CN112719299B - 一种激光选区熔化3d打印生产线系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种激光选区熔化3D打印生产线系统及控制方法，涉及增材制造领域，包括供粉装置、上粉筒、收粉筒以及多个3D打印机；所述上粉筒依次设在每个3D打印机上部，所述收粉筒依次设在每个3D打印机下部，所述供粉装置分别与每个所述上粉筒和每个所述收粉筒连接。本发明提出了一种激光选区熔化3D打印生产线系统及控制方法，能够集中供粉，稳定运行，并达到节省粉末的效果。

Description

一种激光选区熔化3D打印生产线系统及控制方法

技术领域

本发明涉及增材制造领域，尤其涉及一种激光选区熔化3D打印生产线系统及控制方法。

背景技术

激光选区熔化3D打印，使用激光作为能量源，按照经前处理的模型切片文件，在金属粉末床层进行逐层扫描，金属粉末熔化、凝固，进而逐层堆积形成所需的金属零件。该技术具有成形速度快、综合力学性能优异、可实现任意复杂结构的成形等优点，在航空航天、医疗、汽车等领域取得不错的应用效果。

激光选区熔体3D打印技术的推广应用，不可避免要应对实际生产过程中小批量金属零件的生产任务，采用单台供料缸供粉的3D打印机进行生产，存在生产过程中因粉量不足而停机加粉、效率大幅降低、产品质量等问题。目前，国内外主流3D打印机厂商采用自动供粉方式，通过配备一套自动供粉的装置，解决生产过程中粉量不足的问题，但仍是单台3D打印机的工作模式，其实际生产效率仍受到限制；此外，为每一台3D打印机配备自动供料装备，大幅提高了设备成本，降低了生产效益。

针对上述问题，本发明提出一种集中供粉的模式，使用一套自动供粉装置为多台3D打印机供粉，组成一条3D打印生产线，为保证生产线可靠稳定的运行，本发明提出相应的控制方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了本发明提出的一种激光选区熔化3D打印生产线系统及控制方法，由一套供粉装置和多台3D打印机组成，供粉装置和3D打印机均使用PLC进行控制，能够集中供粉，稳定运行，并达到节省粉末的效果。

根据本发明的第一方面，提供了一种激光选区熔化3D打印生产线系统，包括供粉装置、上粉筒、收粉筒以及多个3D打印机；

所述上粉筒依次设在每个3D打印机上部，所述收粉筒依次设在每个3D打印机下部，所述供粉装置分别与每个所述上粉筒和每个所述收粉筒连接。

进一步的，所述供粉装置包括自上而下依次连接的过滤筛、储粉筒和风机，所述过滤筛与所述储粉筒之间设有第一连通阀，所述储粉筒与所述风机之间设有第二连通阀；

所述过滤筛的上侧还与所述第二连通阀的下侧连通。

进一步的，所述过滤筛为振动筛；

进一步的，所述风机包括第一循环风机和第二循环风机；

所述第一循环风机用于将金属粉末从所述收粉筒吹送至所述供粉装置内；

所述第二循环风机用于将金属粉末从所述供粉装置吹送至所述上粉筒内。

进一步的，所述第一循环风机与所述收粉筒的一侧连接，所述收粉筒的另一侧与所述过滤筛连接，所述收粉筒与所述过滤筛之间设有回粉阀。

进一步的，所述第二循环风机与所述上粉筒的下侧连接，所述上粉筒的上侧与所述过滤筛连接，所述上粉筒与所述过滤筛之间设有供粉阀。

进一步的，所述供粉装置、所述上粉筒和所述收粉筒内均设有料位传感器和氧含量传感器；

所述料位传感器能够检测所述供粉装置、所述上粉筒和所述收粉筒中的粉末含量；

所述氧含量传感器能够检测所述供粉装置、所述上粉筒和所述收粉筒中的氧含量。

进一步的，所述料位传感器包括上部传感器和下部传感器；

所述上部传感器触发时表明充满粉末，停止供粉；

所述下部传感器触发时表明缺少粉末，停止抽粉。

进一步的，所述上部传感器分别设在所述供粉装置、所述上粉筒和所述收粉筒的上部；

所述下部传感器分别设在所述供粉装置、所述上粉筒和所述收粉筒的下部。

根据本发明的第二方面，提供了一种激光选区熔化3D打印生产线控制方法，所述方法应用于如上所述的系统，包括以下步骤：

S1：启动生产线，确定打印机数量及编号，并设置安全参数；

S2：当供粉装置的下部传感器未触发，且满足所述S1中设置的安全参数，启动打印；

S3：当收粉桶的上部传感器触发，将收粉桶内的粉末抽至供粉装置；

S4：当上粉筒的下部传感器触发，将供粉装置内的粉末吹送至上粉筒；

S5：重复S2～S4的判断步骤，直到完成全部打印任务。

进一步的，所述S3具体包括：当收粉桶的上部传感器触发，供粉装置匹配收粉桶对应的3D打印机编号，开启编号对应的回粉阀，开启第一连通阀和第一循环风机，利用风机形成风力抽出金属粉末，利用过滤筛过滤粗颗粒，回收细粉末至储粉筒内，直至收粉筒的下部传感器触发，表明此时收粉筒无粉末，供粉装置停止抽粉。

进一步的，所述S4具体包括：当上粉筒的下部传感器触发，供粉装置匹配上粉筒对应的3D打印机编号，开启编号对应的供粉阀，开启第二连通阀和第二循环风机，利用风机形成风力将供粉装置储粉筒内的粉末循环送至上粉筒内，直至上粉筒的上部传感器触发，表明此时上粉筒内充满粉末，供粉装置停止供粉。

相对于现有技术，本发明所述的一种激光选区熔化3D打印生产线系统及控制方法，具有如下优势：

(1)实现了3D打印机自动供粉，一方面省去了停机、加粉、重新充气以及人工筛粉消耗的时间，大幅提升生产效率；另一方面减少了惰性气体消耗量，降低3D打印生产成本；

(2)使用自动供粉取代原有的人工停机加粉，有效规避了打印机工作期间非意外停机，从而保证3D打印零件质量的一致性；

(3)实现对多台3D打印机组成的生产线控制，打印机统一调试、各自独立工作，

有效提升小批量金属零件生产效率；

(4)多台3D打印机共用一套供粉装置，使得在打印过程中浪费的多余粉末集中被收集到同一供粉装置再次循环利用，能够在小批量加工中有效减少新粉末加入量。

附图说明

说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1是本发明所述的激光选区熔化3D打印生产线系统示意图；

图2是本发明所述的单台3D打印机与供料装置连接示意图；

图3是本发明所述的多台3D打印机与供料装置连接示意图；

图4是本发明所述的收粉筒与供粉装置连接示意图；

图5是本发明所述的上粉筒与供粉装置连接示意图；

图6是本发明所述的控制方法的示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

多个，包括两个或者两个以上。

和/或，应当理解，对于本发明中使用的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

如图1～图3所示，一种激光选区熔化3D打印生产线系统，由一套供粉装置和多台3D打印机组成，供粉装置和3D打印机均使用PLC进行控制，每台3D打印机上方均设有进粉筒，下方设有收粉筒，供粉装置分别与每个上粉筒和每个收粉筒连接。

供粉装置包括自上而下依次连接的过滤筛、储粉筒和风机，过滤筛与储粉筒之间设有第一连通阀，储粉筒与风机之间设有第二连通阀；

过滤筛的上侧还与第二连通阀的下侧连通。

风机包括第一循环风机和第二循环风机；

第一循环风机用于将金属粉末从收粉筒吹送至供粉装置内；

第二循环风机用于将金属粉末从供粉装置吹送至上粉筒内。

如图4所示，第一循环风机与收粉筒的一侧连接，收粉筒的另一侧与过滤筛连接，收粉筒与过滤筛之间设有回粉阀。

如图5所示，第二循环风机与上粉筒的下侧连接，上粉筒的上侧与过滤筛连接，上粉筒与过滤筛之间设有供粉阀。

供粉装置、上粉筒和收粉筒内均设有料位传感器和氧含量传感器；

料位传感器能够检测供粉装置、上粉筒和收粉筒中的粉末含量；

氧含量传感器能够检测供粉装置、上粉筒和收粉筒中的氧含量。

进一步的，料位传感器包括上部传感器和下部传感器；

上部传感器触发时表明充满粉末，停止供粉；

下部传感器触发时表明缺少粉末，停止抽粉。

上部传感器分别设在供粉装置、上粉筒和收粉筒的上部；

下部传感器分别设在供粉装置、上粉筒和收粉筒的下部。

如图6所示，一种激光选区熔化3D打印生产线控制方法，包括以下步骤：

(1)生产线启动。生产线启动后，确定执行打印任务的打印机数量与编号，进行以下检测：供粉装置通过料位传感器检测备料筒中的粉末含量、通过氧含量传感器检测装置内部氧含量；3D打印机通过料位传感器检测收粉筒和上粉筒内的粉末含量、通过氧含量传感器检测打印机内部氧含量、通过压力传感器检测惰性气体进气压力和打印机内部气压、通过温度传感器检测基板温度、检测刮刀、成形缸和送粉轴电机状态、检测光路系统的水冷机状态、检测激光器和振镜状态。同时设定金属打印氧含量安全值、进气压力和打印机内部压力安全值、基板加热温度范围、打印完成后取件打印机内部压力安全值、温度安全值。

(2)3D打印机工作启动。在步骤1检测结果的基础上，进行以下条件判断：供粉装置备料筒中粉末充足、内部氧含量低于金属打印氧含量安全值；3D打印内部氧含量低于金属打印氧含量安全值、惰性气体进气压力和打印机内部压力低于安全值、基板温度在设定范围内、刮刀、成形缸和送粉轴电机均为正常、水冷机为启动状态、激光器和振镜为启动状态。在所有条件满足的情况，3D打印机加载金属零件的切片文件，执行3D打印工作。

(3)供粉装置抽粉。打印过程中，3D打印机产生的多余粉末逐渐在收粉筒增加。3D打印机通过收粉筒的上部传感器检测到收粉筒内即将充满粉末，发送抽粉指令至供粉装置。供粉装置匹配收粉桶对应的3D打印机编号，开启编号对应的回粉阀，开启第一连通阀和第一循环风机，利用风机形成风力抽出金属粉末，利用过滤筛过滤粗颗粒，回收细粉末至储粉筒内，直至收粉筒的下部传感器触发，表明此时收粉筒无粉末，供粉装置停止抽粉。

(4)供粉装置供粉。打印过程中，3D打印机上粉筒内的金属粉末逐渐消耗于打印的零件中。3D打印机通过上粉筒的下部传感器检测到上粉筒内即将缺少粉末，发送供粉指令至供粉装置，当上粉筒的下部传感器触发，供粉装置匹配上粉筒对应的3D打印机编号，开启编号对应的供粉阀，开启第二连通阀和第二循环风机，利用风机形成风力将供粉装置储粉筒内的粉末循环送至上粉筒内，直至上粉筒的上部传感器触发，表明此时上粉筒内充满粉末，供粉装置停止供粉。

(5)打印完成。3D打印生产线循环执行步骤2、步骤3和步骤4，直至3D打印机完成打印任务。3D打印检测内部压力低于取件压力安全值，并基板温度低于安全值，返回状态至供粉装置，并执行取出零件。

实施例

以由5台3D打印和1套供粉装置组成的生产线为例，具体说明一种激光选区熔化3D打印生产线及控制方法。

(1)生产线启动。此次任务需要使用1号、2号、3号打印机进行任务，4、5号处于空间状态。进行以下检测：供粉装置通过料位传感器检测备料筒中的粉末含量、通过氧含量传感器检测装置内部氧含量；1号、2号、3号3D打印机通过料位传感器检测收粉筒和上粉筒内的粉末含量、通过氧含量传感器检测打印机内部氧含量、通过压力传感器检测惰性气体进气压力和打印机内部气压、通过温度传感器检测基板温度、检测刮刀、成形缸和送粉轴电机状态、检测光路系统的水冷机状态、检测激光器和振镜状态。

设备金属打印氧含量安全值500ppm、进气压力安全值为15kPa、打印机内部压力安全值为10kPa、基板加热范围200℃-220℃、取件压力安全值为200Pa、温度安全值为30℃。

(2)3D打印机工作启动。在步骤1检测结果的基础上，进行以下条件判断：供粉装置的储粉筒中粉末含量充足、内部氧含量为452ppm低于打印氧含量安全值；

1号打印机氧含量为460ppm低于金属打印氧含量安全值、惰性气体进气压力11872Pa、内部压力7221Pa、基板温度为209℃、刮刀、成形缸和送粉轴电机均正常、水冷机已开启、激光器和振镜为启动状态。所有条件成立，1号3D打印机加载金属零件的切片文件，执行3D打印工作。

2号打印机氧含量为408ppm低于金属打印氧含量安全值、惰性气体进气压力12074Pa、内部压力8511Pa、基板温度为203℃、刮刀、成形缸和送粉轴电机均正常、水冷机已开启、激光器和振镜为启动状态。有条件成立，2号3D打印机加载金属零件的切片文件，执行3D打印工作。

3号打印机氧含量为487ppm低于金属打印氧含量安全值、惰性气体进气压力11620Pa、内部压力7034Pa、基板温度为210℃、刮刀、成形缸和送粉轴电机均正常、水冷机已开启、激光器和振镜为启动状态。有条件成立，3号3D打印机加载金属零件的切片文件，执行3D打印工作。

(3)供粉装置抽粉与粉末回收。打印过程中，3D打印机产生的多余粉末逐渐在收粉筒增加。当收粉桶的上部传感器触发，供粉装置匹配收粉桶对应的3D打印机编号，开启编号对应的回粉阀，开启第一连通阀和第一循环风机，利用风机形成风力抽出金属粉末，利用过滤筛过滤粗颗粒，回收细粉末至储粉筒内，直至收粉筒的下部传感器触发，表明此时收粉筒无粉末，供粉装置停止抽粉。

(4)供粉装置供粉。打印过程中，3D打印机上粉筒内的金属粉末逐渐消耗于打印的零件中。当上粉筒的下部传感器触发，供粉装置匹配上粉筒对应的3D打印机编号，开启编号对应的供粉阀，开启第二连通阀和第二循环风机，利用风机形成风力将供粉装置储粉筒内的金属粉末循环送至上粉筒内，直至上粉筒的上部传感器触发，表明此时上粉筒内充满粉末，供粉装置停止供粉。

(5)打印完成。3D打印生产线循环执行步骤2、步骤3和步骤4，直至3D打印机完成打印任务。完成打印后，泄压冷却后3台打印机状态：

1号打印机内部压力21Pa，基板温度22℃，满足取件条件，成功取出零件；

2号打印机内部压力33Pa，基板温度22℃，满足取件条件，成功取出零件；

3号打印机内部压力20Pa，基板温度22℃，满足取件条件，成功取出零件。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种激光选区熔化3D打印生产线系统，其特征在于，包括供粉装置、上粉筒、收粉筒以及多个3D打印机；

所述上粉筒依次设在每个3D打印机上部；

所述收粉筒依次设在每个3D打印机下部；

所述供粉装置分别与每个所述上粉筒和每个所述收粉筒连接；

多个3D打印机上粉筒和收粉筒共用同一供粉装置，能够将打印过程中产生的多余粉末统一集中有效循环利用，在加工过程中有效减少新粉末加入量；

所述供粉装置、所述上粉筒和所述收粉筒内均设有料位传感器和氧含量传感器；

所述料位传感器能够检测所述供粉装置、所述上粉筒和所述收粉筒中的粉末含量；

所述氧含量传感器能够检测所述供粉装置、所述上粉筒和所述收粉筒中的氧含量；

所述料位传感器包括上部传感器和下部传感器；

所述上部传感器触发时表明充满粉末；

所述下部传感器触发时表明缺少粉末。

2.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化3D打印生产线系统，其特征在于，所述供粉装置包括自上而下依次连接的过滤筛、储粉筒和风机，所述过滤筛与所述储粉筒之间设有第一连通阀，所述储粉筒与所述风机之间设有第二连通阀；

所述过滤筛的上侧还与所述第二连通阀的下侧连通。

3.根据权利要求2所述的一种激光选区熔化3D打印生产线系统，其特征在于，所述风机包括第一循环风机和第二循环风机；

所述第一循环风机用于将粉末从所述收粉筒吹送至所述供粉装置内；

所述第二循环风机用于将粉末从所述供粉装置吹送至所述上粉筒内。

4.根据权利要求3所述的一种激光选区熔化3D打印生产线系统，其特征在于，所述第一循环风机与所述收粉筒的一侧连接，所述收粉筒的另一侧与所述过滤筛连接，所述收粉筒与所述过滤筛之间设有回粉阀。

5.根据权利要求3所述的一种激光选区熔化3D打印生产线系统，其特征在于，所述第二循环风机与所述上粉筒的下侧连接，所述上粉筒的上侧与所述过滤筛连接，所述上粉筒与所述过滤筛之间设有供粉阀。

6.一种激光选区熔化3D打印生产线控制方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1～5任一项所述的系统，包括以下步骤：

S1：启动生产线，确定打印机数量及编号，并设置安全参数；

S2：当供粉装置的下部传感器未触发，且满足所述S1中设置的安全参数，启动打印；

S3：当收粉桶的上部传感器触发，将收粉桶内的粉末抽至供粉装置；

S4：当上粉筒的下部传感器触发，将供粉装置内的粉末吹送至上粉筒；

S5：重复S2～S4的判断步骤，直到完成全部打印任务。

7.根据权利要求6所述的一种激光选区熔化3D打印生产线控制方法，其特征在于，所述S3具体包括：当收粉桶的上部传感器触发，供粉装置匹配收粉桶对应的3D打印机编号，开启编号对应的回粉阀，开启第一连通阀和第一循环风机，利用风机形成风力抽出粉末，利用过滤筛过滤粗颗粒，回收细粉末至储粉筒内，直至收粉筒的下部传感器触发，表明此时收粉筒无粉末，供粉装置停止抽粉。

8.根据权利要求6所述的一种激光选区熔化3D打印生产线控制方法，其特征在于，所述S4具体包括：当上粉筒的下部传感器触发，供粉装置匹配上粉筒对应的3D打印机编号，开启编号对应的供粉阀，开启第二连通阀和第二循环风机，利用风机形成风力将供粉装置储粉筒内的粉末循环送至上粉筒内，直至上粉筒的上部传感器触发，表明此时上粉筒内充满粉末，供粉装置停止供粉。

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