CN111070374A - 一种可变区域范围的浆料叠层自动供给装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变区域范围的浆料叠层自动供给装置及控制方法，装置包括供料喷头、刮刀、储料缸、加压气泵、刮刀清洗装置、废料收集缸、成型缸、打印平台、供料喷头驱动电机、供料喷头支撑架、螺旋推进器、安装背板、1号X轴移动平台、2号X轴移动平台以及Y轴移动平台；本发明采用刮刀配合供料喷头的供料方式，达到了辅料区域可变、范围可控的目的，在成型小面积零件时可以通过控制2号X轴移动平台的移动距离从而选择浆料铺覆区域以达到节省浆料的有益效果。

Description

一种可变区域范围的浆料叠层自动供给装置及控制方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种可变区域范围的浆料叠层自动供给装置及控制方法。

背景技术

传统的陶瓷成型方法包括干法成型、塑性成型和注浆成型等都需要模具才能制备出具有特定形状的陶瓷制品。由于其先天性的周期长、成本高等缺点，传统陶瓷成型方式越来越难以满足日益增长的市场需求。同时，随着增材制造的发展，越来越多的材料可以被用于增材制造。其中，陶瓷的增材制造技术也开始成为陶瓷材料制备的前沿课题。

就能实现高精度的陶瓷增材制造技术而言，其主要为激光选区烧结成型技术(SLS)、光固化成型技术(Stereo Lithorgraphy Apparatus,SLA/Digital LightProjection，DLP)。但目前上述成型方法皆存在各自的不足，激光选区烧结成型技术(SLS)中作为粘结剂的有机物材料的含量和种类直接影响到陶瓷胚体的密度及其力学性能，且其对工作环境和打印设备都有较高的要求。

而要采用光固化成型技术获得致密度高、收缩率低的精密陶瓷零件，则必须要提高陶瓷浆料的固相含量。但陶瓷粉末含量过高将导致浆料粘稠，无法保证浆料涂层的均匀性以及打印质量。目前，已有部分光固化成型技术采用储料缸加刮刀的组合方式进行浆料的供给，但该种浆料供给方式由于供料方式单一固定，每层浆料都需要均匀铺覆在整个打印平台上，即使在成型小体积陶瓷零件时也要配备大量的陶瓷浆料。另外，上述浆料供给方式在铺覆固相含量高、粘度大的陶瓷浆料仍然会出现浆料粘在刮刀上导致浆料铺覆不均匀的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种可变区域范围的浆料叠层自动供给装置，通过改变浆料供给方式及采用可变区域范围式浆料叠层方法以达到均匀铺覆高固相含量浆料及节省成型所需材料的目的。

本发明的另一目的在于，提供一种可变区域范围的浆料叠层自动供给装置的控制方法。

为了达到上述第一目的，本发明采用以下技术方案：

一种可变区域范围的浆料叠层自动供给装置，包括供料喷头、刮刀、储料缸、加压气泵、刮刀清洗装置、废料收集缸、成型缸、打印平台、供料喷头驱动电机、供料喷头支撑架、螺旋推进器、安装背板、1号X轴移动平台、2号X轴移动平台以及Y轴移动平台；

所述供料喷头与供料喷头支撑架连接，所述供料喷头内设有螺旋推进器，所述螺旋推进器与供料喷头驱动电机连接，供料喷头驱动电机与供料喷头支撑架连接，所述供料喷头支撑架固定于2号X轴移动平台上，所述供料喷头侧面带有软管接口，通过软管将供料喷头与储料缸相连以实现从储料缸中补充浆料，所述储料缸安装于2号X轴移动平台正上方，并与设备框架机械连接；

所述刮刀通过设置在Y轴移动平台上，刮刀与Y轴移动平台的相对位置可调，工作时，由Y轴移动平台带动刮刀在Y轴方向上来回移动来实现将浆料均匀铺覆于打印平台上，所述成型缸安装在安装背板中心区域并与安装背板机械连接，所述废料收集缸安装在成型缸两侧并与安装背板机械连接；

所述刮刀清洗装置与1号X轴移动平台连接，在铺料过程结束后，刮刀沿Y轴方向移动至贴紧刮刀清洗装置，此后刮刀清洗装置由X轴移动平台带动刮刀在X轴方向移动将粘附于刮刀表面的陶瓷浆料刮走，所述刮刀清洗装置待刮刀沿Y轴远离刮刀清洗装置方向移动后进入复位行程；

所述供料喷头驱动电机在转动时带动螺旋推进器旋转从而挤出浆料，供料喷头驱动电机接受上位机信号后通过控制转动速率与转动时间实现控制浆料挤出量，所述2号X轴移动平台接受上位机控制信号后能控制供料喷头在X轴方向的移动距离，从而实现改变浆料供给范围；

所述安装背板与1号X轴移动平台、2号X轴移动平台、Y轴移动平台、成型缸以及废料收集缸连接，所述安装背板中间有一下凹区域为成型区域，在成型区域中供料喷头行程的一端嵌有一橡胶块凸台以防止浆料在停机时从供料喷头中滴落。

作为优选的技术方案，所述刮刀清洗装置与刮刀侧面及底面倾斜角度相匹配，所述刮刀清洗装置的表面嵌入软性橡胶条。

作为优选的技术方案，所述储料缸由储料缸缸体与缸盖组成，储料缸缸盖上设有软管接口并通过软管与加压气泵相连，所述加压气泵在供料喷头挤出浆料的同时会加入压缩空气并使储料缸中保持一定的气压。

作为优选的技术方案，所述1号X轴移动平台、2号X轴移动平台、Y轴移动平台均采用直线模组。

作为优选的技术方案，所述供料喷头驱动电机采用步进电机，并通过螺栓将供料喷头驱动电机连接在供料喷头支撑架上。

作为优选的技术方案，所述供料喷头与供料喷头支撑架通过螺纹连接，供料喷头驱动电机与螺旋推进器通过联轴器连接。

作为优选的技术方案，还包括废料收集缸，所述废料收集缸设置在刮刀铺料行程末端，刮刀清洗装置下方，并与安装背板机械连接。

作为优选的技术方案，所述螺旋推进器由中心轴与多片螺旋叶片组成，所述螺旋叶片连接于所述中心轴上，且其安装间距沿竖直向下方向逐渐减少。

为了达到上述另一目的，本发明采用以下技术方案：

一种可变区域范围的浆料叠层自动供给装置的控制方法，包括下述步骤：

供料过程开始，2号X轴移动平台接受上位机控制带动供料喷头向远离操作者方向移动一定距离，供料喷头驱动电机在2号X轴移动平台移动过程中带动螺旋推进器转动从而将供料喷头中的浆料挤在背板的打印区域中，螺旋推进器转动而挤出浆料的过程中，加压气缸再次启动使储料缸中保持一定气压，在供料喷头将该层所需浆料挤出完毕后，2号X轴移动平台带动供料喷头向靠近操作者方向移动并复位至橡胶凸台上方，此时，供料过程结束且浆料铺覆过程开始，Y轴移动平台以一定速度带动刮刀向刮刀清洗装置方向移动使浆料均匀铺覆在打印平面上，Y轴移动平台带动刮刀移动至刮刀清洗装置处并使刮刀侧面贴合在刮刀清洗装置表面的刮条上，至此浆料铺覆过程结束；

此后，1号X轴移动平台带动刮刀清洗装置向远离操作者方向移动，刮刀清洗装置表面的刮条与刮刀表面接触摩擦使在浆料铺覆过程中粘附在刮刀侧面的多余浆料被刮下以达到清理刮刀的目的，待刮刀清洗装置对刮刀清理完毕后并不马上复位以免使刮刀受到二次污染，至此刮刀清理过程结束；

此后，Y轴移动平台带动刮刀向靠近2号X轴移动平台方向移动，对铺覆在打印平面上的浆料经行二次刮平，二次刮平过程结束后Y轴移动平台带动刮刀复位；

自此，一个浆料叠层供给循环结束,在进行曝光固化时，固化光源会将浆料叠层区域边缘照射固化形成坚固外壁以保证浆料不会溢出浆料铺覆目标区域。

作为优选的技术方案，打印前，先将浆料储存于储料缸中，并启动加压气泵使储存缸中保持一定的气压。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明采用X轴移动平台配合供料喷头的供料方式，达到了辅料区域可变、范围可控的目的，在成型小面积零件时可以通过控制2号X轴移动平台的移动距离从而选择浆料铺覆区域以达到节省浆料的有益效果。

(2)本发明通过减少浆料供给叠层面积的同时通过上位机控制固化光源将浆料叠层边缘固化而形成一坚固外壁从而避免叠层浆料边缘缺乏支撑而坍塌溢出浆料铺覆区域，达到了在保证浆料叠层平整度不降低的前提下达到节省浆料的有益效果，此外，对于面曝光式固化光源，由于其采取整面曝光固化的方式，故固化外壁并不会对其成型速率产生影响从而达到在不影响浆料叠层平整度及成型速率的前提下达到节省浆料的有益效果。

(3)本发明采用加压气缸配合螺杆式供料喷头组合方式，使铺覆高固相含量浆料时达到供料均匀、料量可控、喷头不堵的效果的同时使浆料铺覆平面上结构紧凑，为桌面级设备提高更大可能性。

(4)本发明采用刮刀搭配刮刀清洗装置的组合，解决了在铺覆高固相含量浆料时因浆料粘度提高出现粘刀从而影响浆料铺覆效果的问题，提高了浆料铺覆的平整度。

附图说明

图1为本一种可变区域范围的浆料叠层自动供给装置的轴测图；

图2为本发明可变区域范围的浆料叠层自动供给装置的正视图；

图3为本发明浆料叠层结构运动顺序示意图

图4为本发明供料喷头剖视图；

图5为本发明可变区域范围的浆料叠层自动供给方法流程图；

图6为本发明浆料叠层范围及固化区域示意图。

附图标号说明：

1为供料喷头，2为刮刀，3为储料缸，4为刮刀清洗装置，5为废料收集缸，6为成型缸，7为打印平台，8为供料喷头驱动电机，9为供料喷头支撑架，10为安装背板，11为1号X轴移动平台，12为2号X轴移动平台，13为Y轴移动平台，14为螺旋推进器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1、图2所示，本发明涉及一种可变区域范围的浆料叠层自动供给装置，包括供料喷头1、刮刀2、储料缸3、加压气泵、刮刀清洗装置4、废料收集缸5、成型缸6、打印平台7、供料喷头驱动电机8、供料喷头支撑架9、安装背板10、1号X轴移动平台11、2号X轴移动平台12、Y轴移动平台13以及螺旋推进器14；所述刮刀2通过螺栓及顶丝组合固定在Y轴移动平台上，且能通过螺栓及顶丝调节其与Y轴移动平台的相对位置从而具备调平功能；所述刮刀清洗装置4通过螺栓顶丝组合与1号X轴移动平台11机械连接；所述供料喷头1与供料喷头支撑架9通过螺纹连接，供料喷头1内设有螺旋推进器14，所述螺旋推进器14与供料喷头驱动电机8通过联轴器连接，供料喷头驱动电机8与供料喷头支撑架9通过螺栓螺纹孔组合机械连接，供料喷头支撑架9通过螺栓顶丝组合固定于2号X轴移动平台12上；所述Y轴移动平台13、1号X轴移动平台11、2号X轴移动平台12、成型缸6以及废料收集缸5均通过螺栓及定位销固定于安装背板10上以保证其安装精度。

所述刮刀清洗装置4与刮刀侧面及底面倾斜角度相匹配，并在刮刀清洗装置4表面嵌入软性橡胶条，在铺料行程结束后，刮刀2沿Y轴方向移动至贴紧刮刀清洗装置，此后刮刀清洗装置由X轴移动平台带动刮刀在X轴方向移动将粘附于刮刀表面的陶瓷浆料刮走以达到清洁刮刀的目的，所述刮刀清洗装置4待刮刀沿Y轴远离刮刀清洗装置方向移动至刮刀清洗装置于刮刀侧面离开接触后才进入复位行程以避免影响对刮刀的清洁效果。

所述供料喷头1侧面带有软管接口，通过软管将供料喷头1与储料缸相连以达到从储料缸中补充浆料的目的；所述供料喷头驱动电机8在转动时带动螺旋推进器旋转而挤出浆料，供料喷头驱动电机接受上位机信号后通过控制转动速率与转动时间实现控制浆料挤出量的目的，所述2号X轴移动平台12接受上位机控制信号后能控制供料喷头在X轴方向的移动距离，从而实现改变浆料供给范围的目的。

所述储料缸由储料缸缸体与缸盖组成，储料缸缸盖上有软管接口并通过软管与加压气泵相连，所述加压气泵在供料喷头挤出浆料的同时会加入压缩空气并使储料缸中保持一定的气压。

进一步的，所述储料缸安装于2号X轴移动平台正上方，并与设备框架机械连接。

所述成型缸安装在安装背板中心区域并与安装背板机械连接，所述废料收集缸安装在成型缸两侧并与安装背板机械连接。

所述废料收集缸设置在刮刀铺料行程末端，刮刀清洗装置下方，并与安装背板机械连接。

如图4所示，所述螺旋推进器由中心轴与多片螺旋叶片组成，所述螺旋叶片连接于所述中心轴上，且其安装间距沿竖直向下方向逐渐减少。

本实施例中一种可变区域范围的浆料叠层自动供给装置及控制方法，包括下述步骤：

浆料叠层开始前，先将浆料储存于储料缸中，并启动加压气泵使储存缸中保持一定的气压；

此后，供料过程开始，2号X轴移动平台接受上位机控制带动供料喷头向远离操作者方向移动一定距离，供料喷头驱动电机在2号X轴移动平台移动过程中带动螺旋推进器转动从而将供料喷头中的浆料挤在背板的浆料叠层目标区域中，螺旋推进器转动而挤出浆料的过程中，加压气缸启动使储料缸中保持一定气压，在供料喷头将该层所需浆料挤出完毕后，2号X轴移动平台带动供料喷头向靠近操作者方向移动并复位至橡胶凸台上方，此时，供料过程结束且浆料铺覆过程开始，Y轴移动平台以一定速度带动刮刀向刮刀清洗装置方向移动使浆料均匀铺覆在打印平台上，Y轴移动平台带动刮刀移动至刮刀清洗装置处并使刮刀侧面贴合在刮刀清洗装置表面的橡胶条上，至此浆料铺覆过程结束；

此后，1号X轴移动平台带动刮刀清洗装置向远离操作者方向移动，刮刀清洗装置表面的橡胶刮条与刮刀表面接触摩擦使在浆料铺覆过程中粘附在刮刀侧面的多余浆料被刮下以达到清理刮刀的目的，待刮刀清洗装置对刮刀清理完毕后并不马上复位以免使刮刀受到二次污染，至此刮刀清理过程结束；

此后，Y轴移动平台带动刮刀向靠近2号X轴移动平台方向移动，对铺覆在打印平台上的浆料经行二次刮平，二次刮平过程结束后Y轴移动平台带动刮刀复位；

自此，一个浆料叠层供给循环结束,在进行曝光固化时，固化光源会将浆料叠层区域边缘照射固化形成坚固外壁以保证浆料不会溢出浆料铺覆目标区域，所述浆料叠层流程如图5所示，所述供料喷头、刮刀及刮刀清洗装置运动顺序如图3所示。

为了更好的展示本发明的技术方案，以对一牙齿骸骨模型的浆料叠层为例做进一步的说明。当其烧结后成品要求低收缩率、高致密度时，往往要求其浆料固相含量比较高，高固相含量的浆料决定了其具有较高的流动性及其粘性，同时，牙齿骸骨模型于整个成型平台相比较小，若能改变浆料叠层区域则可以有效地降低打印所准备的材料从而减少材料的浪费。具体地，浆料叠层开始前，在储料缸中倒入成型所需浆料并启动加压气泵，浆料叠层过程开始后，打印平台先下降一个层厚的高度，此后，2号X轴移动平台带动供料喷头移动，供料喷头同时挤出浆料，待供料喷头复位后Y轴移动平台带动刮刀在Y轴方向上移动使浆料铺覆于浆料叠层目标区域上，此后，刮刀进入刮刀清洗装置工作区域，刮刀清洗装置工作将粘附于刮刀侧面的多余浆料进行清洗，代刮刀清洗装置对刮刀侧面多余浆料清洗完毕后，刮刀反向移动，对叠层浆料经行二次刮平，此后刮刀复位并进入曝光固化阶段；具体地，所述浆料叠层区域为一矩形区域，其X方向尺寸为模型X方向上最大尺寸与两倍坚壁厚度之和，其Y方向尺寸为模型Y方向上最大尺寸与两倍坚壁厚度之和；所述曝光固化阶段会将对应模型切片区域及浆料叠层目标区域外边缘固化，使浆料叠层目标区域边缘形成一坚壁以保证浆料不会坍塌或溢出浆料叠层目标区域；所述打印平台区域A如图6所示；所述浆料叠层目标区域C如图6阴影区域所示，所述曝光固化阶段需固化的模型切片D及浆料叠层目标区域外壁区域B如图6阴影内黑色图形所示。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可变区域范围的浆料叠层自动供给装置，其特征在于，包括供料喷头、刮刀、储料缸、加压气泵、刮刀清洗装置、废料收集缸、成型缸、打印平台、供料喷头驱动电机、供料喷头支撑架、螺旋推进器、安装背板、1号X轴移动平台、2号X轴移动平台以及Y轴移动平台；

所述供料喷头与供料喷头支撑架连接，所述供料喷头内设有螺旋推进器，所述螺旋推进器与供料喷头驱动电机连接，供料喷头驱动电机与供料喷头支撑架连接，所述供料喷头支撑架固定于2号X轴移动平台上，所述供料喷头侧面带有软管接口，通过软管将供料喷头与储料缸相连以实现从储料缸中补充浆料，所述储料缸安装于2号X轴移动平台正上方，并与设备框架机械连接；

所述刮刀通过设置在Y轴移动平台上，刮刀与Y轴移动平台的相对位置可调，工作时，由Y轴移动平台带动刮刀在Y轴方向上来回移动来实现将浆料均匀铺覆于打印平台上，所述成型缸安装在安装背板中心区域并与安装背板机械连接，所述废料收集缸安装在成型缸两侧并与安装背板机械连接；

所述刮刀清洗装置与1号X轴移动平台连接，在铺料过程结束后，刮刀沿Y轴方向移动至贴紧刮刀清洗装置，此后刮刀清洗装置由X轴移动平台带动刮刀在X轴方向移动将粘附于刮刀表面的陶瓷浆料刮走，所述刮刀清洗装置待刮刀沿Y轴远离刮刀清洗装置方向移动后进入复位行程；

所述供料喷头驱动电机在转动时带动螺旋推进器旋转从而挤出浆料，供料喷头驱动电机接受上位机信号后通过控制转动速率与转动时间实现控制浆料挤出量，所述2号X轴移动平台接受上位机控制信号后能控制供料喷头在X轴方向的移动距离，从而实现改变浆料供给范围；

所述安装背板与1号X轴移动平台、2号X轴移动平台、Y轴移动平台、成型缸以及废料收集缸连接，所述安装背板中间有一下凹区域为成型区域，在成型区域中供料喷头行程的一端嵌有一橡胶块凸台以防止浆料在停机时从供料喷头中滴落。

2.根据权利要求1所述可变区域范围的浆料叠层自动供给装置，其特征在于，所述刮刀清洗装置与刮刀侧面及底面倾斜角度相匹配，所述刮刀清洗装置的表面嵌入软性橡胶条。

3.根据权利要求1所述可变区域范围的浆料叠层自动供给装置，其特征在于，所述储料缸由储料缸缸体与缸盖组成，储料缸缸盖上设有软管接口并通过软管与加压气泵相连，所述加压气泵在供料喷头挤出浆料的同时会加入压缩空气并使储料缸中保持一定的气压。

4.根据权利要求1所述可变区域范围的浆料叠层自动供给装置，其特征在于，所述1号X轴移动平台、2号X轴移动平台、Y轴移动平台均采用直线模组。

5.根据权利要求1所述可变区域范围的浆料叠层自动供给装置，其特征在于，所述供料喷头驱动电机采用步进电机，并通过螺栓将供料喷头驱动电机连接在供料喷头支撑架上。

6.根据权利要求1所述可变区域范围的浆料叠层自动供给装置，其特征在于，所述供料喷头与供料喷头支撑架通过螺纹连接，供料喷头驱动电机与螺旋推进器通过联轴器连接。

7.根据权利要求1所述可变区域范围的浆料叠层自动供给装置，其特征在于，还包括废料收集缸，所述废料收集缸设置在刮刀铺料行程末端，刮刀清洗装置下方，并与安装背板机械连接。

8.根据权利要求1所述可变区域范围的浆料叠层自动供给装置，其特征在于，所述螺旋推进器由中心轴与多片螺旋叶片组成，所述螺旋叶片连接于所述中心轴上，且其安装间距沿竖直向下方向逐渐减少。

9.根据权利要求1-8中任一项所述可变区域范围的浆料叠层自动供给装置的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

供料过程开始，2号X轴移动平台接受上位机控制带动供料喷头向远离操作者方向移动一定距离，供料喷头驱动电机在2号X轴移动平台移动过程中带动螺旋推进器转动从而将供料喷头中的浆料挤在背板的打印区域中，螺旋推进器转动而挤出浆料的过程中，加压气缸再次启动使储料缸中保持一定气压，在供料喷头将该层所需浆料挤出完毕后，2号X轴移动平台带动供料喷头向靠近操作者方向移动并复位至橡胶凸台上方，此时，供料过程结束且浆料铺覆过程开始，Y轴移动平台以一定速度带动刮刀向刮刀清洗装置方向移动使浆料均匀铺覆在打印平面上，Y轴移动平台带动刮刀移动至刮刀清洗装置处并使刮刀侧面贴合在刮刀清洗装置表面的刮条上，至此浆料铺覆过程结束；

此后，1号X轴移动平台带动刮刀清洗装置向远离操作者方向移动，刮刀清洗装置表面的刮条与刮刀表面接触摩擦使在浆料铺覆过程中粘附在刮刀侧面的多余浆料被刮下以达到清理刮刀的目的，待刮刀清洗装置对刮刀清理完毕后并不马上复位以免使刮刀受到二次污染，至此刮刀清理过程结束；

此后，Y轴移动平台带动刮刀向靠近2号X轴移动平台方向移动，对铺覆在打印平面上的浆料经行二次刮平，二次刮平过程结束后Y轴移动平台带动刮刀复位；

自此，一个浆料叠层供给循环结束,在进行曝光固化时，固化光源会将浆料叠层区域边缘照射固化形成坚固外壁以保证浆料不会溢出浆料铺覆目标区域。

10.根据权利要求9所述可变区域范围的浆料叠层自动供给装置的控制方法，其特征在于，打印前，先将浆料储存于储料缸中，并启动加压气泵使储存缸中保持一定的气压。

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