CN114433879B - 一种具有飞行模块的超大型3d金属打印设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有飞行模块的超大型3D金属打印设备，包括成型室系统模块、成形轴系统模块、粉末循环装置、气体循环装置、控制柜组；成型室系统模块包括成型室腔体、水平驱动模块、飞行模块和落粉模块，飞行模块通过水平驱动模块驱动，使其在成型室腔体中左右移动进行零件打印，落粉模块用于为飞行模块供粉。本发明通过采用飞行模块在成型缸上方水平移动打印的方式，实现了超大幅面区域加工过程中的实时铺粉、打印、除烟尘等功能一体完成；设计的飞行模块使成型室结构优化到最小，通过m*1型单列振镜排列，减少了光学系统中激光器振镜场镜等模块数量，在满足需求同时大大降低了设备成本的投入，同时可以打印横截面更大幅面的3D金属产品。

Description

一种具有飞行模块的超大型3D金属打印设备

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，特别是涉及一种具有飞行模块的超大型3D金属打印设备。

背景技术

金属3D打印技术是金属增材制造技术的俗称，指基于离散-堆积原理，以三维数字模型文件及程序命令为基础，运用粉末状或丝状金属材料，通过逐层打印的方式来构造金属零件的技术。

激光选区熔化SLM是金属件直接成型的一种方法，是增材制造技术的最新发展。该技术基于快速成型的最基本思想，即逐层熔覆的“增量”制造方式，根据三维CAD模型直接成型出特定几何形状的零件，成型过程中金属粉末完全熔化，产生冶金结合。采用传统的机加工手段无法制造出来的形状结构复杂的金属零件，是激光快速成型技术应用的主要方向之一。

随着增材制造设备技术的发展，打印零件成型尺寸越来越大，成型幅面越来越大。对于大幅面3D金属打印设备，传统的打印设备由于打印幅面较大，导致成型室内的风场很不稳定，进而造成打印的3D金属产品质量不合格，降低了产品合格率；且传统的大幅面打印设备需要m*n矩阵排列的光学系统，导致设备成本大幅增加。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种具有飞行模块的超大型3D金属打印设备，该设备通过水平驱动装有光学镜组、铺粉装置、风路装置的飞行模块在成型缸模块上方移动打印，实现了将原来的m*n矩阵排列振镜才能实现的大幅面激光成形的打印区域，改变为m*1单排排列振镜就可实现大幅面激光成形的效果。该发明使成型室结构优化到最小，形成了稳定的风场系统，优化了打印产品的质量，提高了产品合格率，同时减少了光学系统中激光器振镜场镜等模块的数量；在满足需求的同时，大大降低了大幅面打印设备成本的投入；可加工米级以上横截面的大尺寸金属零部件。

本发明是这样实现的，一种具有飞行模块的超大型3D金属打印设备，包括成型室系统模块、成形轴系统模块、粉末循环装置、气体循环装置、控制柜组；所述成型室系统模块连接在成形轴系统模块的上方，构成设备的主体结构；所述成型室系统模块包括成型室腔体、水平驱动模块、飞行模块和落粉模块，所述飞行模块通过水平驱动模块驱动，使其在成型室腔体中左右移动进行零件打印，所述落粉模块用于为飞行模块供粉；所述粉末循环装置通过进出的粉末管路与成型室系统模块连接，实现设备工作时的粉末循环流动；所述气体循环装置通过进出的气体管路与成型室系统模块连接，实现设备工作时的气体循环流动；所述控制柜组用于实现设备工作时各部件的控制。

在上述技术方案中，优选的，所述飞行模块包括加工腔体、底部支板、铺粉装置、落粉腔体、风口结构和振镜模组；所述加工腔体安装在底部支板上方，所述底部支板为方形板，其中心开有槽口；所述铺粉装置包括“回”字型滑动块、左右两组刮刀、左右两组刮刀架和四个弹簧气缸，所述滑动块的左右两边分别开有细槽，左右两组刮刀架分别安装在底部支板的最左端与最右端，左右两组刮刀分别安装在左右两组刮刀架上，四个弹簧气缸两两一组安装在底部支板顶部的左右两端，所述滑动块与四个弹簧气缸连接；所述落粉腔体用于将落粉模块的粉输送至铺粉装置，所述落粉腔体包括左右两个呈“人”字形的中空薄壁板和固定架，两个所述中空薄壁板分别安装在加工腔体的左右侧，所述固定架连接左右两个中空薄壁板的顶端，两个所述中空薄壁板的底端抵接在滑动块上；所述风口结构包括进风口与出风口，进风口与出风口分别安装在加工腔体左、右板的下方；所述振镜模组安装在腔体顶板上方。

在上述技术方案中，进一步优选的，所述加工腔体由腔体左板、腔体右板、腔体前板、腔体后板与腔体顶板构成；所述腔体前板、腔体后板上分别设置有腔体观察窗。

在上述技术方案中，进一步优选的，所述进风口与出风口内部分别设有均风管路。

在上述技术方案中，进一步优选的，所述振镜模组由多组振镜结构等距离单列排列。

在上述技术方案中，优选的，所述成型室腔体由成型室底板、成型室左侧板、成型室右侧板、成型室前侧板、成型室后侧板与成型室顶板构成，所述成型室左侧板与成型室右侧板内侧的下端对应飞行模块的铺粉装置的滑动块位置分别装有限位块；所述水平驱动模块安装在成型室底板上并连接飞行模块，实现飞行模块在成型室腔体中左右移动；所述落粉模块安装在成型室顶板上。

在上述技术方案中，优选的，所述水平驱动模块包括驱动电机、丝杠、丝母和轴承座；所述驱动电机驱动所述丝杠转动，所述丝杠的两端通过轴承座安装在设备支撑框架上，所述丝母安装在丝杠上，所述丝母与飞行模块的底部支板相连，用于带动飞行模块左右运动。

在上述技术方案中，优选的，所述落粉模块包括储粉仓、送粉器和分粉器；所述分粉器为三角形块状结构，其内部设有左右两端错位均分排列的细小流道，所述分粉器安装在成型室顶板一侧；所述送粉器安装在分粉器上方；所述储粉仓安装在送粉器的上方，并通过粉末管路与所述粉末循环装置连接。

在上述技术方案中，进一步优选的，所述成型室顶板、成型室左侧板、成型室前侧板、成型室后侧板均安装有密封仓门，成型室前侧板、成型室后侧板还安装有成型室观察窗与操作手套，成型室腔体中安装有吸粉管路。

在上述技术方案中，优选的，所述成型轴系统模块包括成型缸、竖直驱动模块和设备支撑框架；所述竖直驱动模块安装在成型缸左右两侧，通过竖直驱动模块的电机带动左右两侧的双悬臂支撑推动成型缸中的基板上下运动。

本发明具有的优点和积极效果是：

1、本发明通过采用水平驱动成型室系统模块中的飞行模块在成型缸模块上方水平移动打印的方式，实现了超大幅面区域加工过程中的实时铺粉、打印、除烟尘等功能一体完成。打印过程形成了稳定的风场系统，避免了传统m*n矩阵排列设备中烟尘不能及时排除的问题。

2、本发明设计的飞行模块使成型室结构优化到最小，通过m*1型振镜排列，进而减少了光学系统中激光器振镜场镜等模块的数量，在满足需求的同时，大大降低了设备成本的投入，同时可以打印横截面更大幅面的3D金属产品，填补了目前行业及市场中没有能打印超大型3D金属产品的选区3D金属打印机的空白。

3、本发明综合铺粉系统、光学系统与成型室的融合，优化铺粉过程，使成型室系统模块在移动过程中可以同时进行铺粉与打印两个过程；减少了每层打印所用时间，从而提高了打印效率，尤其是对于截面复杂的3D金属打印产品在保证质量的前提下具有极大优势。

4、本发明的成型仓室集成了取件舱室的功能，当零件打印结束后，可在成型仓内进行清粉，飞行模块的腔体可有效杜绝粉末对振镜模组的污染，当清粉完成后即可通打开成型室顶板与左侧板，并通过天车吊取取件，取件清粉方便。节省了设备占用空间，降低了设备制造成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的3D金属打印设备的结构示意图；

图2a是本发明实施例提供的3D金属打印设备的飞行模块在右侧初始位置的内部结构示意图；

图2b是本发明实施例提供的3D金属打印设备的飞行模块在左侧初始位置的内部结构示意图；

图3是本发明实施例提供的光学系统模块的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的铺粉系统模块的结构示意图。

图中：10、飞行模块；101、落粉腔体；102、铺粉装置；103、底部支板；104、加工腔体；105、风口结构；1011、中空薄壁板；1012、固定架；1021、滑动块；1022、刮刀；1023、刮刀架；1024、弹簧气缸；1025、细槽；1041、腔体左板；1042、腔体右板；1043、腔体顶板；1044、腔体观察窗；1051、匀风管路；

20、成型轴系统模块；201、成型缸；202、竖直驱动模块；203、设备支撑框架；204、基板；

30、落粉模块；301、储粉仓；302、送粉器；303、分粉器；304、细小流道；

40、振镜模组；

50、成型室系统模块；501、成型室腔体；502、成型室底板；503、成型室顶板；504、成型室左侧板；505、成型室右侧板；506、成型室前侧板；507、密封仓门；508、成型室观察窗；509、操作手套；510、槽型收粉口；511、限位块；

60、水平驱动模块；601、驱动电机；602、减速机；603、联轴器；604、丝杠；605、丝母；606、轴承座；

70、打印区域。

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，以下结合实施例，并配合附图对本发明进行进一步详细说明。本领域技术人员应当知晓，下述具体实施例或具体实施方式，是本发明为进一步解释具体的发明内容而列举的一系列优化的设置方式，而这些设置方式之间均是可以相互结合或者相互关联使用的，除非在本发明中明确提出了其中某些或某一具体实施例或实施方式无法与其他的实施例或实施方式进行关联设置或共同使用。同时，下述的具体实施例或实施方式仅作为最优化的设置方式，而不作为限定本发明的保护范围的理解。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1～4，本实施例提供一种具有飞行模块的超大型3D金属打印设备，包括成型室系统模块50、成形轴系统模块20、粉末循环装置、气体循环装置、控制柜组与塔台。所述的成型室系统模块50连接在成形轴系统模块20的上方，构成设备的主体结构；所述的粉末循环装置通过进出的粉末管路与成型室系统模块50连接，该装置可以放置在设备主体结构的周边，实现设备工作时的粉末循环流动；所述气体循环装置通过进出的气体管路与成型室系统模块50连接，该装置可以放置在设备主体结构的周边，实现设备工作时的气体循环流动；所述的控制柜组放置在设备主体结构的周边，实现设备工作时光学系统、运动机构、电子元器件的控制；所述的塔台放置在设备主体结构的前后两侧，方便操作人员从设备前后两侧观察设备运行情况。

所述成型室系统模块50包括成型室腔体501、水平驱动模块60、飞行模块10和落粉模块30；所述的成型室腔体501包括成型室底板502、成型室左侧板504、成型室右侧板505、成型室前侧板506、成型室后侧板(图中未示出)与成型室顶板504，其中在飞行模块处于左右两侧初始位置处的成型室底板502上设有槽型收粉口510，成型室左侧板504与成型室右侧板505内侧的下端对应飞行模块10的铺粉装置102的滑动块1021位置还分别装有限位块511；所述的水平驱动模块60安装在成型室底板502上并连接飞行模块10，实现飞行模块10在成型室腔体501中的左右移动进行零件打印；所述的落粉模块30安装在成型室顶板503上，用于为飞行模块10供粉。

所述飞行模块10包括落粉腔体101、铺粉装置102、底部支板103、加工腔体104、风口结构105与振镜模组40。所述底部支板103为方形板，其中心开有槽口；所述加工腔体104包括腔体左板1041、腔体右板1042、带有腔体观察窗1044的腔体前后板与腔体顶板1043，加工腔体104安装在底部支板103上方；所述的铺粉装置102包括“回”字形滑动块1021、左右两组刮刀1022、左右两组刮刀架1023、四个弹簧气缸1024，所述滑动块1021的左右两边分别开有细槽1025，左右两组刮刀架1023分别安装在底部支板103的最左端与最右端，左右两组刮刀1022分别安装在左右两组刮刀架1023上，四个弹簧气缸1024两两一组安装在底部支板103顶部的左右两端，滑动块1021内侧与四个弹簧气缸1024连接；所述落粉腔体101用于将落粉模块30的粉输送至铺粉装置102，所述的落粉腔体101包括左右两个呈“人”字形的中空薄壁板1011与固定架1012，两个中空薄壁板1011分别安装在加工腔体的左右侧，固定架1012连接左右两个中空薄壁板1011的顶端，两个中空薄壁板1011的底端抵接在滑动块1021上；所述的风口结构105包括内部有均风管路1051的进风口与出风口，进风口与出风口分别安装在腔体左板1041、腔体右板1042的下方位置；所述振镜模组40由多组振镜结构等距离单列排列安装在腔体顶板1043上方。

所述水平驱动模块60包括驱动电机601、减速器602、联轴器603、丝杠604、丝母605和轴承座606；所述驱动电机601通过减速机602与联轴器603一端连接，所述联轴器603另一端与丝杠604的一端连接，用于驱动所述丝杠604转动，所述丝杠604的两端通过轴承座606安装在设备支撑框架203上，所述丝母605安装在丝杠604上，所述丝母605与底部支板103相连，从而带动飞行模块左右运动。本实施例的水平驱动模块也可设计为单电机双驱模块安装在成型室底板502前后两侧。

所述落粉模块30包括储粉仓301、送粉器302、分粉器303；所述的分粉器303为三角形块状结构，内部有左右两端错位均分排列的细小流道304，分粉器303安装在成型室顶板503的一侧；所述的送粉器302安装在分粉器303上端；所述的储粉仓301安装在送粉器303的上端，并通过粉末管路与所述的粉末循环装置连接。

所述成型室顶板503、成型室左侧板504、成型室前侧板506、成型室后侧板均安装有密封仓门507，成型室前、后侧板还安装有成型室观察窗508与操作手套509，成型室腔体501中安装有吸粉管路。打印完成的零件可在成型室腔体501中完成清粉，并通过打开成型室顶板503与成型室左侧板504的密封仓门507取出零件。

所述成型轴系统模块20包括成型缸201、竖直驱动模块202、设备支撑框架203；所述竖直驱动模块202为左右两套双电机驱动，安装在成型缸201左右两侧，通过竖直驱动模块202的电机带动左右两侧的双悬臂支撑推动成型缸201中的基板204上下运动。

此外，本实施例中的所述粉末循环装置包括筛粉装置、真空发生装置、粉末储存罐等，实现粉末在设备运行过程中的输送、筛分与储存。

所述气体循环装置包括风机、多级滤芯、气体阀门等，实现惰性气体在设备运行过程中的循环排除烟尘。

工作时，飞行模块10运动到落粉模块30下方，此位置也为飞行模块10移动的右侧初始位置，此位置由于受到右侧限位块511撞击滑动块1021，致使右侧弹簧气缸1024压缩，右侧细槽1025与右侧中空薄壁板1011的底部槽口错开，同时左侧弹簧气缸1024伸长，左侧细槽1025与左侧中空薄壁板1011的底部槽口对准。初始位置时飞行模块10整体在打印幅面外侧。

储粉仓301中的粉末通过送粉器302，将定量的粉末输送到分粉器303中，通过分粉器303左右两侧错位排列的细小流道304，粉末均匀的落到落粉腔体101两侧的中空薄壁板1011内，并在重力的作用下落到左侧滑动块1021的细槽1025中，从而落入成型室底板502上。

在初始位置时，成型缸201内的基板204在竖直双驱模块202的带动下处于最上方。在落粉完成后即可进行飞行模块10移动加工。

加工时，水平驱动系统模块60带动飞行模块10及安装在飞行模块10上的铺粉装置102、风口结构105、振镜模组40一起移动。在移动中，安装在飞行模块10外侧的铺粉装置102中的刮刀1022将落在成型室底板502上的粉铺平，并随着飞行模块10的移动将粉均匀的铺在打印区域内成型缸201的成形基板204上。当振镜模组40进入打印区域70后开始出光进行熔化打印，在打印的过程中风口结构105中的气体由一侧进入加工腔体104内部将激光熔化粉末产生的烟尘及残渣由另一侧吸出，进入气体循环装置内进行过滤。随着水平驱动模块60带动飞行模块10移动，飞行模块逐步走过打印区域70，直至离开打印区域70，振镜模组40停止出光打印。刮刀1022随之将多余的粉刮到左侧槽型收粉口510，通过粉末管路回收到粉末循环装置内。当飞行模块10到达左侧位置时，水平驱动模块60停止动作，飞行模块10随之停止运动，完成此层的打印。成型轴系统模块20动作，带动成形基板204下降到下一层打印的位置后停止下降。成型室左侧限位块511撞击滑动块1021，致使左侧弹簧气缸1024压缩，左侧细槽1025与左侧中空薄壁板1011的底部槽口错开，同时右侧弹簧气缸1024伸长，右侧细槽1025与右侧中空薄壁板1011的底部槽口对准，粉末落入成型室底板502上，随后水平驱动模块60带动飞行模块10向右移动，此时飞行模块10右侧的刮刀1022将粉逐步铺平，并随着飞行模块10的移动将粉均匀的铺平在成型缸201的成形基板204上，当振镜模组40进入打印区域后开始出光进行熔化打印，风口结构105再次将烟尘及残渣带入气体循环装置中，进行过滤。随着飞行模块10在打印幅面上移动，振镜模组40随飞行模块10离开打印幅面停止出光，刮刀1022将多余的粉推到右侧槽型收粉口510，通过粉末管路回收到粉末循环装置内。当飞行模块10到达右侧初始位置，停止运动。成型缸201的竖直驱动模块202带动成形基板204下降，到达下一个打印位置停止，一次往复的打印过程即完成。落粉模块30再次供粉，进入下次往复打印过程。如此反复，直到整个零件打印完毕。

零件打印完毕后，飞行模块10在水平驱动模块60的带动下回到右侧初始位置。竖直驱动模块202驱动成型缸201内的基板204上升，在上升的过程中，吸粉器的开关打开，操作人员在外部通过成型室腔体501前后两侧的操作手套509将手伸入成型室腔体501内，拿着吸粉器管将粉吸入到粉末循环装置中进行零件清粉。将粉清完后，打开成型室顶板503、成型室左侧板504的密封仓门507，将零件通过天车吊装出来。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种具有飞行模块的超大型3D金属打印设备，包括成型室系统模块、成形轴系统模块、粉末循环装置、气体循环装置、控制柜组；其特征在于：所述成型室系统模块连接在成形轴系统模块的上方，构成设备的主体结构；所述成型室系统模块包括成型室腔体、水平驱动模块、飞行模块和落粉模块，所述飞行模块通过水平驱动模块驱动，使其在成型室腔体中左右移动进行零件打印，所述落粉模块用于为飞行模块供粉；所述粉末循环装置通过进出的粉末管路与成型室系统模块连接，实现设备工作时的粉末循环流动；所述气体循环装置通过进出的气体管路与成型室系统模块连接，实现设备工作时的气体循环流动；所述控制柜组用于实现设备工作时各部件的控制；

所述飞行模块包括加工腔体、底部支板、铺粉装置、落粉腔体、风口结构和振镜模组；所述加工腔体安装在底部支板上方，所述底部支板为方形板，其中心开有槽口；所述铺粉装置包括“回”字型滑动块、左右两组刮刀、左右两组刮刀架和四个弹簧气缸，所述滑动块的左右两边分别开有细槽，左右两组刮刀架分别安装在底部支板的最左端与最右端，左右两组刮刀分别安装在左右两组刮刀架上，四个弹簧气缸两两一组安装在底部支板顶部的左右两端，所述滑动块与四个弹簧气缸连接；所述落粉腔体用于将落粉模块的粉输送至铺粉装置，所述落粉腔体包括左右两个呈“人”字形的中空薄壁板和固定架，两个所述中空薄壁板分别安装在加工腔体的左右侧，所述固定架连接左右两个中空薄壁板的顶端，两个所述中空薄壁板的底端抵接在滑动块上；所述风口结构包括进风口与出风口，进风口与出风口分别安装在加工腔体左、右板的下方；所述振镜模组安装在腔体顶板上方；

所述成型室腔体由成型室底板、成型室左侧板、成型室右侧板、成型室前侧板、成型室后侧板与成型室顶板构成，所述成型室左侧板与成型室右侧板内侧的下端对应飞行模块的铺粉装置的滑动块位置分别装有限位块；所述水平驱动模块安装在成型室底板上并连接飞行模块，实现飞行模块在成型室腔体中左右移动；所述落粉模块安装在成型室顶板上。

2.根据权利要求1所述的具有飞行模块的超大型3D金属打印设备，其特征在于，所述加工腔体由腔体左板、腔体右板、腔体前板、腔体后板与腔体顶板构成；所述腔体前板、腔体后板上分别设置有腔体观察窗。

3.根据权利要求1所述的具有飞行模块的超大型3D金属打印设备，其特征在于，所述进风口与出风口内部分别设有均风管路。

4.根据权利要求1所述的具有飞行模块的超大型3D金属打印设备，其特征在于，所述振镜模组由多组振镜结构等距离单列排列。

5.根据权利要求1所述的具有飞行模块的超大型3D金属打印设备，其特征在于，所述水平驱动模块包括驱动电机、丝杠、丝母和轴承座；所述驱动电机驱动所述丝杠转动，所述丝杠的两端通过轴承座安装在设备支撑框架上，所述丝母安装在丝杠上，所述丝母与飞行模块的底部支板相连，用于带动飞行模块左右运动。

6.根据权利要求1所述的具有飞行模块的超大型3D金属打印设备，其特征在于，所述落粉模块包括储粉仓、送粉器和分粉器；所述分粉器为三角形块状结构，其内部设有左右两端错位均分排列的细小流道，所述分粉器安装在成型室顶板一侧；所述送粉器安装在分粉器上方；所述储粉仓安装在送粉器的上方，并通过粉末管路与所述粉末循环装置连接。

7.根据权利要求1所述的具有飞行模块的超大型3D金属打印设备，其特征在于，所述成型室顶板、成型室左侧板、成型室前侧板、成型室后侧板均安装有密封仓门，成型室前侧板、成型室后侧板还安装有成型室观察窗与操作手套，成型室腔体中安装有吸粉管路。

8.根据权利要求1所述的具有飞行模块的超大型3D金属打印设备，其特征在于，所述成形轴系统模块包括成型缸、竖直驱动模块和设备支撑框架；所述竖直驱动模块安装在成型缸左右两侧，通过竖直驱动模块的电机带动左右两侧的双悬臂支撑推动成型缸中的基板上下运动。