所述主箱体顶部开口并且所述上盖体的底部配合地盖在所述主箱体的顶部，所述前门设置在所述主箱体上，所述第一内衬对、第二内衬对、第三内衬对和第四内衬对设置在所述主箱体上，所述上盖体的左侧面上设有用于安装高速相机和红外相机中的一者的接口，所述上盖体的右侧面上设有用于安装高速相机和红外相机中的另外一者的接口。
进一步，所述上盖体内设置有电磁感应加热圈，所述电磁感应加热圈与一伸出杆连接，所述电磁感应加热圈可在所述伸出杆上进行上下转动，所述伸出杆穿过所述上盖体的后侧面并可相对所述上盖体的后侧面进行前后伸缩。
进一步，所述底板上设置有多个尺寸不同的螺纹通孔。
进一步，所述上盖体为有机玻璃材质，所述前门上设置有为有机玻璃材质的透视窗。
本发明的有益效果在于：（1）将现有的激光近净成型设备的数控工作台拆除，并将本发明的辅助成型及粉末回收系统置于激光近净成型设备的成型仓内与激光近净成型设备的熔覆头配合使用，由于辅助成型及粉末回收系统的支承结构为框体，供底板沿左右方向和前后方向运动的第一滑轨和第二滑轨宽度可以设置得较小，因此打印过程中基板上未融化的粉末容易向下落到粉末回收盘上进行收集，打印完后打开前门将粉末回收盘拆下进行回收，不需要用吸尘器进行回收，粉末回收简便。（2）在框体与粉末回收盘之间设置上下两层目数不同的筛网，可根据使用金属粉末的尺寸分布选择适用的筛网进行筛分回收，且每层筛网下面安装多片震动片，提高过滤效率。（3）模块化设计，由高速相机和红外相机等构成的上部在线监测接口、由第一滑轨、第二滑轨和底板等构成的中部成型辅助系统、由第一筛网、第二筛网和粉末回收盘等构成的下部粉末回收系统之间可独立运行、拆卸替换，粉末回收系统各层筛网尺寸可换。（4）可视化设计，上盖体为有机玻璃材质，可全程监控金属3D打印过程，主箱体的前视窗也为有机玻璃材质，可监控粉末筛分回收过程。（5）高速相机可实时在线检测送粉过程和成型过程，红外相机可实时在线检测熔池温度变化，在监测数据发生异常时及时报错并停机调整，能够减少成型产品报废的发生。（6）在成型打印前，手动调节伸出杆使伸出杆和电磁感应加热圈向前伸出，向下转动电磁感应加热圈使其将基板圈住，使电磁感应加热圈加热基板，能够减小成型时基板与熔池的温度差，从而降低基板与熔池之间的热应力，提高成型产品的质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将本对发明描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的辅助成型及粉末回收系统的结构示意图。
图2为本发明的上盖体及设置在上面的组件的外部示意图。
图3为本发明的上盖体及设置在上面的组件的内部示意图。
图4为本发明的电磁感应加热圈与伸缩杆连接的结构示意图。
图5为本发明的主箱体的结构示意图。
图6为本发明的成型辅助系统的结构示意图。
图7为本发明的粉末回收盘底部的结构示意图。
其中，1-上盖体；2-主箱体；3-框体；4-第一筛网；5-第二筛网；6-粉末回收盘；7-高速相机；8-红外相机；9-电磁感应加热圈；10-伸出杆；11-第一内衬对；12-第二内衬对；13-第三内衬对；14-第四内衬对；15-第一滑轨；16-第一滑动件；17-第一电机；18-第二滑轨；19-第二滑动件；20-超声波换能器；21-底板；22-加热棒；23-第二电机。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明的辅助成型及粉末回收系统是针对现有激光近净成型设备（包括但不限于上述LENS 450/850设备）进行开发的，用于辅助激光近净成型设备进行成型以提高打印质量和便于回收打印过程中未融化的粉末，3D打印使用的粉末如金属粉末、纳米粉末等都价格昂贵，粉末的回收利用具有较高的经济价值。
图1为本发明的辅助成型及粉末回收系统的结构示意图，如图1所示，包括机箱，机箱包括上盖体1和主箱体2。上盖体1上设置有在线监测装置，可以对打印过程进行精确监测。主箱体2内在上方设置有成型辅助系统，可以为基板提供XY向的运动，再结合激光近净成型设备本身自带的可以由控制主机控制的沿Z向运动的熔覆头，因此成型辅助系统与控制主机通信连接后，控制主机就可以自动化控制基板的XY向运动和熔覆头的Z向运动，于是可以实现在基板上的3D打印即三维打印。应当理解的是，本发明成型辅助系统主要用于替换现有激光近净成型设备的带动基板进行XY向运动的数控工作台，现有激光近净成型设备中X向一般的为相对于成型设备的左右方向，Y向为相对于成型设备的前后方向，Z向为相对于成型设备的上下方向，因此本发明成型辅助系统提供给基板的X向运动也为左右方向的运动，提供给基板的Y向运动也为前后方向的运动。主箱体2内在成型辅助系统的下方设置有粉末回收系统，用于收集落下的未融化的粉末。
图2-3为本发明的上盖体及设置在上面的组件的结构示意图，如图2-3所示，所述上盖体1由前后左右四个侧面围成并呈棱台形，因此所述上盖体1顶部与底部均是开口且中间中空，熔覆头可以沿Z向上下运动从上盖体1顶部进出机箱。上盖体1的左右侧面分别设置有安装高速相机7和红外相机8其中之一的接口，高速相机7和红外相机8安装在所述左右侧面上并通过所述接口对机箱内的打印过程进行监测，由于上盖体1呈棱台形，因此上盖体1的左右侧面均为向下倾斜的坡面，高速相机7和红外相机8垂直安装在上盖体1的左右侧面上使其摄像头与基板呈一夹角，可以获得较好的监测视角。高速相机7和红外相机8与控制主机通信连接从而可以将监测信息传送给控制主机实现对成型过程的在线监测。
图5为本发明的主箱体的结构示意图，如图5所示，所述主箱体2呈立方体形，所述主箱体2顶部开口并且所述上盖体1的底部配合地盖在所述主箱体2的顶部，所述上盖体1的底部与所述主箱体2的顶部之间可以设置连接结构加强连接稳固性，如螺栓、螺丝连接件等，也可以不设置连接结构，仅依靠上盖体的重力压在主箱体上。所述主箱体2包括可以打开的前门，以便于成型辅助系统和粉末回收系统从所述前门进出所述机箱和激光近净成型设备的成型仓。
图6为本发明的成型辅助系统的结构示意图，如图6所示，成型辅助系统包括框体3，所述框体3上固定连接有沿X方向即左右方向或Y方向即前后方向布置的第一滑轨15，所述第一滑轨15上设置有在第一电机17的驱动下沿所述第一滑轨15滑动的第一滑动件16，所述第一滑动件16固定连接有与所述第一滑轨15垂直并位于所述第一滑轨15上方的第二滑轨18，所述第二滑轨18上设置有在第二电机23的驱动下沿所述第二滑轨18滑动的第二滑动件19，还包括位于所述第二滑动件19上方并与所述第二滑动件19连接的用于固定基板的底板21。
第一电机17和第二电机23可以为直线电机，此时第一电机17和第二电机23可以分别与第一滑动件16和第二滑动件19直接连接，第一电机17和第二电机23分别直接驱动第一滑动件16在第一滑轨15上沿X方向或Y方向滑动，第二滑动件19在第二滑轨18上沿滑动Y方向或X方向滑动。第一电机17和第二电机23也可以为转动电机，此时第一电机17和第二电机23可以通过传动结构分别与第一滑动件16和第二滑动件19间接连接，传动结构将第一电机17和第二电机23的直线运动转化为第一滑动件16和第二滑动件19的直线运动，传动结构可采用齿轮齿条等常规结构。
应用过程中，将所述第一电机17和第二电机23与激光近净成型设备的控制主机通信连接，控制主机控制第一电机17和第二电机23工作从而驱动第一滑动件16沿第一滑轨15滑动、第二滑动件19沿第二滑轨18滑动，从而实现底板上固定的基板的XY方向的运动。
第一滑轨15和第二滑轨18的两侧设置有滑槽，第一滑动件16和第二滑动件19包括分别与第一滑轨15和第二滑轨18的顶面贴合的顶部水平板，以及分别连接设置在顶部水平板两侧的竖直板，竖直板的底部设置插入滑槽内的滑块。可选地，第一滑动件16和第二滑动件19的形状以及与第一滑轨15和第二滑轨18的配合滑动副还可以设置为其他形状，使第一滑动件16和第二滑动件19在第一滑轨15和第二滑轨18上可靠地滑动即可，本发明实施例不仅限于此。
所述底板21可以直接连接在所述第二滑动件19上，也可以间接地连接在所述第二滑动件19上。可选地，所述底板21通过超声波换能器20连接在第二滑动件19上，所述超声波换能器20用于驱动所述底板21振动，通过超声波辅助震动功能，可细化晶粒，提高熔覆层机械性能。
所述底板21上设置有多个尺寸不同的螺纹通孔，因此可根据需要固定不同尺寸的基板，且便于未融化的粉末从螺纹通孔落下。
粉末回收系统包括依次从上到下位于主箱体内部的第一筛网4、第二筛网5和粉末回收盘6，所述第一筛网4的目数小于所述第二筛网5的目数。可选地，所述第一筛网4和第二筛网5的底部安装有多片振动片，提高过滤效率。可选地，所述粉末回收盘6的底部设置有多个排列设置的加热棒22，在回收时保持粉末干燥。可选地，也可以不设置第一筛网4、第二筛网5，粉末回收盘6回收粉末后另外采用筛分装置对不同尺寸的粉末进行筛分。
所述主箱体内从上到下依次设置有左右相对的第一内衬对11、第二内衬对12、第三内衬对13和第四内衬对14，所述框体3的左右两端搁置在所述第一内衬对11上，所述第一筛网4的左右两端搁置在所述第二内衬对12上，所述第二筛网5的左右两端搁置在所述第三内衬对13上，所述粉末回收盘6的左右两端搁置在所述第四内衬对14上。上述设计具有方便拆卸的优点，便于抽出每一层进行清理，且便于更换不同尺寸的筛网，应当理解的是，第一筛网4、第二筛网5和粉末回收盘6也可以采用其他可拆卸的方式设置在主箱体内，如通过卡接、滑动副连接等，本发明实施例不限于此。
可选地，所述上盖体1为有机玻璃材质，所述前门上设置有为有机玻璃材质的透视窗，便于观察3D打印过程和粉末回收过程。
本发明的辅助成型及粉末回收系统应用在现有激光近净成型设备时，将现有的激光近净成型设备的数控工作台拆除，采用合适尺寸的机箱，并将本发明的机箱定位置于激光近净成型设备的成型仓内，机箱的上下前后左右方位均与激光近净成型设备的对应，同时将在线监测装置和辅助成型系统与控制主机通信连接，调试控制软件可以实现辅助成型及粉末回收系统与现有激光近净成型设备的熔覆头兼容和配合使用进行3D打印。
应当理解的是，当不需要对成型过程进行监测时即不需要设置监测装置时，也可以不用设置上盖体1，使用一个整体的机箱即可，在机箱的顶部开设可供熔覆头沿竖直方向进出所述机箱的开口，机箱的尺寸和形状满足与现有激光近净成型设备的成型仓匹配即可。
如图2-4所示，所述上盖体1内设置有电磁感应加热圈9，所述电磁感应加热圈9与一伸出杆10连接，所述电磁感应加热圈9可在所述伸出杆10上进行上下转动，所述伸出杆10穿过所述上盖体1的后侧面并可相对所述上盖体1的后侧面进行前后伸缩。在成型打印前，手动调节伸出杆使伸出杆10和电磁感应加热圈9向前伸出，向下转动电磁感应加热圈9使其将基板圈住，使电磁感应加热圈9加热基板，加热完成后，向上转动电磁感应加热圈9远离基板，调节伸出杆10使伸出杆10和电磁感应加热圈9向后缩回，便于后续熔覆头在基板上进行成型。由于在成型打印前对基板进行加热，能够减小成型时基板与熔池的温度差，从而降低基板与熔池之间的热应力，因此可以提高成型产品的质量。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于激光近净成型设备的辅助成型及粉末回收系统，其特征在于：包括机箱，所述机箱包括可以打开的前门，所述机箱的顶部设有可供熔覆头沿竖直方向进出所述机箱的开口，所述机箱内的上部可拆卸地设置有一框体（3），所述框体（3）上固定连接有沿左右方向或前后方向布置的第一滑轨（15），所述第一滑轨（15）上设置有在第一电机（17）的驱动下沿所述第一滑轨（15）滑动的第一滑动件（16），所述第一滑动件（16）固定连接有与所述第一滑轨（15）垂直并位于所述第一滑轨（15）上方的第二滑轨（18），所述第二滑轨（18）上设置有在第二电机（23）的驱动下沿所述第二滑轨（18）滑动的第二滑动件（19），还包括位于所述第二滑动件（19）上方并与所述第二滑动件（19）连接的用于固定基板的底板（21），所述机箱内的下部可拆卸地设置有一粉末回收盘（6）。
2.根据权利要求1所述的辅助成型及粉末回收系统，其特征在于，所述机箱内在所述框体（3）与所述粉末回收盘（6）之间从上到下依次可拆卸地设置有第一筛网（4）和第二筛网（5），所述第一筛网（4）的目数小于所述第二筛网（5）的目数。
3.根据权利要求2所述的辅助成型及粉末回收系统，其特征在于，所述第一筛网（4）和第二筛网（5）的底部安装有多片振动片。
4.根据权利要求3所述的辅助成型及粉末回收系统，其特征在于，所述粉末回收盘（6）的底部设置有多个排列设置的加热棒（22）。
5.根据权利要求4所述的辅助成型及粉末回收系统，其特征在于，所述机箱内从上到下依次设置有左右相对的第一内衬对（11）、第二内衬对（12）、第三内衬对（13）和第四内衬对（14），所述框体（3）的左右两端搁置在所述第一内衬对（11）上，所述第一筛网（4）的左右两端搁置在所述第二内衬对（12）上，所述第二筛网（5）的左右两端搁置在所述第三内衬对（13）上，所述粉末回收盘（6）的左右两端搁置在所述第四内衬对（14）上。
6.根据权利要求1所述的辅助成型及粉末回收系统，其特征在于，所述底板（21）与所述第二滑动件（19）之间通过超声波换能器（20）连接，所述超声波换能器（20）用于驱动所述底板（21）振动。
7.根据权利要求5所述的辅助成型及粉末回收系统，其特征在于，所述机箱包括主箱体（2）和上盖体（1），所述主箱体（2）呈立方体形，所述上盖体（1）由四个侧面围成并呈棱台形，所述主箱体（2）顶部开口并且所述上盖体（1）的底部配合地盖在所述主箱体（2）的顶部，所述前门设置在所述主箱体（2）上，所述第一内衬对（11）、第二内衬对（12）、第三内衬对（13）和第四内衬对（14）设置在所述主箱体（2）上，所述上盖体（1）的左侧面上设有用于安装高速相机（7）和红外相机（8）中的一者的接口，所述上盖体（1）的右侧面上设有用于安装高速相机（7）和红外相机（8）中的另外一者的接口。
8.根据权利要求7所述的辅助成型及粉末回收系统，其特征在于，所述上盖体（1）内设置有电磁感应加热圈（9），所述电磁感应加热圈（9）与一伸出杆（10）连接，所述电磁感应加热圈（9）可在所述伸出杆（10）上进行上下转动，所述伸出杆（10）穿过所述上盖体（1）的后侧面并可相对所述上盖体（1）的后侧面进行前后伸缩。
9.根据权利要求1所述的辅助成型及粉末回收系统，其特征在于，所述底板（21）上设置有多个尺寸不同的螺纹通孔。
10.根据权利要求7所述的辅助成型及粉末回收系统，其特征在于，所述上盖体（1）为有机玻璃材质，所述前门上设置有为有机玻璃材质的透视窗。
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