CN111558714A - 三维物体间接成型设备及其成型方法 - Google Patents

Abstract

一种三维物体间接成型设备及其成型方法，该设备包括材料铺设机构、投影模块、工作缸和控制模块，材料铺设机构包括两个送铺粉模块和光敏树脂喷射模块，两个送铺粉模块分别通过一铺粉平板对称设置在光敏树脂喷射模块的两侧，送铺粉模块用于提供粉末材料，并在铺粉平板的共同配合下将粉末材料铺送在工作缸的底板或已经选择性固化的层上形成粉末层；光敏树脂喷射模块用于在已铺好的粉末层上喷上一层光敏树脂；投影模块在控制模块的控制下将待打印制件的当前层截面图像投影到光敏树脂上，以使当前层截面对应的光敏树脂将粉末固化。本发明的三维物体间接成型设备及其成型方法不仅大大提高了成型速度，而且设备结构简单、维护简单。

Description

三维物体间接成型设备及其成型方法

技术领域

本申请涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种三维物体间接成型设备及其成型方法。

背景技术

增材制造技术是一项具有数字化制造、高度柔性和适应性、直接CAD模型驱动、快速、材料类型丰富多样等鲜明特点的先进制造技术，由于其不受零件形状复杂程度的限制，不需要任何的工装模具，因此应用范围非常广。作为增材制造技术之一的间接成型技术也在不断发展。

现有间接法成型技术，一般采用喷泡式或者压电式喷头在需要的地方喷上胶水粘结金属粉末，以将待打印制件通过一层层胶粘接成型，再放入炉中烧结成型。该现有间接法成型设备，一方面，由于采用喷头选择性喷射胶水，这样不仅对喷头的设置提出来很高要求，如一般采用成本高、结构复杂的喷泡式或者压电式喷头，而且此选择性喷射方式速度慢，精度不高；另一方面，一般采用刮刀或者滚筒进行铺粉，但刮刀或滚筒在铺粉过程中，铺粉速度稍微快些则会出现卷粉，扬尘，从而，大大限制了铺粉的速度，降低了设备的工作效率。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高成型速度、设备结构简单、维护简单，且成本低的三维物体间接成型设备及其成型方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种三维物体间接成型设备，包括材料铺设机构、投影模块、工作缸和控制模块，所述材料铺设机构包括两个送铺粉模块和光敏树脂喷射模块，所述两个送铺粉模块分别通过一铺粉平板对称设置在光敏树脂喷射模块的两侧，所述送铺粉模块用于提供粉末材料，并在铺粉平板的共同配合下将粉末材料铺送在工作缸的底板或已经选择性固化的层上形成粉末层；所述光敏树脂喷射模块用于在已铺好的粉末层上喷上一层光敏树脂；所述投影模块在控制模块的控制下将待打印制件的当前层截面图像投影到光敏树脂上，以使当前层截面对应的光敏树脂将粉末固化。

作为本发明的进一步优选方案，所述送铺粉模块包括送粉箱、开关结构和铺粉板，所述铺粉板设置在送粉箱上并与铺粉平板相连，用于将粉末材料铺送在底板或已经选择性固化的层上，所述送粉箱设有送粉腔及与送粉腔连通的进粉口和出粉口，所述开关结构设于所述送粉腔内且与所述出粉口的位置对应，以用于控制所述出粉口打开或关闭。

作为本发明的进一步优选方案，所述铺粉板与水平面的夹角为锐角。

作为本发明的进一步优选方案，所述送铺粉模块还包括挡粉板，所述挡粉板与铺粉板分别设置在出粉口的两侧。

作为本发明的进一步优选方案，所述光敏树脂喷射模块包括光敏树脂输送单元、压缩气体输送单元、安装架以及设置在安装架上的至少一个喷雾头，所述喷雾头包括喷嘴，以及设置在喷嘴上的至少一根压缩气体插管和至少一根光敏树脂插管，以使光敏树脂输送单元通过光敏树脂插管将光敏树脂输送到喷嘴，以及压缩气体输送单元通过压缩气体插管将压缩气体输送到喷嘴，用于在已铺好的粉末层上喷上一层光敏树脂。

作为本发明的进一步优选方案，所述光敏树脂输送单元包括液泵、液体流量计、光敏树脂总管和至少一根光敏树脂细管，光敏树脂细管与光敏树脂插管相连，所述液泵通过光敏树脂总管与至少一根光敏树脂细管相连，所述液体流量计设置在光敏树脂总管上，用于控制输送光敏树脂的流量。

作为本发明的进一步优选方案，所述压缩气体输送单元包括压缩气体总管、压力调节阀、进气管，以及至少一根压缩气体细管，所述压缩气体细管与压缩气体插管相连，所述压缩气体细管与压缩气体总管相连，所述压缩气体通过进气管进入压缩气体总管，所述压力调节阀设置在进气管上，用于根据压力自动调节压缩气体流量。

作为本发明的进一步优选方案，所述安装架上沿垂直于铺粉的方向平行设置有若干个喷雾头。

本发明还提供了一种上述任一项所述的三维物体间接成型设备的成型方法，包括以下步骤：

将工作缸的底板或已经选择性固化的粉末层下降预设距离；

将材料铺设机构向工作缸移动，并当靠近工作缸的送铺粉模块到达工作缸的边界位置时，通过控制模块控制靠近工作缸的送铺粉模块在铺粉平板的共同配合下将粉末材料铺送在工作缸的底板或已经选择性固化的层上形成粉末层；

将材料铺设机构向工作缸继续移动，以当光敏树脂喷射模块到达工作缸的边界位置时，通过控制模块控制光敏树脂喷射模块在已铺好的粉末层上喷上一层光敏树脂；

投影模块在控制模块的控制下将待打印制件的当前层截面图像投影到光敏树脂上，以使当前层截面对应的光敏树脂将粉末固化；

通过控制模块控制材料铺设机构反向运动，并重复执行上述步骤，直至待打印制件成型完成。

作为本发明的进一步优选方案，所述成型方法还包括：

将上述成型完成的待打印制件取出并置高温炉中烧结以形成最终零件。

本发明的三维物体间接成型设备及其成型方法，通过采用上述技术方案具有以下有益效果：

（1）、送铺粉模块在铺粉平板的共同配合下，在避免粉末扬尘的前提下，可大大提高将粉末材料铺送在工作缸的底板或已经选择性固化的层上的速度，从而大大提高了设备的成型速度；

（2）、通过采用投影模块对工作区域的光敏树脂进行面投射以固化相应粉末，不仅避免了需采用喷头进行选择性粘接带来的控制难度，以及给喷头带来的更高要求，从而提高喷头的成本的弊端；而且，相对于选择性粘接，本发明采用投影模块的速度更快，进而提高了设备的成型速度。

附图说明

图1为一实施例中三维物体间接成型设备的结构示意图；

图2为一实施例中三维物体间接成型设备提供的第一过程状态示意图；

图3为一实施例中三维物体间接成型设备提供的第二过程状态示意图；

图4为一实施例中三维物体间接成型设备提供的第三过程状态示意图；

图5为一实施例中三维物体间接成型设备提供的第四过程状态示意图；

图6为一实施例中三维物体间接成型设备提供的第五过程状态示意图；

图7为一实施例中光敏树脂喷射模块提供的结构示意图；

图8为一实施例中喷雾头提供的结构示意图。

图中：1、送铺粉模块，2、光敏树脂喷射模块，3、投影模块，4、工作缸，5、溢粉缸，20、安装架，21、喷雾头，22、液泵，23、液体流量计，24、光敏树脂总管，25、光敏树脂细管，26、压缩气体总管，27、压力调节阀，28、进气管，29、压缩气体细管，211、喷嘴，212，压缩气体插管，213，光敏树脂插管，214，雾区，11、送粉箱，12、开关结构，13、铺粉板，14、铺粉平板，15、粉量检测开关，16、加粉管道。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

如图1所示，三维物体间接成型设备包括材料铺设机构、投影模块3、工作缸4和控制模块，所述材料铺设机构包括两个送铺粉模块1和光敏树脂喷射模块2，所述两个送铺粉模块1分别通过一铺粉平板14对称设置在光敏树脂喷射模块2的两侧，所述送铺粉模块1用于提供粉末材料，并在铺粉平板14的共同配合下将粉末材料铺送在工作缸4的底板或已经选择性固化的层上形成粉末层；所述光敏树脂喷射模块2用于在已铺好的粉末层上喷上一层光敏树脂；所述投影模块3在控制模块的控制下将待打印制件的当前层截面图像投影到光敏树脂上，以使当前层截面对应的光敏树脂将粉末固化。

所述三维物体间接成型设备还包括分别设置在工作缸4两侧的两个溢粉缸5，用于回收送铺粉模块1经过工作缸4的铺粉后多余的粉末。

具体实施中，优选地，所述两个送铺粉模块1和光敏树脂喷射模块2安装在一个驱动机构（例如，移动小车），以用于在控制模块的控制下进行双向铺粉以及喷射光敏树脂材料。所示投影模块3可为DLP投影机或LCD投影机。

所述送铺粉模块1包括送粉箱11、开关结构12和铺粉板13，所述铺粉板13设置在送粉箱11上并与铺粉平板14相连，用于将粉末材料铺送在底板或已经选择性固化的层上，所述送粉箱11设有送粉腔及与送粉腔连通的进粉口和出粉口，所述开关结构12设于所述送粉腔内且与所述出粉口的位置对应，以用于控制所述出粉口打开或关闭。具体实施中，如图1所示，所述开关结构12可为辊筒，当然还可以为其它结构，在此不做一一例举。

在一实施例的待打印制件成型过程中，所述送铺粉模块1的送粉箱11上设有粉量检测开关15，用于实时监测粉量位置，以当粉量不足时，通过控制模块控制外部储粉箱通过加粉管道16向其输送粉末。

优选地，所述铺粉板13与水平面的夹角为锐角（例如可为30度），这样在铺粉过程中，铺粉板13可以对粉末起到压实作用，从而避免了缺粉现象。

为了进一步防止粉末在下落的过程飞扬，四处乱溅，所述送铺粉模块1还包括挡粉板，所述挡粉板与铺粉板13分别设置在出粉口的两侧。

优选地，所述光敏树脂喷射模块2包括光敏树脂输送单元、压缩气体输送单元、安装架20以及设置在安装架20上的至少一个喷雾头21，所述喷雾头21包括喷嘴211，以及设置在喷嘴211上的至少一根压缩气体插管212和至少一根光敏树脂插管213，以使光敏树脂输送单元通过光敏树脂插管213将光敏树脂输送到喷嘴211，以及压缩气体输送单元通过压缩气体插管212将压缩气体输送到喷嘴211，用于在已铺好的粉末层上喷上一层光敏树脂。此实施例的光敏树脂喷射模块2结构简单，控制简便，且其包含的喷雾头21也不需要采用现有技术的非常复杂、昂贵的喷泡式或者压电式喷头，仅仅由喷嘴211，以及设置在喷嘴211上的至少一根压缩气体插管212和至少一根光敏树脂插管213组成即可，不仅结构简单，而且维护方便。

具体实施中，所述安装架20上沿垂直于铺粉的方向平行设置有若干个喷雾头21。具体地，喷雾头21采用螺丝安装在安装架20上，且喷雾头21的数量可根据工作缸4在Y轴方向（此处定义为：X轴方向为铺粉方向，Y轴为垂直为铺粉的方向）设置，例如，如图7所示的光敏树脂喷射模块2包含6个并行设置的喷雾头21。

具体地，如图7所示，所述光敏树脂输送单元包括液泵22、液体流量计23、光敏树脂总管24和至少一根光敏树脂细管25，光敏树脂细管25与光敏树脂插管213相连，所述液泵22通过光敏树脂总管24与至少一根光敏树脂细管25（所述光敏树脂细管25可采用多根，且每根光敏树脂细管25对应一根光敏树脂插管213）相连，所述液体流量计23设置在光敏树脂总管24上，用于控制输送光敏树脂的流量；所述压缩气体输送单元包括压缩气体总管26、压力调节阀27、进气管28，以及至少一根压缩气体细管29（所述每根压缩气体细管29可采用多根，且每根压缩气体细管29对应一根压缩气体插管212），所述压缩气体细管29与压缩气体插管212相连，所述压缩气体细管29与压缩气体总管26相连，所述压缩气体通过进气管28进入压缩气体总管26，所述压力调节阀27设置在进气管28上，用于根据压力自动调节压缩气体流量。在此需说明的是，图7仅提供了上述光敏树脂输送单元和压缩气体输送单元的一种实施方式，在具体实施中，其还可以采用其它具体结构，在本发明中对其不做任何限制。

具体地，如图8所示，所述喷雾头21包括喷嘴211，设置在喷嘴211上的四根压缩气体插管212和一根光敏树脂插管213，这样压缩气体将光敏树脂在喷雾头21内雾化，并通过喷嘴211喷出。

本发明还提供了一种三维物体间接成型设备的成型方法，包括以下步骤：

步骤S1，将工作缸4的底板或已经选择性固化的粉末层下降预设距离，此步骤的预设距离可为下降一个层厚；

步骤S2，将材料铺设机构向工作缸4移动，并当靠近工作缸4的送铺粉模块1到达工作缸4的边界位置时，通过控制模块控制靠近工作缸4的送铺粉模块1在铺粉平板14的共同配合下将粉末材料铺送在工作缸4的底板或已经选择性固化的层上形成粉末层；

步骤S3，将材料铺设机构向工作缸4继续移动，以当光敏树脂喷射模块2到达工作缸4的边界位置时，通过控制模块控制光敏树脂喷射模块2在已铺好的粉末层上喷上一层光敏树脂；

步骤S4，投影模块3在控制模块的控制下将待打印制件的当前层截面图像投影到光敏树脂上，以使当前层截面对应的光敏树脂将粉末固化；

步骤S5，通过控制模块控制材料铺设机构反向运动，并重复执行上述步骤，直至待打印制件成型完成。

具体地，所述成型方法还包括：

将上述成型完成的待打印制件取出并置高温炉中烧结以形成最终零件。

在此需说明的是，上述送铺粉模块1的送粉开始以及结束、光敏树脂喷射的开始以及结束均由控制模块进行控制，例如通过监测送铺粉模块1是否到达预设位置而判断是否开始送粉或结束送粉，以及通过监测光敏树脂喷射模块2是否到达预设位置而判断是否开始喷射或结束喷射光敏树脂。

为了让本领域的技术人员更好地理解并实现本发明的技术方案，下面结合附图以实施例的形式进行详细阐述。

如图2所示，材料铺设机构位于左极限位置以准备从左到右进行铺粉，工作缸4活塞下降一个层厚高度，安装架20和两个送铺粉装置安装在左右水平运动的小车上，光敏树脂喷射装置安装在安装架20上，此时，右送铺粉模块1的右送粉棍按照软件设定转一定的圈数往下输送一定的粉量，送铺粉模块1和光敏树脂喷射装置往右运动，右铺粉板13往右推粉，由于右铺粉板13和水平方向存在斜角，运动过程中，右铺粉板13又可以将粉末往下压实，由于运动速度很快，为了防止扬尘，右铺粉板13和右铺粉平板14连接，右铺粉平板14可以将粉末迅速抚平，这样便实现了迅速铺粉，在工作缸4粉面上铺完后，且当光敏树脂喷射模块2移动到工作缸4的边界位置时，安装架20上的喷雾头21将光敏树脂雾化喷出（如图3所示），进一步如图4所示，每个喷雾头21由4根根压缩气体插管212和1根光敏树脂插管213组成，压缩气体将光敏树脂在喷雾头21内雾化，然后通过喷嘴211喷出，压缩气体插管212和压缩气体细管29连接，24根压缩气体细管29和压缩气体总管26连接，每个喷雾头21内的压缩气体流量靠压力调节阀27的设定值控制，光敏树脂插管213和光敏树脂细管25连接，6根光敏树脂细管25和光敏树脂总管24连接，光敏树脂的流量靠液体压力计检测到的光敏树脂总管24的压力返回给液泵22来调节流量。如此便可以按要求调节喷雾的程度，单个喷雾头21喷出的雾在粉面形成如所示的单个雾区214，多个雾区214组成y方向的大雾区214，该大雾区214内y方向内的光敏树脂分布均匀，x方向光敏树脂的分布均匀靠安装架20左右匀速运动来实现。如图4所示，安装架20运动过的工作缸4区域的粉面被喷雾头21均匀喷上并且渗入一定层厚的光敏树脂，上述所说粉末可为金属粉末，当安装架20运动过工作缸4粉面后，安装在工作缸4粉面上一定高度的DLP模块发射出该截面的光（如图5所示），光照将特定区域的光敏树脂固化，该截面固化完成。如图6所示，工作缸4活塞继续下降一个层厚高度以实现从右往左打印，此时由左送铺粉模块1向左进行铺粉，其工作流程和上述从左往右类似，诸如此过程一层层形成所需零件的毛坯件，最后将该毛坯件取出放炉中烧结形成所需的金属零件。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种三维物体间接成型设备，其特征在于，包括材料铺设机构、投影模块、工作缸和控制模块，所述材料铺设机构包括两个送铺粉模块和光敏树脂喷射模块，所述两个送铺粉模块分别通过一铺粉平板对称设置在光敏树脂喷射模块的两侧，所述送铺粉模块用于提供粉末材料，并在铺粉平板的共同配合下将粉末材料铺送在工作缸的底板或已经选择性固化的层上形成粉末层；所述光敏树脂喷射模块用于在已铺好的粉末层上喷上一层光敏树脂；所述投影模块在控制模块的控制下将待打印制件的当前层截面图像投影到光敏树脂上，以使当前层截面对应的光敏树脂将粉末固化。

2.根据权利要求1所述的三维物体间接成型设备，其特征在于，所述送铺粉模块包括送粉箱、开关结构和铺粉板，所述铺粉板设置在送粉箱上并与铺粉平板相连，用于将粉末材料铺送在底板或已经选择性固化的层上，所述送粉箱设有送粉腔及与送粉腔连通的进粉口和出粉口，所述开关结构设于所述送粉腔内且与所述出粉口的位置对应，以用于控制所述出粉口打开或关闭。

3.根据权利要求2所述的三维物体间接成型设备，其特征在于，所述铺粉板与水平面的夹角为锐角。

4.根据权利要求3所述的三维物体间接成型设备，其特征在于，所述送铺粉模块还包括挡粉板，所述挡粉板与铺粉板分别设置在出粉口的两侧。

5.根据权利要求1至4任一项所述的三维物体间接成型设备，其特征在于，所述光敏树脂喷射模块包括光敏树脂输送单元、压缩气体输送单元、安装架以及设置在安装架上的至少一个喷雾头，所述喷雾头包括喷嘴，以及设置在喷嘴上的至少一根压缩气体插管和至少一根光敏树脂插管，以使光敏树脂输送单元通过光敏树脂插管将光敏树脂输送到喷嘴，以及压缩气体输送单元通过压缩气体插管将压缩气体输送到喷嘴，用于在已铺好的粉末层上喷上一层光敏树脂。

6.根据权利要求5所述的三维物体间接成型设备，其特征在于，所述光敏树脂输送单元包括液泵、液体流量计、光敏树脂总管和至少一根光敏树脂细管，光敏树脂细管与光敏树脂插管相连，所述液泵通过光敏树脂总管与至少一根光敏树脂细管相连，所述液体流量计设置在光敏树脂总管上，用于控制输送光敏树脂的流量。

7.根据权利要求6所述的三维物体间接成型设备，其特征在于，所述压缩气体输送单元包括压缩气体总管、压力调节阀、进气管，以及至少一根压缩气体细管，所述压缩气体细管与压缩气体插管相连，所述压缩气体细管与压缩气体总管相连，所述压缩气体通过进气管进入压缩气体总管，所述压力调节阀设置在进气管上，用于根据压力自动调节压缩气体流量。

8.根据权利要求7所述的三维物体间接成型设备，其特征在于，所述安装架上沿垂直于铺粉的方向平行设置有若干个喷雾头。

9.一种权利要求1至8任一项所述的三维物体间接成型设备的成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

将工作缸的底板或已经选择性固化的粉末层下降预设距离；

将材料铺设机构向工作缸移动，并当靠近工作缸的送铺粉模块到达工作缸的边界位置时，通过控制模块控制靠近工作缸的送铺粉模块在铺粉平板的共同配合下将粉末材料铺送在工作缸的底板或已经选择性固化的层上形成粉末层；

将材料铺设机构向工作缸继续移动，以当光敏树脂喷射模块到达工作缸的边界位置时，通过控制模块控制光敏树脂喷射模块在已铺好的粉末层上喷上一层光敏树脂；

投影模块在控制模块的控制下将待打印制件的当前层截面图像投影到光敏树脂上，以使当前层截面对应的光敏树脂将粉末固化；

通过控制模块控制材料铺设机构反向运动，并重复执行上述步骤，直至待打印制件成型完成。

10.根据权利要求9所述的成型方法，其特征在于，所述成型方法还包括：

将上述成型完成的待打印制件取出并置高温炉中烧结以形成最终零件。

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