CN117532017A - 一种利用多金属材料3d打印叶轮模具的设备及方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用多金属材料3D打印叶轮模具的设备及方法，包括具有升降功能的打印平台、设在打印平台上方的激光打印头、设在打印平台一侧的铺粉机构和设在升降平台另一侧的粉末回收机构；所述打印平台设在打印区内，所述打印区一相对两侧分别为第一铺粉停留区和第二铺粉停留区，所述打印区另一相对两侧分别为第一吸粉停留区和第二吸粉停留区。利用第一落粉腔第二落粉腔储存两种不同的金属粉末，利用落粉漏斗来回移动实现两种金属粉末交替铺粉，利用移动平台的来回移动实现两种金属粉末的交替回收，从而实现多金属材料在同一平台进行3D打印，能制造出质量好且成本低的叶轮模具。
Description
技术领域
本发明涉及金属3D打印技术，尤其是一种利用多金属材料3D打印叶轮模具的设备及方法。
背景技术
贯流风叶中节为环形结构，其叶片为薄壁状且呈圆周阵列分布，在注塑过程中，需要冷却水道对模具进行冷却，现有的冷却水道通过机加工钻孔方式形成，受制于机加工条件的限制，冷却水道无法均匀贴近环型模腔的内外周，因此，冷却效率低，且冷却不均匀，导致产品变形较大，传统数控制造模具技术已难以突破模具的使用效率，很难再提高产品良品率，降低成本。
随着金属3D 打印技术不断成熟，效率不断提高，体系不断健全，上下游产业链不断发展，3D 打印复杂薄壁模具、隐形水路镶件等方面发挥出传统制造模具无法比拟的优势，优化了模具设计、缩短了产品开发周期、提高了模具工作效率、提高了良品率、延长了模具使用寿命、降低了制造成本。目前的金属3D打印技术一般采用单金属粉末材料，单一材料制造模具无法兼顾高质量和低成本，对于模芯来说需要价格相对较高质量相对较好的金属粉末进行打印，而对于冷却水道来说需要价格相对较低质量相对较差的金属粉末进行打印，因此需要研发一款能同时采用多种金属粉末进行3D打印的设备来突破金属3D打印技术的瓶颈。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用多金属材料3D打印叶轮模具的设备及方法，实现两种金属粉末在同一平台进行3D打印，能制造出质量好且成本低的叶轮模具。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种利用多金属材料3D打印叶轮模具的设备，所述叶轮模具包括含有叶片型腔的模芯和含有冷却水道的冷却系统，所述冷却系统包括设在模芯内侧的内冷却部分和设在模芯外侧的外冷却部分，所述模芯通过第一金属粉末打印形成，所述内冷却部分和外冷却部分通过第二金属分布打印形成；所述设备包括具有升降功能的打印平台、设在打印平台上方的激光打印头、设在打印平台一侧的铺粉机构和设在升降平台另一侧的粉末回收机构；所述打印平台设在打印区内，所述打印区一相对两侧分别为第一铺粉停留区和第二铺粉停留区，所述打印区另一相对两侧分别为第一吸粉停留区和第二吸粉停留区；所述铺粉机构包括落粉漏斗、驱动落粉漏斗平移的第一驱动机构和设在第一铺粉停留区上方的储粉漏斗，所述落粉漏斗在第一铺粉停留区与第二铺粉停留区之间运动，所述落粉漏斗上设有第一落粉腔和第二落粉腔，所述第一落粉腔与第二落粉腔按照落粉漏斗运动方向前后设置，第一落粉腔和第二落粉腔呈长形且截面为喇叭形结构，所述储粉漏斗内设有第一储粉仓和第二储粉仓，第一储粉仓与第一落粉腔对用，第二储粉仓与第二落粉腔对应；所述粉末回收机构包括移动平台、驱动移动平台的第二驱动机构和除尘系统，所述移动平台在第一吸粉停留区与第二吸粉停留区之间运动，所述移动平台内设有第一吸附通道和第二吸附通道，第一吸附通道与第二吸附通道呈前后平行设置，所述移动平台的底部设有若干一字排列且与第一吸附通道连通的第一吸附口，所述移动平台的底部设有若干一字排列且与第二吸附通道连通的第二吸附口，所述移动平台上设有将第一吸附通道与除尘系统连接的第一吸管和将第二吸附通道与除尘系统连接的第二吸管。
作为改进，所述落粉漏斗的运动方向与移动平台的运动方向垂直。
作为改进，所述第一落粉腔配设第一落粉开关，所述第一落粉开关包括设在第一落粉腔下端开口处的第一辊轴和驱动第一辊轴的第一电机，所述第一辊轴上设有第一穿孔；所述第二落粉腔配设第二落粉开关，所述第二落粉开关包括设在第二落粉腔下端开口处的第二辊轴和驱动第二辊轴的第二电机，所述第二辊轴上设有第二穿孔。
作为改进，所述第一落粉腔的内壁设有搭接到第一辊轴表面的第一刮板，所述第二落粉腔的内壁设有搭接到第二辊轴表面的第二刮板。
作为改进，所述外冷却部分内设有呈上下设置的第一外冷却水道和第二外冷却水道，所述外冷却部分的侧面从下至上依次设置第一外冷却水道进口、第一外冷却水道出口、第二外冷却水道进口和第二外冷却水道出口；所述内冷却部分内设有呈左右对称设置的第一内冷却水道和第二内冷却水道，所述第一内冷却水道和第二内冷却水道的进出口均设在内冷却部分的底部。
作为改进，所述模芯内设有叶片腔，所述叶片腔通过金属3D打印形成或线切割精加工形成。
本发明利用多金属材料3D打印叶轮模具的方法，包括以下步骤：
（1）第一次铺粉：第一驱动机构驱动落粉漏斗从第一铺粉停留区向第二铺粉停留区移动，落粉漏斗移动过程中，将储存在第一落粉腔内的第一金属粉末铺设在打印平台上；
（2）激光打印头根据模芯的设计烧结第一金属粉末并进行第一层打印；
（3）模芯第一层打印完成后，第二驱动机构驱动移动平台从第一吸粉停留区向第二吸粉停留区移动，移动过程中，开启除尘系统，第一吸附通道内产生负压，第一吸附通道通过底部的第一吸附口将打印平台上多余的第一金属粉末吸附回收；
（4）打印平台上的第一金属粉末清理干净后，第一驱动机构驱动落粉漏斗从第二铺粉停留区向第一铺粉停留区移动，落粉漏斗移动过程中，将储存在第二落粉腔内的第二金属粉末铺设在打印平台上；
（5）激光打印头根据冷却系统的设计烧结第二金属粉末并进行第一层打印；
（6）冷却系统第一层打印完成后，第二驱动机构驱动移动平台从第二吸粉停留区向第一吸粉停留区移动，移动过程中，开启除尘系统，第二吸附通道内产生负压，第二吸附通道通过底部的第二吸附口将打印平台上多余的第二金属粉末吸附回收；
（7）循环步骤（1）~（6），直到将整个叶轮模具打印成型。
作为改进，第一金属粉末或第二金属粉末每打印一层，升降平台需要向下移动一个工位。
作为改进，每次清理第一金属粉末或第二金属粉末时，升降平台需要向上移动至最高位置。
作为改进，需要更换金属打印的叶轮模具的模芯时，具有操作步骤如下：
（1）将金属打印的叶轮模具上的模芯通过线切割工艺完整切割下来；
（2）将传统的叶轮模具的模芯分离，将传统模芯和金属打印的冷却系统同时加热，并将模芯套入金属打印的冷却系统内；
（3）将结合的叶轮模具放到低温冷却炉内，模芯遇冷收缩，使得两个组件达到过盈配合。
本发明与现有技术相比所带来的有益效果是：
利用第一落粉腔第二落粉腔储存两种不同的金属粉末，利用落粉漏斗来回移动实现两种金属粉末交替铺粉，利用移动平台的来回移动实现两种金属粉末的交替回收，从而实现多金属材料在同一平台进行3D打印，模芯部分利用硬度高、致密性好的金属粉末进行打印，确保模芯在高温下不变形，冷却部分利用价格便宜的金属粉末进行打印，保证水道设计合理散热均匀，能制造出质量好且成本低的叶轮模具。
附图说明
图1为本发明铺粉及吸粉第一状态示意图。
图2为本发明铺粉及吸粉第二状态示意图。
图3为铺粉机构示意图。
图4为粉末回收机构示意图。
图5为本发明工艺流程图。
图6为本发明打印的叶轮模具分解图。
实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。
一种利用多金属材料3D打印叶轮模具的设备，本发明所述的叶轮为贯流风机的叶轮，多个叶轮串联后适用不同尺寸的贯流风机适用。如图6所示，所述叶轮由叶轮模具5注塑而成，所述叶轮模具5包括含有叶片型腔的模芯57和含有冷却水道的冷却系统，所述冷却系统包括设在模芯57内侧的内冷却部分52和设在模芯57外侧的外冷却部分51，所述模芯57通过第一金属粉末打印形成，所述内冷却部分52和外冷却部分51通过第二金属分布打印形成，模芯57与冷却系统通过金属3D打印结合在一起形成一个整体。所述外冷却部分51内设有呈上下设置的第一外冷却水道55和第二外冷却水道56，外冷却水道大致环抱在模芯57的外侧，所述外冷却部分51的侧面从下至上依次设置第一外冷却水道55进口、第一外冷却水道55出口、第二外冷却水道56进口和第二外冷却水道56出口，该种水道的设计散热均匀，进水口与出水口交替设计后，出来的热水与进去的冷水更接近，能够平衡该处模具的热量。所述内冷却部分52内设有呈左右对称设置的第一内冷却水道53和第二内冷却水道54，所述第一内冷却水道53和第二内冷却水道54的进出口均设在内冷却部分52的底部。
如图1、2所示，所述3D打印设备包括具有升降功能的打印平台1、设在打印平台1上方的激光打印头（未标示）、设在打印平台1一侧的铺粉机构和设在升降平台另一侧的粉末回收机构，上述机构可以集中设在箱体内，其3D打印原理与现有常规技术相同，本发明中不再赘叙。所述打印平台1设在打印区11内，打印时金属粉末铺设在打印平台1上，激光打印头对金属粉末烧结后在打印平台1上形成金属层；打印平台1通过升降机构进行升降，每打印一层金属层，升降机构则控制打印平台1向下移动一个打印工位，确保每次打印都处在同一平面。本实施例的打印区11域呈长方形，所述打印区11长度方向的两侧分别为第一铺粉停留区12和第二铺粉停留区13，第一铺粉停留区12作为第一金属粉末铺粉起始位置，并且可以在次此区域补充原料，第二铺粉停留区13为第一金属粉末铺粉结束位置，同时作为第二金属粉末铺粉起始位置；所述打印区11宽度方向相对两侧分别为第一吸粉停留区14和第二吸粉停留区15。
如图3所示，所述铺粉机构包括落粉漏斗2、驱动落粉漏斗2平移的第一驱动机构和设在第一铺粉停留区12上方的储粉漏斗4。所述落粉漏斗2包括长条形本体21，所述长条形本体21横跨在打印平台1宽度方向的上方，所述落粉漏斗2在第一铺粉停留区12与第二铺粉停留区13之间运动，使得金属粉末能在落粉漏斗2平移过程均匀铺设在打印平台1上；所述落粉漏斗2上设有第一落粉腔22和第二落粉腔23，所述第一落粉腔22与第二落粉腔23的形状相同，第一落粉腔22和第二落粉腔23均呈长形且截面为喇叭形结构，上端开口较大用于对接储粉漏斗4，二者按照落粉漏斗2运动方向前后设置。所述第一落粉腔22配设第一落粉开关24，所述第一落粉开关24包括设在第一落粉腔22下端开口处的第一辊轴和驱动第一辊轴的第一电机，所述第一辊轴上设有第一穿孔；所述第二落粉腔23配设第二落粉开关25，所述第二落粉开关25包括设在第二落粉腔23下端开口处的第二辊轴和驱动第二辊轴的第二电机，所述第二辊轴上设有第二穿孔；电机控制辊轴旋转改变穿孔的位置，可实现落粉腔下端开口的开闭，有助于自动化实现两种金属粉末的交替铺粉；所述第一落粉腔22的内壁设有搭接到第一辊轴表面的第一刮板，所述第二落粉腔23的内壁设有搭接到第二辊轴表面的第二刮板，刮板的设计能减少漏粉，刮板可为柔性塑料板，密封性更好。所述储粉漏斗4内设有第一储粉仓41和第二储粉仓42，第一储粉仓41与第一落粉腔22对用，第二储粉仓42与第二落粉腔23对应；第一储粉仓41内装有第一金属粉末，第二储粉仓42内装有第二金属粉末，金属粉末通过自重自动向下落，第一储粉仓41对第一落粉腔22进行补料，第二储粉仓42对第二落粉腔23进行补料，储粉仓可以通过定量器进行精准下料。
如图3、4所示，所述粉末回收机构包括移动平台3、驱动移动平台3的第二驱动机构和除尘系统。所述移动平台3呈长条形，所述移动平台3横跨在打印平台1长度方向的上方，所述移动平台3在第一吸粉停留区14与第二吸粉停留区15之间运动。所述移动平台3内设有第一吸附通道31和第二吸附通道33，第一吸附通道31和第二吸附通道33沿移动平台3长度方向设置，第一吸附通道31与第二吸附通道33呈前后平行设置；所述移动平台3的底部设有若干一字排列且与第一吸附通道31连通的第一吸附口32，所述移动平台3的底部设有若干一字排列且与第二吸附通道33连通的第二吸附口34，吸附通道内产生负压，通过吸附口将打印平台1上多余的金属粉末吸走，起码能将打印位置的金属粉末吸走，防止不同类型金属粉末掺杂打印，吸附口的排布配合移动平台3的移动，最大范围的覆盖打印平台1。所述移动平台3上设有将第一吸附通道31与除尘系统连接的第一吸管35和将第二吸附通道33与除尘系统连接的第二吸管36；所述除尘系统包括第一除尘机构37和第二除尘机构38，两套独立的除尘机构分别与两个吸附通道连接，可以将两种金属粉末分开独立回收。
本发明利用多金属材料3D打印叶轮模具的方法，包括以下步骤：
（1）第一次铺粉：第一驱动机构驱动落粉漏斗2从第一铺粉停留区12向第二铺粉停留区13移动，落粉漏斗2移动过程中，将储存在第一落粉腔22内的第一金属粉末铺设在打印平台1上；
（2）激光打印头根据模芯57的设计烧结第一金属粉末并进行第一层打印；
（3）模芯57第一层打印完成后，第二驱动机构驱动移动平台3从第一吸粉停留区14向第二吸粉停留区15移动，移动过程中，开启除尘系统，第一吸附通道31内产生负压，第一吸附通道31通过底部的第一吸附口32将打印平台1上多余的第一金属粉末吸附回收；
（4）打印平台1上的第一金属粉末清理干净后，第一驱动机构驱动落粉漏斗2从第二铺粉停留区13向第一铺粉停留区12移动，落粉漏斗2移动过程中，将储存在第二落粉腔23内的第二金属粉末铺设在打印平台1上；
（5）激光打印头根据冷却系统的设计烧结第二金属粉末并进行第一层打印；
（6）冷却系统第一层打印完成后，第二驱动机构驱动移动平台3从第二吸粉停留区15向第一吸粉停留区14移动，移动过程中，开启除尘系统，第二吸附通道33内产生负压，第二吸附通道33通过底部的第二吸附口34将打印平台1上多余的第二金属粉末吸附回收；
（7）循环步骤（1）~（6），直到将整个叶轮模具打印成型。
所述模芯57内设有叶片腔，所述叶片腔通过金属3D打印形成或线切割精加工形成，当3D打印的精度达不到要求时，可以通过线切割方式对叶片腔进行精加工。
第一金属粉末或第二金属粉末每打印一层，升降平台需要向下移动一个工位。
当需要更换金属打印的叶轮模具的模芯时，具有操作步骤如下：
（1）将金属打印的叶轮模具上的模芯通过线切割工艺完整切割下来；
（2）将传统的叶轮模具的模芯分离，将传统模芯和金属打印的冷却系统同时加热，并将模芯套入金属打印的冷却系统内；
（3）将结合的叶轮模具放到低温冷却炉内，模芯57遇冷收缩，使得两个组件达到过盈配合。
Claims (10)
1.一种利用多金属材料3D打印叶轮模具的设备，所述叶轮模具包括含有叶片型腔的模芯和含有冷却水道的冷却系统，所述冷却系统包括设在模芯内侧的内冷却部分和设在模芯外侧的外冷却部分，其特征在于：所述模芯通过第一金属粉末打印形成，所述内冷却部分和外冷却部分通过第二金属分布打印形成；所述设备包括具有升降功能的打印平台、设在打印平台上方的激光打印头、设在打印平台一侧的铺粉机构和设在升降平台另一侧的粉末回收机构；所述打印平台设在打印区内，所述打印区一相对两侧分别为第一铺粉停留区和第二铺粉停留区，所述打印区另一相对两侧分别为第一吸粉停留区和第二吸粉停留区；所述铺粉机构包括落粉漏斗、驱动落粉漏斗平移的第一驱动机构和设在第一铺粉停留区上方的储粉漏斗，所述落粉漏斗在第一铺粉停留区与第二铺粉停留区之间运动，所述落粉漏斗上设有第一落粉腔和第二落粉腔，所述第一落粉腔与第二落粉腔按照落粉漏斗运动方向前后设置，第一落粉腔和第二落粉腔呈长形且截面为喇叭形结构，所述储粉漏斗内设有第一储粉仓和第二储粉仓，第一储粉仓与第一落粉腔对用，第二储粉仓与第二落粉腔对应；所述粉末回收机构包括移动平台、驱动移动平台的第二驱动机构和除尘系统，所述移动平台在第一吸粉停留区与第二吸粉停留区之间运动，所述移动平台内设有第一吸附通道和第二吸附通道，第一吸附通道与第二吸附通道呈前后平行设置，所述移动平台的底部设有若干一字排列且与第一吸附通道连通的第一吸附口，所述移动平台的底部设有若干一字排列且与第二吸附通道连通的第二吸附口，所述移动平台上设有将第一吸附通道与除尘系统连接的第一吸管和将第二吸附通道与除尘系统连接的第二吸管。
2.根据权利要求1所述的一种利用多金属材料3D打印叶轮模具的设备，其特征在于：所述落粉漏斗的运动方向与移动平台的运动方向垂直。
3.根据权利要求1所述的一种利用多金属材料3D打印叶轮模具的设备，其特征在于：所述第一落粉腔配设第一落粉开关，所述第一落粉开关包括设在第一落粉腔下端开口处的第一辊轴和驱动第一辊轴的第一电机，所述第一辊轴上设有第一穿孔；所述第二落粉腔配设第二落粉开关，所述第二落粉开关包括设在第二落粉腔下端开口处的第二辊轴和驱动第二辊轴的第二电机，所述第二辊轴上设有第二穿孔。
4.根据权利要求3所述的一种利用多金属材料3D打印叶轮模具的设备，其特征在于：所述第一落粉腔的内壁设有搭接到第一辊轴表面的第一刮板，所述第二落粉腔的内壁设有搭接到第二辊轴表面的第二刮板。
5.根据权利要求1所述的一种利用多金属材料3D打印叶轮模具的设备，其特征在于：所述外冷却部分内设有呈上下设置的第一外冷却水道和第二外冷却水道，所述外冷却部分的侧面从下至上依次设置第一外冷却水道进口、第一外冷却水道出口、第二外冷却水道进口和第二外冷却水道出口；所述内冷却部分内设有呈左右对称设置的第一内冷却水道和第二内冷却水道，所述第一内冷却水道和第二内冷却水道的进出口均设在内冷却部分的底部。
6.根据权利要求1所述的一种利用多金属材料3D打印叶轮模具的设备，其特征在于：所述模芯内设有叶片腔，所述叶片腔通过金属3D打印形成或线切割精加工形成。
7.一种如权利要求1所述的利用多金属材料3D打印叶轮模具的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）第一次铺粉：第一驱动机构驱动落粉漏斗从第一铺粉停留区向第二铺粉停留区移动，落粉漏斗移动过程中，将储存在第一落粉腔内的第一金属粉末铺设在打印平台上；
（2）激光打印头根据模芯的设计烧结第一金属粉末并进行第一层打印；
（3）模芯第一层打印完成后，第二驱动机构驱动移动平台从第一吸粉停留区向第二吸粉停留区移动，移动过程中，开启除尘系统，第一吸附通道内产生负压，第一吸附通道通过底部的第一吸附口将打印平台上多余的第一金属粉末吸附回收；
（4）打印平台上的第一金属粉末清理干净后，第一驱动机构驱动落粉漏斗从第二铺粉停留区向第一铺粉停留区移动，落粉漏斗移动过程中，将储存在第二落粉腔内的第二金属粉末铺设在打印平台上；
（5）激光打印头根据冷却系统的设计烧结第二金属粉末并进行第一层打印；
（6）冷却系统第一层打印完成后，第二驱动机构驱动移动平台从第二吸粉停留区向第一吸粉停留区移动，移动过程中，开启除尘系统，第二吸附通道内产生负压，第二吸附通道通过底部的第二吸附口将打印平台上多余的第二金属粉末吸附回收；
（7）循环步骤（1）~（6），直到将整个叶轮模具打印成型。
8.根据权利要求7所述的一种利用多金属材料3D打印叶轮模具的方法，其特征在于：第一金属粉末或第二金属粉末每打印一层，升降平台需要向下移动一个工位。
9.根据权利要求7所述的一种利用多金属材料3D打印叶轮模具的方法，其特征在于：每次清理第一金属粉末或第二金属粉末时，升降平台需要向上移动至最高位置。
10.根据权利要求7所述的一种利用多金属材料3D打印叶轮模具的方法，其特征在于：当需要更换金属打印的叶轮模具的模芯时，具有操作步骤如下：
（1）将金属打印的叶轮模具上的模芯通过线切割工艺完整切割下来；
（2）将传统的叶轮模具的模芯分离，将传统模芯和金属打印的冷却系统同时加热，并将模芯套入金属打印的冷却系统内；
（3）将结合的叶轮模具放到低温冷却炉内，模芯遇冷收缩，使得两个组件达到过盈配合。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311472872.3A CN117532017A (zh) | 2023-11-07 | 2023-11-07 | 一种利用多金属材料3d打印叶轮模具的设备及方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202311472872.3A CN117532017A (zh) | 2023-11-07 | 2023-11-07 | 一种利用多金属材料3d打印叶轮模具的设备及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN117532017A true CN117532017A (zh) | 2024-02-09 |
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ID=89783335
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| CN (1) | CN117532017A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN119566337A (zh) * | 2024-10-25 | 2025-03-07 | 广东工业大学 | 一种基于slm的层状复合金属的制造设备 |
| CN119910204A (zh) * | 2024-12-16 | 2025-05-02 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种用于增材制造的非接触双向铺粉方法以及装置 |
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2023
- 2023-11-07 CN CN202311472872.3A patent/CN117532017A/zh active Pending
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| CN119910204A (zh) * | 2024-12-16 | 2025-05-02 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种用于增材制造的非接触双向铺粉方法以及装置 |
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