CN115107274B - 3d打印设备及其打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D打印设备及其打印方法，3D打印设备包括工作平台、移动机构、至少两个选择性铺粉装置、成型升降台和固化装置；移动机构设于工作平台上并可沿第一方向移动；选择性铺粉装置安装于移动机构上；选择性铺粉装置用于选择性地铺设多种不同材料的粉末层至成型升降台上，以层层叠加打印成三维零件；固化装置设于工作平台上方；固化装置用于对每一粉末层进行固化处理。本发明改进了3D打印设备的结构，可选择性地按需铺设多种不同材料的粉末，以实现多材料3D打印，材料适应性强，并提高了打印效率。

Description

3D打印设备及其打印方法
技术领域
本发明涉及3D打印机技术领域，尤其涉及一种3D打印设备及其打印方法。
背景技术
目前，以粉末为原料，通过烧结/熔融/粘接工艺的粉末床3D技术是目前增材制造领域的一个重要发展方向，其原理是将粉末材料铺设一层在可升降平台上，之后在特定区域进行选择性的激光烧结或喷射粘接剂，使其固化，之后再铺设下一层粉末，如此循环逐层累加形成三维零件。
现有的粉末床3D打印技术大多停留在单材料打印层面上，而实际使用过程中，由于零件不同部位要求具备不同的性能，需要在不同部位使用不同的粉末材料以及粘接剂组合成型，以更好地满足使用要求。
因此，亟需设计一种可多材料打印的3D打印设备。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种3D打印设备，旨在实现多材料3D打印。
为实现上述目的，本发明提出一种3D打印设备，所述3D打印设备包括：
工作平台；
移动机构，设于所述工作平台上并可沿第一方向移动；
至少两个选择性铺粉装置，安装于所述移动机构上；至少两所述选择性铺粉装置，用于选择性地铺设多种不同材料的粉末层至成型升降台上，以层层叠加打印成三维零件；以及
固化装置，设于所述工作平台上方；所述固化装置，用于对所述粉末层进行固化处理。
可选地，所述选择性铺粉装置包括储粉容器及选择性供粉机构，所述储粉容器设有下料口，所述选择性供粉机构包括至少一个针式供粉头，所述针式供粉头包括固定于所述下料口处的壳体组件及多根并排设置于所述壳体组件上的供粉针，每一所述供粉针均伸缩设置于所述壳体组件上并可伸入至所述下料口中，以打开或关闭所述下料口的对应位置。
可选地，所述壳体组件包括固定座、与所述固定座连接固定的壳体及设于所述壳体端部的出针板，所述壳体固定于所述储粉容器的下料口处；
所述针式供粉头还包括多个衔铁拍板、多组电磁线圈、多个第一弹性体及多个第二弹性体，多根所述供粉针的一端与多个所述衔铁拍板一对一连接，多根所述供粉针的另一端穿设所述出针板，每一所述衔铁拍板的一端均通过所述第一弹性体与所述固定座弹性抵接，每一所述衔铁拍板的另一端均通过所述第二弹性体与所述固定座弹性抵接，以使所述衔铁拍板在弹力的驱动下带动所述供粉针伸入至所述下料口中，关闭所述下料口的对应位置；多组所述电磁线圈间隔设置于所述固定座内并与多个所述衔铁拍板一一对应设置，以用于分别使对应的所述衔铁拍板在磁力的驱动下带动所述供粉针回缩至所述壳体内，打开所述下料口的对应位置。
可选地，多个所述衔铁拍板沿所述固定座环向间隔排布，多组所述电磁线圈沿所述固定座环向间隔排布，多根所述供粉针自其固定于所述固定座的一端向穿设所述出针板的一端由环形排布过渡至线形排布。
可选地，多根所述供粉针固定于所述固定座的一端呈椭圆形排布，且所述椭圆形的短轴平行于所述工作平台的长度方向设置。
可选地，相邻的两所述供粉针的伸出端之间形成第一间隙，所述第一间隙的大小适于小于粉末材料的粒径。
可选地，所述供粉针的伸出端与所述下料口的内壁之间形成第二间隙，所述第二间隙的大小适于小于粉末材料的粒径。
可选地，多个所述针式供粉头分为两组，两组所述针式供粉头分别间隔设置于所述储粉容器的下料口两侧上，且两组所述针式供粉头呈交错分布。
可选地，所述3D打印设备还包括成型升降台，所述工作平台设置于所述成型升降台上，以在所述成型升降台的驱动下做升降运动；
所述选择性铺粉装置的宽度与所述成型升降台的宽度相同。
为了实现上述目的，本发明还提出一种3D打印方法，基于如上所述的3D打印设备，所述打印方法包括以下步骤：
S10、获取待打印三维零件的打印信息；
S20、控制选择性铺粉装置自初始位置沿第一方向移动至铺粉位置，并根据所述打印信息控制所述选择性铺粉装置在不同位置处选择性地铺设多种不同材料的粉末，以形成粉末层；
S30、移动所述选择性铺粉装置回位至所述初始位置，控制固化装置固化所述粉末层，以完成当前粉末层的打印；
S40、控制成型升降台沿其高度方向下降预设层厚；
S50、循环执行所述步骤S20至所述步骤S40，层层堆叠所述粉末层并做固化处理，直至打印完成。
在本发明的技术中，该3D打印设备包括工作平台、移动机构、至少两个选择性铺粉装置、至少一个固化装置；工作平台设有铺粉位；移动机构设于工作平台上并可沿第一方向移动；选择性铺粉装置安装于移动机构上；选择性铺粉装置用于选择性地铺设多种不同材料的粉末层至成型升降台上，以层层叠加打印成三维零件；固化装置设于工作平台上方；固化装置用于对每一粉末层进行固化处理。在打印三维零件时，可先根据打印信息，控制选择性铺粉装置按需铺设多种不同材料的粉末，并通过固化装置固化。然后，再层层叠加，最终打印出所需的三维零件，实现了多材料3D打印，并提升了材料适应性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明3D打印设备一实施例的结构示意图；
图2为本发明3D打印设备一实施例中选择性铺粉装置的结构示意图；
图3为本发明3D打印设备一实施例中选择性铺粉装置的侧视图；
图4为本发明3D打印设备一实施例中选择性铺粉装置的仰视图；
图5为本发明3D打印设备一实施例中针式供粉头的正视图；
图6为本发明3D打印设备一实施例中针式供粉头的俯视图；
图7为本发明3D打印设备一实施例中针式供粉头的剖视图；
图8为本发明3D打印设备一实施例中衔铁拍板的安装结构图；
图9为本发明3D打印方法一实施例的流程示意图。
附图标号说明：
10、工作平台；20、移动机构；30、选择性铺粉装置；40、固化装置；50、成型升降台；21、滚珠丝杆螺母机构；31、储粉容器；32、针式供粉头；321、壳体组件；322、供粉针；31a、下料口；301、固定座；302、壳体；303、出针板；304、衔铁拍板；305、电磁线圈；306、第一弹性体；307、第二弹性体；308、安装板；30b、安装孔；3041、衔铁拍板定位孔；3021、壳体定位柱；307a、限位槽。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
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的一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，若全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种3D打印设备。
参照图1，在本发明一实施例中，该3D打印设备包括工作平台10、移动机构20、至少两个选择性铺粉装置30、至少一个固化装置40；移动机构20设于工作平台10上并可沿第一方向移动；选择性铺粉装置30安装于移动机构20上；选择性铺粉装置30用于选择性地铺设多种不同材料的粉末层至成型升降台50上，以层层叠加打印成三维零件；固化装置40设于工作平台10上方；固化装置40用于对粉末层进行固化处理。
本实施例中，工作平台10可呈长方体状设置，此处不限。第一方向可为工作平台10的长度方向或宽度方向，此处不限。
参考图1，本实施例中，移动机构20可采用电机、油缸或气缸等作为驱动件，并可设置滚珠丝杆螺母机构21或滑动机构等来实现沿工作平台10的第一方向移动。
需要说明，选择性铺粉装置30可采用高分辨率选择性供粉装置，参考图2至图4，其具体可包括储粉容器31及选择性供粉机构，储粉容器31设有下料口31a，选择性供粉机构包括至少一个针式供粉头32，针式供粉头32包括固定于下料口31a处的壳体组件321及多根并排设置于壳体组件321上的供粉针322，每一供粉针322均伸缩设置于壳体组件321上并可伸入至下料口31a中，以打开或关闭下料口31a的对应位置。如此，实现了对储粉容器31的下料口31a不同位置的选择性开闭，从而选择性按需铺设多种不同材料的粉末。通过采用多根并排设置的针式供粉头32，可以提升铺粉精度，从而提升打印产品的质量。
本实施例中，固化装置40可固定有激光头或喷墨打印头等，以实现激光固化或喷墨印刷等功能，此处不限。
本实施例中，移动机构20、选择性铺粉装置30和固化装置40均可通过控制系统进行调控，以在控制系统的控制下根据三维零件的打印信息，分别控制移动机构20、选择性铺粉装置30和固化装置40工作，以实现多材料三维零件的打印，可以极大地提升打印效率。另外，还可设置位置检测装置检测选择性铺粉装置30的位置，从而提升3D打印的精确度。
在本发明的技术中，该3D打印设备包括工作平台10、移动机构20、至少两个选择性铺粉装置30和固化装置40；移动机构20设于工作平台10上并可沿第一方向移动；选择性铺粉装置30安装于移动机构20上；选择性铺粉装置30用于选择性地铺设多种不同材料的粉末层至成型升降台50上，以层层叠加打印成三维零件；固化装置40设于工作平台10上方；固化装置40用于对粉末层进行选择性固化处理。在打印三维零件时，可先根据打印信息，控制选择性铺粉装置30按需铺设多种不同材料的粉末，并通过固化装置40固化。然后，再层层叠加，最终打印出所需的三维零件，实现了多材料3D打印，并提升了材料适应性。
为了进一步地提升铺粉的准确性，从而提升3D打印三维零件的质量，参考图5至图8，在一实施例中，该选择性铺粉装置30的壳体组件321包括固定座301、与固定座301连接固定的壳体302及设于壳体302端部的出针板303，壳体302固定于储粉容器31的下料口31a处。主要参考图7和图8，针式供粉头32还包括多个衔铁拍板304、多组电磁线圈305、多个第一弹性体306及多个第二弹性体307，多根供粉针322的一端与多个衔铁拍板304一对一连接，多根供粉针322的另一端穿设出针板303，每一衔铁拍板304的一端均通过第一弹性体306与固定座301弹性抵接，每一衔铁拍板304的另一端均通过第二弹性体307与固定座301弹性抵接，以使衔铁拍板304在弹力的驱动下带动供粉针322伸入至下料口31a中，关闭下料口31a的对应位置；多组电磁线圈305间隔设置于固定座301内并与多个衔铁拍板304一一对应设置，以用于分别使对应的衔铁拍板304在磁力的驱动下带动供粉针322回缩至壳体302内，打开下料口31a的对应位置。
请参考图7和图8，本实施例中，壳体302可通过壳体定位柱3021安装于固定座301上；参考图2和图8，壳体302上可设置安装板308，安装板308可开设有用于连接固定各针式供粉头32于储粉容器31上的安装孔30b。
如图7所示，供粉针322的前端穿设在出针板303中，每个供粉针322的后端分别与对应的衔铁拍板304铰接。衔铁拍板304可通过衔铁拍板定位孔3041安装于第一弹性体306与固定座301之间。第二弹性体307可安装于固定座301内的限位槽307a中，第二弹性体307的前端可与衔铁拍板3041接触。
其中，第一弹性体306可呈圆圈状设置，其材质可为橡胶或硅胶等弹性材料；第二弹性体307可为弹簧等，此处不做限定。
可以理解的是，当电磁线圈305未通电时，没有产生磁力，在第一弹性体306与第二弹性体307的弹力驱动下，衔铁拍板304带动供粉针322呈伸出状态，下料口31a对应的位置关闭。当电磁线圈305通电时，产生了磁力，衔铁拍板304克服第一弹性体306与第二弹性体307的阻力使供粉针322呈回缩状态，下料口31a的对应位置开启，在此过程中，可以通过控制电磁线圈305的磁力大小调整供粉针322的回缩量来实现调整下料口31a对应位置的打开程度，从而调整铺粉效果。
进一步地，参考图8，多个衔铁拍板304可沿固定座301环向间隔排布，多组电磁线圈305沿固定座301环向间隔排布，多根供粉针322自其固定于固定座301的一端向穿设出针板303的一端由环形排布过渡至线形排布。如此，可尽量地设置更多的供粉针322，以进一步地提升打印效果。
本实施例中，多根供粉针322固定于固定座301的一端呈近似椭圆形排布，且椭圆形的短轴平行于工作平台10的长度方向设置，以在有限的空间中安装更多的供粉针322，使多材料3D打印效果达到较佳水平。
在一实施例中，相邻的两供粉针322的伸出端之间形成第一间隙，第一间隙的大小适于小于粉末材料的粒径。如此，既可以增加出针板303上相邻两针孔的间距以保证其强度，又可以避免粉末材料通过第一间隙泄漏出来，从而提升铺粉的准确性。
进一步地，本实施例中，供粉针322的伸出端与下料口31a的内壁之间形成第二间隙，第二间隙的大小适于小于粉末材料的粒径。如此，既可以减少供粉针322的伸缩行程要求，又可以进一步地避免粉末材料通过第二间隙泄漏出来，从而大幅提升铺粉的准确性。
为了实现对下料口31a的不同位置进行选择性控制开合，以提升多材料三维打印的效果，主要参考图4，在一实施例中，多个针式供粉头32可分为两组，两组针式供粉头32分别间隔设置于储粉容器31的下料口31a两侧上，且两组针式供粉头32呈交错分布，以使下料口31a各个位置均能被供粉针322覆盖，以提升铺粉控制的准确性，从而极大地提升打印效果。
另外，参考图1，在一些实施例中，3D打印设备还可包括成型升降台50，工作平台10设置于成型升降台50上，以在成型升降台50的驱动下做升降运动，选择性铺粉装置30的宽度与成型升降台50的宽度相同，以使选择性铺粉装置30仅需沿第一方向单向移动即可完成单层铺粉，大幅度地提高了铺粉效率。
本发明还提出一种3D打印方法，基于上述的3D打印设备，参考图9，该打印方法包括以下步骤：
S10、获取待打印三维零件的打印信息；
S20、控制选择性铺粉装置自初始位置沿第一方向移动至铺粉位置，并根据所述打印信息控制所述选择性铺粉装置在不同位置处选择性地铺设多种不同材料的粉末，以形成粉末层；
S30、移动所述选择性铺粉装置回位至所述初始位置，控制固化装置固化所述粉末层，以完成当前粉末层的打印；
S40、控制成型升降台沿其高度方向下降预设层厚；
S50、循环执行所述步骤S20至所述步骤S40，层层堆叠所述粉末层并做固化处理，直至打印完成。
需要说明，打印信息可至少包括各材料区域的几何图形扫描信息和材料信息。参考图1，第一方向可为工作平台10的左右方向。
参考图1至图8，在3D打印之前，可将多种不同材料的粉末分别加入至储粉容器31中。在3D打印开始之后，控制系统根据当前层的图形扫描信息和材料信息，在不同位置处通过控制电磁线圈305来控制选择性供粉装置中供粉针322的运动，进而实现储粉槽下料口31a不同位置的选择性开闭，从而选择性地按需铺设多种不同材料的粉末；再通过固化装置40固化，层层叠加，最终打印出所需的三维零件。
在3D打印的准备阶段，可先利用计算机建立多材料物体的三维模型，生成带有材料属性的格式文件，再运用专业多材料切片软件进行切片数据转换处理，生成适应于本3D打印设备系统的G代码文件，再将G代码文件导入到打印系统中。
参考图1、图3和图9，在3D打印时，成型升降台50、固化装置40以及选择性铺粉装置30处于初始位置，控制系统逐行读取G代码中的打印信息，包括各材料区域的几何图形扫描信息和材料信息。然后，伺服电机在控制系统的控制下驱动选择性铺粉装置30沿第一方向运动至成型升降台50上的铺粉位置，在此期间，控制系统根据当前层的图形扫描信息和材料信息，控制不同位置处的选择性供粉装置中供粉针322的运动，使储粉容器31下料口31a不同位置进行选择性地开闭，从而选择性地按需铺设多种不同材料的粉末。在前一粉末层铺设完毕后，控制选择性铺粉装置30返回至初始位置，同时固化装置40根据当前截面信息将该层粉末选择性固化处理，完成当前粉末层的打印。然后，成型升降台50下降一个预设层厚值，然后重复上述铺粉和固化的步骤，层层堆叠，直至最终打印出所需的三维零件。
以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种3D打印设备，其特征在于，所述3D打印设备包括：
工作平台；
移动机构，设于所述工作平台上并可沿第一方向移动；
至少两个选择性铺粉装置，安装于所述移动机构上；至少两所述选择性铺粉装置，用于选择性地铺设多种不同材料的粉末层至成型升降台上，以层层叠加打印成三维零件；所述选择性铺粉装置包括储粉容器及选择性供粉机构，所述储粉容器设有下料口，所述选择性供粉机构包括至少一个针式供粉头，所述针式供粉头包括固定于所述下料口处的壳体组件及多根并排设置于所述壳体组件上的供粉针，每一所述供粉针均伸缩设置于所述壳体组件上并可伸入至所述下料口中，以打开或关闭所述下料口的对应位置；所述壳体组件包括固定座、与所述固定座连接固定的壳体及设于所述壳体端部的出针板，所述壳体固定于所述储粉容器的下料口处；所述针式供粉头还包括多个衔铁拍板、多组电磁线圈、多个第一弹性体及多个第二弹性体，多根所述供粉针的一端与多个所述衔铁拍板一对一连接，多根所述供粉针的另一端穿设所述出针板，每一所述衔铁拍板的一端均通过所述第一弹性体与所述固定座弹性抵接，每一所述衔铁拍板的另一端均通过所述第二弹性体与所述固定座弹性抵接，以使所述衔铁拍板在弹力的驱动下带动所述供粉针伸入至所述下料口中，关闭所述下料口的对应位置；多组所述电磁线圈间隔设置于所述固定座内并与多个所述衔铁拍板一一对应设置，以用于分别使对应的所述衔铁拍板在磁力的驱动下带动所述供粉针回缩至所述壳体内，打开所述下料口的对应位置；多个所述衔铁拍板沿所述固定座环向间隔排布，多组所述电磁线圈沿所述固定座环向间隔排布，多根所述供粉针自其固定于所述固定座的一端向穿设所述出针板的一端由环形排布过渡至线形排布；相邻的两所述供粉针的伸出端之间形成第一间隙，所述第一间隙的大小适于小于粉末材料的粒径；所述供粉针的伸出端与所述下料口的内壁之间形成第二间隙，所述第二间隙的大小适于小于粉末材料的粒径；以及
固化装置，设于所述工作平台上方；所述固化装置，用于对所述粉末层进行固化处理。
2.如权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于，多根所述供粉针固定于所述固定座的一端呈椭圆形排布，且所述椭圆形的短轴平行于所述工作平台的长度方向设置。
3.如权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于，多个所述针式供粉头分为两组，两组所述针式供粉头分别间隔设置于所述储粉容器的下料口两侧上，且两组所述针式供粉头呈交错分布。
4.如权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于，所述3D打印设备还包括成型升降台，所述工作平台设置于所述成型升降台上，以在所述成型升降台的驱动下做升降运动；
所述选择性铺粉装置的宽度与所述成型升降台的宽度相同。
5.一种3D打印方法，基于如权利要求1~4任一项所述的3D打印设备，其特征在于，所述打印方法包括以下步骤：
S10、获取待打印三维零件的打印信息；
S20、控制选择性铺粉装置自初始位置沿第一方向移动至铺粉位置，并根据所述打印信息控制所述选择性铺粉装置在不同位置处选择性地铺设多种不同材料的粉末，以形成粉末层；
S30、移动所述选择性铺粉装置回位至所述初始位置，控制固化装置固化所述粉末层，以完成当前粉末层的打印；
S40、控制成型升降台沿其高度方向下降预设层厚；
S50、循环执行步骤S20至步骤S40，层层堆叠所述粉末层并做固化处理，直至打印完成。
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