CN111398093A - 一种具有粉末流动性表征装置的检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有粉末流动性表征装置的检测设备，包括粉缸，粉床，设置于粉缸内并可沿粉缸内壁上下移动；升降机构，用于驱动粉床上下移动；粉斗，设置于粉床上方且至少设置一个；刮粉机构，设置于粉床上方，用于铺平粉末；所述粉末流动性表征装置包括质量传感器和显控装置，质量传感器用于测量每次铺粉的重量，并将数据传输至显控装置；显控装置通过每次铺粉的重量及不同批次铺粉之间的重量变化，计算出多次铺粉重量的算术平均数和方差，再结合粉末材料的理论密度对粉末流动性进行定量表征，本发明测试为动态过程与实际使用过程更加接近，测试结果更有说服力，同时该设备能够对不同3D打印粉末流动性进行精确表征。

Description

一种具有粉末流动性表征装置的检测设备

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种具有粉末流动性表征装置的检测设备。

背景技术

增材制造技术(也称“3D打印”)是基于计算机三维CAD模型，采用逐层堆积的方式直接制造三维物理实体的方法。增材制造技术可以在一台设备上快速精密地制造出任意复杂形状和结构的零部件，从而实现“自由制造”。与传统加工技术相比，增材制造可降低加工成本20％-40％以上，缩短产品研发周期约80％。近20年来，增材制造技术得到了快速发展，形成了多种成型技术和装备。这些技术面向航空航天、武器装备、汽车、模具以及生物医疗等高端制造领域。直接制造三维复杂结构，解决传统制造工艺难以甚至无法加工的制造难题。

粉末是3D打印技术的重要基础,粉末包括了以下独特的材料组分，固体(实体颗粒)、液相(存在于颗粒表面或结构内部的水分)以及气相(颗粒之间的空气)。因此，粉末是一种组成复杂的材料组合体，拥有各种组合体及其组合所带来的不同属性，无法用简单、单一的参数来进行描述。

目前制约3D打印大规模应用的主要原因就是原材料成本较高，缺乏统一的检测标准，不同厂家的设备之间，原材料的通用性较差，设备操作人员需要选择与设备及工艺相匹配的粉末，或者根据粉末的性能来调节设备参与及工艺参数,特别是对3D打印金属材料，这一问题尤其突出。

目前常用的粉末表征手段有如下几种：

1、显微形貌观测，例如申请号为201710316475.5的专利，公开了一种用于增材制造粉末流动性检测的设备，包括用于测量粉末层表面形貌的表面形貌测量装置和用于测量铺粉装置铺设的粉末层密度的密度测量装置，该方案就采用了形貌观测的方法，由于观察的范围有限，测量结果不具有代表性，而且测量时多采用投影法，不能客观反映物体在3维空间的实际情况，此外该方案与实际使用过程存在较大差异，指导意义不明显。

2、粉体流速仪测试，因为测试过程采用的漏斗漏料与3D打印铺粉过程存在很大的差异，测量结果与实际使用情况相差较远。

3、安息角测量，因为粉末存在光散射和衍射，导致粉末堆积轮廓确定与理想情况存在较大的差距，因此测量误差较大。

因此，迫切需要研发一种能够精确表征3D打印粉末流动性的通用性设备。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有粉末流动性表征装置的检测设备，为3D打印粉末材料的研发及应用提供一种标准化的检测设备,同时该设备能够对不同3D打印粉末流动性进行精确表征。

一种具有粉末流动性表征装置的检测设备，包括：

粉缸，用来储存粉末的容器，保证测试过程中，粉末不会变形；

粉床，为模拟打印的加工区，是测量对象所在区域，其设置于粉缸内并可沿粉缸内壁上下移动；

升降机构，用于模拟打印的升降过程，方便多次测量取平均值，减小实验测量误差，并用于驱动粉床上下移动；

粉斗，负责供给粉末材料，其设置于粉床上方且至少设置一个；

刮粉机构，模拟打印过程，将粉末平铺在加工区，其设置于粉床上方；

所述粉末流动性表征装置包括质量传感器和显控装置，质量传感器用于测量每次铺粉的重量，并将数据传输至显控装置；显控装置通过每次铺粉的重量及不同批次铺粉之间的重量变化，计算出多次铺粉重量的算术平均数和方差，再结合粉末材料的理论密度对粉末流动性进行定量表征，同时显控装置也用于设备对外显示、交互以及内部控制。

本发明通过刮粉机构完成铺粉操作，质量传感器对每次铺粉质量进行测量，显控装置根据每次铺粉的重量及不同批次铺粉之间的重量变化，算出多次铺粉重量的算术平均值和方差，再结合材料的理论密度，对材料的流动性进行定量的表征；所依据的原理是：在同等情况下，每次铺粉的重量越重，且不同批次之间的重量变化很小，粉末的流动性越好，则产生孔洞、架桥等缺陷的可能性就越小。

作为优选，所述质量传感器设置于粉床下方；质量传感器置于粉缸内部下方，节省空间。

进一步优选，所述的质量传感器采用电子式质量传感器或机械式质量传感器；测量精度高，从而使表征更加精确。

作为优选，所述的升降机构设置于质量传感器下方，并驱动质量传感器与粉床同步上升或下降；升降机构置于粉缸内部下方，节省空间。

进一步优选，所述的升降机构采用螺旋升降机或剪刀式升降机；结构简单，便于控制，能够实现快速准确的升降。

作为优选，所述的检测设备还包括至少一个在铺粉时将粉床和质量传感器隔离的锁定机构，所述锁定机构包括：

导向结构，一端与粉床底部接触；

螺杆，与导向结构配合，并能通过旋转驱动导向结构上升或下降；

驱动机构，安装于升降机构上，用于驱动螺杆旋转；

制动机构，安装于驱动机构上，用于对驱动机构进行制动。

防止铺粉过程中产生的外力对测量结果产生影响，从而使表征更加精确。

进一步优选，所述的导向结构为套筒，所述套筒远离粉床一端上设置有与螺杆配合的螺纹，所述的驱动机构为步进电机，所述的制动机构为电机刹车装置。

铺粉前，步进电机驱动螺杆旋转，带动套筒沿竖直方向上升或下降，从而将粉床与质量传感器进行隔离，电机刹车装置能对步进电机进行紧急制动，防止因惯性造成的粉床上升或下降高度较大。

进一步优选，所述的锁定机构设置为4个，设置于粉床底部四角位置，能够稳定地将粉床抬升。

为了便于承载4个锁定机构及质量传感器，升降机构的顶部可设置一载台，能起到稳定支撑的作用。

作为优选，所述的刮粉机构可用滚筒式结构或刮刀式结构；结构简单，便于控制，能快速将粉末平铺在粉床上。

作为优选，所述的粉斗设置为两个，位于粉床的两侧；提高粉末供给速率，从而提高粉末流动性的检测效率。

本发明的有益效果：

(1)本检测设备操作简单，易于使用和推广。

(2)本检测设备直接模拟3d打印中的铺粉过程，测试为动态过程与实际使用过程更加接近，针对性强，测试结果更有说服力。

(3)本检测设备适用的材料面较广，测量过程受环境等影响较小。

(4)本检测设备测量精度高，可以在宏观层面表征因粉末流动性差异导致铺粉性能的细微差别。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例1刮粉机构为刮刀式结构时的结构示意图；

图3为本发明实施例1升降机构为剪刀式升降机时的结构示意图；

图4为本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

如图1所示，一种具有粉末流动性表征装置的检测设备，包括粉缸6，粉缸6内设置有沿其内壁上下移动的粉床3，粉床3上方设置有一个用于供给粉料的粉斗1，漏斗1底部设置有用于启闭的阀门，该阀门结构为现有技术，此处不再赘述。

粉床3上方同时设置有用于铺平粉末的刮粉机构2，该刮粉机构2可选用滚筒式结构，该滚筒式结构具有移动的转轴和绕转轴转动的转辊，该结构为常规设计，故附图中未详细示出。

作为另一种替代方案，上述刮粉机构2也可选用刮刀式结构，如图2所示，该结构同样为常规设计，故附图中亦未详细示出。

粉床3下方设置有用于测量粉床3上方粉末的质量传感器4，质量传感器4可准确测量不同批次的铺粉重量，具体地，该质量传感器4可根据需要选择机械式质量传感器或电子式质量传感器。

为了防止铺粉过程中产生的外力对测量结果产生影响，本检测设备还设置了用于在铺粉过程中将粉床3和质量传感器4隔离的锁定机构7。

锁定机构7包括导向结构71、螺杆72、驱动机构73和制动机构74；导向结构具体可采用套筒，套筒底部设置有螺纹，螺杆72与套筒螺纹配合，螺杆72部分位于套筒的内腔中，驱动机构73具体可采用步进电机，用于驱动螺杆72转动，制动机构74具体可采用电机刹车装置，用于对步进电机进行紧急制动。

为了保证粉床3平稳上升，作为另一个实施方案，在粉床3底部四角位置分别设置一个锁定机构7。

质量传感器4下方设置有驱动质量传感器4、粉床3和锁定机构7同步升降的升降机构5，用于模拟打印的升降过程，该升降机构5可使用螺旋升降机。

作为另一种替代方案，上述升降机构5也可使用剪刀式升降机，如图3所示，能够达到同样的目的。

为了通过每次铺粉的重量及不同批次铺粉之间的重量变化，计算出多次铺粉重量的算术平均数和方差，本检测设备还设置了用于接收质量传感器4所测数据的显控装置，同时该显控装置还用于控制粉斗1阀门的启闭、刮粉机构2的运动、锁定机构7的动作和升降机构5的升降，也可用于数据的显示和人机的交互，本智能控制系统属于现有技术，此处不再进行详述。

实施例2：

如图4所示，本实施例与实施例1的区别仅在于粉床3上方两侧各设置有一个粉斗1，从而提高粉末材料的供给速率。

本发明的工作过程：

启动检测设备，点击归零按钮，此时粉床3先回归到初始位置，然后刮粉机构2回到初始位置，解除锁定机构7的锁紧状态，测量此时粉床3的重量，按下清零操作按钮，粉末重量清零；

启动锁定机构7，将粉床3从质量传感器4上缓慢抬起一定距离后锁定粉床3；

开始铺粉，粉末材料在重力作用下，通过料斗1底部的阀门，漏到粉床3上面，然后通过刮粉机构2将粉末平铺在粉床3上面，铺粉完成后，刮粉机构2移动到粉缸6外侧，脱离与粉缸6接触；

解除锁定机构7的锁定状态，粉床3与质量传感器4接触，待测量数据稳定后，记录此时的重量。然后在升降机构5的作用下，粉床3下降一定的高度，然后开始新一轮的铺粉和测量，如此反复，最后通过每次的铺粉重量，算出多次铺粉重量的算术平均值和方差。

通过本检测设备对等离子球化处理前后粉末的流动性测量数据对比如下：

粉缸6内腔横截面尺寸为200*200mm，每次铺粉厚度为0.1mm；

记录等离子球化处理前粉末的10次测量数据分别为15.003g，14.985g,15.102g,15.112g,15.198g,14.996g,15.132g,15.067g,15.123g,14.993g；算术平均值为15.071g，计算出粉末的铺粉密度为3.77g/cm³，方差为7.37％。

记录等离子球化处理后粉末的10次测量数据分别为16.501g，16.509g，16.510g，16.508g，16.509g，16.503g，16.501g，16.502g，16.504g，16.505g；算术平均值为16.505g，计算出粉末的铺粉密度为4.13g/cm³，方差为0.35％。

球化后粉末的铺粉密度从3.77提高到4.13，提升了9.5％，方差也从7.37％下降到0.35％，证明球化后的粉体铺粉性能明显改善，同时证明本检测设备能针对不同流动性粉末进行精确检测，从而能快速检测出适合3D打印的粉末材料，处理效率高。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有粉末流动性表征装置的检测设备，包括：

粉缸，

粉床，设置于粉缸内并可沿粉缸内壁上下移动；

升降机构，用于驱动粉床上下移动；

粉斗，设置于粉床上方且至少设置一个；

刮粉机构，设置于粉床上方，用于铺平粉末；

其特征在于：所述粉末流动性表征装置包括质量传感器和显控装置，质量传感器用于测量每次铺粉的重量，并将数据传输至显控装置；显控装置通过每次铺粉的重量及不同批次铺粉之间的重量变化，计算出多次铺粉重量的算术平均数和方差，再结合粉末材料的理论密度对粉末流动性进行定量表征。

2.根据权利要求1所述的具有粉末流动性表征装置的检测设备，其特征在于：所述的质量传感器设置于粉床下方。

3.根据权利要求2所述的具有粉末流动性表征装置的检测设备，其特征在于：所述质量传感器采用电子式质量传感器或机械式质量传感器。

4.根据权利要求1所述的具有粉末流动性表征装置的检测设备，其特征在于：所述的升降机构设置于质量传感器下方，并驱动质量传感器与粉床同步上升或下降。

5.根据权利要求4所述的具有粉末流动性表征装置的检测设备，其特征在于：所述的升降机构采用螺旋升降机或剪刀式升降机。

6.根据权利要求1所述的具有粉末流动性表征装置的检测设备，其特征在于：所述的检测设备还包括至少一个在铺粉时将粉床和质量传感器隔离的锁定机构，所述锁定机构包括：

导向结构，一端与粉床底部接触；

螺杆，与导向结构配合，并能通过旋转驱动导向结构上升或下降；

驱动机构，安装于升降机构上，用于驱动螺杆旋转；

制动机构，安装于驱动机构上，用于对驱动机构进行制动。

7.根据权利要求6所述的具有粉末流动性表征装置的检测设备，其特征在于：所述的导向结构为套筒，所述套筒远离粉床一端上设置有与螺杆配合的螺纹，所述的驱动机构为步进电机，所述的制动机构为电机刹车装置。

8.根据权利要求6所述的具有粉末流动性表征装置的检测设备，其特征在于：所述的锁定机构设置为4个，设置于粉床底部四角位置。

9.根据权利要求1所述的具有粉末流动性表征装置的检测设备，其特征在于：所述的刮粉机构采用滚筒式结构或刮刀式结构。

10.根据权利要求1-9任一所述的具有粉末流动性表征装置的检测设备，其特征在于：所述的粉斗设置为两个，位于粉床的两侧。

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