CN110901049B - 一种适用于宽温度梯度下选择性熔化成型的喷印打印设备 - Google Patents

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Abstract

本发明属于工业级粉末快速制造成型相关技术领域，其公开了一种适用于宽温度梯度下选择性熔化成型的喷印打印设备，喷印打印设备包括上罩体、下罩体、铺粉组件、相连接的喷印组件及加热组件，上罩体与铺粉基板相连接以形成密闭空间，用于收容部件；加热组件包括第一定向热辐射器、第二定向热辐射器及加热辊子模块，第一定向热辐射器及第二定向热辐射器分别连接于上罩体，且分别用于对铺粉区的粉末及工作区的粉末进行加热，以把粉末加热至玻璃态；加热辊子模块连接于喷印组件，其对工作区的粉末进行压实的同时进一步对工作区的粉末进行加热，工作区的粉末被喷涂到粘接剂的部分发生熔化并固化成型。本发明提高了精度，成形质量较好，适用性较强。

Description

一种适用于宽温度梯度下选择性熔化成型的喷印打印设备
技术领域
本发明属于工业级粉末快速制造成型相关技术领域，更具体地，涉及一种适用于温度梯度下选择性熔化成型的喷印打印设备。
背景技术
激光等高能束非金属3D打印(即选择性激光熔化SLM)在航空航天、模具等领域应用较多，最受关注但是仍存在显著低效率和高成本问题，喷印3D打印利用喷嘴喷射成形，高效率和低成本优势显著。
目前，现阶段的粉末3D打印装置，喷印单元都在常温下工作，非金属材料一直是粉末态，喷印单元边移动边向打印工作区喷涂粘接剂。在此情况下，一方面，样件在常温下通过粘接剂与粉末材料粘接成型后，放入高温炉烧结时粘接剂极易挥发，导致样件内部产生缩孔与缩松，致密度差；另一方面，由于粉末装置在长距离移动过程中会产生气流，使得粘接剂因气流的冲击而发生位置偏移，导致样件尺寸精度低。相应地，本领域存在着发展一种精度较好的适用于宽温度梯度下选择性熔化成型的喷印打印设备的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于宽温度梯度下选择性熔化成型的喷印打印设备，其基于现有喷印3D打印机的工作特点，研究及设计了一种精度较好的适用于宽温度梯度下选择性熔化成型的喷印打印设备。所述喷印打印设备解决了现有的生产效率低、样件精度差及工作环境的温控难等技术问题，其通过设计加热辊子模块及结构设计，提高了自动化程度及打印速度与精度，成型质量较好，设备及材料成本低，适用性较好。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于宽温度梯度下选择性熔化成型的喷印打印设备，所述喷印打印设备包括上罩体、下罩体、铺粉组件、喷印组件及加热组件，所述铺粉组件包括铺粉基板及刮刀，所述刮刀连接于所述喷印组件；所述上罩体与所述铺粉基板相连接以形成密闭空间，所述铺粉基板设置在所述上罩体与所述下罩体之间，以将所述喷印打印设备分成上下两个区，上区是密闭的需要通入保护气，下区与空气直接接触以散热；所述铺粉基板还形成有铺粉区及工作区：所述加热组件连接于所述喷印组件，且均位于上区；所述喷印组件用于带动刮刀及所述加热组件移动；
所述加热组件包括第一定向热辐射器、第二定向热辐射器及加热辊子模块，所述第一定向热辐射器及所述第二定向热辐射器分别连接于所述上罩体，且分别用于对铺粉区的粉末及工作区的粉末进行加热，以把粉末加热至玻璃态；所述加热辊子模块连接于所述喷印组件，其对工作区的粉末进行压实的同时进一步对工作区的粉末进行加热，工作区的粉末被所述喷印组件喷涂到粘接剂的部分发生熔化并固化成型。
进一步地，所述加热辊子模块包括连接于所述喷印组件的喷头支撑板、第一轴承支撑座、第二轴承支撑座、加热辊子及加热管，所述第一轴承支撑座及所述第二轴承支撑座分别连接于所述喷头支撑板，所述加热辊子的两端分别通过轴承连接于所述第一轴承支撑座及所述第二轴承支撑座；所述加热辊子开设有收容孔，所述加热管设置在所述收容孔内。
进一步地，所述加热辊子呈阶梯状，其是采用导热性的金属材料制成的。
进一步地，所述加热辊子模块还包括联轴节、减速器及电机，所述减速器连接于所述电机的输出轴，所述联轴节连接所述加热辊子的一端及所述减速器。
进一步地，所述加热辊子模块还包括微型鼓风机，所述微型鼓风机连接于所述喷头支撑板，所述微型鼓风机用于对所述加热辊子进行散热，所述加热辊子位于所述电机及所述微型鼓风机之间。
进一步地，所述喷印组件包括连接于所述加热辊子模块的壳体、连接于所述壳体的驱动机构及喷头，所述刮刀及所述喷头连接于所述驱动机构，所述驱动机构用于带动所述刮刀、所述喷头及所述加热辊子模块运动。
进一步地，所述喷印打印设备还包括连续弯折的水冷管及风扇，所述水冷管及所述风扇设置在所述壳体上，以对所述喷印组件进行降温。
进一步地，所述喷印打印设备还包括传感器及辅助组件以及控制及数据处理组件，所述传感器及辅助组件设置于上区，所述控制及数据处理组件位于所述密闭空间外，其与所述传感器及辅助组件相连接。
进一步地，所述喷印打印设备还包括电子触摸屏，所述电子触摸屏设置在所述上区，其与所述控制及数据处理组件相连接；所述传感器及辅助组件用于检测密闭空间内的温度、氧气及压力，并将检测到的数据传输给所述控制及数据处理组件；所述控制及数据处理组件对接收到的数据进行处理并将处理结果传输给所述电子触摸屏，所述电子触摸屏对接收到的数据进行实时显示。
进一步地，所述控制及数据处理组件分别连接于所述加热组件、所述喷印组件及所述铺粉组件，并根据处理结果来对所述加热组件、所述喷印组件及所述铺粉组件进行相应地控制。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的适用于宽温度梯度下选择性熔化成型的喷印打印设备主要具有以下有益效果：
1.所述第一定向热辐射器及所述第二定向热辐射器分别连接于所述上罩体，且分别用于对铺粉区的粉末及工作区的粉末进行加热，以把粉末加热至玻璃态；所述加热辊子模块连接于所述喷印组件，其对工作区的粉末进行压实的同时进一步对工作区的粉末进行加热，工作区的粉末被所述喷印组件喷涂到粘接剂的部分发生熔化并固化成型，避免了样件在高温炉后处理之后产生缩孔及缩松，极大地提高了样件的致密度和力学性能，且提高了制造速度及精度。
2.所述喷印打印设备将喷印组件、刮刀及加热辊子模块集成于一体，可以交替实现铺粉、加热和喷墨，省去了长距离移动至工作区，缩短了粘接剂喷涂所需时间，提高了打印效率及精度。
3.所述铺粉基板设置在所述上罩体与所述下罩体之间，以将所述喷印打印设备分成上下两个区，其余部件大都分别设置于上区或者下区，提高了结构紧凑度，体积较小，质量较轻。
4.所述水冷管及所述风扇设置在所述壳体上，以对所述喷印组件进行降温，以保护所述喷印组件不易长时间受热的零部件，提高了使用寿命及工作稳定性。
附图说明
图1是本发明提供的适用于宽温度梯度下选择性熔化成型的喷印打印设备的示意图；
图2是图1中的适用于宽温度梯度下选择性熔化成型的喷印打印设备的加热辊子模块的剖视图；
图3是图1中的适用于宽温度梯度下选择性熔化成型的喷印打印设备的局部示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-上罩体，5-进气口，6-出气口，2-下罩体，17-第一三防灯，18-第二三防灯，22-支撑板，33-水冷管，34-风扇，I-铺粉组件，16-铺粉基板，20-刮刀，II-加热组件，10-第一定向热辐射器，11-第二定向热辐射器，12-电子触摸屏，21-加热辊子模块，23-第一轴承支撑座，24-第二轴承支撑座，25-电机，26-减速器，27-联轴节，28-加热管，29-加热辊子，30-微型鼓风机，31-鼓风机撑架，32-喷头支撑板，35-壳体，III-喷印组件，20-刮刀，19-喷头，IV-缸体组件，13-集粉盒，14-工作缸，15-送粉缸，V-传感器及辅助组件，3-第一红外测温仪，4-第二红外测温仪，7-第一测氧仪，8-第二测氧仪，9-气压表，VI-控制及数据处理组件。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1、图2及图3，本发明提供的适用于宽温度梯度下选择性熔化成型的喷印打印设备，所述喷印打印设备包括上罩体1、下罩体2、支撑板22、水冷管33、两个风扇34、铺粉组件I、加热组件II、喷印组件III、缸体组件IV、传感器及辅助组件V及控制及数据处理组件VI，所述上罩体1与所述下罩体2相连接，且将所述喷印打印设备分割为上下两个区域，所述缸体组件IV设置在下区域，所述铺粉组件I、所述加热组件II、所述喷印组件III及所述传感器及辅助组件V设置在上区域，所述控制及数据处理组件VI位于所述密封空间外，且其分别连接于所述铺粉组件I、所述加热组件II、所述喷印组件III、所述缸体组件IV及所述传感器及辅助组件V。
本实施方式中，密闭的上区域用于喷印及喷粉，下区域用于运输和储存粉末，由此使得上下两个区域分工明确，分布匀称，结构稳定，方便操作，且有利于前期组装和后期维修；所述上罩体1上设置有门，其顶部还开设有进气口5及出气口6，保护气自所述进气口5进入上区域保证腔体气密性，以保护腔体内的粉末在工作过程中不会发生热氧化反应而变质，之后保护气自所述出气口6排出；位于下区域的第一三防灯17及第二三防灯18间隔设置在所述支撑板22下，且分别位于所述支撑板22相背的两端；另外，所述第一三防灯17及所述第二三防灯18均是采用专用防氧化防腐材料和硅胶密封圈来实现灯具的防水、防尘及防腐照明要求。本实施方式中，所述保护气为氩气，所述氩气用于保护粉末材料免受空气中的氧气、夹层等杂质干扰。
所述铺粉组件I与所述加热组件II相对设置，所述加热组件II与所述喷印组件III相连接，所述缸体组件IV连接于所述铺粉组件I。其中，所述铺粉组件I包括铺粉基板16及刮刀20，所述铺粉基板16设置在所述密封空间内，且所述铺粉基板16将所述喷印设备分割成上下两个区域，上区是密闭的需要通入保护气，下区与空气直接接触以散热。所述刮刀20连接于所述喷印组件III，所述喷印组件III用于带动所述刮刀20进行左右移动以进行刮粉。本实施方式中，所述铺粉基板16形成有铺粉区及工作区。
所述加热组件II包括第一定向热辐射器10、第二定向热辐射器11及加热辊子模块21，所述第一定向热辐射器10及所述第二定向热辐射器11分别连接于所述支撑板22，且两者分别朝向所述铺粉区及所述工作区的粉末。所述第一定向热辐射器10及所述第二定向热辐射器11共同用于将工作区粉末预热至玻璃态，具体地，所述第一定向热辐射器10用于对送粉区表层粉末加热，所述第二定向热辐射器11用于进一步给工作区表层粉末加热，使得送分区粉末的温度及工作区粉末的温度呈阶梯式增加。所述加热辊子模块21连接于所述喷印组件III，其在压实粉末的同时对粉末进行继续加热以使粉末达到熔融状态并产生热固化，层层叠加形成样件。本实施方式中，所述定向热辐射器采用RS-584将腔体内的温度信号传递至上位机操作面板，以便操作人员及时调整腔体内的温度。
所述加热辊子模块21包括第一轴承支撑座23、第二轴承支撑座24、电机25、减速器26、联轴节27、加热管28、加热辊子29、微型鼓风机30、鼓风机撑架31及喷头支撑板32，所述喷头支撑板32连接于所述喷印组件III，所述第一轴承支撑座23及所述第二轴承支撑座24分别设置在所述喷头支撑板32朝向所述铺粉基板16的表面上，且两者间隔设置。
本实施方式中，所述第一轴承支撑座23及所述第二轴承支撑座24内分别设置有轴承，两个轴承的中心轴重合。所述加热辊子29呈阶梯状，其开设有收容孔，所述收容孔的中心轴与所述加热辊子29的中心轴重合。所述加热辊子29的两端分别设置在两个所述轴承上，且所述加热辊子29的一端依次通过所述联轴节27及所述减速器26连接于所述电机25，所述电机25通过所述减速器26及所述联轴节27带动所述加热辊子29转动。所述加热管28收容于所述收容孔内。所述鼓风机撑架31连接于所述喷头支撑板32的一端，所述微型鼓风机30连接于所述鼓风机撑架31。所述微型鼓风机30与所述电机25分别位于所述加热辊子29相背的两侧。
本实施方式中，所述加热辊子29自身做横滚运动，同时随所述喷印组件III作左右移动，其在所述加热管28的作用下，所述加热辊子29迅速导热并将热量传递给工作区表层粉末，所述喷嘴19喷出的喷印粘接剂中含导热性较强的材料，使得当所述加热辊子29在经过工作区表层时，表层粉末可以选择性地熔化，层层叠加形成具有复杂形状和功能的非金属结构；所述加热辊子29对粉末加热的同时对粉末进行压实；所述加热辊子29是采用导热性较强的金属材料制成的。
本实施方式中，所述加热辊子29是由热电偶温度探针检测其自身温度，如果温度超出预设值，需要停止所述加热管28加热，并启动所述微型鼓风机30向所述加热管28鼓风以快速降温至预设值。
所述喷印组件III包括分别连接于所述喷头支撑板32及所述上罩体1的壳体35、设置于所述壳体35内的驱动机构、以及连接于所述驱动机构的喷头19，所述驱动机构用于带动所述刮刀20、所述喷头19及所述加热辊子模块21左右移动，及带动所述喷头19前后移动。本实施方式中，所述壳体35上分别设置有连续弯折的水冷管33及两个风扇34，两个所述风扇34间隔设置，所述水冷管33及所述风扇34用于对所述喷印组件III进行降温，以保护所述喷印组件III不易长时间受热的零部件。
所述缸体组件IV包括集粉盒13、工作缸14和送粉缸15，所述送粉缸15、所述工作缸14及所述集粉盒13分别连接于所述铺粉基板16，且所述送粉缸15位于铺粉区下方，所述工作缸14位于工作区下方，所述送粉缸15及所述集粉盒13分别位于所述工作缸14相背的两侧。
所述传感器及辅助组件V包括第一红外测温仪3、第二红外测温仪4、第一测氧仪7、第二测氧仪8及气压表9，所述第一红外测温仪3与所述第二红外测温仪4均设置在所述支撑板22上，且所述第一红外测温仪3位于所述第二红外测温仪4的上方。所述第一测氧仪7及所述第二测氧仪8分别设置在所述支撑板22上，且两者间隔设置。所述气压表9也设置在所述支撑板22上，且临近所述第二测氧仪8设置。所述支撑板22远离所述第二红外测温仪4的一端设置有电子触摸屏12，所述电子触摸屏12连接于所述控制及数据处理组件VI。
本实施方式中，所述第一测氧仪7的量程和所述第二测氧仪8的量程不同；所述第一红外测温仪3用于非接触式测量送粉区粉末表层温度；所述第二红外测温仪4用于非接触式测量工作区粉末表层温度。
所述第一红外测温仪3、所述第二红外测温仪4、所述第一测氧仪7、所述第二测氧仪8及所述气压表9分别连接于所述控制及数据处理组件VI，并将检测到的数据传输给所述控制及数据处理组件VI，所述控制及数据处理组件VI用于对接收到的数据进行处理，进而根据处理结果相应地控制所述铺粉组件I、所述加热组件II、所述喷印组件III、所述缸体组件IV及所述传感器及辅助组件V。同时，所述控制及数据处理组件VI还对接收到的数据进行处理后传输给所述电子触摸屏12，所述电子触摸屏12对接收到的数据进行实时显示，以便使用者能够及时设置调整工作参数，实时监测所述喷印打印设备的工作状态。
本实施方式中，将所述喷印组件III、所述刮刀20及所述加热辊子模块21集成于一体，可以交替实现铺粉、加热和喷墨，省去了长距离移动至工作区，缩短了粘接剂喷涂所需的时间，提高了打印效率。
本实施方式中，所述喷印组件III在向工作区靠近时移动距离较短，所述加热组件II将工作区的粉末加热至玻璃态，此非晶体固态物质在温度升高时变软。当所述喷印组件III喷涂含吸热材料的粘接剂时，含粘接剂的粉末吸收所述加热辊子29传递的热量而迅速熔化并固化成型，这样在高温环境下粉末固化层层叠加形成样件，不仅避免了样件在高温炉后处理之后产生缩孔与缩松，极大地提高了样件致密度和力学性能，还减少了气流对所述喷印组件III喷涂粘接剂的影响，使得粘接剂滴剂喷涂的位置更加精准，提高了样件的外形尺寸精度。
所述喷印打印设备工作时，首先，采用CAD单元将CT扫描的数据进行重新建模而得到的三维模型或者经过三维绘图软件经过修正而得到三维模型，3D打印软件将此三维模型转化为STL格式，并进行分层处理成计算机软件可以识别执行的数据文件。
接着，将准备好的非金属粉末倒入所述送粉缸15中，使所述上罩体1与所述铺粉基板16形成密闭腔体，同时给所述喷印打印设备通电，往所述腔体内通入保护气并观察所述第一测氧仪7、所述第二测氧仪8和所述气压表9的示数，调节所述第一定向热辐射器10的功率及所述第二定向热辐射器11的功率，并观测所述第一红外测温仪3及所述第二红外测温仪4的示数。
然后，所述控制及数据处理组件VI对接收到的数据进行综合分析处理，并对比各自预设值，如果不一致则返回所述控制及数据处理组件VI进行调节，直至与预设值一致，然后启动所述打印喷印设备。
接着，所述送粉缸15上升一层，所述工作缸14下降一层，所述刮刀20向右运动以完成一层铺粉。所述喷头19与所述加热辊子模块21向左运动，同时所述喷头19开启喷涂粘接剂，所述加热辊子29自转并加热，喷印结束后，所述加热辊子29断电，并开启所述微型鼓风机30对其进行降温。由此，完成一层打印，按照上述步骤进行循环以层层叠加形成所需样件。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于宽温度梯度下选择性熔化成型的喷印打印设备，所述喷印打印设备包括铺粉组件(I)，所述铺粉组件(I)包括铺粉基板(16)及刮刀(20)，所述铺粉基板(16)形成有铺粉区及工作区；其特征在于：
所述喷印打印设备还包括上罩体(1)、下罩体(2)、喷印组件(III)及加热组件(II)，所述刮刀(20)连接于所述喷印组件(III)；所述上罩体(1)与所述铺粉基板(16)相连接以形成密闭空间，所述铺粉基板(16)设置在所述上罩体(1)与所述下罩体(2)之间，以将所述喷印打印设备分成上下两个区，上区是密闭的，下区与空气直接接触以散热；所述加热组件(II)连接于所述喷印组件(III)，且均位于上区；所述喷印组件(III)用于带动刮刀(20)及所述加热组件(II)移动；
所述加热组件(II)包括第一定向热辐射器(10)、第二定向热辐射器(11)及加热辊子模块(21)，所述第一定向热辐射器(10)及所述第二定向热辐射器(11)分别连接于所述上罩体(1)，且分别用于对铺粉区的粉末及工作区的粉末进行加热，以把粉末加热至玻璃态；所述加热辊子模块(21)连接于所述喷印组件(III)，其对工作区的粉末进行压实的同时进一步对工作区的粉末进行加热，工作区的粉末被所述喷印组件(III)喷涂到粘接剂的部分发生熔化并固化成型。
2.如权利要求1所述的适用于宽温度梯度下选择性熔化成型的喷印打印设备，其特征在于：所述加热辊子模块(21)包括连接于所述喷印组件(III)的喷头支撑板(32)、第一轴承支撑座(23)、第二轴承支撑座(24)、加热辊子(29)及加热管(28)，所述第一轴承支撑座(23)及所述第二轴承支撑座(24)分别连接于所述喷头支撑板(32)，所述加热辊子(29)的两端分别通过轴承连接于所述第一轴承支撑座(23)及所述第二轴承支撑座(24)；所述加热辊子(29)开设有收容孔，所述加热管(28)设置在所述收容孔内。
3.如权利要求2所述的适用于宽温度梯度下选择性熔化成型的喷印打印设备，其特征在于：所述加热辊子(29)呈阶梯状，其是采用导热性的金属材料制成的。
4.如权利要求2所述的适用于宽温度梯度下选择性熔化成型的喷印打印设备，其特征在于：所述加热辊子模块(21)还包括联轴节(27)、减速器(26)及电机(25)，所述减速器(26)连接于所述电机(25)的输出轴，所述联轴节(27)连接所述加热辊子(29)的一端及所述减速器(26)。
5.如权利要求4所述的适用于宽温度梯度下选择性熔化成型的喷印打印设备，其特征在于：所述加热辊子模块(21)还包括微型鼓风机(30)，所述微型鼓风机(30)连接于所述喷头支撑板(32)，所述微型鼓风机(30)用于对所述加热辊子(29)进行散热，所述加热辊子(29)位于所述电机(25)及所述微型鼓风机(30)之间。
6.如权利要求1-5任一项所述的适用于宽温度梯度下选择性熔化成型的喷印打印设备，其特征在于：所述喷印组件(III)包括连接于所述加热辊子模块(21)的壳体、连接于所述壳体的驱动机构及喷头(19)，所述刮刀(20)及所述喷头(19)连接于所述驱动机构，所述驱动机构用于带动所述刮刀(20)、所述喷头(19)及所述加热辊子模块(21)运动。
7.如权利要求6所述的适用于宽温度梯度下选择性熔化成型的喷印打印设备，其特征在于：所述喷印打印设备还包括连续弯折的水冷管(33)及风扇(34)，所述水冷管(33)及所述风扇(34)设置在所述壳体上，以对所述喷印组件(III)进行降温。
8.如权利要求1-5任一项所述的适用于宽温度梯度下选择性熔化成型的喷印打印设备，其特征在于：所述喷印打印设备还包括传感器及辅助组件(V)以及控制及数据处理组件(VI)，所述传感器及辅助组件(V)设置于上区，所述控制及数据处理组件(VI)位于所述密闭空间外，其与所述传感器及辅助组件(V)相连接。
9.如权利要求8所述的适用于宽温度梯度下选择性熔化成型的喷印打印设备，其特征在于：所述喷印打印设备还包括电子触摸屏(12)，所述电子触摸屏(12)设置在所述上区，其与所述控制及数据处理组件(VI)相连接；所述传感器及辅助组件(V)用于检测密闭空间内的温度、氧气及压力，并将检测到的数据传输给所述控制及数据处理组件(VI)；所述控制及数据处理组件(VI)对接收到的数据进行处理并将处理结果传输给所述电子触摸屏(12)，所述电子触摸屏(12)对接收到的数据进行实时显示。
10.如权利要求8所述的适用于宽温度梯度下选择性熔化成型的喷印打印设备，其特征在于：所述控制及数据处理组件(VI)分别连接于所述加热组件(II)、所述喷印组件(III)及所述铺粉组件(I)，并根据处理结果来对所述加热组件(II)、所述喷印组件(III)及所述铺粉组件(I)进行相应地控制。
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