CN115025940B - 一种3d打印不锈钢异形表面的改性设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印不锈钢异形表面的改性设备，包括机身、试验台、铺胶装置、铺粉装置、尺寸控制装置、挤压装置、加热装置。本发明为针对3D打印不锈钢异形表面如具有曲面、沟槽、孔洞等异形结构的处理装置，可实现对3D打印不锈钢表面铺胶、微粒添加、压平等操作，大大提高加工效率，并结合添加微粒的种类和浓度，可以有效改善不锈钢的表面性能，可广泛应用于3D打印不锈钢表面的后加工处理。

Description

一种3D打印不锈钢异形表面的改性设备

技术领域

本发明涉及一种加工设备，具体涉及一种3D打印不锈钢异形表面的改性设备。

背景技术

近年来，不锈钢3D打印技术应用越来越广泛，不锈钢3D打印技术在一些精细行业领域和关键产品中的应用越来越多，所需尺寸精度与外形精度较高。但现有不锈钢3D打印技术获得的不锈钢试样表面粗糙度达到数微米至十数微米之大，在使用前均需要解决表面粗糙度过高的问题，现有的处理方法大多遵循减材制造理论，采用打磨抛光等方法处理，而对于表面具有孔洞或起伏等特殊结构的异形工件表面，其传统加工难度较大，加工效率低，缺乏一体化高精度的设备。而如果可以在处理表面粗糙度的同时，还能改善其表面性能，将有助于推动3D打印不锈钢在更多工业领域的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种3D打印不锈钢异形表面的改性设备，通过特定结构设计，实现3D打印不锈钢异形表面包括粗糙度和摩擦学性能在内的表面性能的改善。

本发明一种3D打印不锈钢异形表面的改性设备，其主要技术方案如下：

所述机身包括上部可旋转的支撑架、中部可滑行的连杆架和下部底座；所述试验台包括一个独立的计算机工作台和一个独立的旋转试验台；所述铺胶装置包括第一滑行轨道，装配于所述机身上部可旋转的支撑架中，并可在所述可旋转的支撑架上横向移动；所述铺粉装置装配于中部可滑行的连杆架中；所述尺寸控制装置包括装配于机身上与所述计算机工作台连接的红外线测厚仪，以及装配于上部可旋转的支撑架中的可变形刮板；所述可变形刮板包括第二滑行轨道；所述挤压装置与所述铺粉装置均装配于机身第一滑行轨道中；所述加热装置位于所述铺胶装置外侧，所述加热装置为一带有温度传感器的加热片。

所述机身的上部可旋转的支撑架分别与所述铺胶装置的第一滑行轨道和所述可变形刮板的第二滑行轨道装配，使所述第一滑行轨道与所述第二滑行轨道在机架上跟随加工进度移动。

所述计算机工作台可通过人工操控铺胶装置、铺粉装置、尺寸控制装置、挤压装置、加热装置的运行。

所述试验台包括试验台底座、万向轮、试验台面，所述试验台底座与所述试验台面通过所述万向轮连接，所述万向轮由所述独立计算机工作台控制，可进行任意方向的转动，在作业过程中保持被加工不锈钢异形表面局部保持水平。

所述铺胶装置还包括圆柱体气缸、活塞、滴胶管、喷嘴；所述铺胶装置由所述独立计算机工作台控制，使铺胶装置精确到达被加工表面。

所述圆柱体气缸为气动装置，通过所述活塞气动加压，将所述滴胶管中的胶体挤压至所述喷嘴喷出。

所述铺粉装置由粉盒、样品微粒、隔板、底板组成；所述隔板上均匀排列有孔径一致的圆形孔洞，且所述隔板可根据不同直径样品微粒进行更换，以满足不同直径样品微粒的规则添加。

所述底板为与所述粉盒连接的活动结构，所述底板可根据不同设备不同作业状态进行开关，以此控制样品微粒对所述3D打印不锈钢异形表面的铺粉。

所述尺寸控制装置由红外测厚仪与可变形刮板组成；所述可变形刮板还包括连杆、压力装置、金属刮刀、磁吸弹性金属条；所述磁吸弹性金属条装配于所述金属刮刀顶端，利用磁力吸附所述可变形刮板。

所述金属刮刀为竖条状排列的弹性金属薄片，实时调整所述弹性金属薄片的纵向位移和端部轮廓，使其与被加工3D打印不锈钢异形表面预设的曲面、凹槽、孔洞的外形轮廓一致。

与现有技术相比，本发明一种3D打印不锈钢异形表面的改性设备具有以下优点：

首先，相较传统不锈钢表面减材制造的加工方法，本发明提供的设备遵循增材改性原则，有望为3D打印不锈钢异形工件表面提供一种新的高效的表面增材改性方法，在保留3D打印不锈钢工件高精度外形的同时，很好地解决传统减材加工面对的异形表面外形突变处存在的难加工和加工精度难以达到的难题。

其次，本发明的设备针对3D打印不锈钢异形表面的改性进行了全方位的结构设计，很好地满足了3D打印不锈钢异形表面改性的需要。针对不锈钢异形表面铺胶、铺粉困难的问题进行对应机构设计，其中铺胶装置舍弃原有惯用的大面积铺胶形式，通过气动滴胶，精确定位并控制滴胶量；铺粉装置采用孔径可变的底板，在保证填充颗粒与不锈钢异形表面凹槽契合性的同时，提高了加工效率；可变形刮板形状灵活多变的特点能够较好地满足刮刀与异形表面轮廓的契合性，在经过可变形刮板的处理后，能够大大减小铺胶铺粉后不锈钢表面的粗糙度，提升了加工精度与产品质量。

最后，本发明在对3D打印不锈钢异形表面的加工过程中，能够同时完成异形表面的铺胶、微粒添加、压平、再铺胶等多种操作，表面粗糙度得到显著改善的同时，利用添加微粒的种类和浓度的针对性调整或改变，比如硬质耐磨微粒或减摩微粒等，使得处理后的3D打印不锈钢工件产品的摩擦学性能大大提高。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是铺胶装置的正向结构示意图。

图3是铺胶装置的侧向结构示意图。

图4是铺粉装置的结构示意图。

图5是铺粉装置中隔板的结构示意图。

图6是可变形刮板的结构示意图。

图7是尺寸控制装置加工不锈钢沟槽表面时的示意图。

图8是尺寸控制装置加工不锈钢曲面时的示意图。

具体实施方式

实施例一

参见图1，一种3D打印不锈钢异形表面的改性设备，包括机身、试验台、铺胶装置、铺粉装置、尺寸控制装置、挤压装置、加热装置，所述机身包括上部可旋转的支撑架1、中部可滑行的连杆架2和下部底座3；所述试验台包括一个独立的计算机工作台4和一个独立的旋转试验台5；所述铺胶装置6包括第一滑行轨道111，装配于所述机身上部可旋转的支撑架1中，并可在所述可旋转的支撑架1上横向移动；所述铺粉装置7装配于中部可滑行的连杆架2中；所述尺寸控制装置8包括装配于机身上与所述计算机工作台4连接的红外线测厚仪81，以及装配于上部可旋转的支撑架1中的可变形刮板82；所述可变形刮板包括第二滑行轨道112；所述挤压装置9与所述铺粉装置7均装配于机身第一滑行轨道中；所述加热装置10位于铺胶装置6外侧，所述加热装置10为一带有温度传感器的加热片。

所述机身的上部可旋转的支撑架1分别与所述铺胶装置6的第一滑行轨道111和所述可变形刮板82的第二滑行轨道112装配，使所述第一滑行轨道111与所述第二滑行轨道112在机架上跟随加工进度移动。

所述计算机工作台4可通过人工操控铺胶装置6、铺粉装置7、尺寸控制装置8、挤压装置9、加热装置10的运行。

所述试验台5包括试验台底座51、万向轮52、试验台面53，所述试验台底座51与所述试验台面53通过所述万向轮52连接，所述万向轮52由所述独立计算机工作台4控制，可进行任意方向的转动，在作业过程中保持被加工不锈钢异形表面局部保持水平。

参见图2和图3，所述铺胶装置6还包括圆柱体气缸61、活塞62、滴胶管63、喷嘴64；所述铺胶装置6由所述独立计算机工作台4控制，使铺胶装置6精确到达被加工表面。

所述圆柱体气缸61为气动装置，通过所述活塞62气动加压，将所述滴胶管63中的胶体挤压至所述喷嘴64喷出。

参见图4和图5，所述铺粉装置7由粉盒71、样品微粒72、隔板73、底板74组成；所述隔板73上均匀排列有孔径一致的圆形孔洞731，且所述隔板73可根据不同直径样品微粒72进行更换，以满足不同直径样品微粒72的规则添加。

所述底板74为与所述粉盒71连接的活动结构，所述底板74可根据不同设备不同作业状态进行开关，以此控制样品微粒72对所述3D打印不锈钢异形表面的铺粉。

参见图1和图6所述尺寸控制装置8由红外测厚仪81与可变形刮板82组成；所述可变形刮板82包括滑道11、连杆821、压力装置822、金属刮刀823、磁吸弹性金属条824；所述滑行轨11由所述独立计算机工作台4控制，使所述可变形刮板82精确到达被加工表面；所述磁吸弹性金属条824装配于所述可变形刮板82顶端，利用磁力吸附所述可变形刮板82。

参见图7和图8，所述金属刮刀823为竖条状排列的弹性金属薄片8231，实时调整所述弹性金属薄片8231的纵向位移和端部轮廓，使其与被加工3D打印不锈钢异形表面预设的曲面、凹槽、孔洞的外形轮廓一致；同时，所述弹性金属薄片8231两端装配有压力装置822，左右两端同时向所述金属薄片8231施加一定压力，保证薄片在横向上不变形，具有良好强度。作为另一种替代方案，金属刮刀可采用耐高温具有一定弹性的硬质有机材质代替。

所述挤压装置9装配于所述铺胶装置6的第一滑行轨道111中，所述挤压装置9的平面压头91最底端时刻与所述铺胶装置6的喷嘴64最底端持平。

所述加热装置10为带有温度传感器的加热片，加热片固定在所述铺胶装置6外侧，由所述独立计算机工作台4控制，实时调整加热温度，使其符合被加工件的温度需求，控制胶体融化或凝固的不同状态。铺胶装置中的材质为PVA凝胶，浓度根据需要调整，通常为10%-20%质量分数；根据不同的应用工况环境，铺粉装置中的微粒成分为MoS2等减摩组分，或是WC等硬质耐磨组分，或者是减摩组分和硬质耐磨组分的混合组分。本发明的3D打印不锈钢异形表面的改性设备的操作流程包括如下步骤：

步骤1，将待加工3D打印异形不锈钢放置于所述试验台台面53上，开启计算机工作台4，对待加工不锈钢进行全方位扫描，记录其整体尺寸、厚度，并重点扫描其表面曲面、凹槽、孔洞的具体形状尺寸。计算机工作台4全程控制设备的加工，试验台面53通过底座51与万向轮52的控制，加工过程中实时保持被加工件局部表面水平。

步骤2，对待加工3D打印异形不锈钢铺胶。在计算机工作台4中输入铺胶量后铺胶装置6启动，在计算机4的控制下，铺胶装置6跟随加工进度在第一滑动轨道111上左右移动，在此过程中，铺胶装置6的圆柱体气缸61加压，推动活塞62向下移动，将胶体挤压至滴胶管63的同时加热装置10对胶体加热至流体状态。最后，在铺胶装置6根据输入的滴胶量除以待加工件表面积得到滴胶厚度后，在红外测厚仪81的监测下，胶体从喷嘴64喷出滴至待加工件表面，至规定厚度后停止滴胶。

步骤3，对待加工3D打印异形不锈钢铺粉。可根据需要进行特定位置特定含量粉体微粒的铺放，进而获得不同分布规律微粒的铺放。工件表面胶体为半固体状态时，铺粉装置7在中部可滑行的连杆架2的带动下，移动至待加工件上方，粉盒71中的样品微粒72落入隔板73上方，隔板73根据不同直径样品微粒72调节，随后底板74由关闭状态变为打开状态，样品微粒72透过隔板73规则落入半固体胶体中。铺粉装置7停止工作复原，同时挤压装置9跟随第一滑行轨道111到达工件表面，挤压装置9以一定压力匀速前进，将样品微粒72压入胶体中。步骤2与步骤3可根据实际加工需求重复进行。利用此种方法进行铺胶与铺粉，可大大提高工作效率，且铺胶厚度、铺粉密度均通过计算机4的精密计算，加工精度高。

步骤4，对待加工3D打印不锈钢铺胶铺粉后的表面精加工。机身上部可旋转支撑架1旋转180°，在第二滑行轨道112的控制下，可变形刮板82到达待加工工件表面，可变形刮板82由计算机4控制，对预先扫描出的表面曲面进行刮平处理，压力装置822对各个弹性金属薄片8231和磁吸弹性金属条824加压，根据不同表面情况调整弹性金属薄片8231的纵向位移与端部轮廓实时与预设轮廓保持一致。第二滑行轨道112带动可变形刮板82从左至右、从前端至后端移动，加工过程中，压力装置822于左右两端同时向金属刮刀823整体施加一定压力，保证弹性金属薄片8231在横向上不发生形变。金属刮刀823将工件表面多余胶体与部分微粒凸起刮除。最后获得所需表面粗糙度和表面摩擦学性能的3D打印不锈钢工件。

实施例二

参见图8，本实施例与上述实施例一制备步骤的不同之处在于，可变形刮板82对预先扫描出的表面沟槽进行刮平处理，金属刮刀823外轮廓与沟槽实时保持一致，将工件表面多余胶体与部分微粒凸起刮除。由于各弹性金属薄片8231的厚度薄且端部实时与外轮廓保持一致，因此可保证加工所得工件表面整体粗糙度不超过1μm，有效解决不锈钢异形表面增材制造的粗糙度问题。可变形刮板82具有实时可变性，其形状变化不受约束，该设备可广泛应用于不锈钢异形表面的加工。

Claims (8)

1.一种3D打印不锈钢异形表面的改性设备，其特征在于，包括机身、试验台、铺胶装置、铺粉装置、尺寸控制装置、挤压装置、加热装置，所述机身包括上部可旋转的支撑架、中部可滑行的连杆架和下部底座；所述试验台包括一个独立的计算机工作台和一个独立的旋转试验台；所述铺胶装置包括第一滑行轨道，装配于所述机身上部可旋转的支撑架中，并可在所述可旋转的支撑架上横向移动；所述铺粉装置装配于中部可滑行的连杆架中；所述尺寸控制装置包括装配于机身上与所述计算机工作台连接的红外线测厚仪，以及装配于上部可旋转的支撑架中的可变形刮板；所述可变形刮板包括第二滑行轨道；所述挤压装置与于所述铺粉装置均装配于机身第一滑行轨道中；所述加热装置位于所述铺胶装置外侧，所述加热装置为一带有温度传感器的加热片；所述尺寸控制装置由红外测厚仪与可变形刮板组成；所述可变形刮板还包括连杆、压力装置、金属刮刀、磁吸弹性金属条；所述磁吸弹性金属条装配于所述金属刮刀顶端，利用磁力吸附所述金属刮刀；所述金属刮刀为竖条状排列的弹性金属薄片，实时调整所述弹性金属薄片的纵向位移和端部轮廓，使其与被加工3D打印不锈钢异形表面预设的曲面、凹槽、孔洞的外形轮廓一致。

2.如权利要求1所述的3D打印不锈钢异形表面的改性设备，其特征在于：所述机身的上部可旋转的支撑架分别与所述铺胶装置的第一滑行轨道和所述可变形刮板的第二滑行轨道装配，使所述第一滑行轨道与所述第二滑行轨道在机架上跟随加工进度移动。

3.如权利要求1所述的3D打印不锈钢异形表面的改性设备，其特征在于：所述计算机工作台可通过人工操控铺胶装置、铺粉装置、尺寸控制装置、挤压装置、加热装置的运行。

4.如权利要求3所述的3D打印不锈钢异形表面的改性设备，其特征在于：所述试验台包括试验台底座、万向轮、试验台面，所述试验台底座与所述试验台面通过所述万向轮连接，所述万向轮由所述独立计算机工作台控制，可进行任意方向的转动，在作业过程中保持被加工不锈钢异形表面局部保持水平。

5.如权利要求1所述的3D打印不锈钢异形表面的改性设备，其特征在于：所述铺胶装置还包括圆柱体气缸、活塞、滴胶管、喷嘴；所述铺胶装置由所述独立计算机工作台控制，使铺胶装置精确到达被加工表面。

6.如权利要求5所述的3D打印不锈钢异形表面的改性设备，其特征在于：所述圆柱体气缸为气动装置，通过所述活塞气动加压，将所述滴胶管中的胶体挤压至所述喷嘴喷出。

7.如权利要求1所述的3D打印不锈钢异形表面的改性设备，其特征在于：所述铺粉装置由粉盒、样品微粒、隔板、底板组成；所述隔板上均匀排列有孔径一致的圆形孔洞，且所述隔板可根据不同直径样品微粒进行更换，以满足不同直径样品微粒的规则添加。

8.如权利要求7所述的3D打印不锈钢异形表面的改性设备，其特征在于：所述底板为与所述粉盒连接的活动结构，所述底板可根据不同设备不同作业状态进行开关，以此控制样品微粒对所述3D打印不锈钢异形表面的铺粉。

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