CN110421170B - 激光烧结金属打印防变形打印结构及打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光打印制造技术领域，具体公开了激光烧结金属打印防变形打印结构及打印方法，包括机架和固定连接在机架上的打印平台，打印平台上设有成型槽，成型槽内滑动连接有底板，底板底部连接有升降单元，打印平台上还设有环绕成型槽的环绕槽，环绕槽内设有将底板环绕的感应加热单元，环形槽与感应加热单元的间隙内填充非金属粉末；打印平台上设有金属粉末供应单元和非金属粉末供应单元，打印平台上设有第一刮板和第二刮板；打印平台上方还设有除料单元，除料单元用于对打印平台上的金属粉末进行去除。本方案通过设置感应加热单元用以解决现有技术中金属零件打印因残余应力的存在，而造成的金属零件开裂和翘曲变形的问题。

Description

激光烧结金属打印防变形打印结构及打印方法

技术领域

本发明涉及激光打印制造技术领域，具体是激光烧结金属打印防变形打印结构及打印方法。

背景技术

直接激光金属烧结技术也称为DMLS技术，在采用该技术时，通过电脑设置程序将三维CAD数据切片呈若干个2D的横截面，每一个2D横截面作为一个蓝图告诉3D打印机金属材料的中心在哪里，然后将数据传输到DMLS设备中，一个组件将金属粉末从粉末供应处推入到打印用的底板上，在底板上形成均匀的一层，然后位于底板上方的激光将底板上的金属粉末加热熔化成2D横截面的形状，DMLS设备自上而下一层层将若干个2D横截面打印出来，若干个2D横截面打印完成，则金属零件的3D结构即完成。

然而由于激光在熔化金属粉末时，高能量激光束对金属粉末扫描的加工，会带来打印材料经历急剧升温熔化与骤冷凝固的过程，这种在固-液-固的相变过程中温度的剧烈变化会引起残余应力增大，导致打印出的金属零件出现开裂和翘曲变形的问题。

发明内容

本发明意在提供激光烧结金属打印防变形打印结构及打印方法，以解决现有技术中金属零件打印因残余应力的存在，而造成的金属零件开裂和翘曲变形的问题。

为了达到上述目的，本发明的基础方案如下：

激光烧结金属打印防变形打印结构，包括机架和固定连接在机架上的打印平台，打印平台上设有成型槽，成型槽内滑动连接有底板，底板底部连接有升降单元，打印平台和底板均采用非金属材质，打印平台上还设有环绕成型槽的环绕槽，环绕槽内设有将底板环绕的感应加热单元，环形槽与感应加热单元的间隙内填充非金属粉末；打印平台上设有金属粉末供应单元和非金属粉末供应单元，打印平台上设有将金属粉末供应单元提供的金属粉末进行铺粉的第一刮板，打印平台上设有将非金属粉末供应单元提供的非金属粉末填充到成型槽内的第二刮板；打印平台上方还设有除料单元，除料单元用于对打印平台上的金属粉末进行去除。

技术原理：本方案在使用时，初始时底板与打印平台持平，在打印第一个2D横截面时，启动感应加热单元(感应加热单元能够对金属粉末进行预热，能够使打印完成的金属零件发热)；第一步，通过第一刮板将金属粉末供应单元提供的金属粉末铺在打印平台和底板上，接着底板上方的激光将底板上的金属粉末加热熔化成2D横截面的形状，即完成第一个2D横截面的打印；第二步，启动除料单元，将打印平台和底板上剩余的金属粉末去除；第三步，启动升降单元，使得底板降低到使得第一个2D横截面的上表面与打印平台持平的位置上；第四步，通过第二刮板将非金属粉末供应单元提供的非金属粉末填充在底板与打印平台上表面之间的空隙内。

打印后续的2D横截面时，重复第一步至第四步的动作，只是在这后续的2D横截面打印事，第一步中金属粉末是铺在打印平台、上一个2D横截面上表面和填充在底板上的非金属粉末上(因为此时打印平台、上一个2D横截面上表面、填充在底板上的非金属粉末的顶部都已经在同一个平面上了)。

相比于现有技术的有益效果：

在本方案中，感应加热单元只是对金属才能加热，因而在每次执行完第一步后，金属粉末被预热，降低了金属粉末从固相到液相的温差，相比于现有技术，降低了金属零件激光烧结成型中产生的残余应力，进而减少了金属零件出现开裂和翘曲变形的概率。

在本方案中，在每成型完一个2D横截面后，升降单元都会降低一个2D横截面的厚度，同时非金属粉末供应单元供应的非金属粉末填充在底板与打印平台之间存在的高度差的空隙内，非金属粉末对金属零件的结构形成了支撑，避免后续2D横截面加工时，激光产生的热量在金属零件上传递，而使得金属零件因四周缺乏支撑而出现的变形的情况。

在本方案中，金属零件随底板不断向下移动，而感应加热单元因具备对非金属材质不会加热的特性，则填充在底板上起支撑作用的非金属粉末不会加热，但是被非金属粉末包围的金属零件在感应加热单元的感应下进行加热，相当于对加工出来的金属零件进行了实时的退火处理，直接将金属零件成型过程产生的残余应力进行了去除，进而避免金属零件出现表面裂纹和翘曲变形的情况。

进一步，所述除料单元包括位于底板中轴线两侧的第一除料单元和第二除料单元，第一除料单元和第二除料单元均包括环形输送线、环形槽和除料刮板，环形槽设置在机架上，除料刮板滑动连接在环形槽内，环形输送线连接在机架上，环形输送线上设有推动除料刮板滑动的挡板。

有益效果:通过第一除料单元和第二除料单元将激光打印后剩余的金属粉末进行刮除，对金属粉末去除的效率高。

进一步，所述除料单元还包括第三除料单元，第三除料单元位于第一除料单元和第二除料单元之间，第三除料单元包括能够转动的转轴和固定连接在旋转轴上的电磁铁。

有益效果:设置第三除料单元能够将第一除料单元和第二除料单元没有除料干净的金属粉末进行再次去除，确保金属粉末去除彻底，进而避免因金属粉末夹杂在石粉内，并与石粉一起作为支撑而造成的金属粉末长期加热而熔化的情况发生。

进一步，所述第三除料单元的数量为两个，两个第三除料单元的位于底板中轴线的两侧，两个第三除料单元的连线与第一除料单元和第二除料单元的连线相垂直；进一步增加除料单元对金属粉末的刮除面积，有利于金属粉末的彻底去除。

进一步，所述金属粉末供应单元和非金属粉末供应单元位于底板的两侧，金属粉末供应单元和非金属粉末供应单元均包括位于打印平台下方的储存缸，金属粉末供应单元的储存缸内装有金属粉末，非金属粉末供应单元的储存缸内装有非金属粉末，打印平台上开设有供储存缸内金属粉末或非金属粉末推出的出料口，储存缸内滑动连接有推板。

有益效果:结构简单，便于实现金属粉末和非金属粉末的推出。

进一步，所述机架上安装有第一电动推杆，第一电动推杆带动推板沿储存缸移动。

进一步，所述机架上还设有第二电动推杆、第三电动推杆和导轨，第二电动推杆带动第一刮板滑动连接在导轨上，第三电动推杆带动第二刮板滑动连接在导轨上。

有益效果：通过电动推杆带动推板、第一刮板和第二刮板的移动，结构简单，便于控制。

进一步，所述打印平台上还设有落料口，落料口下方设有收料缸；及时对除料单元去除的金属粉末进行回收。

进一步，所述非金属粉末为石粉。

有益效果：石粉的颗粒度小，能够更好地填充成型槽，并对金属零件进行支撑。

利用激光烧结金属打印防变形打印结构的打印方法，包括如下步骤：

S1、铺金属粉末；通过第一刮板将金属粉末供应单元提供的金属粉末铺在打印平台和底板上；

S2、金属粉末预热；感应加热单元对金属粉末进行预热；

S3、激光打印；激光将底板上的金属粉末加热熔化出金属零件的2D横截面；

S4、去除剩余金属粉末；利用除料单元将打印平台和底板上剩余的金属粉末去除；

S5、金属零件下移；启动升降单元，使得底板降低一个2D横截面的厚度；

S6、铺非金属粉末；通过第二刮板将非金属粉末供应单元提供的非金属粉末填充在底板与打印平台上表面之间的空隙内；

S7、重复S1-S6。

通过以上步骤能够完成金属零件在打印过程中的实时退火处理，避免金属零件出现表面裂纹和翘曲变形的情况。

附图说明

图1为本发明实施例的俯视图；

图2为图1中本发明实施例的正向剖视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：机架1、打印平台2、环绕槽3、感应加热单元4、底板5、升降单元6、金属粉末供应单元7、非金属粉末供应单元8、储存缸9、出料口10、推板11、第一电动推杆12、第一刮板13、第二刮板14、第二电动推杆15、第三电动推杆16、导轨17、落料口18、收料缸19、第一除料单元20、第二除料单元21、第三除料单元23、环形输送线24、环形槽25、除料刮板26、转轴27、电磁铁28、挡板29、收集口30。

实施例基本如附图1和图2所示：

激光烧结金属打印防变形打印结构，包括机架1和固定连接在机架1上的打印平台2，打印平台2的中心位置一体成型有成型槽和环绕槽3，环绕槽3将成型槽环绕，环绕槽3内安装有感应加热单元4(采用中频或高频感应加热装置)，环形槽25与感应加热单元4的间隙内填充石粉；成型槽内竖向滑动连接有底板5，底板5底部固定连接有升降单元6(升降单元6可以采用液压缸，液压缸的活塞杆顶部螺纹连接有非金属材质的顶板，顶板与底板5通过卡扣连接，液压缸的活塞杆不会伸入到感应加热单元4环绕的空间内)，打印平台2和底板5均采用非金属材质。

打印平台2的左侧安装有金属粉末供应单元7，打印平台2的右侧安装有非金属粉末供应单元8，金属粉末供应单元7和非金属粉末供应单元8沿底板5中轴线左右对称；金属粉末供应单元7和非金属粉末供应单元8均包括位于打印平台2下方的储存缸9，金属粉末供应单元7的储存缸9内装有金属粉末，非金属粉末供应单元8的储存缸9内装有石粉，打印平台2上开设有供储存缸9内金属粉末或石粉推出的出料口10。

储存缸9内竖向滑动连接有推板11，机架1上安装有第一电动推杆12，第一电动推杆12带动推板11沿储存缸9竖向移动。

打印平台2上还安装有第一刮板13和第二刮板14，第一刮板13位于打印平台2最左侧，第二刮板14位于打印平台2最右侧，第一刮板13用于将出料口10推出的金属粉末平铺到打印平台2和底板5上；第二刮板14用于将出料口10推出的石粉填充到成型槽内。

机架1上还通过螺钉固定安装有第二电动推杆15、第三电动推杆16和导轨17，第二电动推杆15带动第一刮板13横向滑动连接在导轨17上，第三电动推杆16带动第二刮板14横向滑动连接在导轨17上。

第一刮板13的底部距离打印平台2的垂直距离为一个2D横截面的厚度，第二刮板14的底部与打印平台2相贴。

打印平台2上还开设有落料口18，落料口18下方安装有收料缸19，收料缸19固定安装在机架1上。

打印平台2上方还设有除料单元，除料单元用于对打印平台2上的金属粉末进行去除；除料单元包括第一除料单元20、第二除料单元21和两个第三除料单元23，结合图2，第一除料单元20和第二除料单元21对称位于底板5的左右两侧，两个第三除料单元23对称位于底板5的前后两侧。

第一除料单元20和第二除料单元21均包括环形输送线24、环形槽25和除料刮板26，环形槽25设置在机架1上(环形槽25位于导轨17的上方，进而不会与导轨17发生干涉)，除料刮板26滑动连接在环形槽25内，环形输送线24连接在机架1上，环形输送线24上设有推动除料刮板26沿环形槽25滑动的挡板29(环形输送线24可以采用皮带线，挡板29粘接在皮带线的皮带上)。

第三除料单元23包括能够转动的转轴27和固定连接在旋转轴27上的电磁铁28，转轴27由电机带动着转动，电磁铁28转动的过程中能将金属粉末吸附，同时在电磁铁28转动完180°后，电磁铁28断电，电磁铁28上的金属粉末在重力作用下下落至打印平台2上开设有的收集口30上，收集口30下方安装有收集箱。

采用该激光烧结金属打印防变形打印结构的打印方法如下：

当开始对金属零件进行打印后，以打印第一个2D横截面为例：

S1、铺金属粉末；启动金属粉末供应单元7下方的第一电动推杆12，使得金属粉末从出料口10被推出，接着启动第二电动推杆15，使得第一刮板13向右移动，第一刮板13向右移动后，将出料口10的金属粉末铺在打印平台2和底板5上，完成金属粉末的铺粉后第一刮板13恢复到最左侧(在该步骤下，底板5和除料单元处于如图1和图2所示的状态下)；

S2、金属粉末预热；启动感应加热单元4，使得感应加热单元4对铺好的金属粉末进行预热，降低了金属粉末从固相到液相的温差，进而减少了金属零件出现开裂和翘曲变形的概率；

S3、激光打印；激光将底板5上的金属粉末加热熔化出金属零件的2D横截面；

S4、去除剩余金属粉末；利用除料单元将打印平台2和底板5上剩余的金属粉末去除，具体为先启动第一除料单元20和第二除料单元21，第一除料单元20的除料刮板26先沿环形槽25向右移动，向右移动过程中，除料刮板26的底部不会触碰到打印平台2和底板5上的金属粉末，当除料刮板26向下移动到环形输送线24的下方后，挡板29开始推动除料刮板26向左移动，此时应除料刮板26已经向下移动了，所以除料刮板26能正好将高出打印平台2的金属粉末向左刮移，直至被除料刮板26刮除的金属粉末被推到落料口18处，进而被落料口18下方的收料缸19收集；同理第二除料单元21与第一除料单元20的除料原理相同，只是第二除料单元21先向左移动，再向右移动。

接着启动底板5前方的第三除料单元23，电机带动转轴27转动，转轴27带动电磁铁28转动，同时给电磁铁28通电，电磁铁28转动过程中，将第一除料单元20和第二除料单元21没有刮除干净的金属粉末进行磁性吸附，当电磁铁28转动180°后，控制电磁铁28断电，电磁铁28上吸附的金属粉末失去磁性吸力而在重力作用下下落至收集口30上，并被收集口30下方的收集箱收集。

之后再启动底板5后方的第三除料单元23，该除料单元对金属粉末的除料过程与前方的第三除料单元23相同。

在该步骤中通过第一除料单元20和第二除料单元21将大部分金属粉末刮除，再通过带电磁体的第三除料单元23将遗留的少量金属粉末去除，保证金属粉末去除的彻底性。

S5、金属零件下移；启动升降单元6，使得底板5降低一个2D横截面的厚度，使得刚加工完的2D横截面的上表面与打印平台2持平。

S6、铺非金属粉末；通过第二刮板14将非金属粉末供应单元8提供的非金属粉末填充在底板5与打印平台2上表面之间的空隙内。

启动打印平台2右侧的非金属粉末供应单元8下方的第一电动推杆12，使得石粉从出料口10被推出，接着启动第三电动推杆16，使得第二刮板14向左移动，第二刮板14向右移动后，将出料口10的石粉推到底板5与打印平台2上表面之间的空隙内(也即成型槽内)，因第二刮板14的底部与打印平台2相贴，因而石粉正好填充到与打印平台2持平。

S7、在后续的打印中，只需要重复S1-S6的步骤即可，不同点在于，后续的S1步骤中因石粉填充在成型槽内，填充的石粉与金属零件已经加工部分的上表面是持平的，金属粉末是铺在该填充的石粉上、金属零件已经加工部分的上表面上以及打印平台2上(因为这三者在经历过S6后处于位于同一平面)。

在本实施例中，金属零件随升降单元6和底板5不断向下移动，而感应加热单元4因具备对非金属材质不会加热的特性，则填充在底板5上起支撑作用的石粉不会被加热，但是被石粉包围的金属零件在感应加热单元4的感应下进行加热，相当于对加工出来的金属零件进行了实时的退火处理，直接将金属零件成型过程产生的残余应力进行了去除，避免金属零件出现表面裂纹和翘曲变形的情况。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (5)

1.激光烧结金属打印防变形打印结构，包括机架和固定连接在机架上的打印平台，打印平台上设有成型槽，成型槽内滑动连接有底板，底板底部连接有升降单元，其特征在于：打印平台和底板均采用非金属材质，打印平台上还设有环绕成型槽的环绕槽，环绕槽内设有将底板环绕的感应加热单元，环形槽与感应加热单元的间隙内填充非金属粉末；

打印平台上设有金属粉末供应单元和非金属粉末供应单元，打印平台上设有将金属粉末供应单元提供的金属粉末进行铺粉的第一刮板，打印平台上设有将非金属粉末供应单元提供的非金属粉末填充到成型槽内的第二刮板；

金属粉末供应单元和非金属粉末供应单元位于底板的两侧，金属粉末供应单元和非金属粉末供应单元均包括位于打印平台下方的储存缸，金属粉末供应单元的储存缸内装有金属粉末，非金属粉末供应单元的储存缸内装有非金属粉末，打印平台上开设有供储存缸内金属粉末或非金属粉末推出的出料口，储存缸内滑动连接有推板；机架上安装有第一电动推杆，第一电动推杆带动推板沿储存缸移动；机架上还设有第二电动推杆、第三电动推杆和导轨，第二电动推杆带动第一刮板滑动连接在导轨上，第三电动推杆带动第二刮板滑动连接在导轨上；

打印平台上方还设有除料单元，除料单元包括位于底板中轴线两侧的第一除料单元、第二除料单元和第三除料单元，第一除料单元和第二除料单元均包括环形输送线、环形槽和除料刮板，环形槽设置在机架上，除料刮板滑动连接在环形槽内，环形输送线连接在机架上，环形输送线上设有推动除料刮板滑动的挡板；除料单元位于第一除料单元和第二除料单元之间，第三除料单元包括能够转动的转轴和固定连接在旋转轴上的电磁铁。

2.根据权利要求1所述的激光烧结金属打印防变形打印结构，其特征在于：所述第三除料单元的数量为两个，两个第三除料单元的位于底板中轴线的两侧，两个第三除料单元的连线与第一除料单元和第二除料单元的连线相垂直。

3.根据权利要求1所述的激光烧结金属打印防变形打印结构，其特征在于：所述打印平台上还设有落料口，落料口下方设有收料缸。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的激光烧结金属打印防变形打印结构，其特征在于：所述非金属粉末为石粉。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的激光烧结金属打印防变形打印结构的打印方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、铺金属粉末；通过第一刮板将金属粉末供应单元提供的金属粉末铺在打印平台和底板上；

S2、金属粉末预热；感应加热单元对金属粉末进行预热；

S3、激光打印；激光将底板上的金属粉末加热熔化出金属零件的2D横截面；

S4、去除剩余金属粉末；利用除料单元将打印平台和底板上剩余的金属粉末去除；

S5、金属零件下移；启动升降单元，使得底板降低一个2D横截面的厚度；

S6、铺非金属粉末；通过第二刮板将非金属粉末供应单元提供的非金属粉末填充在底板与打印平台上表面之间的空隙内；

S7、重复S1-S6。

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