CN114042937A - 一种打印中空圆筒型构件的3d打印专用设备及其打印方法 - Google Patents

一种打印中空圆筒型构件的3d打印专用设备及其打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种打印中空圆筒型构件的3D打印专用设备及其打印方法，包括打印装置和铺粉装置，所述打印装置包括装置壳体和打印基板，所述打印基板位于所述装置壳体的内部并在所述装置壳体的内部上下移动；所述铺粉装置悬挂在所述打印装置的上方，所述铺粉装置包括平台整体、送粉管道、若干个激光振镜和若干个刮刀；若干个所述刮刀均与所述平台整体转动连接；每个所述刮刀的下端面与所述打印基板之间的距离不同。本发明采用多个可旋转的刮刀及对应数量的激光振镜，将打印基板分为若干个打印区域，实现分区激光和打印，通过设置每个刮刀与打印基板之间距离的连续变化实现阶梯式旋转铺粉，可将打印效率提升接近16倍，最终提高产品质量。

Description

一种打印中空圆筒型构件的3D打印专用设备及其打印方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种打印中空圆筒型构件的3D打印专用设备及其打印方法。
背景技术
目前主流的金属3D打印技术SLM(激光选区熔化技术)是一种新兴的增材制造技术，通过逐层铺粉熔化金属粉末叠加实现零件的制备过程，在激光选区熔化过程中，经聚焦后的机管员按CAD图形数据对工作平台粉末进行选择烧结，高能的聚焦激光束使得粉末完全熔化和紧密结合。采用激光选区熔化技术制备出的零件可以达到理论密度水平，是一种极具发展前景的快速成型技术，尤其在航空航天、模具、石油管道等领域有着极为重要的应用前景。
目前在航空航天，石油管道，燃气轮机领域有不少中空圆筒型的大型结构件可以用3D打印技术进行研发和生产。但是，市面上的金属3D打印机没有针对此类产品的专用设备。现有的3D打印设备在打印这些中空圆筒型的大型结构件时，打印一件产品往往需要十几天甚至一个月的时间，产品在长时间的打印过程中已经逐渐释放应力，导致产品的最终形变超差。针对中空圆筒型的大型结构件急需一套高效率稳定的金属3D打印专用设备。
有鉴于此，设计一种针对中空圆筒型构件的3D打印专用设备及其打印方法，设置多个刮刀和对应的激光振镜实现分区及阶梯式打印，提升打印效率，最终提高产品质量，对本领域技术人员来说是有必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种打印中空圆筒型构件的3D打印专用设备及其打印方法以提升打印效率。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种打印中空圆筒型构件的3D打印专用设备，包括
打印装置，所述打印装置包括装置壳体和打印基板，所述打印基板位于所述装置壳体的内部并在所述装置壳体的内部上下移动，所述打印基板用于承载3D打印粉末及形成的产品；
铺粉装置，所述铺粉装置悬挂在所述打印装置的上方，所述铺粉装置包括平台整体、送粉管道、若干个激光振镜和若干个刮刀，
所述送粉管道与每个所述刮刀均连通，所述送粉管道用于向所述刮刀提供3D打印粉末；
若干个所述激光振镜均位于所述平台整体的上方，所述激光振镜用于发出激光照射打印基板上的3D打印粉末，使其固化；
若干个所述刮刀均位于所述平台的下方，若干个所述刮刀均与所述平台整体转动连接；每个所述刮刀的下端面与所述打印基板之间的距离不同。
优选地，所述装置壳体为中空圆柱壳体，所述打印基板为圆台，所述圆台的外圈半径略小于或等于所述中空圆柱壳体的内圈半径。
优选地，所述打印基板在所述装置壳体内部上下移动通过移动装置实现，所述移动装置位于所述打印基板的下方并与所述装置壳体固定连接。
优选地，所述移动装置包括丝杆驱动电机、固定平台和若干个丝杆；若干个所述丝杆均匀分布在所述打印基板在所述固定平台之间，所述丝杆驱动电机位于所述固定平台的下方。
优选地，若干个所述刮刀与所述平台整体之间转动连接通过转动装置实现，所述转动装置包括转轴和旋转驱动电机。
上文中，由于若干个所述刮刀与所述平台整体之间设置有转轴，转轴覆盖部分不能打印产品，所以本申请所述的3D打印专用设备只适用于打印中空筒型构件或者批量生产小于圆台半径的产品。
优选地，若干个所述刮刀均匀分布在所述转轴的下端并与所述转轴固定连接。
优选地，所述转轴的内部设置有中空结构，所述送粉管道与所述刮刀之间通过转轴内部的中空结构实现连通。
优选地，所述刮刀包括入粉口和出粉口，所述出粉口的一侧或两侧设置有刀片。
优选地，所述出粉口的两侧各设置有一个刀片，每个所述刀片与所述出粉口之间的距离相同，两个所述刀片的结构、形状和大小均相同。
优选地，所述刮刀的内部设置有中空腔体，所述入粉口和出粉口之间通过中空腔体进行连通，所述入粉口与所述中空结构连通。
上文中，当所述送粉管道通入所述3D打印粉末时，所述3D打印粉末从所述送粉管道流入所述中空结构中，再通过中空结构上连接的入粉口流向刮刀，3D打印粉末流入刮刀后通过中空腔体流向出粉口并从出粉口流出刮刀流向打印基板，通过刀片对打印基板上的3D打印粉末进行铺粉。
优选地，若干个所述刮刀将所述打印基板分为若干个打印区域，所述激光振镜位于相邻两个所述刮刀形成的打印区域的正上方。
优选地，所述刮刀的数量与所述激光振镜的数量相同，均为4个；4个所述刮刀分别为一级阶梯刮刀、二级阶梯刮刀、三级阶梯刮刀和四级阶梯刮刀；相邻两个所述刮刀之间的夹角均为90°；4个所述刮刀将所述打印基板分为打印区域A、打印区域B、打印区域C和打印区域D；4个所述激光振镜分别为激光振镜A、激光振镜B、激光振镜C和第四激光D，所述激光振镜A位于所述打印区域A的正上方，所述激光振镜B位于所述打印区域B的正上方，所述激光振镜C位于所述打印区域C的正上方，所述激光振镜D位于所述打印区域D的正上方。
优选地，一个所述刮刀的下端面与所述打印基板之间的距离最短，其距离为距离L，其他所述刮刀的下端面与所述打印基板之间的距离从该刮刀开始沿其旋转方向逐渐增加。
优选地，所述距离L为一层3D打印粉末的厚度，其他所述刮刀的下端面与所述打印基板之间的距离从该刮刀开始沿其旋转方向逐渐增加一个距离L。
优选地，一级阶梯刮刀、二级阶梯刮刀、三级阶梯刮刀和四级阶梯刮刀的下端面与所述打印基板之间的距离不同；所述一级阶梯刮刀的下端面与所述打印基板之间的距离最短，为距离L，即一层3D打印粉末的厚度；所述二级阶梯刮刀的下端面与所述打印基板之间的距离为距离2L，即两层3D打印粉末的厚度；所述三级阶梯刮刀的下端面与所述打印基板之间的距离为距离3L，即三层3D打印粉末的厚度；所述四级阶梯刮刀的下端面与所述打印基板之间的距离为距离4L，即四层3D打印粉末的厚度。
优选地，所述一层3D打印粉末的厚度为15μm～60μm；更优选地为30μm～45μm。
优选地，每个所述刮刀与所述转轴之间均设置有高度调节机构，所述高度调节结构包括滑轨、位于所述滑轨上方的滑块和限位装置，所述滑轨的一侧设置有调节刻度，所述滑块与所述刮刀固定连接。
本申请还要求保护一种打印中空圆筒型构件的3D打印方法，采用上文所述的3D打印专用设备，包括以下步骤：
S1、建立待打印产品的三维立体结构模型，并对三维立体结构模型进行切片分层处理，将分层后的数据导入3D打印专用设备中；
S2、通过步骤S1中设置的分层厚度选定3D打印专用设备的运行参数和分区数量，包括激光振镜的激光脉冲宽度、功率密度、光束焦斑、刮刀转速、打印基板移速、打印层厚和打印速度；
S3、根据步骤S3中选定的运行参数，进行初始化；
S4、向送粉管道通入3D打印粉末并流向各个刮刀中，并通过刮刀输送至打印基板的各个分区中；
S5、控制每个刮刀进行旋转，对打印基板上的3D打印粉末进行阶梯式铺粉；
S6、激光振镜根据设置的激光脉冲宽度、功率密度和光束焦斑，对打印平台上的3D打印粉末进行激光照射，使其固化；
S7、根据设置的刮刀转速、打印基板移速、打印层厚和打印速度，控制打印基板在装置壳体内下降，每次下降均保证每个所述刮刀的下端面与所述打印基板之间的距离不变；
S8、重复步骤S4-S7，直到完成所有分层切片的打印，得到样品；
S9、取下样品，对样品进行后续处理，得到最终产品。
优选地，步骤S4执行之前需要根据步骤S3中选定的分区数量选定相应的刮刀数量和激光振镜数量；并调节每个所述刮刀的下端面与所述打印基板之间的距离及所述激光振镜的摆放位置。
上文中，每个所述激光振镜对应一个打印区域，所述刮刀每旋转一圈，可铺粉n层粉末，所述n为正整数，所述n与所述打印区域的数量相同，即n与所述激光振镜或刮刀的数量相同。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1.本发明适用于打印中空圆筒形结构件，采用多个可旋转的刮刀及对应数量的激光振镜，将打印基板分为若干个打印区域，实现分区激光和打印，通过设置每个刮刀与打印基板之间距离的连续变化实现阶梯式旋转铺粉，可将打印效率提升接近16倍，能够确保铺粉打印工作高效运行，进而提升了生产效率，最终提高产品质量；
2.本发明通过刮刀旋转、打印基板移动和激光照射共同配合，实现了持续铺粉和持续出光，中间无需停顿，实现了连续打印，通过转轴与送分管道连通集成，缩小了设备体积；
3.本发明通过简单的结构实现铺粉、激光固化，使用方便，提高了生产效率和生产质量，满足生产使用的需要。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的一些附图是本发明的一些实施方式，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为本发明一种实施例的正视图；
图2为本发明图1中A部分的放大示意图；
图3为本发明一种实施例的立体结构示意图。
其中，1、打印装置；2、装置壳体；3、打印基板；4、铺粉装置；5、平台整体；6、送粉管道；7、激光振镜；8、刮刀；9、移动装置；10、转动装置；
11、打印区域A；12、打印区域B；13、打印区域C；14、打印区域D；
15、距离L；16、距离2L；17、距离3L；18、距离4L；
71、激光振镜A；72、激光振镜B；73、激光振镜C；74、激光振镜D；
81、一级阶梯刮刀；82、二级阶梯刮刀；83、三级阶梯刮刀；84、四级阶梯刮刀；
91、丝杆驱动电机；92、固定平台；93、丝杆；
101、转轴；102、旋转驱动电机。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
实施例一
如图1所示，一种打印中空圆筒型构件的3D打印专用设备，包括
打印装置1，所述打印装置包括装置壳体2和打印基板3，所述打印基板位于所述装置壳体的内部并在所述装置壳体的内部上下移动，所述打印基板用于承载3D打印粉末及形成的产品；
铺粉装置4，所述铺粉装置悬挂在所述打印装置的上方，所述铺粉装置包括平台整体5、送粉管道6、若干个激光振镜7和若干个刮刀8，
所述送粉管道与每个所述刮刀均连通，所述送粉管道用于向所述刮刀提供3D打印粉末；
若干个所述激光振镜均位于所述平台整体的上方，所述激光振镜用于发出激光照射打印基板上的3D打印粉末，使其固化；
若干个所述刮刀均位于所述平台的下方，若干个所述刮刀均与所述平台整体转动连接；每个所述刮刀的下端面与所述打印基板之间的距离不同。
进一步的，所述装置壳体为中空圆柱壳体，所述打印基板为圆台，所述圆台的外圈半径略小于或等于所述中空圆柱壳体的内圈半径。
进一步的，所述打印基板在所述装置壳体内部上下移动通过移动装置9实现，所述移动装置位于所述打印基板的下方并与所述装置壳体固定连接。
进一步的，所述移动装置包括丝杆驱动电机91、固定平台92和若干个丝杆93；若干个所述丝杆均匀分布在所述打印基板在所述固定平台之间，所述丝杆驱动电机位于所述固定平台的下方。
进一步的，所述丝杆的数量为4个，4个所述丝杆均匀分布在所述所述打印基板在所述固定平台之间，所述固定平台上设置有供所述丝杆上下移动的移动孔，所述丝杆插入所述固定平台上的移动孔中。
进一步的，若干个所述刮刀与所述平台整体之间转动连接通过转动装置10实现，所述转动装置包括转轴101和旋转驱动电机102。
上文中，由于若干个所述刮刀与所述平台整体之间设置有转轴，转轴覆盖部分不能打印产品，所以本申请所述的3D打印专用设备只适用于打印中空筒型构件或者批量生产小于圆台半径的产品。
进一步的，若干个所述刮刀均匀分布在所述转轴的下端并与所述转轴固定连接。
进一步的，所述转轴的内部设置有中空结构，所述送粉管道与所述刮刀之间通过转轴内部的中空结构实现连通。
进一步的，所述刮刀包括入粉口和出粉口，所述出粉口的一侧或两侧设置有刀片。
进一步的，所述出粉口的两侧各设置有一个刀片，每个所述刀片与所述出粉口之间的距离相同，两个所述刀片的结构、形状和大小均相同。
进一步的，所述刮刀的内部设置有中空腔体，所述入粉口和出粉口之间通过中空腔体进行连通，所述入粉口与所述中空结构连通。
上文中，当所述送粉管道通入所述3D打印粉末时，所述3D打印粉末从所述送粉管道流入所述中空结构中，再通过中空结构上连接的入粉口流向刮刀，3D打印粉末流入刮刀后通过中空腔体流向出粉口并从出粉口流出刮刀流向打印基板，通过刀片对打印基板上的3D打印粉末进行铺粉。
进一步的，若干个所述刮刀将所述打印基板分为若干个打印区域，所述激光振镜位于相邻两个所述刮刀形成的打印区域的正上方。
进一步的，一个所述刮刀的下端面与所述打印基板之间的距离最短，其距离为距离L，其他所述刮刀的下端面与所述打印基板之间的距离从该刮刀开始沿其旋转方向逐渐增加。
进一步的，所述距离L为一层3D打印粉末的厚度，其他所述刮刀的下端面与所述打印基板之间的距离从该刮刀开始沿其旋转方向逐渐增加一个距离L。
进一步的，所述一层3D打印粉末的厚度为15μm～60μm；更进一步的为30μm～45μm。
实施例二
本实施例是在实施例一的基础上进行的，与实施例一相同之处不予赘述。
如图2-图3所示，所述刮刀的数量与所述激光振镜的数量相同，均为4个；4个所述刮刀分别为一级阶梯刮刀81、二级阶梯刮刀82、三级阶梯刮刀83和四级阶梯刮刀84；相邻两个所述刮刀之间的夹角均为90°；4个所述刮刀将所述打印基板分为打印区域A11、打印区域B12、打印区域C13和打印区域D14；4个所述激光振镜分别为激光振镜A71、激光振镜B72、激光振镜C73和第四激光D74，所述激光振镜A位于所述打印区域A的正上方，所述激光振镜B位于所述打印区域B的正上方，所述激光振镜C位于所述打印区域C的正上方，所述激光振镜D位于所述打印区域D的正上方。
进一步的，一级阶梯刮刀、二级阶梯刮刀、三级阶梯刮刀和四级阶梯刮刀的下端面与所述打印基板之间的距离不同；所述一级阶梯刮刀的下端面与所述打印基板之间的距离最短，为距离L15，即一层3D打印粉末的厚度；所述二级阶梯刮刀的下端面与所述打印基板之间的距离为距离2L16，即两层3D打印粉末的厚度；所述三级阶梯刮刀的下端面与所述打印基板之间的距离为距离3L17，即三层3D打印粉末的厚度；所述四级阶梯刮刀的下端面与所述打印基板之间的距离为距离4L18，即四层3D打印粉末的厚度。
进一步的，每个所述刮刀与所述转轴之间均设置有高度调节机构，所述高度调节结构包括滑轨、位于所述滑轨上方的滑块和限位装置，所述滑轨的一侧设置有调节刻度，所述滑块与所述刮刀固定连接。
实施例三
本实施例是在实施例一或实施例二的基础上进行的，与实施例一或二相同之处不予赘述。
本实施例涉及一种打印中空圆筒型构件的3D打印方法，采用实施例一或二所述的3D打印专用设备，包括以下步骤：
S1、建立待打印产品的三维立体结构模型，并对三维立体结构模型进行切片分层处理，将分层后的数据导入3D打印专用设备中；
S2、通过步骤S1中设置的分层厚度选定3D打印专用设备的运行参数和分区数量，包括激光振镜的激光脉冲宽度、功率密度、光束焦斑、刮刀转速、打印基板移速、打印层厚和打印速度；
S3、根据步骤S3中选定的运行参数，进行初始化；
S4、向送粉管道通入3D打印粉末并流向各个刮刀中，并通过刮刀输送至打印基板的各个分区中；
S5、控制每个刮刀进行旋转，对打印基板上的3D打印粉末进行阶梯式铺粉；
S6、激光振镜根据设置的激光脉冲宽度、功率密度和光束焦斑，对打印平台上的3D打印粉末进行激光照射，使其固化；
S7、根据设置的刮刀转速、打印基板移速、打印层厚和打印速度，控制打印基板在装置壳体内下降，每次下降均保证每个所述刮刀的下端面与所述打印基板之间的距离不变；
S8、重复步骤S4-S7，直到完成所有分层切片的打印，得到样品；
S9、取下样品，对样品进行后续处理，得到最终产品。
进一步的，步骤S4执行之前需要根据步骤S3中选定的分区数量选定相应的刮刀数量和激光振镜数量；并调节每个所述刮刀的下端面与所述打印基板之间的距离及所述激光振镜的摆放位置。
上文中，每个所述激光振镜对应一个打印区域，所述刮刀每旋转一圈，可铺粉n层粉末，所述n为正整数，所述n与所述打印区域的数量相同，即n与所述激光振镜或刮刀的数量相同。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种打印中空圆筒型构件的3D打印专用设备，其特征在于，包括
打印装置，所述打印装置包括装置壳体和打印基板，所述打印基板位于所述装置壳体的内部并在所述装置壳体的内部上下移动，所述打印基板用于承载3D打印粉末及形成的产品；
铺粉装置，所述铺粉装置悬挂在所述打印装置的上方，所述铺粉装置包括平台整体、送粉管道、若干个激光振镜和若干个刮刀，
所述送粉管道与每个所述刮刀均连通，所述送粉管道用于向所述刮刀提供3D打印粉末；
若干个所述激光振镜均位于所述平台整体的上方，所述激光振镜用于发出激光照射打印基板上的3D打印粉末，使其固化；
若干个所述刮刀均位于所述平台的下方，若干个所述刮刀均与所述平台整体转动连接；每个所述刮刀的下端面与所述打印基板之间的距离不同。
2.根据权利要求1所述的一种打印中空圆筒型构件的3D打印专用设备，其特征在于，所述打印基板在所述装置壳体内部上下移动通过移动装置实现，所述移动装置位于所述打印基板的下方并与所述装置壳体固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种打印中空圆筒型构件的3D打印专用设备，其特征在于，所述移动装置包括丝杆驱动电机、固定平台和若干个丝杆；若干个所述丝杆均匀分布在所述打印基板在所述固定平台之间，所述丝杆驱动电机位于所述固定平台的下方。
4.根据权利要求1所述的一种打印中空圆筒型构件的3D打印专用设备，其特征在于，若干个所述刮刀与所述平台整体之间转动连接通过转动装置实现，所述转动装置包括转轴和旋转驱动电机。
5.根据权利要求4所述的一种打印中空圆筒型构件的3D打印专用设备，其特征在于，若干个所述刮刀均匀分布在所述转轴的下端并与所述转轴固定连接。
6.根据权利要求4所述的一种打印中空圆筒型构件的3D打印专用设备，其特征在于，所述转轴的内部设置有中空结构，所述送粉管道与所述刮刀之间通过转轴内部的中空结构实现连通。
7.根据权利要求1所述的一种打印中空圆筒型构件的3D打印专用设备，其特征在于，所述刮刀包括入粉口和出粉口，所述出粉口的一侧或两侧设置有刀片。
8.根据权利要求1所述的一种打印中空圆筒型构件的3D打印专用设备，其特征在于，若干个所述刮刀将所述打印基板分为若干个打印区域，所述激光振镜位于相邻两个所述刮刀形成的打印区域的正上方。
9.根据权利要求1所述的一种打印中空圆筒型构件的3D打印专用设备，其特征在于，一个所述刮刀的下端面与所述打印基板之间的距离最短，其距离为距离L，其他所述刮刀的下端面与所述打印基板之间的距离从该刮刀开始沿其旋转方向逐渐增加。
10.一种打印中空圆筒型构件的3D打印方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的3D打印专用设备，包括以下步骤：
S 1、建立待打印产品的三维立体结构模型，并对三维立体结构模型进行切片分层处理，将分层后的数据导入3D打印专用设备中；
S2、通过步骤S1中设置的分层厚度选定3D打印专用设备的运行参数和分区数量，包括激光振镜的激光脉冲宽度、功率密度、光束焦斑、刮刀转速、打印基板移速、打印层厚和打印速度；
S3、根据步骤S3中选定的运行参数，进行初始化；
S4、向送粉管道通入3D打印粉末并流向各个刮刀中，并通过刮刀输送至打印基板的各个分区中；
S5、控制每个刮刀进行旋转，对打印基板上的3D打印粉末进行阶梯式铺粉；
S6、激光振镜根据设置的激光脉冲宽度、功率密度和光束焦斑，对打印平台上的3D打印粉末进行激光照射，使其固化；
S7、根据设置的刮刀转速、打印基板移速、打印层厚和打印速度，控制打印基板在装置壳体内下降，每次下降均保证每个所述刮刀的下端面与所述打印基板之间的距离不变；
S8、重复步骤S4-S7，直到完成所有分层切片的打印，得到样品；
S9、取下样品，对样品进行后续处理，得到最终产品。
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