CN111390170A - 一种爬升式大尺寸回转件激光3d打印设备及打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种爬升式大尺寸回转件激光3D打印设备及打印方法，该打印设备包括旋转打印平台、机台固定平台以及设置在两者之间的外挡板和内挡板，内外挡板与旋转打印平台和机台固定平台之间形成打印区域；机台固定平台上设有升降滑台和激光器窗口，送粉装置设置在升降滑台上并在其控制下上下移动。本发明利用移动滑台带动激光器径向往复运动配合旋转打印平台旋转运动，或针对环形零件采取固定光路，旋转打印平台旋转运动的方式，保护零件在平面上的打印方式，提高了打印精度和可靠性，还采用分段抬高的爬升方式完成零件加工，打印高度可调，突破了传统3D打印机在空间上的限制，改变了传统通过控制振镜扫描打印的方式，削减了成本。

Description

一种爬升式大尺寸回转件激光3D打印设备及打印方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体而言，涉及一种利用激光将粉末逐层融化堆积成型的爬升式大尺寸回转件激光3D打印设备及打印方法。
背景技术
激光打印作为一种增材制造技术，具有较高的打印精度和打印速度，材料适用范围广。与传统加工方式相比，3D打印机具有可节省加工原料、无需对加工废料进行后处理等优势。激光烧结成型利用分层叠加原理，把模型分解成平面，通过粉末作为原料把平面堆积成三维模型。由于烧结过程中原料可以重复利用，具有很好的加工经济性。
传统的激光3D打印机主要包括机架、工作腔体、气体检测装置、加热模块、机电模块、工作台、激光模块、送粉装置及铺粉装置、气体循环装置及控制系统等组成，其利用工作腔带动工作台不断下移，铺粉装置在工作腔上方不断对送粉装置输出的粉末进行铺平、压实操作，并通过工作台位置相对应的激光模块对粉末进行烧结，以此实现三维模型的制造。由于传统的3D打印设备成型仓较小，对于有一定高度的零件，现有3D打印设备无法完成加工制造，很难适应现代工业大型化的生产需求。并且现有3D打印机的激光头大多采用振镜结构来控制3D打印的成型区域，这种方式对振镜安装要求较高，同时也增加了设备投入成本，对于打印尺寸在米级以上的旋转体，存在打印耗时长，效率过低的问题。尤其在长时间使用后容易出现振镜松动现象，进而导致光线偏转、移位等。
发明内容
本发明旨在提供一种爬升式大尺寸回转件激光3D打印设备及打印方法，能够使用成型工作腔打印出不受工作腔高度限制的大型旋转零件，且简化了3D打印大型回转体的工艺。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种爬升式大尺寸回转件激光3D打印设备，包括：旋转打印平台以及设置在所述旋转打印平台上方的机台固定平台；外挡板，设置在所述旋转打印平台和机台固定平台之间，且与旋转打印平台和机台固定平台之间形成打印区域；机台固定平台上设置有激光器窗口，以使得激光透过所述激光器窗口打印；升降滑台，固定在机台固定平台上，所述升降滑台上还设置有送粉装置，所述送粉装置在升降滑台的控制下上下移动。
根据本发明，爬升式大尺寸回转件激光3D打印设备还包括设置在旋转打印平台和机台固定平台之间且位于所述外挡板内侧的内挡板，所述外挡板、内挡板、旋转打印平台和机台固定平台之间形成打印区域。
根据本发明，外挡板和内挡板均固定在机台固定平台上，所述旋转打印平台为绕中心轴旋转的环形结构。
根据本发明，所述外挡板和内挡板延伸至旋转打印平台的台面下方。优选地，所述外挡板和内挡板分别通过密封件与旋转打印平台的外径、内径相接触。更优选地，所述密封件为橡胶或硅胶密封圈。
根据本发明，爬升式大尺寸回转件激光3D打印设备还包括固定在所述激光器窗口上且可沿一定方向移动的移动滑台，所述激光器固定在移动滑台上且随移动滑台沿径向往复运动。
根据本发明，爬升式大尺寸回转件激光3D打印设备还包括设置在所述送粉装置上的刮刀，所述刮刀跟随送粉装置在升降滑台的控制下上下移动。优选地，所述刮刀位于所述送粉装置相对于旋转打印平台的旋转方向的后方。
根据本发明，爬升式大尺寸回转件激光3D打印设备还包括固定在升降滑台上的气体循环装置，气体循环装置在升降滑台的控制下上下移动。
根据本发明，所述送粉装置与机台固定平台之间，以及气体循环装置与机台固定平台之间的接触位置均设有泛塞圈进行密封。
根据本发明的另一方面，还提供了一种爬升式大尺寸回转件激光3D打印设备的打印方法，包括以下步骤：S1、启动开关，送粉装置将打印粉末原料输送到旋转打印平台，同时旋转打印平台开始旋转，通过刮刀铺粉压实原料使得原料流转进入打印区域(4)；S2、移动滑台沿着半径方向朝圆心运动，固定在移动滑台上的激光器产生激光并通过激光器窗口到达打印区域激光打印；完成一条径向打印后，旋转打印平台旋转移动一定角度，移动滑台进而沿着半径方向远离圆心方向运动复位，激光器完成两条径向打印工作；S3、重复S2步骤，移动滑台带动激光器径向往复运动，完成一层零件的打印成型，打开升降滑台使其向远离机台固定平台的位置移动，重复上述步骤完成第一段零件的打印；S4、外挡板和内挡板在外界提升装置作用下爬升至一定高度，将已完成的第一段零件上表面作为第二段零件的打印区域，重复打印步骤进行下一段零件激光打印，从而完成整个零件打印；S5、利用外界提升装置使得机台固定平台、外挡板、内挡板完整脱离已打印零件主体，取出打印零件。
根据本发明的又一方面，还提供了一种自爬升式大尺寸回转件激光3D打印设备的打印方法，包括以下步骤：S1、启动开关，送粉装置将打印粉末原料输送到旋转打印平台，同时旋转打印平台开始旋转，通过刮刀铺粉压实原料使得原料流转进入打印区域；S2、旋转打印平台转动，固定在移动滑台上的激光器产生激光，并通过激光器窗口到达打印区域，在旋转打印平台转动360°后完成一圈圆环状零件的打印；S3、移动滑台缓慢移动一定距离，旋转打印平台再次转动，重复上述步骤，完成一层零件的打印成型；S4、打开升降滑台使其向远离机台固定平台的位置移动，重复上述步骤完成第一段零件的打印；S5、利用外界提升装置使得外挡板和内挡板爬升至一定高度，将已完成的第一段零件上表面作为第二段零件的打印区域，重复打印步骤进行下一段零件激光打印，从而完成整个零件打印；S6、利用外界提升装置作用使得机台固定平台、外挡板、内挡板完整脱离已打印零件主体，取出打印零件。
本发明的有益效果：
1、本发明的激光3D打印设备采用分层打印、分段抬高的自爬升方式完成零件的加工，打印高度可调，突破传统3D打印机在空间上的限制，特别对于大尺寸零件，例如高度米以上的零件有较好的场景适应性，保护了零件在高度上的打印方式。
2、本发明采取了移动滑台带动激光器径向往复运动配合旋转打印平台旋转运动的方式来完成，使用移动滑台控制激光器运动，针对环形零件采取固定光路，旋转打印平台旋转运动的方式，保护了零件在平面上的打印方式，提高了打印精度和可靠性，增加了打印效率，省去了振镜结构，简化了传统3D打印机通过控制振镜扫描打印的打印方式，简化了设备投资和装配工艺，削减了设备成本，提高了设备稳定性。
附图说明
图1是本发明一种实施例中爬升式大尺寸回转件激光3D打印设备的内部结构示意图。
图2是本发明一种实施例中爬升式大尺寸回转件激光3D打印设备的剖面正视图。
图3是本发明一种实施例中爬升式大尺寸回转件激光3D打印设备的俯视图。
图4是本发明一种实施例中激光3D打印设备的激光器移动打印方式示意图。
图5是本发明一种实施例中激光3D打印设备打印抬升高度零件时的结构示意图。
图6是本发明一种实施例中激光3D打印设备打印2段零件的结构示意图。
附图标记：1.旋转平台，2.外挡板，3.内挡板；4.打印区域；41.第一段零件；5.机台固定平台；6.升降滑台；7.气体循环装置；8.送粉装置；9.刮刀；10.激光器窗口；11.激光器；12.移动滑台。
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，下面结合本附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。需要强调，此处描述的具体实施例仅用于更好的阐述本发明，为本发明部分实施例，而非全部实施例，所以并不用作限定本发明。此外，下面描述的本发明实施例中涉及的技术特征，只要彼此间未构成冲突，即可以相互组合。
参考图1-6所示，本发明提供了一种爬升式大尺寸回转件激光3D打印设备，包括旋转打印平台1，其是绕中心轴旋转的圆环形零件。旋转打印平台1的上方设置有机台固定平台5，旋转打印平台1和机台固定平台5之间设有外挡板2和内挡板3。外挡板2、内挡板3固定在机台固定平台上5上并通过密封件和旋转打印平台1的外径、内径相接触，这样旋转打印平台1、机台固定平台5和外挡板2、内挡板3之间的环形区域形成零件的打印区域4，保证在旋转或上升过程中打印空间内具有稳定的气体环境。本发明的密封件可以是橡胶或硅胶密封圈。
如图1所示，机台固定平台5上设置有激光器窗口10，移动滑台12固定在激光器窗口上且可以沿着一定方向移动。激光器11固定在移动滑台12上。升降滑台6固定在机台固定平台5上，送粉装置8固定在升降滑台6上，上部送粉罐等常规机构同传统3D打印机。通过升降滑台6控制送粉装置8上下移动，刮刀9固定在送粉装置8上(位于送粉装置8相对于转盘旋转方向后方)。这样升降滑台6可以控制送粉装置8和刮刀9上下移动。气体循环装置7同样固定在升降滑台6上，通过升降滑台6控制气体循环装置7上下移动。送粉装置8和气体循环装置7均与机台固定平台5之间接触，且接触位置均设有泛塞圈进行密封。
气体循环装置7的作用有两点：1、保持腔室内有稳定的保护气体，以防止打印原料(如钛合金粉末)遇到空气发生反应，或者打印粉末吸收空气中水分受潮；2、打印过程中由于激光烧结在打印粉体上，粉体烧结后产生烟雾，烟雾会阻拦激光光路，进而导致激光无法到达打印粉体，影响激光打印成型，此时需要气体循环装置7把烟雾排出。
图2为爬升式大尺寸回转件激光3D打印设备的剖面正视图，从图2中可以看出，外挡板2和内挡板3的下端延伸至旋转打印平台1上表面的下方，且与旋转打印平台1的外径、内径相接触。图3是本实施例中爬升式大尺寸回转件激光3D打印设备的俯视图，可以看出打印区域4的横截面为环形结构。
图4示例性地给出了一种激光器11的移动方式，当打开开关后，激光器11在移动滑台12带动下从半径方向朝圆心往复径向运动，形成打印区域4。
工作过程如下：送粉装置8把打印粉末原料通过管路输送到旋转打印平台1，同时旋转打印平台1开始旋转，此时由于相对运动，通过刮刀9进行铺粉压实工作，刮刀9铺平打印原料，原料流转进入打印区域4。
移动滑台12沿着半径方向朝圆心运动，固定在移动滑台12上的激光器11产生激光，并通过激光器窗口10到达打印区域4，最终完成激光烧结成型工作。完成一条径向方向的打印后，旋转打印平台1旋转缓慢移动一定角度，移动滑台12进而沿着半径方向远离圆心方向运动复位，激光器11在此过程中完成了两条径向方向的打印烧结工作，重复以上步骤，移动滑台12带动激光器11做径向往复运动，这样完成一层零件的打印成型。
除了上述打印方式外，也可以是旋转打印平台1转动，固定在移动滑台12上的激光器11产生激光，透过激光器窗口10在旋转打印平台1转动360°后完成一圈圆环状零件的打印，进而移动滑台12缓慢移动一定距离(约一个光斑)，旋转打印平台1再次转动，重复上述步骤，完成一层零件的打印成型。本发明优选上述两种方向的打印方式，但并不局限于此，可根据材料特性选择合适的打印工艺。
如图5-6所示，在完成上述一层零件打印后，升降滑台6向远离机台固定平台5的位置移动，重复上述步骤，最终完成第一段零件41的打印。第一段零件41为内径为内挡板直径，外径为外挡板直径的环形零件。
参见图5，上述步骤已完成第一段零件41的打印，之后在外界提升装置(如吊机、行车类似结构)的帮助下外挡板2和内挡板3爬升至一定高度，参见图6。也就是说，在完成一定高度的零件打印工作后，在外界提升装置的作用下，机台固定平台5向远离旋转打印平台1的方向移动一定高度，以已完成的第一零件41的上表面作为第二段零件的打印区域，重复上述打印程序，进行下一段零件激光烧结打印，最终完成整个零件的烧结制造。第三段、第四段零件参考上述步骤进行加工，可以完成远超工作腔高度的零件打印工作，根据需要打印所需形状和尺寸的零件。
打印到零件的规定尺寸后，在外界提升装置作用下，机台固定平台5、外挡板2、内挡板3可以完整的脱离已打印零件主体，可以很方便地从旋转打印平台上取出已完成的零件。
以上所述仅是本发明的优选应用实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种爬升式大尺寸回转件激光3D打印设备，包括：
旋转打印平台(1)以及设置在所述旋转打印平台(1)上方的机台固定平台(5)；
外挡板(2)，设置在所述旋转打印平台(1)和所述机台固定平台(5)之间，且与所述旋转打印平台(1)和所述机台固定平台(5)之间形成打印区域(4)；所述机台固定平台(5)上设置有激光器窗口(10)，以使得激光透过所述激光器窗口(10)打印；
升降滑台(6)，固定在所述机台固定平台(5)上，所述升降滑台(6)上还设置有送粉装置(8)，所述送粉装置(8)在所述升降滑台(6)的控制下上下移动。
2.根据权利要求1所述的爬升式大尺寸回转件激光3D打印设备，其特征在于，还包括设置在所述旋转打印平台(1)和所述机台固定平台(5)之间且位于所述外挡板(2)内侧的内挡板(3)，所述外挡板(2)、内挡板(3)、旋转打印平台(1)和机台固定平台(5)之间形成打印区域(4)。
3.根据权利要求2所述的爬升式大尺寸回转件激光3D打印设备，其特征在于，所述外挡板(2)和所述内挡板(3)均固定在所述机台固定平台上(5)上，所述旋转打印平台(1)为绕中心轴旋转的环形结构。
4.根据权利要求2或3所述的爬升式大尺寸回转件激光3D打印设备，其特征在于，所述外挡板(2)和所述内挡板(3)延伸至所述旋转打印平台(1)的台面下方。
优选地，所述外挡板(2)和所述内挡板(3)分别通过密封件与所述旋转打印平台(1)的外径、内径相接触。
更优选地，所述密封件为橡胶或硅胶密封圈。
5.根据权利要求1所述的爬升式大尺寸回转件激光3D打印设备，其特征在于，还包括固定在所述激光器窗口(10)上且可沿一定方向移动的移动滑台(12)，所述激光器(11)固定在所述移动滑台(12)上且随所述移动滑台(11)沿径向往复运动。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的爬升式大尺寸回转件激光3D打印设备，其特征在于，还包括设置在所述送粉装置(8)上的刮刀(9)，所述刮刀(9)跟随所述送粉装置(8)在所述升降滑台(6)的控制下上下移动。
优选地，所述刮刀(9)位于所述送粉装置(8)相对于所述旋转打印平台(1)的旋转方向的后方。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的爬升式大尺寸回转件激光3D打印设备，其特征在于，还包括固定在所述升降滑台(6)上的气体循环装置(7)，所述气体循环装置(7)在所述升降滑台(6)的控制下上下移动。
8.根据权利要求7所述的爬升式大尺寸回转件激光3D打印设备，其特征在于，所述送粉装置(8)与所述机台固定平台(5)之间，以及所述气体循环装置与所述机台固定平台(5)之间的接触位置均设有泛塞圈进行密封。
9.权利要求1至8中任一项所述的爬升式大尺寸回转件激光3D打印设备的打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、启动开关，送粉装置(8)将打印粉末原料输送到旋转打印平台(1)，同时旋转打印平台(1)开始旋转，通过刮刀(9)铺粉压实原料使得原料流转进入打印区域(4)；
S2、移动滑台(12)沿着半径方向朝圆心运动，固定在所述移动滑台(12)上的激光器(11)产生激光并通过激光器窗口(10)到达打印区域(4)激光打印；完成一条径向打印后，旋转打印平台(1)旋转移动一定角度，移动滑台(12)进而沿着半径方向远离圆心方向运动复位，激光器(11)完成两条径向打印工作；
S3、重复S2步骤，所述移动滑台(12)带动激光器(11)径向往复运动，完成一层零件的打印成型，打开升降滑台(6)使其向远离机台固定平台(5)的位置移动，重复上述步骤完成第一段零件(41)的打印；
S4、外挡板(2)和内挡板(3)在外界提升装置作用下爬升至一定高度，将已完成的所述第一零件(41)上表面作为第二段零件的打印区域，重复打印步骤进行下一段零件激光打印，从而完成整个零件打印；
S5、利用外界提升装置使得机台固定平台(5)、外挡板(2)、内挡板(3)完整脱离已打印零件主体，取出打印零件。
10.权利要求1至8中任一项所述的自爬升式大尺寸回转件激光3D打印设备的打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、启动开关，送粉装置(8)将打印粉末原料输送到旋转打印平台(1)，同时旋转打印平台(1)开始旋转，通过刮刀(9)铺粉压实原料使得原料流转进入打印区域(4)；
S2、旋转打印平台(1)转动，固定在移动滑台(12)上的激光器(11)产生激光，并通过激光器窗口(10)到达打印区域(4)，在所述旋转打印平台(1)转动360°后完成一圈圆环状零件的打印；
S3、移动滑台(12)缓慢移动一定距离，旋转打印平台(1)再次转动，重复上述步骤，完成一层零件的打印成型；
S4、打开升降滑台(6)使其向远离机台固定平台(5)的位置移动，重复上述步骤完成第一段零件(41)的打印；
S5、利用外界提升装置使得外挡板(2)和内挡板(3)爬升至一定高度，将已完成的所述第一段零件(41)上表面作为第二段零件的打印区域，重复打印步骤进行下一段零件激光打印，从而完成整个零件打印；
S6、利用外界提升装置作用使得机台固定平台(5)、外挡板(2)、内挡板(3)完整脱离已打印零件主体，取出打印零件。
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