CN115847810A - 回转式3d打印系统及打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种回转式3D打印系统及打印方法，包括：安装架；回转打印台，回转打印台定轴转动地设置于安装架；粉料成型腔，粉料成型腔开设于打印基准平台；粉料回收腔，粉料回收腔开设于打印基准平台；成型基板，成型基板位于粉料成型腔内并且沿回转打印台周向弧线延伸；基板驱动装置，基板驱动装置包括承载所述成型基板的升降板块以及驱使升降板块上下运动的驱动器；供粉仓，供粉仓设于安装架并且位于回转打印台的上方；激光装置，激光装置设于安装架并且位于回转打印台的上方；铺粉机构，铺粉机构包括刮刀安装架和刮粉刀。本发明能够使铺粉作业和激光扫描烧结作业同步连续进行，铺粉均匀性好、铺粉总耗时短，极大提高3D打印效率。

Description

回转式3D打印系统及打印方法
技术领域
本发明涉及3D打印增材制造技术领域，特别是涉及一种回转式3D打印系统及打印方法。
背景技术
传统的SLS、SLM及EBM装置都是在计算机控制系统的控制下，通过3D打印送铺粉系统将粉体材料平铺在基板上，然后在利用能量源(一般是激光加振镜，或者是电子束)沿X轴和Y轴方向上运动，能量源在运动的过程中将平铺在基板上的粉体材料进行烧结，烧结完一层厚基板下降一个层厚的距离，然后再铺上一层粉末接着烧结，最终通过基板上耗材的逐层叠加得到实体。
现有技术中公布的3D打印装置多是基于以上原理，先将材料粉末平铺在基板上后再用能量源对粉末材料进行烧结，铺粉不够均匀、铺粉总耗时长，综合效率低。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种回转式3D打印系统及打印方法，能够使铺粉作业和激光扫描烧结作业同步连续进行，使得铺粉机构的铺粉均匀性好、铺粉总耗时短，极大提高3D打印效率。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种回转式3D打印系统，包括：
安装架；
回转打印台，回转打印台定轴转动地设置于安装架，回转打印台的顶端面构成打印基准平台；
粉料成型腔，粉料成型腔开设于打印基准平台，粉料成型腔沿回转打印台的周向弧线延伸；
粉料回收腔，粉料回收腔开设于打印基准平台，粉料回收腔和粉料成型腔沿回转打印台周向相邻布置；
可升降的成型基板，成型基板位于粉料成型腔内并且沿回转打印台周向弧线延伸，成型基板用于承载产品；
基板驱动装置，基板驱动装置包括承载所述成型基板的升降板块以及驱使升降板块上下运动的驱动器，升降板块位于粉料成型腔内，升降板块的形状与粉料成型腔的形状相适配，驱动器随回转打印台定轴转动而旋转；
供粉仓，供粉仓设于安装架并且位于回转打印台的上方以将自身所存储的粉末释放至打印基准平台上；
激光装置，激光装置设于安装架并且位于回转打印台的上方以将光束投射至成型基板上；
铺粉机构，铺粉机构包括刮刀安装架和刮粉刀，刮刀安装架设于安装架，刮粉刀设于刮刀安装架，刮粉刀位于回转打印台的上方并且沿回转打印台的径向延伸，刮粉刀用于将成型基板上的粉末刮平并且将多余的粉末推入粉料回收腔内。
优选地，所述刮刀安装架包括支撑柱和供刮粉刀安装的悬挑杆，支撑柱间隙穿设于回转打印台的中心处并且设于安装架，悬挑杆设于支撑柱。
优选地，所述悬挑杆沿回转打印台径向直线延伸，悬挑杆的径向内端固定于支撑柱。
优选地，将所述激光装置在成型基板上的投影位置记为照射位置，将供粉仓在成型基板上的投影位置记为落粉位置，刮粉刀在成型基板上的投影位置记为刮粉位置，落粉位置、刮粉位置以及照射位置沿回转打印台的转动方向依次布置。
优选地，所述驱动器包括与回转打印台固定相连的伺服电机以及与伺服电机传动连接的丝杆，丝杆螺纹穿设于升降板块。
优选地，所述供粉仓包括储料容器，储料容器的底部开设有出粉口，出粉口上设有开关阀。
优选地，所述储料容器的横截面从上至下逐渐变小。
优选地，所述粉料成型腔呈扇形，粉料成型腔的弧形延伸轨迹所对应的角度大于180度。
优选地，所述回转打印台的顶端面具有同心布置的外凸沿和内凸沿，外凸沿和内凸沿将打印基准平台共同限定成圆环形状。
本发明还提供一种采用所述回转式3D打印系统的打印方法，包括以下步骤：
供粉仓将自身所存储的粉末按预设投放量释放至打印基准平台上；
回转打印台按预设旋转方向开始回转，在回转过程中，刮粉刀将粉末平铺在成型基板的上表面；
当平铺有粉末的成型基板转动至激光装置的下方时，激光装置开始对粉末进行扫描烧结；
当刮粉刀在经过粉料成型腔之后位于粉料回收腔的上方时，刮粉刀将多余的粉末推入粉料回收腔；与此同时，驱动器驱使升降板块下降一个打印层，成型基板随升降板块同步运动，随后供粉仓第二次释放粉末，回转式3D打印系统进入第二层的打印作业过程，如此循环，直至产品成型。
如上所述，本发明的回转式3D打印系统及打印方法，具有以下有益效果：上述安装架为回转式3D打印系统的安装、布局以及承重结构，为回转式3D打印系统除安装架之外的零部件、机构提供安装位置。回转打印台一般大致呈圆柱体状，可以相对于安装架进行定轴转动。由于粉料成型腔和粉料回收腔均开设于打印基准平台，当回转打印台定轴转动时，粉料成型腔、粉料回收腔随回转打印台旋转。成型基板位于粉料成型腔内并且沿回转打印台周向弧线延伸，当完成每一个打印层时，成型基板会下沉一个打印层的高度。为了实现上述成型基板的升降功能，基板驱动装置包括承载上述成型基板的升降板块以及驱使升降板块上下运动的驱动器，升降板块位于粉料成型腔内，升降板块的形状与粉料成型腔的形状相适配，这样成型基板随升降板块同步升降。此外，驱动器随回转打印台定轴转动而旋转，如此设置，在回转打印台定轴转动的过程中，驱动器亦能驱使升降板块上下运动。供粉仓设于安装架，与安装架保持相对固定状态；供粉仓位于回转打印台的上方，当打印基准平台位于供粉仓的下方时，供粉仓能够将自身所存储的粉末释放至打印基准平台上。激光装置设于安装架，与安装架保持相对固定状态；激光装置位于回转打印台的上方，当已铺完粉末的成型基板位于激光装置的下方时，激光装置将光束投射至成型基板上，使粉末烧结成型。铺粉机构的刮刀安装架设于安装架，使刮粉刀相对于安装架处于相对固定状态，刮粉刀位于打印回转体回转打印台的上方并且沿打印回转体回转打印台的径向延伸，这样能够将打印基准平台上的粉末均匀地平铺于成型基板。当完成粉末的平铺作业后，刮粉刀将多余的粉末顺势推入粉料回收腔内。此外，需要格外强调的创新点：在整个3D打印过程中，回转打印台始终处于匀速旋转状态；每当刮粉刀经过粉料回收腔的上方时，基板驱动装置使成型基板沉降一个打印层的高度。因此，本发明的回转式3D打印系统能够使铺粉作业和激光扫描烧结作业同步连续进行，回转打印台相对于铺粉机构定轴旋转，使得铺粉机构的铺粉均匀性好、铺粉总耗时短，极大提高3D打印效率。
附图说明
图1显示为本发明的回转式3D打印系统的粉末释放图；
图2显示为图1所示回转式3D打印系统的俯视图；
图3显示为本发明的回转式3D打印系统的铺粉打印图；
图4显示为图3所示回转式3D打印系统的俯视图；
图5显示为回转打印台、粉料成型腔以及粉料回收腔的示意图。
元件标号说明
1 回转打印台
11 打印基准平台
12 外凸沿
13 内凸沿
14 穿设孔
2 粉料成型腔
3 粉料回收腔
4 成型基板
5 基板驱动装置
51 升降板块
52 驱动器
521 伺服电机
522 丝杆
6 供粉仓
7 激光装置
8 铺粉机构
81 刮刀安装架
811 支撑柱
812 悬挑杆
82 刮粉刀
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1、图2、图3以及图4所示，本发明提供一种回转式3D打印系统，包括：
安装架；
回转打印台1，回转打印台1定轴转动地设置于安装架，回转打印台1的顶端面构成打印基准平台11；
粉料成型腔2，粉料成型腔2开设于打印基准平台11，粉料成型腔2沿回转打印台1的周向弧线延伸；
粉料回收腔3，粉料回收腔3开设于打印基准平台11，粉料回收腔3和粉料成型腔2沿回转打印台1周向相邻布置；
可升降的成型基板4，成型基板4位于粉料成型腔2内并且沿回转打印台1周向弧线延伸，成型基板4用于承载产品；
基板驱动装置5，基板驱动装置5包括承载上述成型基板4的升降板块51以及驱使升降板块51上下运动的驱动器52，升降板块51位于粉料成型腔2内，升降板块51的形状与粉料成型腔2的形状相适配，驱动器52随回转打印台1定轴转动而旋转；
供粉仓6，供粉仓6设于安装架并且位于回转打印台1的上方以将自身所存储的粉末释放至打印基准平台11上；
激光装置7，激光装置7设于安装架并且位于回转打印台1的上方以将光束投射至成型基板4上；
铺粉机构8，铺粉机构8包括刮刀安装架81和刮粉刀82，刮刀安装架81设于安装架，刮粉刀82设于刮刀安装架81，刮粉刀82位于回转打印台1的上方并且沿回转打印台1的径向延伸，刮粉刀82用于将成型基板4上的粉末刮平并且将多余的粉末推入粉料回收腔3内。
在本发明中，上述安装架(未予图示)为回转式3D打印系统的安装、布局以及承重结构，为回转式3D打印系统除安装架之外的零部件、机构提供安装位置。回转打印台1一般大致呈圆柱体状，可以相对于安装架进行定轴转动。由于粉料成型腔2和粉料回收腔3均开设于打印基准平台11，当回转打印台1定轴转动时，粉料成型腔2、粉料回收腔3随回转打印台1旋转。成型基板4位于粉料成型腔2内并且沿回转打印台1周向弧线延伸，当完成每一个打印层时，成型基板4会下沉一个打印层的高度。为了实现上述成型基板4的升降功能，基板驱动装置5包括承载上述成型基板4的升降板块51以及驱使升降板块51上下运动的驱动器52，升降板块51位于粉料成型腔2内，升降板块51的形状与粉料成型腔2的形状相适配，这样成型基板4随升降板块51同步升降。此外，驱动器52随回转打印台1定轴转动而旋转，如此设置，在回转打印台1定轴转动的过程中，驱动器52亦能驱使升降板块51上下运动。供粉仓6设于安装架，与安装架保持相对固定状态；供粉仓6位于回转打印台1的上方，当打印基准平台11位于供粉仓6的下方时，供粉仓6能够将自身所存储的粉末释放至打印基准平台11上。激光装置7(例如激光扫描振镜)设于安装架，与安装架保持相对固定状态；激光装置7位于回转打印台1的上方，当已铺完粉末的成型基板4位于激光装置7的下方时，激光装置7将光束投射至成型基板4上，使粉末烧结成型。铺粉机构8的刮刀安装架81设于安装架，使刮粉刀82相对于安装架处于相对固定状态，刮粉刀82位于打印回转体回转打印台1的上方并且沿打印回转体回转打印台1的径向延伸，这样能够将打印基准平台11上的粉末均匀地平铺于成型基板4。当完成粉末的平铺作业后，刮粉刀82将多余的粉末顺势推入粉料回收腔3内。此外，需要格外强调的创新点：在整个3D打印过程中，回转打印台1始终处于匀速旋转状态；每当刮粉刀82经过粉料回收腔3的上方时，基板驱动装置5使成型基板4沉降一个打印层的高度。
因此，本发明的回转式3D打印系统能够使铺粉作业和激光扫描烧结作业同步连续进行，回转打印台1相对于铺粉机构8定轴旋转，使得铺粉机构8的铺粉均匀性好、铺粉总耗时短，极大提高3D打印效率。
为了简化上述刮刀安装架81的结构，上述刮刀安装架81包括支撑柱811和供刮粉刀82安装的悬挑杆812，支撑柱811间隙穿设于回转打印台1的中心处并且设于安装架，悬挑杆812设于支撑柱811。
进一步的，为了使上述刮粉刀82处于架空状态，上述悬挑杆812沿回转打印台1径向直线延伸，悬挑杆812的径向内端固定于支撑柱811。
为了使铺粉作业和激光扫描烧结作业可同步连续进行，将上述激光装置7在成型基板4上的投影位置记为照射位置，将供粉仓6在成型基板4上的投影位置记为落粉位置，刮粉刀82在成型基板4上的投影位置记为刮粉位置，落粉位置、刮粉位置以及照射位置沿回转打印台1的转动方向依次布置。虽然铺粉作业的开始时间点早于激光扫描烧结作业的开始时间点，铺粉作业的结束时间点早于激光扫描烧结作业的结束时间点，但是铺粉作业的总时间和激光扫描烧结作业的总时间之间存在重叠时间段，该重叠时间段相对于铺粉作业的总时间的百分比是较大的，该重叠时间段相对于激光扫描烧结作业的总时间的百分比也是比较大的。
为了精确控制上述升降板块51的上下运动，上述驱动器52包括与回转打印台1固定相连的伺服电机521以及与伺服电机521传动连接的丝杆522，丝杆522螺纹穿设于升降板块51。具体参见，上述回转打印台1上开设有穿设孔14，穿设孔14用于避让该丝杆522。此时，升降板块51相当于螺母丝杆机构的螺母结构，丝杆522相当于螺母丝杆机构的丝杆结构。
为了自动控制的粉末释放作业，上述供粉仓6包括储料容器，储料容器的底部开设有出粉口，出粉口上设有开关阀。开关阀通信连接于回转式3D打印系统的工控机。
为了控制粉末的释放量，上述储料容器的横截面从上至下逐渐变小。具体的，上述出粉口呈扁平孔状，上述出粉口的长度方向平行于回转打印台1的径向。
为了延长铺粉作业和激光扫描烧结作业之间的重叠时间段，上述粉料成型腔2呈扇形，粉料成型腔2的弧形延伸轨迹所对应的角度大于180度。此外，粉料回收腔3亦呈扇形，粉料回收腔3的弧形延伸轨迹所对应的角度不大于45度。
为了避免在刮粉刀82平铺粉末的过程中粉末从回转打印台1上掉落，上述回转打印台1的顶端面具有同心布置的外凸沿12和内凸沿13，外凸沿12和内凸沿13将打印基准平台11共同限定成圆环形状。
本发明还提供一种采用上述回转式3D打印系统的打印方法，包括以下步骤：
供粉仓6将自身所存储的粉末按预设投放量释放至打印基准平台11上；
回转打印台1按预设旋转方向开始回转，在回转过程中，刮粉刀82将粉末平铺在成型基板4的上表面；
当平铺有粉末的成型基板4转动至激光装置7的下方时，激光装置7开始对粉末进行扫描烧结；
当刮粉刀82在经过粉料成型腔2之后位于粉料回收腔3的上方时，刮粉刀82将多余的粉末推入粉料回收腔3；与此同时，驱动器52驱使升降板块51下降一个打印层，成型基板4随升降板块51同步运动，随后供粉仓6第二次释放粉末，回转式3D打印系统进入第二层的打印作业过程，如此循环，直至产品成型。
本发明的打印方法能够使铺粉作业和激光扫描烧结作业同步连续进行，回转打印台1相对于铺粉机构8定轴旋转，使得铺粉机构8的铺粉均匀性好、铺粉总耗时短，极大提高3D打印效率。
综上所述，本发明回转式3D打印系统及打印方法，能够使铺粉作业和激光扫描烧结作业同步连续进行，使得铺粉机构的铺粉均匀性好、铺粉总耗时短，极大提高3D打印效率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种回转式3D打印系统，其特征在于，包括：
安装架；
回转打印台(1)，回转打印台(1)定轴转动地设置于安装架，回转打印台(1)的顶端面构成打印基准平台(11)；
粉料成型腔(2)，粉料成型腔(2)开设于打印基准平台(11)，粉料成型腔(2)沿回转打印台(1)的周向弧线延伸；
粉料回收腔(3)，粉料回收腔(3)开设于打印基准平台(11)，粉料回收腔(3)和粉料成型腔(2)沿回转打印台(1)周向相邻布置；
可升降的成型基板(4)，成型基板(4)位于粉料成型腔(2)内并且沿回转打印台(1)周向弧线延伸，成型基板(4)用于承载产品；
基板驱动装置(5)，基板驱动装置(5)包括承载所述成型基板(4)的升降板块(51)以及驱使升降板块(51)上下运动的驱动器(52)，升降板块(51)位于粉料成型腔(2)内，升降板块(51)的形状与粉料成型腔(2)的形状相适配，驱动器(52)随回转打印台(1)定轴转动而旋转；
供粉仓(6)，供粉仓(6)设于安装架并且位于回转打印台(1)的上方以将自身所存储的粉末释放至打印基准平台(11)上；
激光装置(7)，激光装置(7)设于安装架并且位于回转打印台(1)的上方以将光束投射至成型基板(4)上；
铺粉机构(8)，铺粉机构(8)包括刮刀安装架(81)和刮粉刀(82)，刮刀安装架(81)设于安装架，刮粉刀(82)设于刮刀安装架(81)，刮粉刀(82)位于回转打印台(1)的上方并且沿回转打印台(1)的径向延伸，刮粉刀(82)用于将成型基板(4)上的粉末刮平并且将多余的粉末推入粉料回收腔(3)内。
2.根据权利要求1所述的回转式3D打印系统，其特征在于：所述刮刀安装架(81)包括支撑柱(811)和供刮粉刀(82)安装的悬挑杆(812)，支撑柱(811)间隙穿设于回转打印台(1)的中心处并且设于安装架，悬挑杆(812)设于支撑柱(811)。
3.根据权利要求2所述的回转式3D打印系统，其特征在于：所述悬挑杆(812)沿回转打印台(1)径向直线延伸，悬挑杆(812)的径向内端固定于支撑柱(811)。
4.根据权利要求1所述的回转式3D打印系统，其特征在于：将所述激光装置(7)在成型基板(4)上的投影位置记为照射位置，将供粉仓(6)在成型基板(4)上的投影位置记为落粉位置，刮粉刀(82)在成型基板(4)上的投影位置记为刮粉位置，落粉位置、刮粉位置以及照射位置沿回转打印台(1)的转动方向依次布置。
5.根据权利要求1所述的回转式3D打印系统，其特征在于：所述驱动器(52)包括与回转打印台(1)固定相连的伺服电机(521)以及与伺服电机(521)传动连接的丝杆(522)，丝杆(522)螺纹穿设于升降板块(51)。
6.根据权利要求1所述的回转式3D打印系统，其特征在于：所述供粉仓(6)包括储料容器，储料容器的底部开设有出粉口，出粉口上设有开关阀。
7.根据权利要求6所述的回转式3D打印系统，其特征在于：所述储料容器的横截面从上至下逐渐变小。
8.根据权利要求1所述的回转式3D打印系统，其特征在于：所述粉料成型腔(2)呈扇形，粉料成型腔(2)的弧形延伸轨迹所对应的角度大于180度。
9.根据权利要求1所述的回转式3D打印系统，其特征在于：所述回转打印台(1)的顶端面具有同心布置的外凸沿(12)和内凸沿(13)，外凸沿(12)和内凸沿(13)将打印基准平台(11)共同限定成圆环形状。
10.一种采用如权利要求1至权利要求9任一项所述回转式3D打印系统的打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
供粉仓(6)将自身所存储的粉末按预设投放量释放至打印基准平台(11)上；
回转打印台(1)按预设旋转方向开始回转，在回转过程中，刮粉刀(82)将粉末平铺在成型基板(4)的上表面；
当平铺有粉末的成型基板(4)转动至激光装置(7)的下方时，激光装置(7)开始对粉末进行扫描烧结；
当刮粉刀(82)在经过粉料成型腔(2)之后位于粉料回收腔(3)的上方时，刮粉刀(82)将多余的粉末推入粉料回收腔(3)；与此同时，驱动器(52)驱使升降板块(51)下降一个打印层，成型基板(4)随升降板块(51)同步运动，随后供粉仓(6)第二次释放粉末，回转式3D打印系统进入第二层的打印作业过程，如此循环，直至产品成型。
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