CN114749681B - 适用于多种异质金属粉末的3d打印装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于多种异质金属粉末的3D打印装置及其工作方法，属于3D打印领域，其包括工作舱，设置在工作舱顶部处的激光发生部，设置在工作舱内腔底部处的多通道粉仓，嵌装在多通道粉仓底部以控制多通道粉仓开闭的可调挡板，位于工作舱内腔底部处用于承载多通道粉仓和可调挡板的基座，对应于多通道粉仓出口处用作金属粉末选区熔化成型的基板组合体，多通道粉仓具有至少两个连接为一体的料仓，每个料仓底部对应设置能单独开闭的可调挡板，基板组合体具有至少两个不同材质的小基板机械拼接而成。本发明还提供了该装置的工作方法。本发明装置和方法可以有效解决材料研发过程中的效率和成本问题，极大的缩短材料研发周期。

Description

适用于多种异质金属粉末的3D打印装置及其工作方法

技术领域

本发明属于异质金属粉末的3D打印领域，更具体地，涉及一种适用于多种异质金属粉末的3D打印装置及其工作方法。

背景技术

选区激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）技术是增材制造（AdditiveManufacturing，AM）技术中发展较快的一种新型技术，集合多种先进制造技术于一体，包括计算机辅助设计、计算机数字控制、材料成型等，通过设定高能激光束的功率、扫描路径等工艺参数将设定区域内的金属粉末进行直接熔化，然后逐层堆积形成具有复杂结构的三维实体零件。

在开始打印之前，需要将粉末仓中的金属粉末平铺到打印基板上，根据设计的每层轮廓进行选区激光熔化成型，然后基板下降一个层厚的高度，粉末仓自动输出一定量的金属粉末，通过刮刀将粉末平铺到基板，通过设计的每一层轮廓进行选区激光成型，如此反复，使得每一层按照设定参数进行成型，直至整个实体打印完成。

在常规的打印操作过程中，粉槽中的金属粉末与基板为单一匹配关系，在一次实验过程中只能打印一种材料。在材料研发过程中，由于设备数量有限，实验材料种类较多，常规的实验条件无法满足多种材料同时打印的研发需求，严重影响科研进度。同时不同材料需要与之相匹配的打印基板，在小批量材料研发过程中基板的整体更换需要付出较多的经济成本。同时由于粉末仓为固定粉末输出口，必须先将粉末仓装入打印机再进行添加粉末，在操作空间的限制下操作极为不便。如需更换粉末，则需要将装有剩余粉末的粉末仓取出，在此过程中容易形成粉末的泄露，造成极大的浪费。此外，由于现有设备的铺粉宽度无法调节，在制造小型零部件时也需要将整个基板铺满粉末才能进行打印，同时在打印过程中，根据粉末余量和打印方案的调整无法实时调整铺粉宽度，容易造成粉末的极大浪费。

因此，需要开发一种新型的能适用多种异质金属粉末的3D打印装置，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种适用于多种异质金属粉末的3D打印装置及其工作方法，通过设计多通道粉仓、可调挡板和基板组合体，能够实现一台装置适用于多种异质金属粉末的选区激光3D打印成型，可以有效解决材料研发过程中的效率和成本问题，极大的缩短了材料研发周期。

为实现上述目的，本发明提供了一种适用于多种异质金属粉末的3D打印装置，其包括工作舱，设置在工作舱顶部处的激光发生部，设置在工作舱内腔底部处的多通道粉仓，嵌装在多通道粉仓底部以控制多通道粉仓开闭的可调挡板，位于工作舱内腔底部处用于承载多通道粉仓和可调挡板的基座，对应于多通道粉仓出口处用作金属粉末选区熔化成型的基板组合体，设置在基板组合体上方用于调整金属粉末的刮粉器，支撑刮粉器来回往复移动的移动导轨，其中，多通道粉仓具有至少两个连接为一体的料仓，每个料仓底部对应设置能单独开闭的可调挡板，基板组合体具有至少两个不同材质的小基板机械拼接而成，以对应能适用不同料仓中不同金属粉末的选区激光3D打印。

进一步的，多通道粉仓具有结构相同、相互独立且连接为一体的五个料仓。

进一步的，五通道料仓中每个料仓底部设置有矩形状的卡槽，用于插装平板状的可调挡板。

进一步的，可调挡板具有结构相同的五块，五块可调挡板均能插装在矩形状的卡槽中或者从卡槽中抽拉退出，每块可调挡板由六块小单板拼接而成。

进一步的，每块可调挡板包括依次相互拼接的第一号拼板、第二号拼板、第三号拼板、第四号拼板、第五号拼板和第六号拼板，第一号拼板的一个侧壁处设置有插槽或者插孔，第二号拼板、第三号拼板、第四号拼板和第五号拼板结构相同，均为一侧壁设置有插杆且与该侧壁相对的另一侧壁处设置有插槽或者插孔，第六号拼板的一个侧壁设置有插杆，通过插杆插装在插孔或者插槽中，实现多个小拼板依次插装拼接为一体，同时能方便装卸以能调节料仓的送粉宽度。

进一步的，基板组合体包括分别设置在两侧的左支架和右支架，以及位于左支架和右支架之间的多个结构相同五个小基板，五个小基板的材质各不相同，五个小基板的结构相同，均为一侧壁设置有插槽或者插孔且相对的另一侧壁设置有插柱，左支架的一个侧壁设置有插孔，右支架的一个侧壁设置有插柱，左支架、五个小基板以及右支架依次拼装形成基板组合体。

进一步的，多通道粉仓、可调挡板为聚碳酸酯有机玻璃制备而成，基板组合体的左支架和右支架材质为碳钢，五个小基板的材质分别为纯钛、纯镍、铝合金、不锈钢和碳钢。

按照本发明的第二个方面，还提供一种采用如上所述的3D打印装置进行工作的方法，其包括如下步骤：

首先，依据试样尺寸调节可调挡板，以设置多通道粉仓每个通道出粉口宽度，异种金属粉末通过每个料仓的通道口进入基座内，

接着，将粉末送入基板组合体和基座之间，刮粉器沿移动导轨将粉末平铺至基板组合体的对应小基板处，激光发生部按照设定程序对异种金属粉末进行选区熔化成型，完成第一层铺粉和激光选区熔化成型，

然后，进行下一次铺粉和激光选区熔化成型，重复铺粉和激光选区熔化成型，最终，按照既定程序完成整个试样3D打印成型。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本装置可以实现异种金属粉末同时打印的功能，其送粉宽度实时可调，不仅可以控制打印过程中的送粉量，而且可以减少由于铺粉宽度调整带来的复杂操作流程。本装置可以实现粉末装入粉仓后再安装至打印机，打印结束后可以将粉末仓以及剩余粉末一起取出，减少在装粉、取粉过程中的操作难度，降低时间成本。本装置设计有采用异种金属材料组合的新型基板组合体，在小批量材料实验过程中可减少基板的更换次数，节约时间成本。本发明装置在小批量实验过程中，每种材料的基板尺寸不足原尺寸的五分之一，极大的降低了实验成本，并且每种材料基板采用镶嵌结构，对不同材料基板可以进行单独更换，提高基板利用率。此外，多通道粉仓仓体透明，可以实时观测粉末余量，从而实时调整打印方案。本发明装置使用时只需将原装粉末传送装置和基板进行整体替换，不改变打印机现有结构，拆装方便快捷。采用本发明装置进行选区激光3D打印，方便快捷，效率极高，尤其适用于小型化或者实验室的研发过程。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种适用于多种异质金属粉末的3D打印装置；

图2为本发明实施例中适用于多种异质金属粉末的3D打印装置的多通道料仓和基板组合体的结构爆炸图；

图3a为本发明实施例中适用于多种异质金属粉末的3D打印装置的粉仓结构主视图，图3b为图3a中A-A面的剖视图；

图4a为图3a和图3b中粉仓结构左视图，图4b是图4a中B-B面剖视图；

图5a为图3a和图3b中粉仓结构俯视图，图5b是图5a中C-C面剖视图；

图6为本发明实施例中适用于多种异质金属粉末的3D打印装置的基板边缘左支架结构三视图；

图7为发明实施例中适用于多种异质金属粉末的3D打印装置的基板边缘右支架结构三视图；

图8为发明实施例中适用于多种异质金属粉末的3D打印装置的纯钛基板结构三视图；

图9a至图9d为发明实施例中适用于多种异质金属粉末的3D打印装置的可调挡板的多个结构示意图，其中，图9a为可调挡板结构爆炸图，图9b为可调挡板的第一号拼板结构三视图，图9c为可调挡板的第六号拼板结构三视图，图9d为可调挡板的第二号拼板结构三视图。

其中，所有的附图标记自始至终表示相同的结构和元件，具体的：

1表示多通道粉仓；2表示左支架；3表示纯钛基板；4表示纯镍基板；5表示铝合金基板；6表示不锈钢基板；7表示碳钢基板；8表示右支架；9表示可调挡板；901为第一号拼板；902为第二号拼板；903为第三号拼板；904为第四号拼板；905为第五号拼板；906为第六号拼板；10表示基板组合体；11表示工作舱；12表示多通道粉仓和可调挡板组合体；13表示激光发生部；14表示基座；15表示刮粉器；16表示移动导轨。

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明实施例提供的一种适用于多种异质金属粉末的3D打印装置，由图可知，其包括工作舱11、激光发生部13、多通道粉仓1、可调挡板9、基座14、基板组合体10和刮粉器15。工作舱11具有内部的工作空腔，在工作舱11顶部处设置有激光发生部13，在工作舱11内腔底部处的多通道粉仓1，嵌装在多通道粉仓1底部处设置有可调挡板9，可调挡板9可以用来控制多通道粉仓开闭，位于工作舱11内腔底部处还设置有基座14，基座用于承载多通道粉仓1和可调挡板9的组合体12，对应于多通道粉仓1出口处设置有用作金属粉末选区熔化成型的基板组合体10，在基板组合体10上方处设置有用于调整金属粉末的刮粉器15，移动导轨16用于支撑刮粉器15来回往复移动，移动导轨16成对出现，设置在工作舱11底部。

图2为本发明实施例中适用于多种异质金属粉末的3D打印装置的多通道料仓和基板组合体的结构爆炸图，由图可知，在本发明的一个实施例中，多通道粉仓1具有结构相同、相互独立且连接为一体的五个料仓。

图3a为本发明实施例中适用于多种异质金属粉末的3D打印装置的粉仓结构主视图，图3b为图3a中A-A面的剖视图，图4a为图3a和图3b中粉仓结构左视图，图4b是图4a中B-B面剖视图，图5a为图3a和图3b中粉仓结构俯视图，图5b是图5a中C-C面剖视图，由图可知，五通道料仓中每个料仓底部设置有矩形状的卡槽，用于插装平板状的可调挡板，每个料仓底部对应设置能单独开闭的可调挡板9。

图6为本发明实施例中适用于多种异质金属粉末的3D打印装置的基板边缘左支架结构三视图，图7为发明实施例中适用于多种异质金属粉末的3D打印装置的基板边缘右支架结构三视图，图8为发明实施例中适用于多种异质金属粉末的3D打印装置的纯钛基板结构三视图，由图可知，在本发明的又一个实施例中，基板组合体10包括分别设置在两侧的左支架2和右支架8，以及位于左支架2和右支架8之间的多个结构相同五个小基板，五个小基板的材质各不相同，五个小基板的结构相同，均为一侧壁设置有插槽或者插孔且相对的另一侧壁设置有插柱，左支架的一个侧壁设置有插孔，右支架的一个侧壁设置有插柱，左支架、五个小基板以及右支架依次拼装形成基板组合体。

图9a至图9d为发明实施例中适用于多种异质金属粉末的3D打印装置的可调挡板结构示意图，其中，图9a为可调挡板结构爆炸图，图9b为可调挡板的第一号拼板结构三视图，图9c为可调挡板的第六号拼板结构三视图，图9d为可调挡板的第二号拼板结构三视图，由图可知，可调挡板9具有结构相同的五块，五块可调挡板均能插装在矩形状的卡槽中或者从卡槽中抽拉退出，每块可调挡板由六块小单板拼接而成。每块可调挡板9包括依次相互拼接的第一号拼板901、第二号拼板902、第三号拼板903、第四号拼板904、第五号拼板905和第六号拼板906，第一号拼板901的一个侧壁处设置有插槽或者插孔，第二号拼板902、第三号拼板903、第四号拼板904和第五号拼板905结构相同，均为一侧壁设置有插杆且与该侧壁相对的另一侧壁处设置有插槽或者插孔，第六号拼板906的一个侧壁设置有插杆，通过插杆插装在插孔或者插槽中，实现多个小拼板依次插装拼接为一体，同时能方便装卸以能调节料仓的送粉宽度。在本发明的一个实施例中，多通道粉仓1、可调挡板9为聚碳酸酯有机玻璃制备而成，基板组合体的左支架和右支架材质为碳钢，五个小基板分别为纯钛基板3、纯镍基板4、铝合金基板5、不锈钢基板6和碳钢基板7。每个料仓出口处对应的基板材质与该料仓内盛装的金属粉末材质相同。

总的来说，粉末仓有五个单独通道构成，在每个通道底部开有矩形槽来安装可调挡板，每个可调挡板由六个单板拼接而成，每个单板可以单独滑动从而调节送粉宽度。基板组合体由五种不同材料小基板和基板两侧的左、右支架组成，每种材料的小基板与多通道粉料仓的单独通道或者单个料仓内的金属粉末材料相匹配。多通道粉仓、可调挡板为有机玻璃pc聚碳酸酯加工制成，基板组合体两侧的左支架和右支架由低碳钢材料制成，中间的小基板分别由纯钛、纯镍、铝合金、不锈钢、碳钢制成。可以根据不同金属粉末更换与金属粉末材料相匹配的基板组合体。基板组合体所包含的单个基板可根据实验需求进行单独更换，实现多种材料同时打印的功能。基板组合体由多种材料基板和边缘支撑板两两镶嵌构成，边缘支撑板四角开有螺钉孔用于固定基板。可调挡板由六个单板拼接而成，每个单板可以单独滑动从而调节送粉宽度。

在实际工程时间中，基板组合体整体尺寸为长×宽×高为248mm×248mm×20mm。其中，单个小基板尺寸为长×宽×高为40mm×248mm×20mm，左支架和右支架两侧分别设有两个φ10mm×20mm高的圆柱凸台和凹孔用于基板镶嵌组合（其中，符号φ表示为圆柱凸台或凹孔的直径）。多通道粉仓尺寸为长×宽×高为300mm×200mm×40mm，每个料仓底部开有30mm×13mm的矩形槽口用于传送粉末。可调挡板整体尺寸为长×宽×高为30mm×40mm×1.5mm，其中，单个拼板尺寸为长×宽×高为5mm×40mm×1.5mm。

本发明装置适用于多种异质金属粉末的3D打印装置能应用于选区激光3D打印，多通道粉仓和可调挡板组合体12整体替换原有粉仓，基板组合体10整体替换原有基板。

采用本发明装置进行3D打印的过程为：

首先，在打印过程前，依据打印试样尺寸调节可调挡板以设置每个通道出粉口宽度，异种金属粉末通过可调挡板调节进入承载多通道粉仓和可调挡板的基座14的粉末量，通过调整气流强度将粉末送入基板组合体10和基座14之间。

接着，刮粉器15沿移动导轨16将粉末平铺至基板组合体10上，激光发生部13按照设定程序对异种金属粉末进行熔化。

然后，待第一层铺粉和熔化成型完成后，进行下一次铺粉，如此往复，最后，按照既定程序将试样打印完成。

下面结合更具体实施例进一步详细说明本发明装置和本发明方法。

实施例1

首先，将可调挡板装入五通道粉槽，使得送粉仓口为闭合状态，然后装入所需要打印的异种金属粉末，每一通道限装同一材料金属粉末，最后使用该粉仓整体替换原装粉槽。

根据打印金属粉末材料对基板进行组装，使得每一金属粉末的铺粉通道所在基板与金属粉末材料相匹配，然后，将组装好的基板整体替换原装基板，通过调整可调挡板将送粉宽度调整为设计宽度。

在打印之前，使用3D打印机建模软件根据每一打印样件进行工艺参数的设定，包括激光功率、扫描间隙、扫描速率等。

在打印过程中，可通过观测粉末余量和实验进度对打印策略进行实时调整，通过调整可调挡板实时调整送粉宽度。

打印结束后，通过调整可调挡板将送粉仓口闭合，防止粉末在换取过程中泄露。然后，将粉槽和基板进行整体恢复至原装装置，不影响机器原有结构和使用性能。

在实施例1的基础上，该装置一次性可实现五种材料同时打印，如需增加打印材料种类，可通过增加单一材料基板种类满足实验需求。单一材料基板尺寸不足组合基板的五分之一，可以极大的节约实验成本，有效的适应小批量多种类材料研发。可调挡板两两之间通过镶嵌轨道进行滑动，使得送粉宽度可以在0-30mm之间随时进行调整。

在实施例1的基础上，在3D打印结束后，在进行下一次实验之前需要等待打印产品冷却、打印件切割、材料更换等一系列实验准备。采用该打印装置后，可以将五种材料的研发时间缩短为原来的五分之一，可以极大的节约时间成本。

本发明装置旨在解决实验室中材料研发过程中的效率问题，材料研发过程中材料品种较多，常规的打印操作一次打印只能打印一种粉末，打印周期较长，并且由于粉仓宽度较大一次打印对粉末需求量较多，容易造成时间和粉末的浪费。在本发明中，通过设计多通道粉仓和对应的基板组合体，可以有效解决材料研发过程中的效率和成本问题，极大的缩短了材料研发周期。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适用于多种异质金属粉末的3D打印装置，其特征在于，其包括工作舱(11)，设置在工作舱(11)顶部处的激光发生部(13)，设置在工作舱(11)内腔底部处的多通道粉仓(1)，嵌装在多通道粉仓(1)底部以控制多通道粉仓开闭的可调挡板(9)，位于工作舱(11)内腔底部处用于承载多通道粉仓(1)和可调挡板(9)的基座(14)，对应于多通道粉仓(1)出口处用作金属粉末选区熔化成型的基板组合体(10)，设置在基板组合体(10)上方用于调整金属粉末的刮粉器(15)，支撑刮粉器(15)来回往复移动的移动导轨(16)，其中，

多通道粉仓(1)具有五个连接为一体的料仓，每个料仓底部对应设置能单独开闭的可调挡板(9)，基板组合体(10)由至少两个不同材质的小基板机械拼接而成，能适用不同料仓中不同金属粉末的选区激光3D打印，

多通道粉仓为一整体，沿其高度方向开设有结构相同、相互独立、并列设置且相隔间距的五个料仓，五个料仓连接为一体，每个料仓的横截面呈矩形，每个料仓的空腔呈长条状，

五个料仓组成的多通道粉仓中，每个料仓底部设置有矩形状的卡槽，用于插装平板状的可调挡板，

可调挡板(9)具有结构相同的五块，五块可调挡板均能插装在矩形状的卡槽中或者从卡槽中抽拉退出，每块可调挡板由六块拼板拼接而成，

每块可调挡板(9)包括依次相互拼接的第一号拼板(901)、第二号拼板(902)、第三号拼板(903)、第四号拼板(904)、第五号拼板(905)和第六号拼板(906)，第一号拼板(901)的一个侧壁处设置有插槽或者插孔，第二号拼板(902)、第三号拼板(903)、第四号拼板（904）和第五号拼板(905)结构相同，均为一侧壁设置有插杆且与该侧壁相对的另一侧壁处设置有插槽或者插孔，第六号拼板(906)的一个侧壁设置有插杆，通过插杆插装在插孔或者插槽中，实现多个小拼板依次插装拼接为一体，同时能方便装卸以能调节料仓的送粉宽度。

2.如权利要求1所述的一种适用于多种异质金属粉末的3D打印装置，其特征在于，基板组合体(10)包括分别设置在两侧的左支架和右支架，以及位于左支架和右支架之间的结构相同的五个小基板，五个小基板的材质各不相同，五个小基板的结构相同，均为一侧壁设置有插槽或者插孔且相对的另一侧壁设置有插柱，左支架的一个侧壁设置有插孔，右支架的一个侧壁设置有插柱，左支架、五个小基板以及右支架依次拼装形成基板组合体。

3.如权利要求2所述的一种适用于多种异质金属粉末的3D打印装置，其特征在于，多通道粉仓、可调挡板为聚碳酸酯有机玻璃制备而成，基板组合体的左支架和右支架材质均为碳钢，五个小基板的材质分别为纯钛、纯镍、铝合金、不锈钢和碳钢。

4.采用如权利要求1-3之一所述的适用于多种异质金属粉末的3D打印装置进行工作的方法，其特征在于，其包括如下步骤：

首先，依据试样尺寸调节可调挡板，以设置多通道粉仓每个通道出粉口宽度，异种金属粉末通过每个料仓的通道口进入基座（14）内；

接着，将粉末送入基板组合体（10）和基座（14）之间，刮粉器（15）沿移动导轨（16）将粉末平铺至基板组合体（10）的对应小基板处，激光发生部（13）按照设定程序对异种金属粉末进行选区熔化成型，完成第一层铺粉和激光选区熔化成型；

然后，进行下一次铺粉和激光选区熔化成型，重复铺粉和激光选区熔化成型，最终，按照既定程序完成整个试样3D打印成型，在打印过程中，能通过观测粉末余量和实验进度对打印策略进行实时调整，通过调整可调挡板实时调整送粉宽度。

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