CN110757791A - 用于选择性激光烧结成型3d打印机的铺粉装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于选择性激光烧结成型3D打印机的铺粉装置及控制方法，其特征在于，包括：设置在铺粉平台的左右两端的翻粉机构和设置在铺粉平台上的铺粉机构；所述翻粉机构包括截面为半圆形的粉槽，以及与粉槽等长的刮刀，所述刮刀以粉槽的圆心为转轴沿粉槽内壁旋转或静止，左侧刮刀的旋转方向为逆时针，右侧刮刀的旋转方向为顺时针。其取消了废料桶的结构，大大减小了铺粉平台的面积，所提供的翻粉机构的装置方案，能够直接在线对废粉做到重复有效利用，大大提高了打印工作的效率，同时其构造简单，结构紧凑，不容易损坏失效，生产维修成本低。

Description

用于选择性激光烧结成型3D打印机的铺粉装置及控制方法
技术领域
本发明属于3D打印设备领域，尤其涉及一种用于选择性激光烧结成型3D打印机的铺粉装置及控制方法。
背景技术
选择性激光烧结成型（SLS）3D 打印设备有着打印耗材种类多、打印精度高、无需支撑结构、材料利用率高，成品打印强度高等优点。因此选择性激光烧结成型（SLS）3D 打印机常被应用在医疗行业、制造业、建筑设计、文物保护等多个领域。
如说明书附图1所示，现有的选择性激光烧结成型 3D 打印机，一般采用送粉缸、成型舱和废料桶水平分布，铺粉时，铺粉机构（如滚筒、刮刀等）从左侧带着送粉缸推送出的粉末滑动至右侧，多余的粉末落入废料桶，然后返回原点，反复如此循环实现铺粉过程。
发明内容
考虑到进一步减小选择性激光烧结成型3D打印机设备的占用空间，并解决现有铺粉系统在铺粉过程中，滚筒难免会将多余的粉末推至粉床外部的浪费问题，本发明提供了舍弃废料桶的方案，采用翻粉机构代替，其作用是将多余的粉末储藏至粉槽内，再通过刮刀将多余粉末翻至粉床表面，滚筒返回原点的过程带动翻至粉床表面的粉末进行下一层的铺粉过程，这样利用了滚筒返回原点这个运动过程，不仅利用了多余粉末同时也节约了铺粉时间。
本发明具体采用以下技术方案：
一种用于选择性激光烧结成型3D打印机的铺粉装置，其特征在于，包括：设置在铺粉平台的左右两端的翻粉机构和设置在铺粉平台上的铺粉机构；所述翻粉机构包括截面为半圆形的粉槽，以及与粉槽等长的刮刀，所述刮刀以粉槽的圆心为转轴沿粉槽内壁旋转或静止，左侧刮刀的旋转方向为逆时针，右侧刮刀的旋转方向为顺时针。
优选地，所述粉槽开设在粉槽块的中部；所述刮刀的一端通过第一刮刀连接轴安装在第一轴承座上，另一端经第二刮刀连接轴和刮刀传动齿轮安装在第一轴承座上第二轴承座上；所述刮刀传动齿轮的下方开设有通槽，所述通槽内设置有与刮刀传动齿轮啮合的步进电机传动齿轮，所述步进电机传动齿轮连接设置在粉槽块下方的步进电机的输出轴。
优选地，所述铺粉机构包括滚筒、滚筒传动齿轮和齿条；所述滚筒以距离铺粉平台H的高度在左侧翻粉机构和右侧翻粉机构之间平移并转动；所述滚筒传动齿轮固定在滚筒周部并位于铺粉平台外侧；所述齿条与滚筒传动齿轮啮合，位于滚筒传动齿轮上方，且与铺粉平台平行设置。
优选地，所述滚筒由电机通过穿过滚筒轴心并固定在滚筒内侧的辊子驱动。
优选地，所述滚筒的外径为25mm，所述滚筒传动齿轮为模数m=1，齿数z=25的直齿轮，所述齿条为模数m=1的直齿条。
优选地，选择性激光烧结成型3D打印机的送粉缸设置在左侧翻粉机构的左侧上方，出粉口朝下并通过左侧滑道对准左侧翻粉机构的粉槽。
优选地，所述右侧翻粉机构的粉槽的右侧设置有右侧滑道。
根据以上优选装置的控制方法之一，其特征在于，包括以下循环执行的步骤：
步骤A1：当所述滚筒从左向右移动至左侧刮刀的转轴上方时，所述左侧刮刀呈水平静止并朝向右侧的状态，直至所述滚筒离开左侧粉槽的上方；
步骤A2：所述左侧刮刀逆时针旋转270°并静止；
步骤A3：当所述滚筒从左向右移动至右侧粉槽的上方之前，所述右侧刮刀竖直朝下静止；
步骤A4：当所述滚筒从左向右移动至右侧行程终点，并从右向左移动至右侧刮刀的转轴上方的过程中，所述右侧刮刀顺时针旋转90°并保持静止，直至所述滚筒离开右侧粉槽的上方；
步骤A5：所述右侧刮刀顺时针旋转270°并静止；
步骤A6：当所述滚筒从右向左移动至左侧粉槽的上方之前，所述左侧刮刀竖直朝下静止；
步骤A7：当所述滚筒从右向左移动至左侧行程终点，并从左向右移动至左侧刮刀的转轴上方的过程中，所述左侧逆时针旋转90°并保持静止，返回步骤A1。
根据以上优选装置的控制方法之一，其特征在于，包括以下循环执行的步骤：
步骤B1：当所述滚筒从左向右移动至左侧刮刀的转轴上方时，所述左侧刮刀呈水平静止并朝向右侧的状态，直至所述滚筒离开左侧粉槽的上方；
步骤B2：所述送粉缸向左侧粉槽送粉；
步骤B3：所述左侧刮刀逆时针旋转270°并静止；
步骤B4：当所述滚筒从左向右移动至右侧粉槽的上方之前，所述右侧刮刀竖直朝下静止；
步骤B5：当所述滚筒从左向右移动至右侧行程终点，并从右向左移动至右侧刮刀的转轴上方的过程中，所述右侧刮刀顺时针旋转90°并保持静止，直至所述滚筒离开右侧粉槽的上方；
步骤B6：所述右侧刮刀顺时针旋转270°并静止；
步骤B7：当所述滚筒从右向左移动至左侧粉槽的上方之前，所述左侧刮刀竖直朝下静止；
步骤B7：当所述滚筒从右向左移动至左侧行程终点，并从左向右移动至左侧刮刀的转轴上方的过程中，所述左侧逆时针旋转90°并保持静止，返回步骤B1。
本发明及其优选方案首先起到了优化选择性激光烧结成型3D打印机结构的作用，其取消了废料桶的结构，大大减小了铺粉平台的面积，所提供的翻粉机构的装置方案，能够直接在线对废粉做到重复有效利用，大大提高了打印工作的效率，同时其构造简单，结构紧凑，不容易损坏失效，生产维修成本低。在本发明的优选方案当中，进一步对铺粉机构和送粉缸的结构提出了对应的优化方案，其中，铺粉机构采用上齿条下齿轮的方案保证了滚筒的旋转角速度与平移的线速度一致，确保了铺粉的效率；送粉缸位置的调整则更好地配合了翻粉机构的设计，从而能够形成一套高效的循环铺粉方案。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为现有技术方案示意图；
图2为本发明实施例1整体结构剖视示意图；
图3为本发明实施例左侧翻粉机构整体结构立体示意图；
图4为本发明实施例1控制方法流程示意图1；
图5为本发明实施例1控制方法流程示意图2；
图6为本发明实施例1控制方法流程示意图3；
图7为本发明实施例1控制方法流程示意图4；
图8为本发明实施例铺粉机构侧视示意图；
图9为本发明实施例铺粉机构器件选型原理示意图；
图中：100-左侧粉槽；101-第一轴承座；102-挡圈；103-粉槽块；104-第一刮刀连接轴；105-左侧刮刀；106-第二刮刀连接轴；107-刮刀传动齿轮；108-第二轴承座；109-步进电机传动齿轮；110-步进电机；200-右侧粉槽；300-滚筒；301-滚筒传动齿轮；302-齿条；303-辊子。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举2个实施例，作详细说明如下：
本发明方案的设计是基于对现有的选择性激光烧结成型3D打印机设备的改进，如图1所示，现有设备的铺粉平台上有送粉缸、成型舱和废料桶水平分布，铺粉时，铺粉机构（如滚筒、刮刀等）从左侧带着送粉缸推送出的粉末滑动至右侧，多余的粉末落入废料桶，然后返回原点，反复如此循环实现铺粉过程。上方的激光振镜系统提供3D打印成型的能量，同时还提供有预热系统用于对铺粉平台的预加热，确保通过激光对材料的快速烧结。
如图2所示，本发明方案的主要改进点在于，将废料桶取消，替换为设置在铺粉平台的左右两端的翻粉机构。在本发明的2个实施例提供的方案中，翻粉机构包括截面为半圆形的粉槽，以及与粉槽等长的刮刀，刮刀以粉槽的圆心为转轴沿粉槽内壁旋转或静止，左侧刮刀105的旋转方向为逆时针，右侧刮刀的旋转方向为顺时针。其中粉槽的作用在于收纳被铺粉机构扫至边缘的材料粉末，刮刀的作用则在于将粉末翻起，配合铺粉装置的运动将废粉在线重新利用。
需要说明的是，在本发明说明书当中所说的“左”、“右”仅配合于说明书附图的视角，为了更加容易理解所设，并不对本发明方案的结构进行实质性的限定，在视角发生变化的情况下，“左”、“右”的表述也可以做出相反的理解。
以左侧翻粉机构为例，本发明的2个实施例提供的方案中，左侧粉槽100开设在一个粉槽块103的中部；左侧刮刀105的一端通过第一刮刀连接轴104安装在第一轴承座101上，另一端经第二刮刀连接轴106和刮刀传动齿轮107安装在第一轴承座101上第二轴承座108上；刮刀传动齿轮107的下方开设有通槽，通槽内设置有与刮刀传动齿轮107啮合的步进电机传动齿轮109，步进电机传动齿轮109连接设置在粉槽块103下方的步进电机110的输出轴。第一轴承座101和第二轴承座108的外侧还设置有挡圈102确保构件整体的牢固性。右侧翻粉机构的结构与左侧翻粉机构相同，仅安装后与左侧翻粉机构呈对称结构，在此不另行赘述。
本发明的2个实施例还提供了铺粉机构的新型结构设计，如图8所示，包括滚筒300、滚筒传动齿轮301和齿条302；滚筒300以距离铺粉平台H的高度在左侧翻粉机构和右侧翻粉机构之间平移并转动；滚筒传动齿轮301固定在滚筒300周部并位于铺粉平台外侧，构成刚性连接；齿条302与滚筒传动齿轮301啮合，位于滚筒传动齿轮301上方，且与铺粉平台平行设置。滚筒300由铺粉机构的动力电机通过穿过滚筒300轴心并固定在滚筒300内侧的辊子303驱动。该种结构保证了滚筒300表面的线速度与滚筒300水平运动的速度保持一致，且由于齿条302固定在上方，朝下设置，则防止了积粉的情况。
如图9所示，在进一步的器件选型考量当中，设H为铺粉层厚，△H为滚筒300与铺粉板刮过粉末的高度差，经过测试，当△H等于H的30%时，铺粉的效果最好，然而一般SLS打印层厚为0.2mm。
因此为了刮粉效果达到最好，应满足△H等于铺粉层厚的30%的条件：
根据
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；经过计算有：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，
由上两式可知，滚筒300的半径只需大于0.0766mm即可满足△H大于30%的条件。据此选定滚筒300的外径为25mm。
再考虑滚筒传动齿轮301和齿条302的问题：
由于滚筒传动齿轮301与=滚筒300角速度相同，并且滚筒传动齿轮301的分度圆线速度与其水平运动速度相等，为了尽可能减小机构体积，确定滚筒传动齿轮301齿条302模数m=1，由此可知：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
所以：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
d1 表示传动齿轮分度圆直径（mm），
d2表示动力滚筒300外径（mm），z表示传动齿轮齿数。
由此确定，滚筒传动齿轮301为模数m=1，齿数z=25的直齿轮，齿条302为模数m=1的直齿条302。
在本发明的第1个实施例中，对送粉缸的位置和送粉方式也作出了调整。将送粉缸设置在左侧翻粉机构的左侧上方，并取消了现有方案当中送粉的活塞装置，直接采用重力进行送粉，即设计了其出粉口朝下并通过左侧滑道对准左侧翻粉机构的粉槽的送粉机构，在出粉口处可以安装一个电磁阀以保证每次送粉量的准确性。同时右侧翻粉机构的粉槽的右侧设置有右侧滑道。两侧滑道同时也起到作为铺粉平台的边界，将材料粉末限制在铺粉平台内部的作用。
在本实施例中，翻粉机构的粉槽用于收集铺粉过程中多余的粉末材料，步进电机110根据滚筒300的实际位置，通过齿轮传动，从而带动刮刀翻转将多余粉末材料翻转至粉床（铺粉平台）表面，实现翻粉过程。如图4-图7所示，具体的翻粉过程可以分为4个阶段：
1.滚筒300处于原点位置，滚筒300往前移动一段距离过粉槽为止。粉槽落下两倍铺粉的量，然后回到原点位置。左侧步进电机带动左侧刮刀105逆时针转动将粉槽内的粉末材料翻转至粉床表面，同时新的粉末从送粉缸落入左侧粉槽100内，然后滚筒300带动粉末材料从左侧原点向右侧运动，右侧刮刀（图2-4）呈垂直状态等待多余粉末落入右侧粉槽200内，如图4所示。
2.左侧侧刮刀逆时针翻转，将左侧粉槽100内的粉末推动至左侧刮刀105右侧等待下一次翻粉。滚筒300铺粉完毕后，继续向右侧运动将多余的粉末材料推至右侧粉槽200内，然后滚筒300停至右侧终点位置，如图5所示。
3. 左侧刮刀105为垂直向下位置等待滚筒300返回原点时多余粉末落入粉槽内，右侧步进电机带动右侧刮刀顺时针转动将右侧粉槽200内的粉末材料翻转至粉床表面，滚筒300从终点向原点运动，将右侧刮刀翻至粉床表面的粉末材料重新利用进行铺粉，如图6所示。
4.滚筒300运动至原点，左侧刮刀105处于垂直向下位置等待铺粉，右侧步进电机带动右侧刮刀顺时针转动，最终右侧刮刀处于垂直向下位置等到下一次铺粉过程中多余粉末落入右侧粉槽200，如图7所示。
该种控制方式既可以通过工控PLC进行逻辑编程后进行实时调控，也可以预设各个电机执行的时长和步数，直接实现翻粉与铺粉机构的配合。
以上过程可以进一步总结为以下循环执行的步骤：
步骤B1：当滚筒300从左向右移动至左侧刮刀105的转轴上方时，左侧刮刀105呈水平静止并朝向右侧的状态，直至滚筒300离开左侧粉槽100的上方；
步骤B2：送粉缸向左侧粉槽100送粉；
步骤B3：左侧刮刀105逆时针旋转270°并静止；
步骤B4：当滚筒300从左向右移动至右侧粉槽200的上方之前，右侧刮刀竖直朝下静止；
步骤B5：当滚筒300从左向右移动至右侧行程终点，并从右向左移动至右侧刮刀的转轴上方的过程中，右侧刮刀顺时针旋转90°并保持静止，直至滚筒300离开右侧粉槽200的上方；
步骤B6：右侧刮刀顺时针旋转270°并静止；
步骤B7：当滚筒300从右向左移动至左侧粉槽100的上方之前，左侧刮刀105竖直朝下静止；
步骤B7：当滚筒300从右向左移动至左侧行程终点，并从左向右移动至左侧刮刀105的转轴上方的过程中，左侧逆时针旋转90°并保持静止，返回步骤B1。
在本发明的第2个实施例中，其与第1个实施例的区别在于，没有对送粉缸进行进一步调整改造，其控制方式相比于第1个实施例，仅仅去除掉步骤B2即可应用于采用传统活塞式送分缸的装置，包括以下循环执行的步骤：
步骤A1：当滚筒300从左向右移动至左侧刮刀105的转轴上方时，左侧刮刀105呈水平静止并朝向右侧的状态，直至滚筒300离开左侧粉槽100的上方；
步骤A2：左侧刮刀105逆时针旋转270°并静止；
步骤A3：当滚筒300从左向右移动至右侧粉槽200的上方之前，右侧刮刀竖直朝下静止；
步骤A4：当滚筒300从左向右移动至右侧行程终点，并从右向左移动至右侧刮刀的转轴上方的过程中，右侧刮刀顺时针旋转90°并保持静止，直至滚筒300离开右侧粉槽200的上方；
步骤A5：右侧刮刀顺时针旋转270°并静止；
步骤A6：当滚筒300从右向左移动至左侧粉槽100的上方之前，左侧刮刀105竖直朝下静止；
步骤A7：当滚筒300从右向左移动至左侧行程终点，并从左向右移动至左侧刮刀105的转轴上方的过程中，左侧逆时针旋转90°并保持静止，返回步骤A1。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的用于选择性激光烧结成型3D打印机的铺粉装置及控制方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种用于选择性激光烧结成型3D打印机的铺粉装置，其特征在于，包括：设置在铺粉平台的左右两端的翻粉机构和设置在铺粉平台上的铺粉机构；所述翻粉机构包括截面为半圆形的粉槽，以及与粉槽等长的刮刀，所述刮刀以粉槽的圆心为转轴沿粉槽内壁旋转或静止，左侧刮刀的旋转方向为逆时针，右侧刮刀的旋转方向为顺时针。
2.根据权利要求1所述的用于选择性激光烧结成型3D打印机的铺粉装置，其特征在于：所述粉槽开设在粉槽块的中部；所述刮刀的一端通过第一刮刀连接轴安装在第一轴承座上，另一端经第二刮刀连接轴和刮刀传动齿轮安装在第一轴承座上第二轴承座上；所述刮刀传动齿轮的下方开设有通槽，所述通槽内设置有与刮刀传动齿轮啮合的步进电机传动齿轮，所述步进电机传动齿轮连接设置在粉槽块下方的步进电机的输出轴。
3.根据权利要求1所述的用于选择性激光烧结成型3D打印机的铺粉装置，其特征在于：所述铺粉机构包括滚筒、滚筒传动齿轮和齿条；所述滚筒以距离铺粉平台H的高度在左侧翻粉机构和右侧翻粉机构之间平移并转动；所述滚筒传动齿轮固定在滚筒周部并位于铺粉平台外侧；所述齿条与滚筒传动齿轮啮合，位于滚筒传动齿轮上方，且与铺粉平台平行设置。
4.根据权利要求3所述的用于选择性激光烧结成型3D打印机的铺粉装置，其特征在于：所述滚筒由电机通过穿过滚筒轴心并固定在滚筒内侧的辊子驱动。
5.根据权利要求3所述的用于选择性激光烧结成型3D打印机的铺粉装置，其特征在于：所述滚筒的外径为25mm，所述滚筒传动齿轮为模数m=1，齿数z=25的直齿轮，所述齿条为模数m=1的直齿条。
6.根据权利要求3所述的用于选择性激光烧结成型3D打印机的铺粉装置，其特征在于：选择性激光烧结成型3D打印机的送粉缸设置在左侧翻粉机构的左侧上方，出粉口朝下并通过左侧滑道对准左侧翻粉机构的粉槽。
7.根据权利要求6所述的用于选择性激光烧结成型3D打印机的铺粉装置，其特征在于：所述右侧翻粉机构的粉槽的右侧设置有右侧滑道。
8.根据权利要求3所述的用于选择性激光烧结成型3D打印机的铺粉装置的控制方法，其特征在于，包括以下循环执行的步骤：
步骤A1：当所述滚筒从左向右移动至左侧刮刀的转轴上方时，所述左侧刮刀呈水平静止并朝向右侧的状态，直至所述滚筒离开左侧粉槽的上方；
步骤A2：所述左侧刮刀逆时针旋转270°并静止；
步骤A3：当所述滚筒从左向右移动至右侧粉槽的上方之前，所述右侧刮刀竖直朝下静止；
步骤A4：当所述滚筒从左向右移动至右侧行程终点，并从右向左移动至右侧刮刀的转轴上方的过程中，所述右侧刮刀顺时针旋转90°并保持静止，直至所述滚筒离开右侧粉槽的上方；
步骤A5：所述右侧刮刀顺时针旋转270°并静止；
步骤A6：当所述滚筒从右向左移动至左侧粉槽的上方之前，所述左侧刮刀竖直朝下静止；
步骤A7：当所述滚筒从右向左移动至左侧行程终点，并从左向右移动至左侧刮刀的转轴上方的过程中，所述左侧逆时针旋转90°并保持静止，返回步骤A1。
9.根据权利要求6或7所述的用于选择性激光烧结成型3D打印机的铺粉装置的控制方法，其特征在于，包括以下循环执行的步骤：
步骤B1：当所述滚筒从左向右移动至左侧刮刀的转轴上方时，所述左侧刮刀呈水平静止并朝向右侧的状态，直至所述滚筒离开左侧粉槽的上方；
步骤B2：所述送粉缸向左侧粉槽送粉；
步骤B3：所述左侧刮刀逆时针旋转270°并静止；
步骤B4：当所述滚筒从左向右移动至右侧粉槽的上方之前，所述右侧刮刀竖直朝下静止；
步骤B5：当所述滚筒从左向右移动至右侧行程终点，并从右向左移动至右侧刮刀的转轴上方的过程中，所述右侧刮刀顺时针旋转90°并保持静止，直至所述滚筒离开右侧粉槽的上方；
步骤B6：所述右侧刮刀顺时针旋转270°并静止；
步骤B7：当所述滚筒从右向左移动至左侧粉槽的上方之前，所述左侧刮刀竖直朝下静止；
步骤B7：当所述滚筒从右向左移动至左侧行程终点，并从左向右移动至左侧刮刀的转轴上方的过程中，所述左侧逆时针旋转90°并保持静止，返回步骤B1。
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