CN114472926A - 成形底板快速调平装置、方法及粉床电子束增材制造设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种成形底板快速调平装置、方法及粉床电子束增材制造设备，该成形底板快速调平装置包括：成形缸，其侧壁上设置有刻度线；底板升降机构，设置在成形缸的底部，其包括横向调平板，横向调平板的上表面设置有多个外螺纹孔；多根支撑杆，设置在横向调平板上方，其下端具有与外螺纹孔相适配的螺纹；成形底板，设置在支撑杆上方；其中，支撑杆的下端与横向调平板螺纹连接旋转，以升降成形底板的高度并对成形底板进行调平。本发明减少了人为调平带来的误差，保证了成形底板水平方向各个位置高度的一致性，快速地实现了成形底板的调平，缩短了打印前准备时间，提高了打印效率；同时，成形底板的纵向起始位置也可以准确得出。
Description
技术领域
本发明涉及粉床电子束增材制造设备技术领域，具体涉及一种成形底板快速调平装置、方法及粉床电子束增材制造设备。
背景技术
粉床电子束增材制造设备是目前3D金属打印领域中的主流设备之一，可将钛、钨、钼、钽、铌等高熔点的难熔金属及合金打印成金属零件。现有的粉床电子束增材制造设备包括成形腔室，其顶部设有电子枪，其内部设有铺粉平台，铺粉平台下方设有成形缸。现有成形缸中的底板调平装置为人为调节的旋片装置，成形底板的支撑件为四组旋转拨片。在底板调平过程中，通过人为观察单层铺粉的均匀程度判断底板的平整度，若底板不平整，则人为拨动相对应位置下方的旋转拨片，直至底板铺粉均匀平整。
上述调平装置中，需要人为进行底板铺粉调平，效率低、耗时长，也没有具体调平指标，存在主观判断问题。同时，底板的纵向起始位置，需操作人员根据经验积累所确定，无确切依据。由于操作人员不同，其调平状态也会随之不同，对打印稳定性和一致性有显著影响。
需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本公开的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
发明内容
本发明实施例提供一种成形底板快速调平装置、方法及粉床电子束增材制造设备，以解决现有技术中的底板调平装置存在的人为判断因素较多、效率低、耗时长且无确切的底板的纵向起始位置的问题。
第一方面，本发明实施例提供一种成形底板快速调平装置，包括：
成形缸，其侧壁上设置有刻度线；
底板升降机构，设置在所述成形缸的底部，其包括横向调平板，所述横向调平板的上表面设置有多个外螺纹孔；
多根支撑杆，设置在所述横向调平板上方，其下端具有与所述外螺纹孔相适配的螺纹；
成形底板，设置在所述支撑杆上方；
其中，所述支撑杆的下端与所述横向调平板螺纹连接旋转，以升降所述成形底板的高度并对所述成形底板进行调平。
作为本发明第一方面的优选方式，还包括多个弹簧卡槽，其分别设置在所述成形缸的内壁上并位于同一水平面上。
作为本发明第一方面的优选方式，所述弹簧卡槽设置有四个，分别设置在所述成形缸的内部四个顶角位置处。
作为本发明第一方面的优选方式，所述支撑杆设置有四根，均为相同的圆柱形杆。
作为本发明第一方面的优选方式，所述支撑柱由钼或镍基合金材料制备而成。
作为本发明第一方面的优选方式，所述成形底板由钛合金、钼或不锈钢材料制备而成。
第二方面，本发明实施例提供一种成形底板快速调平方法，该方法应用于上述第一方面及其优选方式中任意一项所述的成形底板快速调平装置，包括：
根据成形缸侧壁上的刻度线旋转各支撑杆，使各所述支撑杆上端的高度相同；
控制底板升降机构，使各所述支撑杆上端与所述成形缸上端所处的铺粉平台之间的距离为预设距离，所述预设距离为成形底板的初始厚度与成形底板在打印温度下的热膨胀高度之和；
将所述成形底板放置在各所述支撑杆上端，并通过各弹簧卡槽固定，完成所述成形底板的快速调平。
作为本发明第二方面的优选方式，所述成形底板在打印温度下的热膨胀高度通过下式计算得出：
h＝αl×d×t，
其中，h为成形底板在打印温度下的热膨胀高度，αl为成形底板的制作材料的热膨胀系数，d为成形底板的初始厚度，t为打印温度。
作为本发明第二方面的优选方式，所述成形底板的快速调平完成后，所述成形底板的平整度≤0.03mm。
第三方面，本发明实施例提供一种粉床电子束增材制造设备，其包括上述第一方面及其优选方式中任意一项所述的成形底板快速调平装置。
本发明实施例提供的成形底板快速调平装置、方法及粉床电子束增材制造设备，通过在成形缸的侧壁上设置刻度线，并在底板升降机构上方设置了多根相同的支撑杆作为支撑件，取代了现有的四组旋片，在成形底板调平过程中可以方便地通过参照成形缸上的刻度线实现支撑杆的高度一致性，增强了成形底板调平过程中确定性因素，不仅减少了人为调平带来的误差，保证了成形底板水平方向各个位置高度的一致性，还快速地实现了成形底板的调平，缩短了打印前准备时间，提高了打印效率。
同时，成形底板的纵向起始位置也可以参照成形缸上的刻度线以及成形底板的热膨胀高度等因素准确得出，保证了不同炉次及不同打印人员的打印结果的打印稳定性和一致性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的一种成形底板快速调平装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种成形底板快速调平装置中成形缸的俯视结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种成形底板快速调平装置中成形底板的纵向起始位置的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种成形底板快速调平方法的流程示意图。
其中，10、成形室，20、取粉箱，30、铺粉平台，40、刮刀，50、成形缸，51、刻度线，60、底板升降机构，61、横向调平板，70、支撑杆，71、螺纹，80、成形底板，90、弹簧卡槽。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
粉床电子束增材制造设备是目前3D金属打印领域中的主流设备之一，可将钛、钨、钼、钽、铌等高熔点的难熔金属及合金打印成金属零件。首先在加工平面上铺好一层原料粉末，然后加工源根据零件截面形状对粉末进行分区作业，成形出零件的截面轮廓。在一层粉末成形完毕，送铺粉装置在成形工作面再铺上一层粉末，加工源对该层粉末再次进行选区作业，并完成新生成层片与原有部分之间的连接，如此循环逐层堆积制造，最后再经后处理得到任意形状的实体零件。
本实施例中，参照图1所示，该粉床电子束增材制造设备包括具有预设的低真空度的成形室10，其顶部设有电子枪(未示出)，电子枪两侧分别设置有取粉箱20，其内部设有铺粉平台30，铺粉平台上方设置有刮刀40，其下方设有成形缸50。
然而，在以粉末作为成形原料的逐层选区沉积/烧结/熔化增材制造技术中，初始层的熔化成形质量对后续工艺的顺利进行至关重要，而影响初始层成形质量的关键因素之一就是底板的调平状况，底板的调平状况决定了初始层粉末原料的厚度均匀性，若粉末原料厚度不均匀则很难保证初始层熔化质量，并影响后续成形过程。
底板调平装置是保证底板调平的重要部件，现有技术中，底板调平装置采用螺栓及旋转拨片的结构，即利用旋转拨片带动螺栓旋转，从而使整个螺栓及旋转拨片上下移动，成形底板置于底板调平装置上，通过3～4个旋转拨片的上下移动实现成形底板的调平动作。整个调平过程中，通过人为观察单层铺粉的均匀程度来判断成形底板的平整度，若成形底板不平整，则人为拨动相对应位置下方的旋转拨片，直至成形底板铺粉均匀平整。
因此，上述调平装置中，需要人为进行底板铺粉调平，效率低、耗时长，也没有具体调平指标，存在主观判断问题。同时，底板的纵向起始位置，需操作人员根据经验积累所确定，无确切依据。由于操作人员不同，其调平状态也会随之不同，对打印稳定性和一致性有显著影响。
基于此，参照图1和图2所示，本发明实施例公开了一种成形底板快速调平装置，该装置主要包括：
成形缸50，其侧壁上设置有刻度线51；
底板升降机构60，设置在成形缸50的底部，其包括横向调平板61，横向调平板61的上表面设置有多个外螺纹孔；
多根支撑杆70，设置在横向调平板61上方，其下端具有与外螺纹孔相适配的螺纹71；
成形底板80，设置在支撑杆70上方；
其中，支撑杆70的下端与横向调平板61螺纹连接旋转，以升降成形底板80的高度并对成形底板80进行调平。
本实施例中，该成形底板快速调平装置主要包括成形缸、底板升降机构、多根支撑杆和成形底板。
其中，成形缸的一侧侧壁上或两侧侧壁上设置有刻度线，可以直观地衡量内部各支撑柱高度的一致性以及成形底板与铺粉平台之间的距离。底板升降机构设置在成形缸的底部，其上部设置有一横向调平板，横向调平板通过下方连接的驱动机构可以竖直方向上运动，横向调平板的上表面上还设置了多个外螺纹孔。多根支撑杆设置在底板升降机构的横向调平板上方，其下端部设置有内孔螺纹结构，该螺纹与横向调平板上的外螺纹孔相适配，从而支撑杆的下端可与横向调平板实现螺纹连接并通过旋转来调节其上端的高度。支撑杆的设置数量一般等于或小于横向调平板上的外螺纹孔的数量。成形底板放置在各个支撑杆上方，通过支撑杆实现高度的升降以及调平。
参照图3所示，成形室中刮刀与成形底板之间的距离D包括铺粉层厚H和成形底板热膨胀后的厚度，也即各支撑柱上端与铺粉平台表面的预设距离Lt，从而可确定成形底板的纵向起始位置。而各支撑柱上端与铺粉平台表面的预设距离Lt，为成形底板的初始厚度d与成形底板在打印温度下的热膨胀高度h之和，成形底板在打印温度t下的热膨胀高度h由成形底板的制作材料的热膨胀系数αl决定。因此，当计算出在对应打印温度t下成形底板热膨胀后的厚度，也就确定了成形底板的纵向起始位置，通过调整各支撑柱上端与铺粉平台表面的预设距离即可将成形底板调整至其纵向起始位置处。
示例性地，将成形室内的各组件安装完毕后，调整刮刀与铺粉平台之间的竖直距离为固定值，将打印所需重量的金属粉末装填到成形室上方的两个取粉箱中，然后开始进行成形底板的调平。
调平时，首先根据成形缸侧壁上的刻度线观察各支撑柱上端的刻度值。若各支撑柱上端的刻度值一致，且与铺粉平台表面的距离为预设距离Lt，即成形底板的初始厚度d与成形底板在打印温度t下的热膨胀高度h之和，则在成形缸内部装填好金属粉末后，直接在各支撑柱上方放置成形底板，即完成了成形底板的调平过程，此时可确定成形底板是平整的，且其纵向起始位置也为预设位置处。
若各支撑柱上端的刻度值不一致，则通过旋转某根支撑柱下端的螺纹使其高度变化以达到高度一致后，再观察各支撑柱上端与铺粉平台表面的距离是否为预设距离Lt。若是，则在成形缸内部装填好金属粉末后在各支撑柱上方放置成形底板，完成成形底板的调平过程。
若各支撑柱上端的刻度值一致，但与铺粉平台表面的距离不是预设距离Lt，则通过控制底板升降机构中的驱动机构使横向调平板上升或下降，从而带动各支撑柱整体上升或下降，以满足支撑柱上端与铺粉平台表面的距离为为预设距离Lt。在成形缸内部装填好金属粉末后在各支撑柱上方放置成形底板，完成成形底板的调平过程。
该成形底板快速调平装置在调平过程中，增强了成形底板调平过程中的确定性因素，减少了人为调平带来的误差，保证了成形底板水平方向各个位置高度的一致性，快速地实现了成形底板的调平，缩短了打印前准备时间，提高了打印效率；同时，成形底板的纵向起始位置也可以准确得出，保证了不同炉次及不同打印人员的打印结果的打印稳定性和一致性。
在本申请提供的一种可选实施例中，支撑杆70设置有四根，均为相同的圆柱形杆。
具体地，支撑杆优选设置了四根，且均优选设置为相同的圆柱形杆。这四根支撑杆呈正方形状布置，设置在成形底板的中部位置处，在其高度达到一致后，可使放置在上面的成形底板保持较高的平整度。
在本申请提供的一种可选实施例中，支撑柱70由钼或镍基合金材料制备而成。
具体地，支撑柱优选由钼或镍基合金材料制备而成，这类材料具有较好的耐高温特性，从而即使在成形室内温度较高的条件下，支撑杆也具有长期处在高温环境下不变形的特征，保证了调平的精度。
在本申请提供的一种可选实施例中，成形底板80由钛合金、钼或不锈钢材料制备而成。
具体地，成形底板优选由钛合金、钼或不锈钢材料制备而成，这类材料性质比较稳定，也耐高温，可以满足在成形室内高温环境中的使用。
同时，这几种材料的热膨胀系数也是已知的，方便计算成形底板的热膨胀厚度。
在本申请提供的一种可选实施例中，还包括多个弹簧卡槽90，其分别设置在成形缸50的内壁上并位于同一水平面上。
具体地，在成形室内部的上方位置还设置了多个弹簧卡槽，其分别活动连接在成形缸的内壁上，并位于同一水平面上，能够起到在水平方向上固定成形底板的作用。
在初始调平阶段，各支撑柱上端的刻度值一致且与铺粉平台表面的距离为预设距离时，将成形底板放置在各支撑柱上方，并用各弹簧卡槽将成形底板卡住，可在水平方向上固定成形底板。当初始调平阶段结束后，将弹簧卡槽取走即可，不影响成形底板在竖直方向上的运动。
在本申请提供的一种可选实施例中，弹簧卡槽90设置有四个，分别设置在成形缸50的内部四个顶角位置处。
具体地，弹簧卡槽优选设置了四个，其分别设置在成形缸内部的四个顶角位置处，可达到对成形底板在水平方向上的最佳固定状态。
综上，本发明实施例提供的成形底板快速调平装置，通过在成形缸的侧壁上设置刻度线，并在底板升降机构上方设置了多根相同的支撑杆作为支撑件，取代了现有的四组旋片，在成形底板调平过程中可以方便地通过参照成形缸上的刻度线实现支撑杆的高度一致性，增强了成形底板调平过程中确定性因素，不仅减少了人为调平带来的误差，保证了成形底板水平方向各个位置高度的一致性，还快速地实现了成形底板的调平，缩短了打印前准备时间，提高了打印效率。
同时，成形底板的纵向起始位置也可以参照成形缸上的刻度线以及成形底板的热膨胀高度等因素准确得出，保证了不同炉次及不同打印人员的打印结果的打印稳定性和一致性。
参照图4所示，基于同一技术构思，本发明实施例提供一种成形底板快速调平方法，该方法应用于上述任意一项实施例所述的成形底板快速调平装置，主要包括如下步骤：
步骤401、根据成形缸侧壁上的刻度线旋转各支撑杆，使各支撑杆上端的高度相同；
步骤402、控制底板升降机构，使各支撑杆上端与成形缸上端所处的铺粉平台之间的距离为预设距离，所述预设距离为成形底板的初始厚度与成形底板在打印温度下的热膨胀高度之和；
步骤403、将成形底板放置在各支撑杆上端，并通过各弹簧卡槽固定，完成成形底板的快速调平。
本实施例中，该成形底板快速调平方法可采用上述任一项实施例中的成形底板快速调平装置。在下述对该方法进行详细说明时，可参照图1～3中所示的结构。
在步骤401中，在对成形底板进行调平时，先根据成形缸侧壁上的刻度线观察各支撑柱上端的刻度值。若各支撑柱上端的刻度值一致，则在各支撑柱上方放置成形底板后，可以保证成形底板是平整的。
若各支撑柱上端的刻度值不一致时，就需要通过旋转某根支撑柱下端的螺纹使其高度变化，以达到各支撑杆上端的高度相同的目的，这样才能在各支撑杆上方放置成形底板后保证成形底板是平整的。
在步骤402中，当通过调整各支撑杆使各支撑杆上端的高度相同后，进一步观察各支撑柱上端与铺粉平台表面的距离是否为预设距离Lt，以确保成形底板的纵向起始位置位于预设位置处。
若各支撑柱上端的刻度值一致，但与铺粉平台表面的距离不是预设距离Lt，则通过控制底板升降机构中的驱动机构使横向调平板上升或下降，从而带动各支撑柱整体上升或下降，以满足支撑柱上端与铺粉平台表面的距离为为预设距离Lt，该预设距离为成形底板的初始厚度d与成形底板在打印温度t下的热膨胀高度h之和，这样可确保成形底板的纵向起始位置位于预设位置处。
在本申请提供的一种可选实施例中，成形底板在打印温度下的热膨胀高度通过下式计算得出：
h＝αl×d×t，
其中，h为成形底板在打印温度下的热膨胀高度，αl为成形底板的制作材料的热膨胀系数，d为成形底板的初始厚度，t为打印温度。
成形底板的制作材料的热膨胀系数是已知的，方便计算成形底板在打印温度下的热膨胀高度。
在步骤403中，当通过调整各支撑杆使各支撑杆上端的高度相同，且与铺粉平台表面的距离为预设距离Lt时，在成形缸内部装填好金属粉末后在各支撑柱上方放置成形底板，并通过各弹簧卡槽固定，完成成形底板的调平过程。此时，成形底板是平整的，且其纵向起始位置也为预设位置处。
在本申请提供的一种可选实施例中，成形底板的快速调平完成后，成形底板的平整度≤0.03mm。
具体地，采用本实施例中所述的成形底板快速调平方法，可以实现成形底板的快速调平，调平后的成形底板的平整度≤0.03mm，操作快速简便，能够满足使用需求。
需要说明的是，为使说明更加简洁，本实施例中所述的成形底板快速调平方法中各步骤的具体操作过程，可进一步参照前述实施例中所述的成形底板快速调平装置的具体操作过程，在此不再赘述。
需要说明的是，对于上述方法的实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明所必须的。
综上，本发明实施例提供的成形底板快速调平方法，通过在成形缸的侧壁上设置刻度线，并在底板升降机构上方设置了多根相同的支撑杆作为支撑件，取代了现有的四组旋片，在成形底板调平过程中可以方便地通过参照成形缸上的刻度线实现支撑杆的高度一致性，增强了成形底板调平过程中确定性因素，不仅减少了人为调平带来的误差，保证了成形底板水平方向各个位置高度的一致性，还快速地实现了成形底板的调平，缩短了打印前准备时间，提高了打印效率。
同时，成形底板的纵向起始位置也可以参照成形缸上的刻度线以及成形底板的热膨胀高度等因素准确得出，保证了不同炉次及不同打印人员的打印结果的打印稳定性和一致性。
基于同一技术构思，本发明实施例还提供一种粉床电子束增材制造设备，该设备包括上述任意一项实施例中所述的成形底板快速调平装置。
该粉床电子束增材制造设备的其余结构与现有技术中的结构相同，在此不再赘述。
在本发明的描述中，需要说明的是，“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。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该特征。在本公开实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“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。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种成形底板快速调平装置，其特征在于，包括：
成形缸，其侧壁上设置有刻度线；
底板升降机构，设置在所述成形缸的底部，其包括横向调平板，所述横向调平板的上表面设置有多个外螺纹孔；
多根支撑杆，设置在所述横向调平板上方，其下端具有与所述外螺纹孔相适配的螺纹；
成形底板，设置在所述支撑杆上方；
其中，所述支撑杆的下端与所述横向调平板螺纹连接旋转，以升降所述成形底板的高度并对所述成形底板进行调平。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括多个弹簧卡槽，其分别设置在所述成形缸的内壁上并位于同一水平面上。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述弹簧卡槽设置有四个，分别设置在所述成形缸的内部四个顶角位置处。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的装置，其特征在于，所述支撑杆设置有四根，均为相同的圆柱形杆。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的装置，其特征在于，所述支撑柱由钼或镍基合金材料制备而成。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的装置，其特征在于，所述成形底板由钛合金、钼或不锈钢材料制备而成。
7.一种成形底板快速调平方法，其特征在于，该方法应用于权利要求1～6任意一项所述的成形底板快速调平装置，包括：
根据成形缸侧壁上的刻度线旋转各支撑杆，使各所述支撑杆上端的高度相同；
控制底板升降机构，使各所述支撑杆上端与所述成形缸上端所处的铺粉平台之间的距离为预设距离，所述预设距离为成形底板的初始厚度与成形底板在打印温度下的热膨胀高度之和；
将所述成形底板放置在各所述支撑杆上端，并通过各弹簧卡槽固定，完成所述成形底板的快速调平。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述成形底板在打印温度下的热膨胀高度通过下式计算得出：
h＝αl×d×t，
其中，h为成形底板在打印温度下的热膨胀高度，αl为成形底板的制作材料的热膨胀系数，d为成形底板的初始厚度，t为打印温度。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述成形底板的快速调平完成后，所述成形底板的平整度≤0.03mm。
10.一种粉床电子束增材制造设备，其特征在于，其包括权利要求1～6中任意一项所述的成形底板快速调平装置。
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|---|---|---|---|
| CN202210143861.XA CN114472926A (zh) | 2022-02-16 | 2022-02-16 | 成形底板快速调平装置、方法及粉床电子束增材制造设备 |
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