CN112008078B - 一种用于多金属材料3d打印设备的铺粉系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多金属材料3D打印设备的铺粉系统，属于金属3D打印技术领域，其通过在架体上设置基础送粉组件和辅助送粉组件，利用基础送粉组件实现基础粉材的送粉和铺粉，再利用辅助送粉组件实现另外一种或者多种金属粉材的送粉、铺粉，继而实现多相材料在空间内的分布和成型，最终得到结构性能优异的金属复合材料。本发明的用于多金属材料3D打印设备的铺粉系统，其结构简单，控制简便，能有效实现多种金属材料粉末在铺粉成型缸中的准确送粉、铺粉，提升金属3D打印技术的应用范围，推动3D打印技术，尤其是SLM技术的发展，降低金属复合材料的成型成本，具有较好的应用前景和推广价值。

Description

一种用于多金属材料3D打印设备的铺粉系统

技术领域

本发明属于金属3D打印技术领域，具体涉及一种用于多金属材料3D打印设备的铺粉系统。

背景技术

金属3D打印制造技术是一种新兴制备技术，已广泛应用于航空航天、汽车制造、军工与医疗等行业。其中，运用最为广泛的3D打印制造技术为激光选区熔化(SelectiveLaser Melting，SLM)技术。SLM技术是一种利用高能量激光束直接照射金属粉末使其快速熔化并冷却凝固成型的技术，可以快速实现激光加工区域金属粉末的熔化和成型，极大地提升了金属制品成型的效率和成型的质量。

随着制造行业对零部件制造质量要求的进一步提升，对3D打印的质量、效率、功能多样性提出了更高的要求。目前，传统的金属3D打印技术往往针对的都是单一金属材料的成型加工，这种形式成型的金属制品其性能往往具有较大的局限性。

为了进一步提高3D打印金属制品的机械性能，研究人员开始探讨运用3D打印技术制备金属合金的可能，即通过在原有的金属基体中引入其他金属相，制备复合金属材料。通常情况下，第二相的引入包括原位生成和复合引入两种方式，其中，原位生成法主要通过成分调控，使熔体直接析出第二相材料；复合引入法主要是通过在制备合金的过程中直接引入晶体纤维或颗粒，引入的金属相材料往往与基体金属基材料先混合，再进行金属烧结。上述方法虽然能一定程度上实现双金属材料或者多金属材料的3D打印，但是很难实现除基体金属相之外其他金属相材料在空间内分布的调控，导致金属制品的机械性能存在缺陷，无法充分满足实际制备和使用要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本发明提供了一种用于多金属材料3D打印设备的铺粉系统，可实现多种金属粉材在铺粉成型缸中的送粉、铺粉，实现多相材料在空间内分布、成型的控制，得到结构性能优异的金属复合材料，扩大金属3D打印技术的应用范围。

为实现上述目的，本发明提供一种用于多金属材料3D打印设备的铺粉系统，包括具有铺粉成型缸的架体和设置在该架体上的基础送粉组件，除此之外，

还包括辅助送粉组件；

所述辅助送粉组件包括正交位移机构和设置在该正交位移机构上的安装板；所述正交位移机构可带动所述安装板在横向和纵向上进行正交往复运动；所述安装板上设置有至少一个第二落粉盒，且该安装板的下方对应所述第二落粉盒设置有若干落粉口，所述第二落粉盒与对应落粉口之间设置有落粉控制机构，用于实现所述第二落粉盒与对应落粉口之间的连通或者隔开；继而通过所述正交位移机构的带动，可实现对应第二落粉盒中金属粉料按对应轨迹的铺粉。

作为本发明的进一步改进，所述第二落粉盒为相互独立设置的多个，且对应各所述第二落粉盒分别设置有落粉口。

作为本发明的进一步改进，所述第二落粉盒为相互独立设置的多个，且全部或者部分所述第二落粉盒通过多通阀门连接在一个所述落粉口上。

作为本发明的进一步改进，所述正交位移机构设置在所述架体的上方，其包括一对第一支杆和垂直设置于两所述第一支杆之间的第二支杆；

所述第一支杆和所述第二支杆上分别设置有可沿支杆轴向往复滑动的滑动单元，且所述第二支杆的两端分别连接在两所述第一支杆的滑动单元上，以及所述安装板设置在所述第二支杆的滑动单元上。

作为本发明的进一步改进，所述落粉口的端部横截面为圆形、矩形、或者六边形。

作为本发明的进一步改进，所述铺粉成型缸内设置有升降平台，该升降平台的底部设置有升降单元。

作为本发明的进一步改进，所述基础送粉组件包括一对平行设置的导轨、第一落粉盒、落粉盒支架和出粉口；

两所述导轨上分别设置有传动机构，且所述落粉盒支架的两端分别设置在对应传动机构上，使得所述落粉盒支架可沿所述导轨轴向往复滑动；所述第一落粉盒设置在所述落粉盒支架上，其与所述出粉口之间设置有落粉控制机构。

作为本发明的进一步改进，所述铺粉成型缸的一侧设置有粉末回收缸，用于回收所述铺粉成型缸中多出的粉材。

作为本发明的进一步改进，所述粉末回收缸的底部设置有连通供粉仓的输送管道或者设置有储粉仓。

作为本发明的进一步改进，所述正交位移机构可竖向升降或者所述落粉口的端部可竖向升降。

上述改进技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明的用于多金属材料3D打印设备的铺粉系统，其通过在架体上设置基础送粉组件和辅助送粉组件，利用基础送粉组件实现基础粉材的送粉和铺粉，再利用辅助送粉组件实现另外一种或者多种金属粉材的送粉、铺粉，继而实现多相材料在空间内的分布和成型，最终得到结构性能优异的金属复合材料，有效扩大了金属3D打印技术的应用范围，推动了3D打印技术，尤其是SLM技术的发展，降低了金属复合材料的成型成本；

(2)本发明的用于多金属材料3D打印设备的铺粉系统，其通过设置由横向支杆、竖向支杆、纵向支杆和多个滑动单元组成的正交位移机构，利用安装板在对应滑动单元上的设置，以及第二落粉盒在安装板上的对应设置，可以实现第二落粉盒在平面正交方向上的对应运动，实现对应铺粉路径的设置与走行，完成空间内不同形式的铺粉作业，满足不同的3D打印需求，得到不同性质的金属复合材料，进一步提升铺粉系统的兼容性，扩大铺粉系统的适用环境；

(3)本发明的用于多金属材料3D打印设备的铺粉系统，其通过将正交位移机构或者落粉口设置为可竖向升降的形式，使得辅助送粉组件在工作时其落粉口的端部位置可控制在架体顶面以下，确保粉末回收缸中不会收集到除基础粉末之外的其他粉末，为基础粉末的回收利用提供了可能，降低了金属3D打印技术的应用成本；

(4)本发明的用于多金属材料3D打印设备的铺粉系统，其通过在粉末回收缸底部设置连通粉材供粉仓的输送管道或者设置储粉仓，有效避免了粉末回收缸的频繁取出，实现了粉材的自动回收利用，简化了金属3D打印的工序，提升了金属3D打印的效率；

(5)本发明的用于多金属材料3D打印设备的铺粉系统，其结构简单，控制简便，能有效实现多种金属材料粉末在铺粉成型缸中的送粉、铺粉，实现多相材料在空间内分布、成型的调控，为结构性能优异的金属复合材料的制备提供了可能，有效提升了金属3D打印技术的应用范围，推动了3D打印技术，尤其是SLM技术的发展，降低了结构性能优异金属复合材料的成型成本，具有较好的应用前景和推广价值。

附图说明

图1是本发明实施例中用于多金属材料3D打印设备的铺粉系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中用于多金属材料3D打印设备的铺粉系统的原理示意图；

图3是本发明实施例中铺粉系统的基础送粉组件的结构示意图；

图4是本发明实施例中铺粉系统的辅助送粉组件的结构示意图；

图5是本发明实施例中铺粉系统的辅助送粉组件的结构主视图；

图6是本发明实施例中铺粉系统的第二落粉盒的结构剖视图；

图7是本发明实施例中铺粉系统利用辅助送粉组件进行铺粉的轨迹示意图；

在所有附图中；同样的附图标记表示相同的技术特征；具体为：

1、基础送粉组件；101、第一落粉盒；102、落粉盒支架；103、导轨；104、传动机构；

2、辅助送粉组件；201、正交位移机构；202、安装板；203、第二落粉盒；204、落粉口；205、出料阀门；

201、正交位移机构；2011、竖向支杆；2012、横向支杆；2013、纵向支杆；2014、滑动单元；

3、架体；301、铺粉成型缸；302、粉末回收缸；303、升降平台；304、升降单元；305、储粉仓。

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例：

请参阅图1～6，本发明优选实施例中的用于多金属材料3D打印设备的铺粉系统包括架体3和对应其设置的基础送粉组件1、辅助送粉组件2。其中，基础送粉组件1用于基础粉材的铺设，辅助送粉组件2用于增强粉材的铺设。

具体而言，优选实施例中的架体3如图2中所示，其顶部开设有至少一个铺粉成型缸301，用于粉末的铺设和烧结成型，在铺粉成型缸301的两侧分别设置有导轨103。两导轨103平行设置，且优选以两导轨103的方向为纵向，相应地，垂直于该纵向的水平方向为横向，即垂直于两导轨103的水平方向为横向。进一步地，在铺粉成型缸301的一侧设置有粉末回收缸302，两者在纵向上间隔开设，即两者中心的连线沿纵向设置。优选地，架体3上设置的铺粉成型缸301为多个，同时，对应各铺粉成型缸301分别设置有粉末回收缸302，或者同一个粉末回收缸302针对多个铺粉成型缸301设置。

进一步地，在铺粉成型缸301中设置有升降平台303，其底部设置有升降单元304，优选实施例中的升降单元304可以为气缸、齿轮-齿条传动机构、液压缸、或者螺旋丝杆组件等，通过升降单元304的准确控制，可以实现升降平台303的升降控制。在优选实施例中，粉末回收缸302的底部优选设置为锥形结构，饼在该锥形结构的底部设置有粉末出口，该粉末出口可以通过管道连通基础粉材的粉仓，实现基础粉材的回收再利用。同时，优选实施例中的铺粉成型缸301底部设置为锥形结构，并在其底部设置有对应的粉末出口，用于粉末的排出。

如图2中所示，优选实施例中的基础送粉组件1包括第一落粉盒101，用于基础粉材的容置与铺粉作业，其设置在落粉盒支架102上，且落粉盒支架102沿横向的两端分别匹配两导轨103，相应地，在两导轨103上分别设置有传动机构104，落粉盒支架102的两端分别匹配在传动机构104上。通过两传动机构104的对应带动，可以实现落粉盒支架102在纵向上的往复运动，即实现第一落粉盒101在纵向上的往复运动。

优选地，导轨103上的传动机构104可选的类型包括但不限于滑块-滑轨组合形式、传动带组件、齿轮-齿条组合形式、螺旋丝杆传动形式等，且传动的控制优选通过伺服电机来控制。进一步优选地，第一落粉盒101的底部设置有出粉口，该出粉口呈横向延伸的长条形结构，且该长条形出粉口的长度刚好对应于铺粉成型缸301在横向上的宽度，保证基础金属粉料(第一落粉盒101中存放的粉材)铺设的效率和均匀性。

同时，在优选实施例中，对应第一落粉盒101和其出粉口设置有落粉控制机构，该落粉控制机构包括减速器、陶瓷辊和落粉控制腔。其中，减速器的固定端连接落粉控制腔，输出端连接陶瓷辊；陶瓷辊位于落粉控制腔内，并受落粉控制腔支撑，且落粉控制腔的一端贯通连接第一落粉盒101，另一端设有用于落粉的出粉口。

进一步地，在架体3上还设置有辅助送粉组件2，用于至少一种辅助粉材的铺设和烧结。如图4～6中所示，优选实施例中的辅助送粉组件2包括正交位移机构201和设置在该正交位移机构201上的安装板202和至少一个第二落粉盒203。

具体而言，优选实施例中的正交位移机构201包括分设于架体3顶部四角处的四根竖向支杆2011，如图1中所示，横向相邻的两竖向支杆2011之间水平设置有横向支杆2012，且两横向支杆2012平行设置；进一步地，在两横向支杆2012上分别设置有可往复滑动的滑动单元2014，滑动单元2014与横向支杆2012的匹配形式可以为螺纹丝杆副、滑套-滑杆组合形式、齿轮-齿条组合形式等；进一步地，在两横向支杆2012之间沿纵向设置有纵向支杆2013，其两端分别连接设置在滑动单元2014上，以使得两滑动单元2014可以通过同步运动带动该纵向支杆2013在横向上往复滑动。显然，纵向支杆2013也可为平行设置的一对，而横向支杆2012为设置在两纵向支杆2013之间的一根，相当于将正交位移机构201水平旋转90°后再设置于架体3上。

相应地，在纵向支杆2013上也设置有滑动单元2014，该滑动单元2014的上方设置有安装板202，并在安装板202上设置有若干各第二落粉盒203，例如图4～6中所示的两个。显然，在实际设置时，第二落粉盒203的设置数量可以为一个，也可以为多于两个的多个。

进一步地，在安装板202的下方设置有连通第二落粉盒203的落粉口204，在优选实施例中，落粉口204与第二落粉盒203一一对应设置，且各落粉口204与对应的第二落粉盒203之间设置有出料阀门205，如图6中所示。通过控制出料阀门205的开闭，可以实现第二落粉盒203中粉料从对应落粉口204中的出料。当然，对应第二落粉盒203也可以设置类似对应第一落粉盒101设置的落粉控制机构，以此来保证落粉的均匀性和稳定性。

在实际设置时，落粉口204的设置数量可以少于第二落粉盒203的数量，甚至仅设置为一个，即多个第二落粉盒203共用一个落粉口204，此时，出料阀门205为多通阀门，即具有一个出口，多个入口。通过控制出料阀门205的切换和开闭，可以实现不同第二落粉盒203与落粉口204的连通，继而实现不同粉料的铺粉。同时，为了实现不同形式的铺粉，优选实施例中的落粉口204的端部横截面可以设置为方形、矩形、圆形、六边形等多种形式，且出口的大小可以根据实际需要设置为多种尺寸可选，以实现不同宽度粉层的铺设。此时，可以通过设置一个多向多通阀门来实现各落粉口204与对应第二落粉盒203之间的通断。

例如，在优选实施例中，落粉口204的出口设置为圆形结构，且该落粉口204的出口大小远小于第一落粉盒101出粉口的大小，以此，可实现如图7中所示的呈“六边形”边界形式的铺粉过程，即由第二落粉盒203中的粉末围成六边形“围墙”结构，再在该“六边形”凹槽中进行另一种粉末的铺粉。此时的另一种粉末可以是基础送粉组件1中的基础粉末，也可以是通过对应第二落粉盒203铺设的其他形式粉末。

实际使用辅助送粉组件2时，其正交运动的控制可以通过数控系统来实现，即对应控制横向支杆2012和纵向支杆2013上滑动单元2014的运动，可以实现对应第二落粉盒203在水平方向上的运动控制，完成相应运行轨迹下的铺粉作业。此外，在通过辅助送粉组件2进行铺粉时，其落粉口204的端部优选始终不高于架体3的顶面，以此，可以避免刮刀进行刮平作业时，将除第一落粉盒101中粉末之外的其他粉末刮到粉末回收缸302中。

优选地，为避免第二落粉盒203的落粉口204与铺粉成型缸301的内周壁或者与激光加工设备干涉，落粉口204的端部设置为可竖向伸缩的形式，以此可有效保证第二落粉盒203在送粉时端部伸入铺粉成型缸301中，而在完成铺粉后，可以将辅助送粉组件2控制运行到远离铺粉成型缸301的位置。当然，实际设置时，也可以将两横向支杆2012与竖向支杆2011的匹配设置为活动匹配，使得竖向支杆2011的两端可同步在竖向上升降一定的高度，以此来完成上述落粉口204端部高度的调节。

进一步优选地，在粉末回收缸302的底部设置有出口，并对应该出口设置有连通供粉仓的输送管道，或者对应其设置有如图3中所示的储粉仓305，以此来实现粉末的回收利用或者长时间存储。

本发明中的用于多金属材料3D打印设备的铺粉系统，其结构简单，控制简便，能有效实现多种金属材料粉末在铺粉成型缸中的送粉、铺粉，实现多相材料在空间内分布、成型的调控，为结构性能优异的金属复合材料的制备提供了可能，有效提升了金属3D打印技术的应用范围，推动了3D打印技术，尤其是SLM技术的发展，降低了结构性能优异金属复合材料的成型成本，具有较好的应用前景和推广价值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于多金属材料激光选区熔化设备的铺粉系统，包括具有铺粉成型缸的架体和设置在该架体上的基础送粉组件，其特征在于，

还包括辅助送粉组件，所述基础送粉组件用于基础粉材的铺设，所述辅助送粉组件用于增强粉材的铺设，且所述基础粉材在增强粉材完成铺设后再进行铺设；

所述基础送粉组件包括一对平行设置的导轨、第一落粉盒、落粉盒支架和出粉口；两所述导轨上分别设置有传动机构，且所述落粉盒支架的两端分别设置在对应传动机构上，使得所述落粉盒支架可沿所述导轨轴向往复滑动；所述第一落粉盒设置在所述落粉盒支架上，其与所述出粉口之间设置有落粉控制机构，用于控制第一落粉盒向下方铺粉成型缸进行基础粉材的落粉；且所述出粉口的长度刚好对应于所述铺粉成型缸在横向上的宽度；

所述辅助送粉组件包括正交位移机构和设置在该正交位移机构上的安装板；所述正交位移机构可带动所述安装板在横向和纵向上进行正交往复运动；

所述正交位移机构设置在所述架体的上方，其包括一对第一支杆和垂直设置于两所述第一支杆之间的第二支杆；所述第一支杆和所述第二支杆上分别设置有可沿支杆轴向往复滑动的滑动单元，且所述第二支杆的两端分别连接在两所述第一支杆的滑动单元上，以及所述安装板设置在所述第二支杆的滑动单元上；相应地，所述滑动单元在对应支杆上以螺纹丝杆副的形式匹配；

所述安装板上同时设置有至少一个第二落粉盒，且该安装板的下方对应所述第二落粉盒设置有若干落粉口，所述第二落粉盒与对应落粉口之间设置有落粉控制机构，用于实现所述第二落粉盒与对应落粉口之间的连通或者隔开；且所述落粉口的端部设置为可竖向伸缩的形式，使得该端部可在所述第二落粉盒送粉时伸入铺粉成型缸中，并在完成铺粉后远离铺粉成型缸，以此避免所述增强粉材的铺设高出架体的顶面，确保回收粉材时不会收集到除基础粉末之外的其他粉末；

所述铺粉成型缸的一侧设置有粉末回收缸，用于回收所述铺粉成型缸中多出的基础粉材；且所述粉末回收缸的底部设置为锥形结构，并在锥形结构的底部设置有粉末出口，且在粉末出口设置有连通供粉仓的输送管道，或者对应该粉末出口设置有储粉仓。

2.根据权利要求1所述的用于多金属材料激光选区熔化设备的铺粉系统，其中，所述第二落粉盒为相互独立设置的多个，且对应各所述第二落粉盒分别设置有落粉口。

3.根据权利要求1所述的用于多金属材料激光选区熔化设备的铺粉系统，其中，所述第二落粉盒为相互独立设置的多个，且全部或者部分所述第二落粉盒通过多通阀门连接在一个所述落粉口上。

4.根据权利要求1~3中任一项所述的用于多金属材料激光选区熔化设备的铺粉系统，其中，所述落粉口的端部横截面为圆形、矩形、或者六边形。

5.根据权利要求1~3中任一项所述的用于多金属材料激光选区熔化设备的铺粉系统，其中，所述铺粉成型缸内设置有升降平台，该升降平台的底部设置有升降单元。

6.根据权利要求1~3中任一项所述的用于多金属材料激光选区熔化设备的铺粉系统，其中，所述正交位移机构可竖向升降。

Images