CN111633988A - 一种用于防止复合浆料沉降的增材制造设备 - Google Patents

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孙浩
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Abstract

本发明公开一种用于防止复合浆料沉降的增材制造设备，涉及增材制造领域。该装置包括：滚轴式光固化原料传送带，浆料挤出装置，原料回收装置，固化光源和3D打印机；所述原料回收装置包括搅拌机，原料池和浆料回收刮板，所述搅拌机设置在所述原料池内，所述原料池的底部与泵连接，所述泵通过原料传输管与所述浆料挤出装置连接；所述滚轴式光固化原料传送带与滚轴相连，所述滚轴设置在所述原料池上方，且所述浆料回收刮板的一端与绕在所述滚轴上的所述滚轴式光固化原料传输带相接触。

Description

一种用于防止复合浆料沉降的增材制造设备
技术领域
本发明涉及增材制造领域，更具体的涉及一种用于防止复合浆料沉降的增材制造设备。
背景技术
增材制造又称3D打印，是采用软件对零件数字模型进行切分，将材料按照切分信息由二维轮廓逐层堆积制造出三维实体零件的新兴制造技术，其中涵盖数字化、信息化、自动化、材料等多学科的深度融合。增材制造技术方法目前主要包括熔融沉积成型技术、激光烧结/熔覆技术和光固化成型技术等，其中光固化成型技术的主要优点有成型速度快，精度高，可快速完成复杂零件制造等。光固化成型是指以液态光敏树脂为原料，紫外光源按照一定扫措路径逐层扫描固化树脂，直至打印完成。其打印精度高，技术成熟，是目前发展较好且较有前景的一种増材制造技术。
光固化复合浆料增材制造技术是将固体粉末加入可光固化的液体树脂中，通过高速搅拌使固体粉末在液体树脂中分散均匀，制备高固相含量、低黏度的复合材料浆料，然后使浆料在光固化成型机上直接逐层固化，累加得到陶瓷零件素坯，最后通过干燥、脱脂和烧结等后处理工艺得到成型零件。
目前，光固化复合浆料增材制造技术主要以陶瓷为原料进行研究，且研究的主要方向为对陶瓷粉末和高分子材料的优化选型及其合成制备工艺。但由于整个增材制造过程短则几个小时，长则数日，因此，粉体材料无论采用什么方式与高分子材料相混合，都难以避免粉体材料在液相中的沉降。粉体材料的沉降所带来的危害主要包括：1、伴随着粉体材料沉降的发生，原料池中的复合材料在竖直方向上会产生浓度梯度，因此在光固化逐层3D打印的的过程中，会造成层间浓度差异，导致最终成品质量无法保证；2、当粉体材料沉降到一定程度时，将会在原料池底部形成致密的粉体材料堆积，导致从底部发出的固化光源无法透过粉体材料使光敏树脂固化，从而使增材制造过程无法进行；3、由于近期光固化复合浆料增材制造技术的研究目标已逐渐开始向金属材料甚至是贵金属材料延伸，由于金属粉体自身密度大于陶瓷材料，所以其在光敏树脂中的沉降速度将更快。因此，粉体材料的沉降直接限制了该技术方法在其他领域的推广和延伸。
综上所述，现有的采用光固化复合浆料增材制造技术时，粉体材料在液相中沉降时存在浓度差异，在原料池底部易形成致密的粉体材料堆积等问题。
发明内容
本发明实施例提供一种用于防止复合浆料沉降的增材制造设备，用以解决现有的采用光固化复合浆料增材制造技术时，粉体材料在液相中沉降时存在浓度差异，在原料池底部易形成致密的粉体材料堆积等问题。
本发明实施例提供一种用于防止复合浆料沉降的增材制造设备，包括：滚轴式光固化原料传送带，浆料挤出装置，原料回收装置，固化光源和3D打印机；
所述原料回收装置包括搅拌机，原料池和浆料回收刮板，所述搅拌机设置在所述原料池内，所述原料池的底部与泵连接，所述泵通过原料传输管与所述浆料挤出装置连接；
所述滚轴式光固化原料传送带与滚轴相连，所述滚轴设置在所述原料池上方，且所述浆料回收刮板的一端与绕在所述滚轴上的所述滚轴式光固化原料传输带相接触；
所述3D打印机位于所述滚轴式光固化原料传送带的正下方，且与所述滚轴式光固化原料传送带相接触；
所述固化光源位于所述滚轴式光固化原料传送带和所述3D打印机的正下方，用于对所述滚轴式光固化原料传送带上的浆料进行固化。
优选地，包括两个所述滚轴和两个所述原料回收装置；
所述滚轴式光固化原料传送带的两端分别与所述滚轴相连，两个所述原料回收装置分别设置在两个所述滚轴的下方。
优选地，包括两个所述浆料挤出装置，两个所述浆料挤出装置分别通过原料传输管与所述泵连接。
优选地，所述浆料挤出装置的出口为条形状，且所述条形状出口的长度与光固化区域的宽度相匹配。
优选地，还包括限位涂布器和浆料限高杆；
所述限位涂布器的两端固定在所述3D打印机上，所述浆料限高杆的一端固定在所述限位涂布器上，用于限制浆料高度并刮平浆料。
优选地，所述限位涂布器为螺杆，可通过旋转调节固定在螺杆上的所述浆料限高杆与所述3D打印机之间的距离。
优选地，包括两个所述限位涂布器和两个所述浆料限高杆；
两个所述限位涂布器分别设置在所述3D打印机的两端。
优选地，所述搅拌机为螺旋式搅拌叶片。
优选地，所述固化光源、成型台、所述滚轴式光固化原料传送带、所述浆料挤出装置、限位涂布器、所述原料回收装置分别与PLC系统电联接。
本发明实施例提供一种用于防止复合浆料沉降的增材制造设备，包括：滚轴式光固化原料传送带，浆料挤出装置，原料回收装置，固化光源和3D打印机；所述原料回收装置包括搅拌机，原料池和浆料回收刮板，所述搅拌机设置在所述原料池内，所述原料池的底部与泵连接，所述泵通过原料传输管与所述浆料挤出装置连接；所述滚轴式光固化原料传送带与滚轴相连，所述滚轴设置在所述原料池上方，且所述浆料回收刮板的一端与绕在所述滚轴上的所述滚轴式光固化原料传输带相接触；所述3D打印机位于所述滚轴式光固化原料传送带的正下方，且与所述滚轴式光固化原料传送带相接触；所述固化光源位于所述滚轴式光固化原料传送带和所述3D打印机的正下方，用于对所述滚轴式光固化原料传送带上的浆料进行固化。该装置原料回收装置包括的原料池通过泵和传输管与浆料挤出装置连接，将原料池内的浆料流动性的传输至浆料挤出装置，每次在打印时挤出的浆料均为新鲜浆料，在固化光源的作用下数秒内浆料即可以固化，从而将沉降对工艺过程的影响降低的忽略不计；再者，滚轴式光固化原料传送带与浆料回收刮板相接触，能够对发生沉积的浆料进行回收，使得回收浆料流入原料池内，由于原料池内设置有搅拌机，搅拌机可以对原料池内的浆料进行搅拌，避免了原料池底部易形成致密的粉体材料堆积问题，由于该装置可以对回收的浆料进行重复使用，可以提高工业效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种用于防止复合浆料沉降的增材制造设备结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种用于防止复合浆料沉降的增材制造设备主体示意图；
图3为本发明实施例提供的滚轴式光固化原料传送带俯视示意图。
附图标记：
原料传输管1，浆料挤出装置2，浆料筒3，条形挤出口4，滚轴式光固化原料传送带6，齿轮7，滚轴8，浆料回收刮板9，原料回收装置10，泵11，固化光源12，限位涂布器13，搅拌机14，成型台15，丝杠导轨16，条形状17，光固化区域18，浆料限高杆19。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的一种用于防止复合浆料沉降的增材制造设备结构示意图；图2为本发明实施例提供的一种用于防止复合浆料沉降的增材制造设备主体示意图；图3为本发明实施例提供的滚轴式光固化原料传送带俯视示意图。以下结合图1～图3详细介绍用于复合浆料沉降的装置。
如图1所示，该复合浆料沉降装置主要包括滚轴式光固化原料传送带6，浆料挤出装置2，原料回收装置10，固化光源12和3D打印机。
现有技术中，浆料都存储在原料池内，当浆料内的粉体材料沉降到一定程度是，则会在原料池底部形成致密的粉体材料堆积，导致从底部发出的固化光源12无法透过粉体材料使光敏树脂固化，从而使增材制造过程无法进行。为了解决该问题，本发明实施例所提供的装置内设置了原料回收装置10，该原料回收装置10主要包括搅拌机14，原料池，浆料回收刮板9，泵11和原料传输管1。具体地，如图1所述，在原料池内设置了搅拌机14，通过搅拌机14的工作，可以避免原料池内的浆料在原料池底部形成致密的粉体材料堆积；进一步地，在原料池的底部设置了泵11，而泵11的另一端与原料传输管1联通，通过泵11的作用可以将原料池内的浆料通过原料传输管1传输至与原料传输管1另一端联通的浆料挤出装置2。通过这个设置，可以为浆料挤出装置2提供新鲜的浆料，即浆料挤出装置2包括的浆料筒3在使用时每次都可以提供新型的浆料，新鲜的浆料从浆料挤出装置2的条形挤出口4挤出，从而避免了沉降对制造工艺的影响。
在实际应用中，由于原料池中的复合材料在竖直方向上会产生浓度梯度，因此在光固化逐层3D打印的的过程中，会造成层间浓度差异。优选地，该搅拌机14可以是螺旋式搅拌叶片，由于螺旋式搅拌叶片是上下层进行搅拌，且搅拌面积比较大，因此采用螺旋式搅拌叶片可以避免原料池中的复合材料在竖直方向上会产生浓度梯度。
如图1所示，该装置包括的滚轴式光固化原料传送带6，其两端均与滚轴8相连，滚轴8与可进行正转与翻转的电机通过齿轮7相连并可随滚轴8顺、逆时针旋转，即通过滚轴8的旋转可以带动滚轴式光固化原料传送带6进行移动。为了能够对滚轴式光固化原料传送带6上的浆料进行回收，优选地，滚轴8设置在原料池的上方，且浆料回收刮板9的一端与绕在滚轴8上的滚轴式光固化原料传送带6相接触。通过浆料回收刮板9可以将滚轴式光固化原料传送带6上的多余浆料回收至原料池内，从而能够节约浆料。在实际应用中，浆料回收刮板9的另一端可以呈一定角度固定在原料池上，比如，通过单向阀将浆料回收刮板9的另一端固定在原料池上，当浆料回收刮板9不与滚轴式光固化原料传送带6相接触时，则浆料回收刮板9的一端会在单向阀的作用下落在原料池上，而当滚轴8设置在原料池上时，则可以将浆料回收板打开，浆料回收板在单向阀作用下与滚轴式光固化原料传送带6相接触，需要说明的是，这里的浆料回收板与滚轴式光固化原料传送带6之间的接触作用力是单向阀提供的。
在本发明实施例中，为了能够使得原料能够重复使用，在滚轴式光固化原料传送带6的两端分别连接有滚轴8，同时，两个滚轴8的下方均设置有原料回收装置10，相应地，每个原料回收装置10均与浆料挤出装置2相连接。具体地，通过滚轴8的正转和反转，可以使得滚轴式光固化原料传送带6分别向两侧移动，而当滚轴式光固化原料传送带6向一侧移动时，在这侧的浆料挤出装置2可以进行浆料挤出，而另一侧可以进行已经发生沉降的浆料的回收，使得浆料可以重复利用。再者，通过在滚轴式光固化原料传送带6的两端分别设置原料回收装置10，可以在进行一次光固化时只加一次浆料，从而避免了现有技术中当打印件需要用料较大时，工艺过程中需要暂停打印进行布料问题。
如图3所示，本发明实施例中，位于滚轴式光固化原料传送带6的中间位置为光固化区域18，而在光固化区域18的两边，分别有两个虚拟条状，这两个虚拟条状与浆料挤出装置2的出口形状相匹配，即浆料挤出装置2的出口形状为条形状17，而该条形状17的长度与光固化区域18的宽度相匹配。
如图2所示，在滚轴式光固化原料传送带6下方设置有3D打印机，在3D打印机的下方设置有固化光源12，通过3D打印机可以对浆料进行3D打印，而通过固化光源12可以对打印浆料进行固化。
在实际应用中，为了能够限制浆料挤出装置2挤出大量浆料，并且浆料存在高度不一致的问题，优选地，该装置还包括有限位涂布器13和浆料限高杆19，限位涂布器13的两端固定在3D打印机上，而浆料限高杆19的一端固定在限位涂布器13上，通过浆料限高杆19可以限制浆料的高度并将浆料刮平。由于滚轴式光固化原料传送带6的两端均设置有原料回收装置10，即滚轴式光固化原料传送带6的两端均设置有浆料挤出装置2，因此，在打印将的两端均固定有限位涂布器13，在实际应用中，由于每次打印时所需浆料多少不同，因此，需要调节浆料限高杆19的高度，在本发明实施例中，限位涂布器13可以是一个螺杆，即该限位涂布器13通过螺旋方式与3D打印机相连接，同时，该限位涂布器13可以通过旋转调节限位涂布器13延伸出3D打印机的高度，通过调节限位涂布器13延伸出3D打印机的高度从而调节了固定在限位涂布器13上的浆料限高杆19与3D打印机之间的距离。
该装置所包括的固化光源12、成型台15、滚轴式光固化原料传送带6、浆料挤出装置2、限位涂布器13、原料回收装置10分别与PLC系统电联接，通过PLC控制上述各个器件相互配合完成工作，以丝杠导轨16运动电机为主电机、其他装置电机为伺服电机。以主电机的伺服驱动的输出控制其他伺服驱动器，达到同步运动与停止的目的，从而完成作业。
为了能够更清楚的介绍本发明实施例提供的一种用于防止复合浆料沉降的增材制造设备，以下介绍该装置的工作原理：
步骤101，先通过对复合材料的分析，确定所需要的固化曝光时间、浆料挤出量并导入3D打印模型STL.文件，在PLC系统上进行参数设置。
步骤102，将制备好的复合浆料导入滚轴8下方的原料池内，在PLC控制面板上点击开始，系统开始自动化打印。
步骤103，原料经分散、搅拌，然后由泵11将浆料通过原料传输管1道传输至浆料挤出装置2，并挤出至滚轴式光固化原料传送带6。
步骤104，浆料通过浆料限高杆19刮平，确定限定原料高度后，传送至光固化区域18。
步骤105，此时固化光源12开始工作，对浆料进行固化。
步骤106，完成一层固化后，成形台微微抬起约1～2mm，滚轴式光固化原料传送带6改变原料的移动方向，即滚轴8进行了正转和反转切换，将固化后的原料传送至浆料回收刮板9处，原料经浆料回收刮板9回收进入原料池中，进行重复利用。此时另一侧浆料挤出装置2进行浆料挤出工作，准备进入下一层固化作业。
步骤107，通过多次重复上述工作，完成复合材料的分层打印。
综上所述，本发明实施例提供一种用于防止复合浆料沉降的增材制造设备，包括：滚轴式光固化原料传送带，浆料挤出装置，原料回收装置，固化光源和3D打印机；所述原料回收装置包括搅拌机，原料池和浆料回收刮板，所述搅拌机设置在所述原料池内，所述原料池的底部与泵连接，所述泵通过原料传输管与所述浆料挤出装置连接；所述滚轴式光固化原料传送带与滚轴相连，所述滚轴设置在所述原料池上方，且所述浆料回收刮板的一端与绕在所述滚轴上的所述滚轴式光固化原料传输带相接触；所述3D打印机位于所述滚轴式光固化原料传送带的正下方，且与所述滚轴式光固化原料传送带相接触；所述固化光源位于所述滚轴式光固化原料传送带和所述3D打印机的正下方，用于对所述滚轴式光固化原料传送带上的浆料进行固化。该装置原料回收装置包括的原料池通过泵和传输管与浆料挤出装置连接，将原料池内的浆料流动性的传输至浆料挤出装置，每次在打印时挤出的浆料均为新鲜浆料，在固化光源的作用下数秒内浆料即可以固化，从而将沉降对工艺过程的影响降低的忽略不计；再者，滚轴式光固化原料传送带与浆料回收刮板相接触，能够对发生沉积的浆料进行回收，使得回收浆料流入原料池内，由于原料池内设置有搅拌机，搅拌机可以对原料池内的浆料进行搅拌，避免了原料池底部易形成致密的粉体材料堆积问题，由于该装置可以对回收的浆料进行重复使用，可以提高工业效率。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种用于防止复合浆料沉降的增材制造设备，其特征在于，包括：滚轴式光固化原料传送带，浆料挤出装置，原料回收装置，固化光源和3D打印机；
所述原料回收装置包括搅拌机，原料池和浆料回收刮板，所述搅拌机设置在所述原料池内，所述原料池的底部与泵连接，所述泵通过原料传输管与所述浆料挤出装置连接；
所述滚轴式光固化原料传送带与滚轴相连，所述滚轴设置在所述原料池上方，且所述浆料回收刮板的一端与绕在所述滚轴上的所述滚轴式光固化原料传输带相接触；
所述3D打印机位于所述滚轴式光固化原料传送带的正下方，且与所述滚轴式光固化原料传送带相接触；
所述固化光源位于所述滚轴式光固化原料传送带和所述3D打印机的正下方，用于对所述滚轴式光固化原料传送带上的浆料进行固化。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，包括两个所述滚轴和两个所述原料回收装置；
所述滚轴式光固化原料传送带的两端分别与所述滚轴相连，两个所述原料回收装置分别设置在两个所述滚轴的下方。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，包括两个所述浆料挤出装置，两个所述浆料挤出装置分别通过原料传输管与所述泵连接。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述浆料挤出装置的出口为条形状，且所述条形状出口的长度与光固化区域的宽度相匹配。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括限位涂布器和浆料限高杆；
所述限位涂布器的两端固定在所述3D打印机上，所述浆料限高杆的一端固定在所述限位涂布器上，用于限制浆料高度并刮平浆料。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述限位涂布器为螺杆，可通过旋转调节固定在螺杆上的所述浆料限高杆与所述3D打印机之间的距离。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，包括两个所述限位涂布器和两个所述浆料限高杆；
两个所述限位涂布器分别设置在所述3D打印机的两端。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述搅拌机为螺旋式搅拌叶片。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述固化光源、成型台、所述滚轴式光固化原料传送带、所述浆料挤出装置、限位涂布器、所述原料回收装置分别与PLC系统电联接。
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