CN116922770B - 3d打印智能送料机构、3d打印机和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种3D打印智能送料机构、3D打印机和方法，包括储料部、送料部、铺料部和控制装置；储料部存储3D打印所需的材料，送料部沿z轴方向穿入储料部并在旋转状态下携带储料部内的材料通过储料部与送料部之间的间隙向下运动，使其散落在打印平台上，铺料部在打印平台上移动，实现对输送到打印平台上的材料的均匀铺设；控制装置动态调节送料部的转速和/或铺料部的移动速度，以实现精确控制打印平台上的材料铺设量。本发明适用于不同打印需求，提高了打印精度和质量，同时优化了材料利用率，确保了打印过程的可控性。

Description

3D打印智能送料机构、3D打印机和方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种3D打印智能送料机构、3D打印机和方法。

背景技术

三维打印（3D打印）技术已成为现代制造和原型制作领域的关键工具，其允许用户将数字模型转化为实际物体，通过逐层添加材料的方式构建复杂的结构。3D打印过程中，一个关键步骤是将材料输送到打印平台上，以逐层构建物体。

传统的3D打印过程中，一种常见的送料方式是从下至上。这种送料方式通常利用升降装置将储料容器内的材料向上运动并溢出，然后在刮刀的作用下铺设在打印平台上。尽管这种送料方式在构建物体时表现出良好的效果，但也存在一些明显的技术缺陷：（1）对于小尺寸的打印平台，传统的送料机构可能不够灵活，难以准确输送材料，从而影响到打印的精度和质量；（2）当打印平台与储料容器的顶面不在同一水平面时，传统的送料方式可能导致送料不均匀，材料分布不均，从而降低了打印质量。

因此，现有技术亟需一种新的送料机构，能够克服这些限制，提高打印平台的灵活性和精确性，同时能够更好地适应不同的打印需求。

发明内容

为了克服背景技术中的缺陷，本发明第一方面提供了一种用于3D打印的智能送料机构，包括：储料部，用于储存待输送的用于3D打印的材料；送料部，其沿z轴方向穿入所述储料部，并在旋转状态下携带所述储料部内的至少一部分材料通过所述储料部与送料部之间的间隙向下运动，使其散落在打印平台上；铺料部，用于在所述打印平台上移动铺料，以对散落在所述打印平台上的材料进行均匀铺设；以及控制装置，用于通过控制所述送料部的转速和/或铺料部的移动速度，以动态调控在所述打印平台上的材料铺设量；其中，所述送料部的转速与铺料部的移动速度在被同时控制时呈正相关。

优选地，所述控制装置进一步用于根据目标时间内所需材料铺设量相应地调整送料部的转速和/或铺料部的移动速度，以实现在目标时间内精确控制所述打印平台上的材料铺设量。

优选地，所述送料部至少由螺杆以及用于驱动所述螺杆旋转的旋转驱动装置构成，其中，所述螺杆的一部分从所述储料部穿入并向下延伸至少一段距离。

优选地，所述储料部由料仓与漏料筒构成；所述料仓用于储存材料；所述漏料筒至少将所述送料部从所述料仓底部起始向下延伸的部分包裹在内，所述送料部携带的至少一部分材料通过所述漏料筒与送料部之间的间隙向下运动。

优选地，所述漏料筒具有一在所述料仓内漏料的进料口以及一在所述料仓外漏料的出料口；其中，所述进料口从外缘向内缘的高度呈逐渐递减状态，出料口从内缘向外缘的高度呈逐渐递减状态。

优选地，所述铺料部与送料部分离设置，所述铺料部由单独的动力源进行移动驱动以在所述打印平台上移动铺料。

优选地，智能送料机构还包括直线驱动器，用于驱动所述送料部沿铺料方向移动。

优选地，所述铺料部与送料部共用所述直线驱动器以被其进行移动驱动。

优选地，所述铺料部与送料部集成设置，其中，所述铺料部至少间隔地设置在所述送料部附近，并且在z轴方向上，所述铺料部的底部低于所述送料部的底部。

优选地，所述铺料部由两个刮刀构成，所述两个刮刀分别位于所述送料部的两侧。

优选地，所述漏料筒的筒底作为所述铺料部使用。

优选地，智能送料机构还包括升降驱动装置，用于至少控制所述送料部下降以抵近所述打印平台落料。

优选地，所述打印平台的宽度最小为能量束在材料表面扫描以形成的熔池的宽度，最大为2mm。

优选地，所述打印平台上的材料在被所述能量束扫描形成熔池的同时，也被发射的高能X射线透射过熔池衍射成像，以获得所述熔池内组织物相的原位表征。

本发明的智能控制送料机构不仅在小型打印平台上表现出色，还能够满足各种不同的打印需求，提高了打印的精度和质量。通过采用自上而下的送料方式，可以实现材料在打印平台上均匀地分布，并使得送料过程高效且经济，进一步优化了材料的使用效率。而通过精确调控在打印平台上的材料铺设量，实现了对打印平台铺料量的精确控制，确保打印过程的可控性。

本发明第二方面提供了一种3D打印机，包括光学系统、至少一打印平台；以及前文描述的智能送料机构。

优选地，所述打印平台为两个，其中一打印平台被配置为承载不止一层的材料被来能量束逐层扫描以构建至少一三维物体，另一打印平台被配置为承载至少一层材料被所述能量束扫描以形成熔池，以及在扫描进程中，被高能X射线透射所述熔池衍射成像，以获得所述熔池内组织物相的原位表征。

本发明第三方面提供了一种智能送料方法，应用在前述的智能送料机构上，所述方法包括：控制沿z轴方向穿入储料部的送料部进行旋转，以携带所述储料部内的至少一部分材料通过所述储料部与送料部之间的间隙向下运动，使其散落在打印平台上，其中所述储料部内储存的材料用于3D打印；以及控制铺料部在所述打印平台上移动铺料，以对散落在所述打印平台上的材料进行均匀铺设；其中，所述送料部的转速与铺料部的移动速度在被同时控制时呈正相关。

优选地，智能送料方法还包括：根据目标时间内所需材料铺设量相应地调整送料部的转速和/或铺料部的移动速度，以实现在目标时间内精确控制所述打印平台上的材料铺设量。

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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例的智能送料机构的结构及应用示意图；

图2是图1中A-A的剖面示意图；

图3（a）是图2中B部分的放大示意图，图3（b）是图2中C部分的放大示意图；

图4是本发明一实施例的铺料部的设置示意图；

图5、6分别是本发明一实施例的智能送料机构的结构示意图；

图7是本发明一实施例的控制装置与其它部件之间的连接关系示意图；

图8是本发明一实施例的打印平台的结构示意图；

图9、10分别是本发明一实施例的3D打印机的结构及应用示意图；

图11是本发明一实施例的智能送料方法的流程示意图。

附图标记列表：

10 智能送料机构；

11 储料部；

11a 材料 ；

111 料仓；

112 漏料筒；

112a 进料口；

112a-1 第一外缘；

112b-1 第二外缘；

112a-2 第一内缘；

112b-2 第二外缘；

112b 出料口；

112c 筒底；

12 送料部；

121 旋转驱动装置；

122 螺杆；

13 铺料部；

13a 第一刮刀；

13b 第二刮刀；

14 控制装置；

15 直线驱动器；

16 升降驱动装置；

17 移动驱动装置；

21 打印平台；

21a 第一打印平台；

21b 第二打印平台；

22 进出风场；

23a 第一遮挡部；

23b 第二遮挡部；

23c 第三遮挡部；

23d 第四遮挡部；

24 压盘；

26 激光束；

27 高能X射线；

30 光学系统；

40 3D打印机；

50 智能送料方法。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

根据本发明的一实施例，智能送料机构10呈现出如图1所示的结构。该智能送料机构10由储料部11、送料部12、铺料部13以及控制装置14等部件构成。

储料部11具有一接收材料11a的开口，材料11a被用作以3D打印的方式制造零件。其中，该开口可以设置为完全敞开状态，使材料11a能够自由进入；也可以设置为半敞开状态，使材料11a在一定限制下进入；甚至在某些情况下，该开口可以设置为仅保留一个能供材料11a顺利进入的通孔即可。相应的，也可以在该开口上设置一能被启闭的密封盖，从而避免材料11a在高速运转状态下从储料部11中溢出。

送料部12被设置为沿z轴方向穿入储料部11，优选与储料部11的纵向轴线重合。送料过程中的送料部12被控制为旋转状态，并在该旋转状态的作用下携带着储料部11内的至少一部分材料11a到储料部11与送料部12之间的间隙中，并随着送料部12的旋转向下运动。在此过程中，材料11a最终从该间隙中脱离，并逐渐散落在打印平台21上。其中，该间隙具有一定的几何形状和尺寸，以至少保证材料11的最小物理构成单元（例如材料的颗粒）能够在该间隙内自由流动。

铺料部13用于在打印平台21上移动铺料，以对散落在打印平台21上的材料11a进行均匀铺设，从而形成可供进一步制造的材料层。

控制装置14用于实现对打印平台21上材料铺设量的动态调控，以满足不同打印需求。具体而言，控制装置14通过精确控制送料部12的转速和/或铺料部13的移动速度来实现这一调控。当送料部12的转速与铺料部13的移动速度在被同时控制时呈正相关。示例性的，需要增加铺设量时，控制装置14可以增加送料部12的转速和铺料部13的移动速度，以加速材料11a的输送和铺设，从而实现更多的材料覆盖在打印平台21上。相反，当需要减少铺设量时，控制装置14可以降低送料部12的转速和铺料部13的移动速度，以减缓材料11a的输送和铺设，确保铺设量在所需范围内。

在一些实施例中，控制装置14还用于根据目标时间内所需材料铺设量相应地调整送料部12的转速和/或铺料部13的移动速度，以实现在目标时间内精确控制打印平台21上的材料铺设量。

具体而言，控制装置14能够监测和计算目标时间内所需的材料铺设量，并以此动态地调整送料部12的转速与铺料部13的移动速度，这种动态调整使得智能送料机构10能够在不同的任务和需求下表现出适应性，如果任务要求在较短的时间内完成大量材料铺设，控制装置14可以增加送料部12的转速以及提高铺料部13的移动速度，以加快铺设速度，相反，如果任务要求在较长的时间内完成，可以降低这些参数以保持稳定性。

在具体实现过程中，例如可以使用PID反馈控制系统以根据实际铺设量与目标量之间的误差来自动调整送料部12的转速以及提高铺料部13的移动速度，以实现在目标时间内精确控制打印平台21上的材料铺设量的需求。

示例性的，当使用PID反馈控制系统来调整送料部12的转速和铺料部13的移动速度时，系统会实时监测打印平台21上的实际材料铺设量（监测可以通过传感器、摄像头或其他适用手段完成），与此同时，系统会根据目标时间内所需的材料铺设量设定一个时间限制，一旦发现实际材料铺设量与目标值存在误差，PID控制系统会立即计算这个误差，并根据误差的大小生成相应的PID输出，该PID输出将直接影响控制送料部12的转速和调整铺料部13的移动速度。这种反馈控制机制允许系统动态地调整材料的供应速度和铺设速度，以迅速纠正误差并确保在目标时间内实现所需的精确材料铺设量。

在图1所示的智能送料机构10中，送料部12被设置为由螺杆122以及用于驱动螺杆122旋转的旋转驱动装置121构成。螺杆122的一端与旋转驱动装置121连接，另一端从储料部11中穿过并向下延伸了一段距离，螺杆122的延伸段起到了输送和推动材料的作用，当旋转驱动装置121启动时能够驱动螺杆122旋转，使得螺杆122在旋转状态下将储存在储料部11内的材料11a带动向下运动。

参考图1所示，储料部11被设置为由料仓111与漏料筒112构成。料仓111与漏料筒112被设计成一体成型或者通过其它连接方式紧密连接在一起，形成一个整体式的储料部11。在储料部11中，料仓111内储存有材料11a，漏料筒112从料仓111底部起始，向下延伸至少一段距离，以将送料部12的螺杆122从料仓111底部起始向下延伸的部分包裹在内，即漏料筒112的高度至少等于螺杆122在料仓111下方的高度，以便于控制材料的输送。漏料筒112的设计有助于引导和定向螺杆122携带的材料11a，通过漏料筒112与送料部12之间的间隙，材料11a可以受到一定的控制，确保沿特定路径向下运动。

根据本发明的一实施例，智能送料机构10呈现出如图2-3所示的结构。

漏料筒112具有在料仓111内漏料的进料口112a以及在料仓111外漏料的出料口112b。具体地，进料口112a位于漏料筒112的顶部，面向料仓111内部；出料口112b位于漏料筒112的底部，朝向图1示出的打印平台21；进料口112a允许材料11a从料仓111输送到漏料筒112内部，从而形成材料供应的起始点；出料口112b允许材料11a从漏料筒112传送到外部，以便最终散落在图1示出的打印平台21上，出料口112b的设置确保了材料11a流动的顺畅性和均匀性。

参考图3（a）所示，进料口112a从第一外缘112a-1向第一内缘112a-2的高度呈逐渐递减状态。即进料口112a的开口在第一外缘112a-1处相对较高，而向第一内缘112a-2逐渐降低，从而有效控制材料11a在料仓111内的流动，也就是说，进料口112a的高度递减设计有助于引导和控制材料11a的流动方向，材料11a被输送到漏料筒112的顶部，然后在进料口112a的递减高度下逐渐向内移动，确保材料11a在输送过程中始终向第一内缘112a-2集中，以避免第一外缘112a-1所处区域内材料11a的浪费。此外，高度递减的进料口112a还有助于防止材料11a在输送过程中产生堵塞，材料11a在进料口112a的逐渐降低高度下受到更好的控制，确保了流动的稳定性和均匀性。

参考图3（b）所示，出料口112b从第二内缘112b-2向第二外缘112b-1的高度呈逐渐递减状态。出料口112b被设置在漏料筒112的底部，同理，将其高度设置为从第二内缘112b-2向第二外缘112b-1递减是为了更好地控制材料11a的流出，即从第二内缘112b-2到第二外缘112b-1，出料口112b的高度逐渐减小，以在实现更精确地控制材料11a的流动的同时，也能够有效防止材料11a在出口处堵塞，即随着高度的逐渐减小，材料11a在流出时受到更好的引导，减少了堵塞风险，确保了送料过程的顺畅。

根据本发明的一实施例，铺料部13呈现出如图4所示的结构。铺料部13与送料部12分离设置，铺料部12由单独的动力源（移动驱动装置17）进行移动驱动以在打印平台21上移动铺料。该分离设置使得铺料部13能够独立地在打印平台21上移动和分布材料，而不受送料部12运动状态的限制，通过单独的移动驱动装置17，铺料部13可以在需要的时间和位置对散落在打印平台21上的材料11a进行均匀铺设。示例性的，铺料部13的实际形态可以是多种形式，如刮刀、滚子等。

根据本发明的一实施例，铺料部13呈现出如图1-2及图5所示的结构。本实施例中，铺料部13与送料部12被集成设置，例如可以通过安装座连接在一起。在此配置下，送料部12负责向打印平台21输送和供应材料11a，铺料部13则负责对打印平台21上的材料11a进行均匀地铺设，并且，铺料部13间隔地设置在送料部12的附近。

此外，在z轴方向上，铺料部13的底部被设置为低于送料部12的底部。具体而言，铺料部13的底部被设置在螺杆122以及漏料筒112底部的下方，相比较螺杆122以及漏料筒112底部而言，铺料部13的底部更接近打印平台21。当料仓111内的材料11a通过漏料筒112的出料口112b释放在打印平台21后，铺料部13开始进行铺料。可以理解的是，在3D打印中，材料的均匀铺设是确保打印质量的关键因素之一。为了实现这一目标，铺料部13必须能够有效地将材料11a均匀分布在打印平台21的表面上，因此，铺料部13的底部必须能够顺畅地接触和移动在打印平台21上的材料11a。如果铺料部13的底部位于螺杆122或漏料筒112的底部之上，由于铺料部13的底部高于漏料筒112的底部，则无法在打印平台21表面进行有效的铺料操作，因为漏料筒112的底部会阻碍铺料部13的底部接触到材料11a。因此，本实施例通过将铺料部13的底部低于送料部12的底部，能够在铺料过程中，确保铺料部13的底部能够有效接触到材料11a表面，从而对其进行均匀地铺设。示例性的，还可以通过控制铺料部13的底部高度（例如可以设计成自动升降），以确保其与打印平台21的表面有良好的接触，同时在进行铺料时控制其低于螺杆122以及漏料筒112的底部，从而实现高效、均匀和精确的材料铺设操作。

参考图2及图5所示，在一些实施例中，铺料部13被设置为由两个刮刀构成，分别为第一刮刀13a与第二刮刀13b，第一刮刀13a与第二刮刀13b分别位于送料部12的两侧，例如第一刮刀13a位于送料部12的左侧，第二刮刀13b位于送料部12的右侧。

由于第一刮刀13a和第二刮刀13b位于送料部12的两侧，彼此之间能够协同工作，以确保材料11a均匀分布在打印平台21上，并且具备快速铺设材料11a的能力，以实现加速材料11a铺设的同时还能够缩短整个铺料周期。具体而言，第一刮刀13a和第二刮刀13b的配合使得材料11a能够在一个刮刀铺设后，另一个刮刀可以进行二次铺设，进一步压实和均匀分布材料11a，这种双重铺设机制确保了打印平台21上的材料层不仅均匀，第一刮刀13a和第二刮刀13b的紧密配置还能够避免材料浪费，因为它们可以更精确地控制材料11a的分布，避免了多余的材料11a溢出或堆积。此外，第一刮刀13a和第二刮刀13b的协同工作也有助于减少打印平台上的材料11a处理时间，从而加快了整个打印过程的速度。

应理解，由于铺料部13与送料部12被集成设置，因此铺料部13与送料部12被同步移动控制，即在对铺料部13进行移动控制时带动送料部12同步移动。参考图5所示，智能送料机构10具有直线驱动器15，铺料部13与送料部12共用该直线驱动器15以被其进行移动驱动。具体的布置中，直线驱动器15由驱动电机以及能够将旋转运动转化直线运动的丝杆构成，例如具体为丝杆直线滑轨。铺料部13与送料部12通过导座设置在该丝杆上（具体与丝杆上的滑台连接，滑台作为丝杆直线滑轨的一部分），从而能够在丝杆的带动下进行直线移动。直线驱动器15确保了铺料部13和送料部12之间的高度同步，由于丝杆的精确运动，铺料部13和送料部12可以精确地按照预定的路径进行移动，从而确保材料11a能够均匀铺设在打印平台21上。此外，直线驱动器15使得铺料部13和送料部12的移动速度可以被控制和调整，通过控制驱动电机的转速，可以实现不同的移动速度，以满足不同打印任务的需求。

需要说明的是，在具体的送料过程中，可以根据需要选择不同的操作模式。例如，一种操作模式是在送料部12送料过程中不使用直线驱动器15，而是在材料11a被释放到打印平台21上后，再控制直线驱动器15带动铺料部13与送料部12移动。另一种操作模式是通过直线驱动器15同时带动铺料部13与送料部12进行移动，这种模式适用于较多的3D打印任务，材料11a需要均匀地覆盖整个打印平台21，通过同时移动送料部12和铺料部13，可以确保材料11a均匀分布，提高打印效率和质量。

参考图2所示，在一些实施例中，漏料筒112的底部，即筒底112c，作为铺料部13使用，以在一次操作中完成送料和铺设任务。应理解，漏料筒112的筒底112c具有材料的释放口以及具有一定尺寸的边缘部分，即筒底112c不仅充当材料11a的释放口，还具有一定尺寸的边缘部分，这一部分可以用来控制和分布材料11a在打印平台21上。

可以预见，筒底112c的边缘部分还可以用于控制材料11a的分布，例如通过合理设计边缘部分的形状和尺寸，可以确保材料11a在铺设时具有所需的宽度和形状。有助于在打印平台21上创建所需的材料分布图案，从而满足特定的打印需求。

应理解，由于筒底112c用作铺料部13，第一刮刀13a和第二刮刀13b的底部被重新设置，以确保它们不会干扰材料11a的释放和铺设。其中一种设置方式，第一刮刀13a和第二刮刀13b的底部会被设置在螺杆122以及漏料筒112底部的上方，以避免与材料11a的自由运动发生冲突。另一种设置方式是直接取消第一刮刀13a和第二刮刀13b的设置，在这种情况下，铺料部13主要依靠筒底112c来控制和分布材料11a，而不使用第一刮刀13a和第二刮刀13b的帮助，这种简化的设计减少了零部件数量，提高了可维护性。

参考图7所示，智能送料机构10在一些实施例中还具有升降驱动装置16，用于至少控制送料部12下降以抵近打印平台21落料，优选为对送料部12与铺料部13的整体进行升降控制。具体而言，升降驱动装置16的设置一方面是为了使铺料部13能够相对于打印平台21下降，以便在打印平台21上接触材料11a以进行移动铺设，另一方面能够通过控制送料部12下降以抵近打印平台21落料，确保材料11a的准确释放。在材料11a铺设之前，如果送料部12未经控制地释放材料，那么材料11a可能会无法准确释放地在打印平台21上，导致浪费，通过精确下降控制，可以最大程度地减少这种浪费。

在一些实施例中，打印平台21可以是常规打印平台，用于在其上方以3D打印的方式构建零件。具体而言，通过设置在打印平台21上方的光学系统（由激光器、准直器、振镜以及场镜等部件构成）发射的激光束，对铺设在打印平台21上的材料11a进行逐层扫描。通过精确控制激光束的扫描位置、强度和焦点等，实现对材料11a的选区烧结或熔融，使其逐层沉积，从而在打印平台21上构建出具有复杂几何形状的零件。

图6示出了智能送料机构10的一种应用实施例。在该实施例中，打印平台21可以是测试打印平台，主要用于实验性或测试性的打印目的，以便探索新的制造工艺、材料或参数配置。具体地，打印平台21被配置为接受至少一层材料的铺设，以便通过光学系统发射的激光束扫描以在其表面形成熔池。激光束在材料表面作用的同时，打印平台21被来自于图6中x轴方向的高能X射线透射穿过熔池，进行衍射成像，以获得熔池内部组织物相的原位表征信息，从而为实验性打印过程提供了实时的材料微观结构信息，便于了解不同条件下的打印效果，进一步优化制造过程。

为了确保高能X射线有效穿透熔池并透过打印平台21，一些实施例中的打印平台21被设置为接近于二维特征，也即在X轴方向上的宽度较窄，以最小化高能X射线的吸收和散射，使得高能X射线在穿越打印平台21时保持足够的强度，以进行透射并进一步衍射成像。

示例性的，打印平台21的宽度被设置为最小为熔池的宽度，最大为2mm。

设置打印平台21的最小宽度为熔池的宽度确保平台可以完全覆盖整个熔池，使得平台能够允许激光束在其上方完成熔池的扫描形成，以及使得高能X射线能够透射整个熔池，从而获取熔池内部组织物相的完整信息。虽然接近于二维特征的设计有助于减小吸收和散射，但平台仍然需要足够的宽度来保持结构的稳定性，以支持熔池的构建过程，在此基础上的一个优选实施方式是将打印平台21的最大宽度限制在2mm。

图8示出了智能送料机构10的一种应用实施例。在该实施例中，打印平台21的外侧设置有能够将材料限制在扫描区域内的第一遮挡部23a、第二遮挡部23b、第三遮挡部23c以及第四遮挡部23d，避免材料从扫描区域溢出。应理解，扫描区域是指激光束作用在打印平台21承载材料上的区域，其可以等于打印平台21表面覆盖的区域，也可以在其它情况下小于打印平台21表面覆盖的区域，但即便在极端情况下也不可以小于一个熔池所覆盖的面积。

示例性的，例如当扫描区域在长度（y轴）方向上小于打印平台21的长度时，可以仅在扫描区域外侧设置第一遮挡部23a与第二遮挡部23b，而不设置宽度（x轴）方向上的第三遮挡部23c与第四遮挡部23d。应理解，以扫描区域为基准面，第一遮挡部23a、第二遮挡部23b、第三遮挡部23c以及第四遮挡部23d至少要高于扫描区域一个熔池的高度，或者一层材料的高度。

为了确保高能X射线在扫描区域的顺利透射，第一遮挡部23a、第二遮挡部23b、第三遮挡部23c以及第四遮挡部23d在高于扫描区域的部分设置为透明材质。

在一示例中，第一遮挡部23a、第二遮挡部23b、第三遮挡部23c以及第四遮挡部23d的底部部分（低于扫描区域的部分）由非透明、高密度材料构成，例如金属或陶瓷；第一遮挡部23a、第二遮挡部23b、第三遮挡部23c以及第四遮挡部23d的顶部部分（高于扫描区域的部分）由透明材料构成，通常是便于高能X射线较佳透射的材质，同时具有耐高温性质，例如玻璃碳、氧化铝陶瓷玻璃、高硼硅玻璃等。

在另一示例中，第一遮挡部23a、第二遮挡部23b、第三遮挡部23c以及第四遮挡部23d的整体均由透明材料构成。

根据本发明的一实施例，在第一遮挡部23a、第二遮挡部23b、第三遮挡部23c以及第四遮挡部23d的外部设置有压盘24，其主要作用是提供额外的稳定支撑，确保第一遮挡部23a、第二遮挡部23b、第三遮挡部23c以及第四遮挡部23d在3D打印过程中保持固定。通过引入压盘24的设置可以有效减轻设备振动和材料运动等因素对第一遮挡部23a、第二遮挡部23b、第三遮挡部23c以及第四遮挡部23d的影响，有助于确保打印平台21在3D打印过程中始终保持在正确的位置，进而确保高能X射线的顺利透射，进行原位监测和衍射成像。

在一些实施例中，前文描述的筒底112c以及第一刮刀13a和第二刮刀13b的宽度均小于扫描区域的宽度，以便能够伸入第一遮挡部23a、第二遮挡部23b、第三遮挡部23c以及第四遮挡部23d内，以对扫描区域进行送料与铺料。

根据本发明的一实施例，在打印平台21的一侧设置有进出风场22。材料的烧结或熔融过程中会产生烟雾颗粒物，并在打印平台21的附近集聚，而设置进出风场22能够将这些集聚的烟雾颗粒物吹散，保持工作环境的清洁。此外，集聚的烟雾颗粒物可能会对高能X射线的穿透性造成干扰，降低其效率，通过设置进出风场22，可以有效地排除这些干扰因素，确保高能X射线能够顺利穿透，以进行准确的监测和成像。在具体的结构设置中，可将进出风场22布置在第二遮挡部23b一侧压盘24的上方，进出风场22在面对打印平台21的一侧设置有多个进风孔，以产生流速均匀的风场，从而排除集聚在打印平台21附近的烟雾颗粒物。

根据本发明的一实施例，提供一种呈现出如图9所示结构的3D打印机40。该3D打印机40由光学系统30、打印平台21以及前文任一实施例所描述的智能送料机构10等部件构成，其中该打印平台21为前文描述的用于在其上方以3D打印的方式构建零件的常规打印平台。

根据本发明的一实施例，提供一种呈现出如图10所示结构的3D打印机40。该3D打印机40由光学系统30、第一打印平台21a、第二打印平台21b以及前文任一实施例所描述的智能送料机构10等部件构成，其中该第二打印平台21b为前文描述的用于在其上方以3D打印的方式构建零件的常规打印平台，该第一打印平台21a为前文描述的主要用于实验性或测试性的打印目的所设置的测试打印平台。

在第一打印平台21a中，激光束26在第一打印平台21a上铺设的材料表面作用的同时，第一打印平台21a被高能X射线27透射穿过熔池进行衍射成像，以获得熔池内部组织物相的原位表征信息。

在一些实施例中，尤其是第二打印平台21b（作为常规打印平台）与第一打印平台21a（作为测试打印平台）集成在一个3D打印机40中时，可以通过前述的智能送料机构10向第一打印平台21a供料，而使用额外的供料部件向第二打印平台21b供料，例如使用设置在第二打印平台21b一侧的料缸，该料缸能够在升降装置的驱动下促使一部分材料从顶部溢出，并在第二打印平台21b上方刮刀的带动下将溢出的材料铺设在第二打印平台21b上方。此外，第二打印平台21b可升降地设置在成形缸内，每当完成一层材料的打印，该成型缸被驱动下降一层，接着进行下一层材料的铺设，循环往复，直至完成零件所有层次的打印工作。

需要说明的是，在本实施例中，第一打印平台21a与第二打印平台21b共用一个光学系统30，第一打印平台21a与第二打印平台21b不在一个平面上，即布置在不同的高度上。由于在不同的高度上的第一打印平台21a与第二打印平台21b共用同一套光学系统30，该光学系统30的焦距是固定的，因此在不同打印平台上进行激光扫描时，会造成散焦问题。例如，当光学系统的焦距适配第一打印平台21a时，若需要在第二打印平台21b进行扫描成形，由于第二打印平台21b在z轴更远的距离上，光学系统30聚焦的光斑将难以在第二打印平台21b上聚焦，从而无法完成相应的打印过程，为了解决散焦问题，本实施例的光学系统30被设置为可升降。

光学系统30被配置为可沿z轴进行升降，以实现在向第一打印平台21a与第二打印平台21b上的材料进行扫描时，处在不同的z轴高度上。例如，在进行第一打印平台21a的成形时，光学系统30可以调整其位置和焦距，以确保光斑准确地聚焦在第一打印平台21a上。然后，当需要在第二打印平台21b上进行扫描成形时，光学系统30可以升高到适当的高度，以确保光斑能够准确地聚焦在第二打印平台21b上。

根据本发明的一实施例，提供一种呈现出如图11所示流程的智能送料方法50。该智能送料方法50由S51与S52构成。

S51：控制沿z轴方向穿入储料部的送料部进行旋转，以携带所述储料部内的至少一部分材料通过所述储料部与送料部之间的间隙向下运动，使其散落在打印平台上，其中储料部内储存的材料用于3D打印；

S52：控制铺料部在打印平台上移动铺料，以对散落在打印平台上的材料进行均匀铺设；其中，送料部的转速与铺料部的移动速度在被同时控制时呈正相关。

在一些实施例中，智能送料方法50还包括：根据目标时间内所需材料铺设量相应地调整送料部的转速和/或铺料部的移动速度，以实现在目标时间内精确控制所述打印平台上的材料铺设量。

该智能送料方法50的具体实施流程与前文描述的智能送料机构10的操作过程具有一致性，在此不进行赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“示例性的”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (15)

1.一种用于3D打印的智能送料机构，其特征在于，包括：

储料部，用于储存待输送的用于3D打印的材料，其中 ，所述储料部具有漏料筒，所述漏料筒的筒底具有材料的释放口以及边缘部分，通过设计所述边缘部分的形状和尺寸，以控制材料在打印平台上的分布，确保材料在铺设时具有所需的宽度和形状；

送料部，其沿z轴方向穿入所述储料部，并在旋转状态下携带所述储料部内的至少一部分材料通过所述储料部与送料部之间的间隙向下运动，使其散落在打印平台上，该间隙至少保证材料的最小物理构成单元在该间隙内自由流动；

铺料部，用于在所述打印平台上移动铺料，以对散落在所述打印平台上的材料进行均匀铺设；

升降驱动装置，用于至少控制所述送料部下降以抵近所述打印平台落料；以及

控制装置，用于根据目标时间内所需材料铺设量，通过控制所述送料部的转速和/或铺料部的移动速度，以动态调控在所述打印平台上的材料铺设量，实现所述材料铺设量在目标时间内的精确控制；其中，所述送料部的转速与铺料部的移动速度在被同时控制时呈正相关；

其中，所述打印平台包括不在一个平面上的第一打印平台与第二打印平台；其中，所述第一打印平台接近于二维特征，其宽度最小为能量束在材料表面扫描以形成的熔池的宽度；所述第一打印平台被配置为接受至少一层材料的铺设，铺设的材料在被所述能量束扫描形成熔池的同时，也被发射的高能X射线透射过熔池衍射成像，以获得所述熔池内组织物相的原位表征；

所述第一打印平台与第二打印平台共用一个光学系统，所述光学系统被配置为可沿z轴进行升降，以实现在分别向第一打印平台与第二打印平台上的材料进行扫描时，处在不同的z轴高度上。

2.根据权利要求1所述的智能送料机构，其特征在于，

所述送料部至少由螺杆以及用于驱动所述螺杆旋转的旋转驱动装置构成，其中，所述螺杆的一部分从所述储料部穿入并向下延伸至少一段距离。

3.根据权利要求1所述的智能送料机构，其特征在于，

所述储料部由料仓与所述漏料筒构成；

其中，所述料仓用于储存材料；

其中，所述漏料筒至少将所述送料部从所述料仓底部起始向下延伸的部分包裹在内，所述送料部携带的至少一部分材料通过所述漏料筒与送料部之间的间隙向下运动。

4.根据权利要求3所述的智能送料机构，其特征在于，

所述漏料筒具有一在所述料仓内漏料的进料口以及一在所述料仓外漏料的出料口；其中，所述进料口从外缘向内缘的高度呈逐渐递减状态，出料口从内缘向外缘的高度呈逐渐递减状态。

5.根据权利要求1所述的智能送料机构，其特征在于，

所述铺料部与送料部分离设置，所述铺料部由单独的动力源进行移动驱动以在所述打印平台上移动铺料。

6.根据权利要求1所述的智能送料机构，其特征在于，

还包括直线驱动器，用于驱动所述送料部沿铺料方向移动。

7.根据权利要求6所述的智能送料机构，其特征在于，

所述铺料部与送料部共用所述直线驱动器以被其进行移动驱动。

8.根据权利要求7所述的智能送料机构，其特征在于，

所述铺料部与送料部集成设置，其中，所述铺料部至少间隔地设置在所述送料部附近，并且在z轴方向上，所述铺料部的底部低于所述送料部的底部。

9.根据权利要求8所述的智能送料机构，其特征在于，

所述铺料部由两个刮刀构成，所述两个刮刀分别位于所述送料部的两侧。

10.根据权利要求3所述的智能送料机构，其特征在于，

所述漏料筒的筒底作为所述铺料部使用。

11.根据权利要求1所述的智能送料机构，其特征在于，

所述打印平台的宽度最大为2mm。

12.一种3D打印机，其特征在于，包括：

光学系统；

至少一打印平台；以及

权利要求1-11任一项所述的智能送料机构。

13.根据权利要求12所述的3D打印机，其特征在于，

所述打印平台为两个，其中一打印平台被配置为承载不止一层的材料被来能量束逐层扫描以构建至少一三维物体，另一打印平台被配置为承载至少一层材料被所述能量束扫描以形成熔池，以及在扫描进程中，被高能X射线透射所述熔池衍射成像，以获得所述熔池内组织物相的原位表征。

14.一种智能送料方法，应用在权利要求1-11任一项所述的智能送料机构上，其特征在于，所述方法包括：

控制沿z轴方向穿入储料部的送料部进行旋转，以携带所述储料部内的至少一部分材料通过所述储料部与送料部之间的间隙向下运动，使其散落在打印平台上，其中所述储料部内储存的材料用于3D打印；以及

控制铺料部在所述打印平台上移动铺料，以对散落在所述打印平台上的材料进行均匀铺设；

其中，所述送料部的转速与铺料部的移动速度在被同时控制时呈正相关。

15.根据权利要求14所述的智能送料方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据目标时间内所需材料铺设量相应地调整送料部的转速和/或铺料部的移动速度，以实现在目标时间内精确控制所述打印平台上的材料铺设量。