CN114131053B - 用于3d打印机的顶杆式成型装置及应用 - Google Patents

Abstract

本发明的用于3D打印机的顶杆式成型装置包括成型腔，所述成型腔底部以方形阵列方式设有多个第一通孔，每个第一通孔上方分别安装有顶升气缸，每个顶升气缸的气管分别从每个第一通孔活动穿出，每个顶升气缸的推杆分别连接顶杆底端，每根顶杆顶端分别可拆卸连接基板，每块基板之间相互紧贴。该顶杆式成型装置能根据所需打印的模型结构，在打印过程中能通过顶杆调节每块基板的高度，使非打印区域通过基板填充，以减少非打印区域的填充体积以及模型所需支撑的体积，从而有效地减少粉末浪费，达到省粉的目的，适合推广。

Description

用于3D打印机的顶杆式成型装置及应用

技术领域

本发明涉及激光3D打印领域，具体涉及一种用于3D打印机的顶杆式成型装置及其应用。

背景技术

选区激光熔化(SLM)是金属增材制造技术中最重要，应用最广泛，最具前景的技术之一，已被列入国家关键核心技术之中。影响SLM成型质量和建造成本的因素有很多，粉末浪费和必要支撑的添加是主要原因。

通常，SLM过程的材料利用率多数不足50％，其浪费主要来源于支撑添加，废件，铺粉和气体循环过程，而国内外对SLM中的粉末浪费并没有很好的解决方案。如中国专利库公开的一种金属粉末3D打印机(申请号201910292196.9，公告号：CN109877322B)，其中，包括第一支撑板(2)、第二支撑板(3)、操作板(4)、加工槽(5)、移动板(11)、抬升装置、铺粉装置(3)，所述第一支撑板(2)和第二支撑板(3)上端固定连接有操作板(4)，操作板(4)上端中心位置开有加工槽(5)，加工槽(5)下端左右两侧设有固定连接在所述第二支撑板(3)之间的连接板(8)，左右所述连接板(8)上端内侧开有位于所述加工槽(5)下端的滑动槽(10)，滑动槽(10)内滑动连接有移动板(11)，所述移动板(11)下端设有位于左右所述连接板(8)内侧的抬升装置(29)，抬升装置包括位于所述移动板(11)下端的抬升板(44)，加工槽(5)两端分别连接移动板(11)，两移动板(11)分别连接抬升板(44)两端，抬升板(44)连接丝杆(51)，丝杆(51)连接电机(60)，操作板(4)左端上侧设有铺粉装置，铺粉装置包括位于所述操作板(4)上端左侧的铺粉辊(30)和控制铺粉辊(30)沿着操作板(4)的方向来回移动的传动装置和导向装置。

上述加工槽(5)顶部为整体式的一块钢板，该钢板熟称为基板，打印时，粉末需填充整块钢板上方区域、且模型所需支撑体积固定不变，因此，打印过程中会造成的粉末浪费严重。

对于SLM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，在切片过程中分析模型几何特征来减少支撑。随着SLM设备向大幅面方向发展，打印过程中的粉末浪费更加严重，通过结合SLM设备特征，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

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种能够有效减少粉末浪费的用于3D打印机的顶杆式成型装置，具体方案如下：

用于3D打印机的顶杆式成型装置，包括成型腔，所述成型腔底部以方形阵列方式设有多个第一通孔，每个第一通孔上方分别安装有顶升气缸，每个顶升气缸的气管分别从每个第一通孔活动穿出，每个顶升气缸的推杆分别连接顶杆底端，每根顶杆顶端分别可拆卸连接基板，多块基板之间相互紧贴。

进一步地，还包括粉末收集器，所述粉末收集器安装在成型腔顶部内，粉末收集器包括上集器和下盖板，上集器为方形槽体，下盖板固定在上集器底部，上集器底部设有与多个第一通孔对应的且贯穿于下盖板的第二通孔，每个第二通孔一侧均分别设有销槽，在每个销槽内固定连接滚珠弹簧销，所述每根顶杆顶端分别活动穿过第二通孔可拆卸连接基板，每根顶杆由上至下分别设有多个卡槽，使滚珠弹簧销与顶杆顶升时所对应的卡槽实现自锁。

进一步地，所述第二通孔为方形孔。

进一步地，所述卡槽由半球凹部和锥形凹部连通构成的水滴状凹槽。

进一步地，所述滚珠弹簧销由弹簧和滚珠连接构成，所述弹簧一端固定在销槽内，另一端连接滚珠。

进一步地，所述基板为方块状。

如所述的用于3D打印机的顶杆式成型装置在金属粉末3D打印机中的应用。

如所述的用于3D打印机的顶杆式成型装置在金属粉末3D打印机中的应用，包括如下步骤：步骤1：初始状态下，将所有基板保持在同一水平面；

步骤2：打印过程中，逐层打印模型的每层切片层的同时，控制与模型当前切片层边缘不相连的基板通过其连接的顶升气缸带动向上顶升，使其保持在上一层切片层高度；

步骤3：每当打印n个切片层高度时，在该高度的每个基板所连接的顶杆上的卡槽分别对应在销槽的位置完成自锁后，继续按步骤2的方法逐层打印模型，直至模型打印完成。

本发明的优点

(1)本发明的用于3D打印机的顶杆式成型装置的基板为分体式，与现有技术的整体式基板相比，本发明的基板在打印过程中，能根据模型的切片轮廓，通过顶杆动态调节未与模型相交的基板的高度，使非打印区域通过基板填充，以减少非打印区域的粉末填充量，以及支撑模型所需的支撑体积，从而有效地减少粉末浪费，达到省粉的目的。且在动态调整基板高度时，能根据打印模型的具体情况采取不同的顶升模式，具有打印各种模型工况的适应性。

(2)本发明的顶杆式成型装置具有模型取出的便捷性：本发明的分体式基板是针对粉末床成型过程中粉末浪费的情况设计的，打印的幅面越大，适用性越好。由于粉末床成型的特点，模型与下端基板连接紧密，尤其在SLM加工过程中，由于激光加热使粉末熔化，熔化后的金属粉末会牢牢黏附在基板上。当打印结束时，需要将模型与基板一起取出。目前，大幅面打印机已经有800*400mm幅面，在此幅面下打印的模型与基板取出时，其重量可想而知。本发明的顶杆式成型装置，在打印结束后，能将模型只与模型相连接的基板取出即可，大大减轻了取出模型件的难度。

(3)本发明的顶杆式成型装置具有基板后处理的便捷性：当打印幅面较大时，对于现有技术中的整体式的基板设计(整个基板为一块钢板)，需要对整块基板进行线切割，对线切割设备提出了更高的要求，此外，当模型取下后，需要对基板进行磨削操作，使得整个基板表面平整。对大幅面的基板进行磨削，操作难度大，且易导致基板变形弯曲，影响基板寿命。本发明是多块基板紧密连接构成的分体式基板，只需要将每个基板磨削相同高度，分体式的基板操作简单，易于实现。

(4)本发明的顶杆式成型装置具有基板安装的便捷性：对于大幅面的基板，当尺寸足够大时，在基板安装调平将不可避免的借助起升机械，这大大增加了基板安装的难度。如果在SLM加工工艺中，由于激光快冷快热的特点，容易导致基板的翘曲变形。当翘曲变形发生在基板中间区域时，将难以调平基板。本发明的分体式的基板，安装便捷，无需借助起升机械，由于每块基板面积相对较小，不易发生变形，且能柔性调节区域高度，实现打印区域水平。

(5)本发明的顶杆式成型装置中的基板与顶杆顶端可拆卸式连接，既方便于打印开始前基板安装以及调平；又便于打印结束后，仅需将所需要的打印模型与打印模型相连的部分基板取出即可。

附图说明

图1为本发明的用于3D打印机的顶杆式成型装置的部分内部结构示意图。

图2为图1的整体结构示意图。

图3为图2的粉末收集器、基板、顶杆和顶升气缸的连接结构示意图。

图4为图1的滚珠弹簧销与卡槽实现自锁的放大图。

图5为图1的基板与顶杆安装后的示意图

图6为图1的基板与顶杆拆卸后的示意图。

图7为图2在打印前的初始状态示意图。

图8为图7的打印状态和粉末使用情况示意图。

图9为现有技术的成型装置的打印状态和粉末使用情况示意图。

图10为图1安装在现有成型缸装置上的位置示意图。

1：成型腔；2：上集器；3：弹簧；4：钢珠；5：基板；6：顶杆；7：下盖板；8：顶升气缸；9：气管；10：卡槽；11：第一通孔；12：第二通孔；13：销槽；14：铺粉辊；15：粉末；16：待打印模型；17：已打印模型；18：打印模型的支撑柱；19：第一支撑板；20：第二支撑板；21：操作板；22：连接板；23：滑动槽；24：移动板；25：抬升板；26：丝杆；27：电机；h：n个切片层的高度；H：两个相邻卡槽之间间距。

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地解释说明，需要注意的是，本发明的权利范围不受本具体实施例的限定。

在本发明的描述中，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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1至图6所示，本具体实施例提供的用于3D打印机的顶杆式成型装置包括成型腔1和粉末收集器，粉末收集器固定安装在成型腔1顶部内侧，且成型腔1与上集器2的上表面分别处于同一平面上，以便打印机的铺粉辊14能够顺利通过，且不浪费空间。

粉末收集器包括上集器2和下盖板7，上集器2为方形槽体，下盖板7固定在上集器2底部，并确保两者之间无缝隙存在。

成型腔1底部以方形阵列方式设有多个第一通孔11，每个第一通孔11上方分别安装有顶升气缸8，每个顶升气缸8的气管分别从每个第一通孔11活动穿出，第一通孔11目的在于方便顶升气缸8的气管9活动穿出成型腔1外。

在上集器2底部设有与多个第一通孔11对应的且贯穿于下盖板7的第二通孔12，第二通孔12与顶杆6配合能起到导轨的作用。优选地，第二通孔12为方形孔。每个第二通孔12一侧均分别设有销槽13，在每个销槽13内固定连接滚珠弹簧销，滚珠弹簧销由弹簧3和滚珠4连接构成，滚珠4由钢质材料制成，弹簧3一端固定在销槽13内，另一端连接滚珠4。

将每个顶升气缸8的推杆分别连接顶杆6底端，每根顶杆6顶端分别活动穿过第二通孔12可拆卸连接每块基板5，多块基板5之间相互紧贴。优选地，基板5为小方块状。每根顶杆6由上至下分别设有多个等距卡槽10。两个相邻卡槽10之间间距H为n个切片层高度h，每当打印模型打印至n个切片层高度h时，当前切片层的基板5与模型切片轮廓相交，则该基板5保持原有的高度不变，当前切片层的基板5与模型切片轮廓不相交，则控制顶升气缸8的推杆带动顶杆6向上顶升至下一个卡槽10，该卡槽10对应在销槽13的位置，滚珠弹簧销弹入卡槽10内实现自锁，顶升气缸8需保持压力，以便减缓上集器2与下盖板7之间的压力分布状况。优选地，卡槽10由半球凹部和锥形凹部连通构成的水滴状凹槽，目的是为了实现单向自锁功能。

粉料收集器的在于一是收集从基板5的间隙处散落下的粉末；二是防止粉末掉落在粉末收集器下方的其他装置，导致清理不方便以及影响其他装置的使用功能和寿命；三是能配合顶杆6、滚珠弹簧销和顶升气缸8完成对顶杆6的顶升动作。

滚珠弹簧销的作用在于将弹簧3力的作用在顶杆6上的卡槽10上，使滚珠4与卡槽10实现自锁。当顶升气缸8的推杆推动顶杆6上升的过程中，若顶杆6上的卡槽10未达到销槽13的位置时，滚珠4无法弹出，若顶杆6上的卡槽10上升至销槽13的位置时，滚珠4弹出后能跟随顶杆6继续上升，滚珠4能依次顺沿卡槽10的半球凹部和锥形凹部被推回到销槽13中，两种情况均不阻止顶杆6进行上升动作。当顶杆6停止顶升时，顶杆6的卡槽10停留在销槽13对应的位置，弹簧3将滚珠4弹入卡槽10内，使弹珠3嵌入半球凹部，弹珠3给顶杆6以支撑的力，能阻止顶杆6下落，从而实现自锁。

顶杆6的作用是带动基板5实现步进动作，并确保基板5不在X-Y方向上产生偏移。

将上述顶杆式成型装置替换中国专利库公开的一种金属粉末3D打印机(申请号201910292196.9，公告号：CN109877322B)中的加工槽，具体安装位置如图10所示，第一支撑板19和第二支撑板20上端固定连接有操作板21，操作板21上端中心位置开设有成型腔1，成型腔1下端左右两侧设有固定连接在所述第二支撑板20之间的连接板22，左右所述连接板22上端内侧开有位于所述成型腔1下端的滑动槽23，滑动槽23内滑动连接有移动板24，所述移动板24下端设有位于左右所述连接板22内侧的抬升装置，抬升装置包括位于所述移动板24下端的抬升板25，成型腔1两端分别连接移动板24，两移动板24分别连接抬升板25两端，抬升板25连接丝杆26，丝杆26连接电机27，操作板21左端上侧设有铺粉装置，铺粉装置包括位于所述操作板21上端左侧的铺粉辊14和控制铺粉辊14沿着操作板21的方向来回移动的传动装置和导向装置，铺粉辊14设置在操作板21上方，将粉末收集器安装在成型腔1顶部，并使成型腔1顶部、粉末收集器顶部与操作板21顶部保持在同一水平面上，铺粉辊14通过铺粉辊14的传动装置和导向装置沿着操作板21方向动作，将多个顶升气缸8分别安装在成型腔1底部，将每个顶升气缸8的推杆连接每根顶杆6一端，每根顶杆6一端分别活动穿过粉末收集器的每个第二通孔连接每块基板，且每块基板5之间确保相互紧贴，其余打印模块均属于现有技术，这里不再具体重复赘述。

打印前，如图7和图8所示，先将所有基板5安装在顶杆上，初始状态下，所有基板5与成型腔1顶部、粉末集成器顶部和操作板21顶部均处于同一水平面上，并且与铺粉辊14平面保持固定距离；在打印模型的过程中，打印模型的首层切片层时，在控制电机27驱动丝杆26通过抬升板25带动移动板24将成型腔1整体沿Z轴下降一个切片层的同时，控制没有与模型首层切片层相交的基板5通过其连接的顶升气缸8带动向上顶升，使其始终保持在初始状态时的水平面高度，铺粉辊14进行铺粉动作，按此方法继续逐层打印模型的每层切片层，每当打印n个切片层高度h时，在该高度h的每个基板5所连接的顶杆6上的卡槽10正好分别对应在销槽13的位置完成自锁，若模型当前切片层边缘与基板5相连，则通过控制电机27驱动丝杆26通过抬升板25带动移动板24将成型腔1整体沿Z轴继续下降一个切片层，同时控制与模型当前切片层边缘不相连的基板5通过其连接的顶升气缸8带动向上顶升，使其保持在上一层切片层高度(即在高度h时基板5所连接的顶杆6的卡槽10与销槽13完成自锁的位置)，铺粉辊14继续进行铺粉动作。循环上述操作，直至模型打印完成；在打印结束后，将与模型相连的基板5随模型一同从顶杆6上取出，通过后处理过程将该与模型相连的基板5和模型分离并清理。随后清理在打印过程中落在上集器2上的粉末。

将滚珠弹簧销上的滚珠4全部脱离顶杆6上的卡槽10，解除与顶杆6上的卡槽10的自锁，使顶杆6全部自由下落，进而对顶杆6进行复位，重新安装基板5完成复位，最后移动成型腔1使所有基板5处于初始位置。

以上对基板5的设定取决于实际打印条件。下面介绍另一种设定方式：首先得到与顶杆6上每个等距卡槽10对应间距的切片层轮廓，对这些切片层轮廓在打印平面上进行投影，记最大投影面为Smax，当前切片层轮廓投影的投影面记为S1。当需要的基板5顶升时，若Smax切片平面已打印，则顶升不在Smax面上的基板5，若Smax切片平面未打印，则顶升不在S1面上的基板5。如图3所示，多个基板5之间紧贴，使相邻基板5间的紧密贴合能防止粉末落入，如图5、6、7、8所示，基板5底部与顶杆6顶端之间采用间隙配合，在打印过程中，部分基板5上部与打印模型焊接相连，因此在打印结束后该相连的部分基板5与打印模型一同取出，随后将基板5与顶杆6分离。

如图8和图9所示，在打印模型过程中，本发明分体式的基板5能根据打印模型的每层切片层的切片轮廓与基板5的相交情况，通过驱动顶升气缸8带动顶杆6动态调节未与切片层的切片轮廓相交的基板5的高度，使非打印区域通过基板5填充，以减少支撑打印模型的每层切片层的切片轮廓所需基板5的支撑面积，从而有效地减少粉末浪费，达到省粉的目的，且打印模型的支撑柱18支撑在不同高度的基板5上，能减少支撑柱18的打印耗材，并能更好的支撑打印的模型。如图9所示，现有技术的基板5为一体式的钢板，支撑所打印模型的面积固定不变，造成粉末浪费严重，且打印模型的支撑柱18所需要的打印耗材多，需要支撑打印模型的压力大，容易导致打印模型变形。

如所述的用于3D打印机的顶杆式成型装置在金属粉末3D打印机的应用，包括如下步骤：

S1.打印前，如图7所示，将所有的基板5可拆卸地安装在每根顶杆6的顶端上，所有基板5与成型腔1顶部、操作板21顶部分别保持在同一水平面，并与铺粉辊14保持距离；

S2.打印模型过程中，在打印模型的过程中，打印模型的首层切片层时，在控制电机27驱动丝杆26通过抬升板25带动移动板24将成型腔1整体沿Z轴下降一个切片层的同时，控制没有与模型首层切片层相交的基板5通过其连接的顶升气缸8带动向上顶升，使其始终保持在初始状态时的水平面高度，铺粉辊14进行铺粉动作，按此方法继续逐层打印模型的每层切片层；

S3.每当打印n个切片层高度h时，在该高度h的每个基板5所连接的顶杆6上的卡槽10正好分别对应在销槽13的位置完成自锁，若模型当前切片层边缘与基板5相连，则通过控制电机27驱动丝杆26通过抬升板25带动移动板24将成型腔1整体沿Z轴继续下降一个切片层，同时控制与模型当前切片层边缘不相连的基板5通过其连接的顶升气缸8带动向上顶升，使其保持在上一个切片层高度，铺粉辊14继续进行铺粉动作。循环上述操作，直至模型打印完成，在此操作过程中，相邻基板5之间高度差为相邻两个卡槽10之间的间距。

S3.打印结束后，将与模型相连的基板5从顶杆6上一同取出，并分离与模型相交的基板5和清理打印过程中落在粉料收集器上的粉末。

Claims (6)

1.用于3D打印机的顶杆式成型装置，其特征在于，包括成型腔，所述成型腔底部以方形阵列方式设有多个第一通孔，每个第一通孔上方分别安装有顶升气缸，每个顶升气缸的气管分别从每个第一通孔活动穿出，每个顶升气缸的推杆分别连接顶杆底端，每根顶杆顶端分别可拆卸连接每块基板，多块基板之间相互紧贴；

还包括粉末收集器，所述粉末收集器安装在成型腔顶部内，粉末收集器包括上集器和下盖板，上集器为方形槽体，下盖板固定在上集器底部，上集器底部设有与多个第一通孔对应的且贯穿于下盖板的第二通孔，每个第二通孔一侧均分别设有销槽，在每个销槽内固定连接滚珠弹簧销，每根顶杆顶端分别活动穿过第二通孔可拆卸连接每块基板，每根顶杆由上至下分别设有多个卡槽，使滚珠弹簧销与顶杆顶升时所对应的卡槽实现自锁。

2.根据权利要求1所述的用于3D打印机的顶杆式成型装置，其特征在于，所述第二通孔为方形孔，所述基板为方块状。

3.根据权利要求1所述的用于3D打印机的顶杆式成型装置，其特征在于，所述卡槽由半球凹部和锥形凹部连通构成的水滴状凹槽。

4.根据权利要求1所述的用于3D打印机的顶杆式成型装置，其特征在于，所述滚珠弹簧销由弹簧和滚珠连接构成，所述弹簧一端固定在销槽内，另一端连接滚珠。

5.如权利要求1至4中任意一项所述的用于3D打印机的顶杆式成型装置在金属粉末3D打印机中的应用。

6.如权利要求5所述的用于3D打印机的顶杆式成型装置在金属粉末3D打印机中的应用，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：初始状态下，将所有基板保持在同一水平面；

步骤2：打印过程中，逐层打印模型的每层切片层的同时，控制与模型当前切片层边缘不相连的基板通过其连接的顶升气缸带动向上顶升，使其保持在上一层切片层高度；

步骤3：每当打印n个切片层高度时，在该高度的每个基板所连接的顶杆上的卡槽分别对应在销槽的位置完成自锁后，继续按步骤2的方法逐层打印模型，直至模型打印完成。