CN110920060B - 一种梯度供粉装置、3d打印系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了提供一种梯度供粉装置、3D打印系统及方法，包括离心机构，所述离心机构包括离心罐和电动机，所述离心罐竖直放置，顶部设有开口，所述离心罐用于承接并盛放多种混合均匀的材料，所述电动机驱动离心罐沿轴线转动，从而使多种材料在离心罐内以不同的速度沉降，所述离心罐用于通过控制转速使多种材料形成连续的梯度分布，利用多材料的不同大小及密度的颗粒在离心力的作用下沉降速度的不同的原理，通过粉末材料供应装置预先将粉末材料进行梯度分布混合，从而供应给喷头实现多种粉末材料的梯度铺设，进行多组分梯度粉末材料的3D打印，其工艺简单，成本低廉，节省材料。

Description

一种梯度供粉装置、3D打印系统及方法
技术领域
本申请涉及一种梯度供粉装置、3D打印系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
梯度功能材料(FGM)是两种或多种材料复合成组分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料。其主要特征有以下三点：1.材料的组分和结构呈连续梯度变化；2.材料内部没有明显的界面；3.材料的性质也相应呈连续梯度变化。传统的功能梯度材料制备工艺有粉末冶金法、等离子喷涂法、气相沉积法、自蔓延高温合成法和激光熔覆法，而传统的制备方法中存在加工效率低下，结构不致密等问题。3D打印技术制备梯度功能材料，能在一定的空间方向上实现梯度变化，能有效地克服传统复合材料的不足，如减小残余应力和热应力，减小裂纹驱动力并增强连接强度。要实现3D打印技术加工梯度功能材料，现阶段主要途径是改变3D打印铺粉(供粉)装置(系统)。
发明人发现，目前的粉末床工艺仅能铺设单一材料的粉末，无法实现梯度零件多种粉末材料的铺设。如公开号CN106735214A采用了两个料斗，需要哪种材料就由对应那个料斗供料铺粉，实现组分复杂的零件的3D打印成形。公开号CN109047765A采用了一种由不少于两个的储料器和中间不少于一个隔板的粉料排布器和精确供粉器组成的带有梯度供粉系统的3D打印机，可以保证两种或两种以上粉体材料始终按要求的体积比定量精确地供给。公开号CN104923787A采用了一套铺粉装置和铺粉喷头实现两种材料的混合，并利用激光使粉末材料成形，加工出具有梯度渐变力学性质和物理属性的结构。由此可见为了实现梯度功能材料的打印，目前的解决方式多为增加进料料斗，实现两种及两种以上粉末的混合及梯度零件制造，然而这一方式并没有从根本上解决功能梯度零件的制造问题，且多个进料料斗会增加整个装置的重量，配置多个进料斗配合多个出料口的方式需要协同控制多个出料口瞬时的出料关系，不但无法满足轻量化要求，而且其精度控制往往难以满足梯度材料渐变的需求，导致打印出的材料梯度性能无法满足预期需求。
发明内容
本申请的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种梯度供粉装置、3D打印系统及方法，利用多材料的不同大小及密度的颗粒在离心力的作用下沉降速度的不同的原理，通过粉末材料供应装置预先将粉末材料进行梯度分布混合，从而供应给喷头实现多种粉末材料的梯度铺设，进行多组分梯度粉末材料的3D打印，其工艺简单，成本低廉，节省材料。
本申请的第一目的是提供一种梯度供粉装置，采用以下技术方案：
包括离心机构，所述离心机构包括离心罐和电动机，所述离心罐竖直放置，顶部设有开口，所述离心罐用于承接并盛放多种混合均匀的材料，所述电动机驱动离心罐沿轴线转动，从而使多种材料在离心罐内以不同的速度沉降，所述离心罐用于通过控制转速使多种材料形成连续的梯度分布，所述离心罐底部设有连通器内部的出料口，用于排出形成梯度分布后的混合材料。
进一步地，还包括混合罐，所述混合罐内配合有搅拌器，用于接受外部材料并将其搅拌均匀，所述混合罐设有输送口，所述输送口通过管路连通离心罐，用于将混合均匀的材料输送至离心罐。
进一步地，所述出料口上连通有供料管，所述供料管上配合有气泵，所述气泵通过输出气流辅助混合材料从供料管排出。
本申请的第二目的是提供一种3D打印系统，利用上述的梯度供粉装置，采用以下技术方案：
还包括机架，所述离心机构安装在机架上，所述离心机构下方的机架上安装有成型机构，所述成型机构与离心机构之间设有轨道，所述轨道上配合有沿其移动的喷头和刮刀，所述喷头连通出料口，用于获取混合材料并输出于成型机构上，所述刮刀沿轨道移动用于刮平成型机构上的混合材料，所述成型机构配合有激光束机构，用于将成型机构上的混合材料进行固化。
进一步地，所述成型机构包括升降台和挡板，所述升降台顶面用于承接喷头输出的混合材料，并通过调节高度实现混合材料的逐层沉积，所述挡板配合在挡板的四周，用于约束升降台顶面上混合材料的形状。
进一步地，所述控制器与电动机、喷头、刮刀、升降台分别电联，用于控制其工作状态。
本申请的第三发明目的是提供一种3D打印方法，利用如上所述的3D打印系统，包括以下步骤：
根据需求的材料建立三维模型，并配置组分信息和轮廓信息，将模型进行分层处理，并配置每层的组分信息；
根据组分信息配置材料，充分混合后投入离心罐中，驱动离心罐转动，在离心罐内形成符合组分需求的梯度材料；
喷头接受离心罐输送的混合梯度材料并通过移动输出在升降台表面上，所述刮刀通过移动将升降台表面上的混合材料刮平；
利用激光束机构对堆积后的混合材料进行固化；
混合材料逐渐堆积，升降台逐渐下降，直至达到所需的层数，叠加得到三维实体。
进一步地，所述喷头逐层输出混合材料，每固化一层材料后，升降台下降一层高度。
进一步地，所述控制器控制喷头、离心机构、刮刀、升降台的协同动作。
与现有技术相比，本申请具有的优点和积极效果是：
(1)通过预混合材料并进行离心处理，利用多材料的不同大小及密度的颗粒在离心力的作用下沉降速度的不同的原理，配合不同的离心罐转速使得物料在离心罐内预先形成梯度分布的复合材料，通过逐渐输出的方式实现梯度供料，相较于传统的多个进料斗进行分别供应，减少了进料斗的配置数目，能够快速有效准确的供料；
(2)利用离心处理，能够实现多种材料的梯度分布，相较于传统的两种材料的分布，通过配置离心罐能够增加梯度材料的种类，从而满足多样化梯度材料性能的需求，配比更为准确，有效保证梯度打印出材料的性能；
(3)通过三维建模后的切片处理，将梯度材料进行分步配置，对每一层材料的厚度进行控制，从而控制每一层的性能满足需求，对沉积的每一层进行控制，进而使沉积形成的三维实体能够满足需求，有效保证了输出的三维实体的性能。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本申请实施例1中3D打印系统的整体结构示意图。
其中，1.控制器；2.控制阀门；3.气泵；4.机架；5.混合罐；6.电动机；7.驱动轴；8.开口；9.离心罐；10.送料阀门；11.喷头；12.升降台；13.刮刀。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
正如背景技术中所介绍的，现有技术中为了实现梯度功能材料的打印，目前的解决方式多为增加进料料斗，实现两种及两种以上粉末的混合及梯度零件制造，然而这一方式并没有从根本上解决功能梯度零件的制造问题，且多个进料料斗会增加整个装置的重量，配置多个进料斗配合多个出料口的方式需要协同控制多个出料口瞬时的出料关系，不但无法满足轻量化要求，而且其精度控制往往难以满足梯度材料渐变的需求，导致打印出的材料梯度性能无法满足预期需求，针对上述问题，本申请提出了一种梯度供粉装置、3D打印系统及方法。
实施例1
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提出了一种基于梯度供粉装置的3D打印系统。
包括机架4，所述的机架为框架型结构，其顶部安装有离心机构，所述离心机构下方的机架上安装有成型机构，所述成型机构与离心机构之间设有轨道，所述轨道上配合有沿其移动的喷头11和刮刀13；
所述离心机构的输出端连通轨道上的喷头，所述喷头获取混合材料后将其输出于成型机构上，所述刮刀沿轨道移动用于刮平成型机构上的混合材料，所述成型机构配合有激光束机构，激光束机构通过激光照射将成型机构上的混合材料进行固化成型。
如图1所示，所述离心机构包括离心罐9和电动机6，所述离心罐竖直放置，顶部设有开口8，所述离心罐内盛放多种混合均匀的材料，所述电动机的输出端通过传动装置带动驱动轴7转动，所述驱动轴连接离心罐，进而驱动离心罐沿轴线转动，多种材料在离心罐内以不同的速度沉降，所述离心罐用于通过控制转速使多种材料形成连续的梯度分布，所述离心罐底部设有连通器内部的出料口，通过管道连通喷头将离心罐内形成梯度分布后的混合材料排出。
利用离心处理，能够实现多种材料的梯度分布，相较于传统的两种材料的分布，通过配置离心罐能够增加梯度材料的种类，从而满足多样化梯度材料性能的需求，配比更为准确，有效保证梯度打印出材料的性能。
进一步地，作为离心罐的供料机构，还包括混合罐5，混合罐内配合有搅拌器，在混合罐接受多种外部材料后，启动搅拌器将材料搅拌均匀，所述混合罐底部设有输送口，所述输送口通过管路连通离心罐上端的开口，混合均匀后的材料通过管路输送到离心罐内；
当然，可以理解的是，所述管路上还设有控制阀门2，通过开启或关闭阀门，能够控制混合罐内的物料是否输送至离心罐，从而根据打印需求进行间歇性供应的目的。
进一步地，为了保证离心罐内混合后的物料能够均匀输送到喷头处，所述出料口到喷头的供料管上还配置有气泵3，所述气泵通过送料阀门10连通供料管，通过输出气流带动梯度混合物料输送至喷头处。
通过预混合材料并进行离心处理，利用多材料的不同大小及密度的颗粒在离心力的作用下沉降速度的不同的原理，配合不同的离心罐转速使得物料在离心罐内预先形成梯度分布的复合材料，通过逐渐输出的方式实现梯度供料，相较于传统的多个进料斗进行分别供应，减少了进料斗的配置数目，能够快速有效准确的供料。
其中，对于不同的粉末沉降过程的各项参数范围如下：
Figure BDA0002315668920000071
进一步地，所述成型机构包括升降台12和挡板，所述升降台顶面用于承接喷头输出的混合材料，并通过调节高度实现混合材料的逐层沉积，所述挡板配合在挡板的四周，约束升降台顶面上混合材料的形状；
所述控制器1与电动机、喷头、刮刀、升降台分别电联，用于控制其工作状态。
实施例2
本申请的另一典型实施例中，提供了一种3D打印方法，利用如上所述的3D打印装置。
根据所需要的粉末，将不同的粉末分别倒入对应的预混合罐5内；
利用三维软件SolidWorks建立模型，然后转化成STL文件进行切片处理，层片厚度设置为0.1mm，获得材料的组分信息、轮廓信息等，建立零件的三维数据模型；
控制器1控制整个3D打印装置工作，将不同的粉末放置在混合罐5内，通过混合罐5内的搅拌器将不同的粉末搅拌均匀，得到预混合粉末；
控制阀门2控制预混合粉末进入离心机构的进料口8，离心装置主轴7安装在总体机架4上，离心动力电动机6带动驱动轴7转动，梯度材料离心罐9安装在离心装置主轴7下方，与进料口8相连；
不同的粉末在输送控制阀门2的作用下经过进料口8，利用不同的粉末在离心机构作用下的沉降速度不同，通过控制离心动力电动机6的速度，在梯度材料离心罐9中形成连续的梯度材料；
在形成梯度材料之后，控制器1通过控制气泵3，通过气动送料阀门10将梯度材料送至喷头11；
粉末梯度分布完成后，总控制器1控制供粉装置、升降台12和刮刀13，升降台12下降一切片层高度，总控制器1控制刮刀13将梯度材料粉末均匀铺设在成型平台上，利用激光束装置对成型平台上的梯度粉末进行固化；
重复操作本过程，逐层叠加制得三维实体。
通过三维建模后的切片处理，将梯度材料进行分步配置，对每一层材料的厚度进行控制，从而控制每一层的性能满足需求，对沉积的每一层进行控制，进而使沉积形成的三维实体能够满足需求，有效保证了输出的三维实体的性能。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种梯度供粉装置，其特征在于，包括离心机构，所述离心机构包括离心罐和电动机，所述离心罐竖直放置，顶部设有开口，所述离心罐用于承接并盛放多种混合均匀的材料，所述电动机驱动离心罐沿轴线转动，从而使多种材料在离心罐内以不同的速度沉降，所述离心罐用于通过控制转速使多种材料形成连续的梯度分布，所述离心罐底部设有连通器内部的出料口，用于排出形成梯度分布后的混合材料，还包括混合罐，所述混合罐内配合有搅拌器，用于接受外部材料并将其搅拌均匀，所述混合罐设有输送口，所述输送口通过管路连通离心罐，用于将混合均匀的材料输送至离心罐。
2.如权利要求1所述的梯度供粉装置，其特征在于，所述出料口上连通有供料管，所述供料管上配合有气泵，所述气泵通过输出气流辅助混合材料从供料管排出。
3.一种3D打印系统，其特征在于，包括如权利要求1-2任一项所述的梯度供粉装置。
4.如权利要求3所述的3D打印系统，其特征在于，还包括机架，所述离心机构安装在机架上，所述离心机构下方的机架上安装有成型机构，所述成型机构与离心机构之间设有轨道，所述轨道上配合有沿其移动的喷头和刮刀，所述喷头连通出料口，用于获取混合材料并输出于成型机构上，所述刮刀沿轨道移动用于刮平成型机构上的混合材料，所述成型机构配合有激光束机构，用于将成型机构上的混合材料进行固化。
5.如权利要求4所述的3D打印系统，其特征在于，所述成型机构包括升降台和挡板，所述升降台顶面用于承接喷头输出的混合材料，并通过调节高度实现混合材料的逐层沉积，所述挡板配合在挡板的四周，用于约束升降台顶面上混合材料的形状。
6.如权利要求5所述的3D打印系统，其特征在于，还包括控制器，所述控制器与电动机、喷头、刮刀、升降台分别电联，用于控制其工作状态。
7.一种3D打印方法，其特征在于，利用如权利要求6所述的3D打印系统，包括以下步骤：
根据需求的材料建立三维模型，并配置组分信息和轮廓信息，将模型进行分层处理，并配置每层的组分信息；
根据组分信息配置材料，充分混合后投入离心罐中，驱动离心罐转动，在离心罐内形成符合组分需求的梯度材料；
喷头接受离心罐输送的混合梯度材料并通过移动输出在升降台表面上，所述刮刀通过移动将升降台表面上的混合材料刮平；
利用激光束机构对堆积后的混合材料进行固化；
混合材料逐渐堆积，升降台逐渐下降，直至达到所需的层数，叠加得到三维实体。
8.如权利要求7所述的3D打印方法，其特征在于，所述喷头逐层输出混合材料，每固化一层材料后，升降台下降一层高度。
9.如权利要求7所述的3D打印方法，其特征在于，所述控制器控制喷头、离心机构、刮刀、升降台的协同动作。
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