CN113997568B - 用于粉末床3d打印的气囊式基板装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的用于粉末床3D打印的气囊式基板装置及其使用方法，包括成型腔、可拆卸网状基板和多个气囊，可拆卸网状基板设置在成型腔内，并通过丝杠和螺母在成型腔内实现上下移动，每个气囊之间相互紧贴且分别活动穿设在可拆卸网状基板的每个网格内，形成气囊阵列，每个气囊底部分别设有输气管，成型腔底部设有与气囊阵列对应的多个通孔，每根输气管分别每个通孔穿出。该气囊式基板装置能够在成型过程中根据模型轮廓动态调整气囊高度，兼顾充当支撑，大量减少支撑体积，且能有效减少耗材和粉末的浪费，且方便安装和拆卸，适合推广。

Description

用于粉末床3D打印的气囊式基板装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及激光3D打印领域，具体地说，是关于一种用于粉末床3D打印的气囊式基板装置及其使用方法。

背景技术

3D打印又称增材制造，是发展智能制造的核心技术之一。粉末床3D打印作为3D打印技术的主要打印方式，在铺粉时会造成粉末的浪费。此外，由于粉末床3D打印技术采取二维逐层打印方式，故需要在打印时添加必要支撑。这将会影响3D打印成型质量和建造成本。

以3D打印中常见的SLM(选区激光熔化)技术为例，一般地，SLM过程的材料产出率约为26％-67％，实际上多数情况不足50％。其浪费主要来源于支撑添加，废件，刮粉和气体循环过程，国内外对粉末床打印中的粉末浪费一般采取废料回收利用或直接废弃，废料的回收利用的条件较为苛刻，故实际上大多采取直接废弃的方式。而对于粉末床打印中支撑处理方式则集中在设计和分析阶段，包括在设计过程对模型进行拓扑优化来减少支撑，在前处理过程中分析模型几何特征来减少支撑。

随着基于粉末床打印的设备向多光束，大幅面的方向发展，打印过程中的粉末浪费势必将更为严重。因此，通过结合粉末床打印设备的特征，进而开发一种能减少粉末浪费，兼顾充当支撑的装置成为必要。

发明内容

为了解决现有粉末床打印过程中粉末浪费的缺陷，本发明提供一种能够减少送粉量的用于粉末床3D打印的气囊式基板装置，具体方案如下：

用于粉末床3D打印的气囊式基板装置，包括成型腔、可拆卸网状基板和多个气囊，所述可拆卸网状基板设置在成型腔内，并通过丝杠和螺母在成型腔内实现上下移动，每个气囊之间相互紧贴且分别活动穿设在可拆卸网状基板的每个网格内，形成气囊阵列，每个气囊底部分别设有输气管，成型腔底部设有与气囊阵列对应的多个通孔，每根输气管分别每个通孔穿出。

进一步地，所述可拆卸网状基板由网状基板、上基板框架和下基板框架连接构成，所述网状基板为网格状，其边缘端部分别设有凸起，上、下基板框架分别设有与凸起对应的凹槽，使网状基板卡合连接在上、下基板框架之间，且上基板框架连接下基板框架，上、下基板框架四端还分别设有与丝杠连接的螺纹孔。

进一步地，所述网状基板的网格密度根据气囊的尺寸进行设定。

进一步地，所述气囊为方形，气囊的上表面经过强化处理为平面。

如所述的用于粉末床3D打印的气囊式基板装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤1.打印前，使气囊阵列的上表面和可拆卸网状基板的初始位置与成型腔顶面处于同一水平面；

步骤2.打印模型过程中，每打印一层，通过驱动丝杠和螺母带动可拆卸网状基板和已打印模型下降该打印一层的高度，与已打印模型相连的气囊跟随已打印模型下降，同时通过调节跟随已打印模型下降气囊的内部气压实现气囊高度的变化，未与已打印模型相连的气囊保持在初始位置不变，重复上述动作至完成整个模型的打印；

步骤3.打印完成后，撤去气囊阵列的内部气压，将已打印模型、可拆卸网状基板和与已打印模型相连的气囊一同取出并分离。

本发明的优点

(1)本发明提供用于粉末床打印的气囊式打印装置的可拆卸式基板与气囊阵列配合，气囊具有自适应性，能够在成型过程中更好的贴近模型轮廓，气囊兼顾充当支撑，大量减少支撑体积，能有效减少耗材和粉末的浪费。

(2)本发明提供的气囊式基板装置的气囊由于采用阵列式排布并紧密贴合在可拆卸网状基板的网格内，以充当基板支撑，气囊之间的紧密贴合能够防止粉末掉落在成型腔内，避免清理不方便的问题，还能够通过灵活调节各气囊的内部气压，以灵活动态调整各气囊高度，贴合模型轮廓，能减少送粉量且便于控制。

(3)本发明提供的可拆卸网状基板能够方便的进行组装和拆卸，有效地提高工作效率。

附图说明

图1为本发明的气囊式基板装置的立体剖面图。

图2为图1的可拆卸网状基板的结构示意图。

图3为图1的可拆卸网状基板与丝杠和螺母的连接结构示意图。

图4为图1在打印模型状态时的粉末使用情况示意图。

图5为现有技术与图4所打印模型相同的情况下的粉末使用情况示意图。

图6为图1的打印悬垂特征模型时的粉末使用情况示意图。

图7为图6所打印模型的俯视图。

图中：1、成型腔；2、气囊；3、网状基板；4、上基板框架；5、下基板框架；6、气管；7、丝杠；8、螺母；9、凸起；10、凹槽；11、刮粉刀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明，需要注意的是，本具体实施例和附图不用于限定本发明的权利范围。

如图1至图3所示，本具体实施例提供的用于粉末床3D打印的气囊式基板装置及其使用方法，包括成型腔1、可拆卸网状基板、多个气囊2和与丝杠7连接的电机(图中未示)，可拆卸网状基板设置在成型腔1内，并通过螺母8与丝杠7配合使可拆卸网状基板在成型腔1内实现上下移动，具体地，如图2所示，可拆卸网状基板由网状基板3、上基板框架4和下基板框架5连接构成，网状基板3为网格状，优选地，能根据气囊2的尺寸选用不同网络密度的网状基板3。网状基板3的边缘端部分别设有凸起9，上、下基板框架4、5分别设有与凸起9对应的凹槽10，使网状基板3卡合连接在上、下基板框架4、5之间，起到便于网状基板3锁紧在上、下基板框架4、5之间，且上基板框架4四端通过螺栓连接下基板框架5四端，上、下基板框架4、5四端还分别设有螺纹孔与丝杠7连接，通过丝杠7和螺母8实现可拆卸网状基板在竖直方向上的移动。丝杠7连接电机(图中未示)。可拆卸网状基板的作用在于方便在成型腔1上的安装和拆卸，在打印结束后，和打印模型一同取出，以便于后续处理。

每个气囊2之间相互紧贴且分别活动穿设在可拆卸网状基板的每个网格内，形成气囊阵列，优选地，气囊2为方形。气囊阵列与网状基板3之间紧密贴合，避免粉末落入。在每个气囊2底部分别设有输气管6，成型腔1为整个气囊式基板装置的支撑部分，成型腔1底部钻有与气囊阵列对应的多个通孔(图中未示)，以便于每根输气管6分别每个通孔穿出。成型腔1的上表面与可拆卸网状基板的上表面处于同一水平面上，以便刮粉刀11顺利通过。

如图1所示，打印开始前，可拆卸网状基板与气囊陈列的初始位置与成型腔1的顶面处于同一水平面上，且与刮粉刀11的平面保持固定距离，在打印过程中，刮粉刀11动作，将粉末送至成型腔1中，刮粉刀11的安装以及将粉末送至成型腔1的位置关系和安装情况均属于现有技术，这里不再具体赘述。每打印一层模型轮廓，电机驱动丝杠7与螺母8配合带动可拆卸网状基板和已打印的模型轮廓下降该打印层的高度，与已打印的模型轮廓相接的气囊2跟随已打印的模型轮廓下降，重复上述动作直到完成整个模型的打印。值得注意的是，为了实现模型在打印过程中沿竖直方向上的精准移动，在打印过程中，激光打印部分模型，可拆卸网状基板下降该部分模型打印高度，在之后的打印过程中，随着可拆卸网状基板的下降，可拆卸网状基板将带动与已打印模型和与已打印模型支撑相连的气囊2一起下降，而未与已打印模型连接的气囊2仍保持在初始位置。

由于气囊2侧表面的柔性和压力的变化，在下降过程中，气囊2侧表面将填充模型间隙，贴合模型轮廓；在打印结束后，撤去气囊阵列的内部气压，将模型、可拆卸网状基板和与模型连接的气囊2一同取出，通过进行模型的后处理将模型、气囊2和可拆卸网状基板三者分离，随后，将处理好的可拆卸网状基板和气囊阵列重新装入成型腔1中。最后，将可拆卸网状基板和气囊阵列进行复位，使可拆卸网状基板和气囊阵列处于初始位置。

如图4所示，气囊2排列在可拆卸网状基板中的网状基板3的网格中，与网状基板3紧密贴合以减少粉末落入接触间隙。气囊2的上表面经过强化处理后有一定强度，因此在整个打印过程中保持平面状态，而气囊2的侧面未经处理，拥有一定的柔性，在打印过程中，打印模型与气囊阵列的部分气囊2的上表面相连接，以起到充当基板的作用，所以当可拆卸网状基板下降时，可拆卸网状基板将带动该与打印模型相连接的部分气囊2下降指定高度，同时控制该与打印模型相连接的部分气囊2内的气压以控制与打印模型相连接的部分气囊2的高度。在打印结束后，将与打印模型相连的部分气囊2与可拆卸网状基板连同打印模型一同取下。将图4和图5进行对比可知，图4为采用本具体实施例的气囊式打印装置的粉末使用量明显少于图5的现有技术的整体式基板的粉末使用量，由于本具体实施例的气囊2能够充当基板使用，减少了打印模型的支撑体积，从而有效地减少了粉末使用量。

需要注意的是，以上工作流程仅限于无悬垂特征的部件。对于存在悬垂特征的部件，则需要有额外处理过程。如图6和图7所示，打印非悬垂部分时，可拆卸网状基板带动已打印模型、与打印模型相连的气囊2向下移动。假设悬垂部分从第n层轮廓开始，当打印至第i层轮廓时(i为经验值，可以将n-i设置为某一定值，也就是将支撑高度设置为某一定值)，从下层开始到第n-1层需要打印支撑部分，以便可拆卸网状基板能带动与支撑部分相连的气囊2一起下降。

因此，气囊2的作用在于：一是气囊2的上表面作为基板的一部分，以充当部分支撑，减少粉材消耗；二是气囊2的侧面贴合模型，进一步减少粉材消耗，打印模型过程中，根据每层打印模型的轮廓实时调节与已打印模型相连部分的气囊2的内部气压，以调整并适应模型下降的高度。

用于粉末床3D打印的气囊式基板装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤1.打印前，使气囊阵列的上表面和可拆卸网状基板的初始位置与成型腔1顶面处于同一水平面；

步骤2.打印模型过程中，每打印一层，通过电机(未示意)驱动丝杠7与螺母8配合带动可拆卸网状基板和已打印模型下降该打印一层的高度，与已打印模型相连的气囊2跟随该打印模型下降，同时通过调节跟随已打印模型下降气囊的内部气压实现气囊2高度的变化，未与已打印模型相连的气囊2保持在初始位置不变，重复上述动作至完成整个模型的打印；

步骤3.打印完成后，撤去气囊阵列的内部气压，将已打印模型、可拆卸网状基板和与已打印模型相连的气囊一同取出并分离，将分离好的可拆卸网状基板和气囊阵列重新装入成型腔1内，并复位至步骤1的状态。随后，将处理好的可拆卸网状基板和气囊阵列重新装入成型腔中，最后，将可拆卸网状基板和气囊阵列进行复位，使整个可拆卸网状基板和气囊阵列处于初始位置。

Claims (3)

1.用于粉末床3D打印的气囊式基板装置，其特征在于，包括成型腔、可拆卸网状基板和多个气囊，所述可拆卸网状基板设置在成型腔内，并通过丝杠和螺母在成型腔内实现上下移动，每个气囊之间相互紧贴且分别活动穿设在可拆卸网状基板的每个网格内，形成气囊阵列，每个气囊底部分别设有输气管，成型腔底部设有与气囊阵列对应的多个通孔，每根输气管分别每个通孔穿出，所述可拆卸网状基板由网状基板、上基板框架和下基板框架连接构成，所述网状基板为网格状，其边缘端部分别设有凸起，上、下基板框架分别设有与凸起对应的凹槽，使网状基板卡合连接在上、下基板框架之间，且上基板框架连接下基板框架，上、下基板框架四端还分别设有与丝杠连接的螺纹孔，所述气囊为方形，气囊的上表面经过强化处理为平面。

2.根据权利要求1所述的用于粉末床3D打印的气囊式基板装置，其特征在于，所述网状基板的网格密度根据气囊的尺寸进行设定。

3.如权利要求1或2所述的用于粉末床3D打印的气囊式基板装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.打印前，使气囊阵列的上表面和可拆卸网状基板的初始位置与成型腔顶面处于同一水平面；

步骤2.打印模型过程中，每打印一层，通过驱动丝杠和螺母带动可拆卸网状基板和已打印模型下降该打印一层的高度，与已打印模型相连的气囊跟随已打印模型下降，同时通过调节跟随已打印模型下降气囊的内部气压实现气囊高度的变化，未与已打印模型相连的气囊保持在初始位置不变，重复上述打印模型过程中的动作至完成整个模型的打印；

步骤3.打印完成后，撤去气囊阵列的内部气压，将已打印模型、可拆卸网状基板和与已打印模型相连的气囊一同取出并分离。