CN117943561A - 一种三维打印抹平装置及具有其的三维打印设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维打印抹平装置及具有其的三维打印设备,属于增材制造技术领域。设置有用于在三维打印过程中与工件的尚未完全硬化的区域进行接触的接触部件，接触部件设置有供打印原料通过的通道；在三维打印过程中，打印原料从入口端进入通道、从出口端离开通道，通道的出口端的端面与工件的尚未完全硬化的区域接触；设置用于驱动所述的接触部件运动的驱动单元，所述的驱动单元包含有活动件和固定件；所述的接触部件与活动件连接，所述的固定件与三维打印机相连接；打印原料从活动件的中部空间和所述的接触部件的通道通过，往工件移动并在工件表面沉积，驱动单元驱动所述的接触部件相对工件往复运动以对工件进行往复式碰撞。

Description

一种三维打印抹平装置及具有其的三维打印设备

技术领域

本发明涉及一种用于在三维打印过程中对工件表面尚未完全硬化的区域进行抹平的装置，尤其是涉及一种具有该抹平装置的三维打印设备，属于增材制造技术领域。

背景技术

三维打印技术最早起源于美国。现在常见的主流三维打印技术，例如立体光固化成型法(Stereo Lithography Apparatus,SLA)、熔融沉积制造(Fused DepositionModeling，FDM)、选择性激光烧结(Selecting Laser Sintering，SLS)、三维粉末粘接(Three Dimensional Printing and Gluing，3DP)，于20世纪八九十年代在美国和欧洲实现商业化。在以金属为打印原料的金属三维打印技术中，常见的有选择性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)、激光近成形(Laser Engineered Net Shaping,LENS)、电子束熔化(Electron Beam Melting,EBM)、金属丝电弧熔化成型(Wire and ArcAdditive Manufacture,WAAM)，都需要在三维成型过程中将固态的金属原料熔化，并且同时需要对打印体的正在沉积熔融金属原料的区域加热熔化(打印体是由熔融原料在沉积后冷却形成，打印体也称为工件)，以使打印体与熔融原料之间以冶金融合方式结合在一起。FDM塑料三维打印是低成本技术，桌面型FDM打印机是最广泛应用的塑料三维打印机；FDM打印机的打印头在将塑料原料加热熔化之后，熔融的塑料经过硬质挤出头(例如用黄铜、不锈钢等材料制造的带有输出孔的原料输出头)输出到成型台上；熔融塑料从硬质挤出头前端的孔流出后，被硬质挤出头的前端面抹平；因此，桌面型FDM塑料三维打印机打印的零件的上平面一般是平整和光滑的。塑料的熔点一般较低(多数三维打印用塑料原料熔点低于200℃)，并且常用塑料的硬度远低于黄铜和不锈钢，也不存在熔融塑料明显地熔蚀黄铜和不锈钢的问题，所以FDM塑料三维打印机的打印头可以使用金属挤出头可靠地、长时间地工作，而不用担心挤出头被熔蚀、氧化及磨损等问题。关于FDM塑料三维打印技术，可参考申请号为201621370582.3和申请号为201621251883.4的中国专利申请。然而，金属三维打印所面对的环境与塑料三维打印存在极大差异，例如直接能量沉积技术(Directed EnergyDeposition，DED)是将固态金属原料加热熔化之后沉积在打印体的熔池上(现有的基于激光加热的同轴送丝和旁轴送丝三维打印技术、基于电弧加热的旁轴送丝三维打印技术、基于激光加热的同轴送粉和旁轴送粉三维打印技术、基于电子束加热的旁轴送丝三维打印技术等，都属于DED这一大类的技术)，面临温度远高于FDM打印工作温度的环境。如果仿照FDM塑料三维打印的打印头，通过挤出头将熔融金属挤出这种方式也用于金属三维打印，尤其是高熔点金属的三维打印，例如打印不锈钢，那么，即使使用常见的超高熔点的金属(例如钨)制作挤出头，在有惰性气体保护的前提下也会因为发生熔蚀而快速损坏(例如挤出头的输出孔的口径快速变大)；如果使用高温陶瓷材料制作挤出头，虽然高温陶瓷的熔点可能比熔融金属高(例如高纯氧化铝陶瓷、氧化镁陶瓷)，但是在高温环境下(例如1400℃以上)，陶瓷的机械强度低(例如极易碎裂、耐磨性下降)，极易损坏，也无法作为挤出头的材料。如果对挤出头进行冷却(例如水冷)以保护挤出头，那么，挤出头会降低通过其内部输出孔的熔融金属的温度，将导致挤出头的输出孔堵塞，进而打印失败。还有，熔融金属原料需要沉积在熔池上，才能实现冶金融合，如果使用挤出头将熔融金属原料涂布在打印体上，挤出头的前端的体积会阻碍加热打印体以产生熔池所需的加热能量的传播，例如电弧、电子束、激光束会被挤出头的前端遮挡。因此，到目前为止，虽然有大量的金属三维打印方面的专利申请和论文的技术方案仿照FDM塑料三维打印机的打印头的熔融原料挤出方式，例如申请公布号为CN104338933A(申请号201410513433.7)的中国专利申请，但是一直没有可商用化的这类技术出现，尤其是可打印不锈钢、钛等金属材料的技术。在打印头上设置微型熔炉，通过微型熔炉将固态金属原料熔化，然后经过喷嘴将熔融金属液滴喷射到打印平台或打印体上，但喷嘴不对已经沉积的熔融金属或尚未凝固的金属进行“抹平”，无需考虑“抹平”动作产生的机械作用对喷嘴的损害，这样可以使用石英、高温陶瓷材料制作喷嘴，喷射铝等较低熔点金属材料的熔融液滴，喷嘴可以较长时间地工作，例如出版公布号为US2015/0273577A1(申请号为14/228,681)的美国专利公开的技术方案。目前常见的金属三维打印技术中，只要是需要在三维打印过程中将金属熔化的，除了基于粉床方式的(例如SLM)，都面临熔融金属原料在沉积之后的表面形貌差的问题，尤其是DED这一大类的技术：金属液滴在沉积之后，表面会呈现凹凸不平的形貌，尤其是如果金属液滴在沉积过程中发生飞溅，凹凸不平的形貌会更显著；除了会出现局部的凹凸不平，还会出现呈条带状的沟槽结构。表面形貌缺陷在金属丝电弧熔化成型(Wire and Arc Additive Manufacture,WAAM)技术中尤其突出。表面形貌的缺陷会逐层传递和累积，甚至逐层放大，可能导致最终打印出来的零件无法使用，或者可能导致打印失败。现在也有将DED技术与机械加工整合的增减材技术，通过使用传统的机械切削方法在三维打印过程中逐层修整打印体的表面形貌，或者在打印结束后原位修整零件的表面形貌。如果能在熔融原料沉积后迅速修整其表面形貌，那么将极大提高DED技术的打印质量。

在现有金属三维打印技术中，金属材料尤其是合金材料在三维成型之后，材料性能往往达不到传统金属材料加工技术中的经过锻造的合金材料的性能，因此，出现多种辅助技术用于在三维成型过程中对金属材料进行调控以获得锻造或类似锻造的性能，例如申请号201010147632.2、名称“零件与模具的熔积成形复合制造方法及其辅助装置”的中国专利申请和申请号201610183468.8、名称“非接触控制增材制造金属零件凝固组织的方法及磁控金属3D打印装置”的中国专利申请，又如公布号WO2019002563A2、名称“SOLIDIFICATION REFINEMENT AND GENERAL PHASE TRANSFORMATION CONTROL THROUGHAPPLICATION OF IN SITU GAS JET IMPINGEMENT IN METAL ADDITIVE MANUFACTURING”的PCT国际专利申请。对三维打印零件的材料调控方式，除了上述的在三维成型过程中对金属材料进行调控，还有在三维打印结束后对零件进行调制的方式，例如：将打印出来的零件整体进行热等静压处理(Hot Isostatic Pressing)，以将未充分融合的材料颗粒(例如SLM技术在成型过程中产生的被裹挟但未充分熔化的金属粉末)与临近材料融合和消除零件内部的热裂纹、微孔洞、残余应力等缺陷。

发明内容

对于DED这一大类技术，如果能在熔融原料沉积后通过抹平的方式迅速修整其表面形貌，机械抹平熔融金属会对熔融金属产生挤压作用，破坏金属晶粒的生长，获得细小晶粒，提高密度，减小应力，那么将提高DED技术打印的零件的力学性能，获得锻造级别性能。

本发明的目的之一在于提供一种用于在三维打印过程中对工件表面尚未完全硬化的区域进行抹平的装置，可在三维打印的成型过程中对沉积打印原料后的尚未完全硬化的工件表面同步抹平。

本发明的目的之二在于提供一种可在三维打印成型过程中对工件表面尚未完全硬化的区域进行挤压锻造的抹平装置

本发明的目的之三在于提供一种具有上述抹平装置的三维打印设备。

为了实现上述的发明目的，根据本发明的其中一个方面，本发明采用的技术方案是：一种三维打印抹平装置，设置有用于在三维打印过程中与工件的尚未完全硬化的区域进行接触的接触部件；通过所述的接触部件与工件的尚未完全硬化的区域接触，对工件的尚未完全硬化区域进行形貌调控；所述的工件是指三维打印过程中打印原料沉积后形成的物体；

其特征在于：

所述的接触部件设置有供打印原料通过的通道，所述的通道有入口端和出口端；在三维打印过程中，打印原料从入口端进入通道、从出口端离开通道，通道的出口端的端面与工件的尚未完全硬化的区域接触；

设置用于驱动所述的接触部件运动的驱动单元，所述的驱动单元包含有活动件和固定件，活动件能相对固定件往复活动；所述的接触部件与活动件连接，所述的固定件与三维打印机相连接；活动件的中部空间贯通；在三维打印过程中，打印原料从活动件的中部空间和所述的接触部件的通道通过，往工件移动并在工件表面沉积，驱动单元驱动所述的接触部件相对工件往复运动以对工件进行往复式碰撞。

(解释：打印原料在完成沉积之后就转变为工件的一部分，已完成沉积但仍处于熔融或塑性状态的打印原料以及工件的被三维打印设备的加热能量加热重熔的区域、加热至塑性状态的区域、加热至可锻造温度的软化区域等都属于“工件的尚未完全硬化的区域”，在工件表面的已完成沉积的原料完全硬化前(例如仍处于熔融或塑性状态)，所述的接触部件可与已完成沉积的未完全硬化的打印原料进行接触和碰撞，或者可同时与已完成沉积的未完全硬化的打印原料及工件的其它区域进行接触和碰撞，通过机械力对沉积尚未完全硬化的打印原料的工件表面形貌进行修整，就属于抹平；这里所述的塑性状态，可参考金属焊接领域的固相焊接(例如摩擦焊)当中的高温塑性状态；这里所述的尚未完全硬化，可以理解为该材料或该区域的硬度尚低于其常温下的硬度。)

可选地：

所述的驱动单元为流体驱动单元，活动件和固定件二者之一为活塞，二者之另一为缸体，流体驱动单元内部的位于活塞与缸体之间的封闭空间内的流体推动活塞与缸体相对移动，通过交替地改变流体的流动方向以交替地改变活动件相对固定件的活动方向。

(解释：当活动件为活塞，固定件为缸体时，所述的接触部件与活塞连接，活塞带动接触部件运动，而缸体相对固定，缸体与三维打印机直接或间接连接；当活动件为缸体，固定件为活塞时，所述的接触部件与缸体连接，缸体带动接触部件运动，而活塞相对固定，活塞与三维打印机直接或间接连接。)

可选地：

所述的活动件具有周壁，所述的周壁围成所述的中部空间，所述的接触部件安装于所述的中部空间的下端，活动件的中部空间与所述的接触部件的通道相通。

可选地：

活动件为活塞，固定件为缸体，所述的活塞和缸体均为空心圆柱体，缸体套在活塞的外侧，活塞的外侧设有伸入所述的封闭空间中的受力部，流体包括互不连通的第一流体和第二流体，该受力部的顶面与第一流体相接触，该受力部的底面与第二流体相接触，第一流体和第二流体的流动方向相反；所述的活塞与缸体之间的封闭空间内的流体通过管路与阀门连接，所述的流体为气体或液体；

所述的接触部件为空心回旋体，所述的活塞、缸体和接触部件三者共轴。

可选地：

在所述的接触部件对工件进行往复式碰撞的同时，所述的接触部件与打印原料一起在打印原料沉积路径上相对工件移动。

可选地：

所述的接触部件和与其相连接的驱动单元的部件(即活动件)是整体制造的，或者所述的接触部件与其相连接的驱动单元的部件(即活动件)是分体制造后相连接的。

可选地：

在三维打印过程中，当打印原料为熔融态时，熔融态打印原料在通过所述的接触部件的通道并往工件表面沉积的过程中，熔融态打印原料不与所述的接触部件的通道内壁接触。

可选地：

所述的接触部件的通道的出口端的口径小于10mm。

可选地：

在三维打印过程中，当打印原料为固态时，打印原料采用金属丝、或金属棒、或金属粉末。

可选地：

在三维打印过程中，当打印原料为金属材料时，所述的接触部件的通道的出口端的端面与工件的尚未完全硬化的区域接触，其中与所述的端面接触的工件尚未完全硬化区域处于再结晶温度以上的状态。

可选地：

在三维打印过程中，当打印原料为金属材料时，所述的接触部件的通道的出口端的端面与工件的尚未完全硬化的区域接触，其中与所述的端面直接接触的工件尚未完全硬化区域处于再结晶温度以上、固相线以下的状态。(解释：工件的尚未完全硬化区域还有不与接触部件的通道的出口端的端面发生直接接触的区域，例如位于通道的出口端正下方的中心区域，通道的出口端正下方的中心区域的温度可能比其它区域更高。)(这种状态下的抹平就属于热锻；热锻是金属材料被加热到再结晶温度以上、固相线以下的状态时进行压力加工的锻造工艺；可以获得较高的综合效益，例如抹平阻力小、更容易获得细小晶粒、材料内部的微孔洞和热裂纹被挤压塌陷后可以有效地融合/闭合等。金属材料处于再结晶温度以上、固相线以下的状态时是属于软化态的，属于尚未完全硬化的状态。)

可选地：

设置弹性连接体，用于将所述的驱动单元与三维打印机连接，或者用于将所述的驱动单元与安装支架连接，安装支架再与三维打印机连接。(弹性连接体的可选种类繁多，例如：螺旋弹簧，弹簧片，磁力轴承，气体弹簧，橡胶连接件。)

可选地：

设置传感器，对所述的接触部件的位置状态进行监测。

可选地：

在所述的接触部件的通道的出口端周围设置气孔，气孔与所述的通道连通(增加的气孔可以在接触部件的通道出口下端面与工件接触时成为气流的排泄孔，例如三维打印机喷射的保护气体的排泄通路)。

可选地：

设置轴承，轴承与所述的驱动单元可活动地连接。

可选地：

设置冷却结构，对所述的接触部件和/或所述的驱动单元进行散热；

设置限位结构，用于限制所述的活动件和/或所述的接触部件的可移动范围(例如：设置聚氨酯/PU缓冲垫，对活动件进行限位，从而限制所述接触部件的移动范围)。

可选地：

所述的流体驱动单元的活塞与缸体之间的封闭空间内的流体通过管路与阀门连接，所述的流体为气体或液体。

可选地：

设置用于产生不垂直于工件表面的当前成型面的气流的通道，该气流的通道设置于所述的活动件和/或所述的接触部件,气流至少流过所述的接触部件的通道的入口端或出口端处；所述的气流通过喷射和/或吸引的方式产生；所述的工件表面的当前成型面，是三维打印按层成型过程中的当前成型层的当前成型区所基于的面。(例如产生横向气流，用于吹走或吸走三维打印过程中可能产生的打印原料碎屑；与横向相对的概念是纵向，这里，纵向指垂直于工件表面的当前成型面的方向。)

可选地：

所述的接触部件的通道的出口端的端面，其边缘倒角；

和/或，所述的接触部件的通道的出口端的端面设置有凸台结构，在三维打印过程中通过所述凸台结构对工件碰撞。

可选地：

所述的凸台结构在周向上不完全占据整个接触部件的通道的出口端的端面，所述的凸台结构围绕所述的接触部件的中心旋转。

根据本发明的其中另一个方面，本发明采用的技术方案是：

一种三维打印设备，包括打印头，所述打印头设置有加热单元的加热能量输出通路和原料输送通道，其中：在三维打印过程中打印原料经原料输送通道往工件表面移动，打印原料通过原料输送通道的出口后才抵达工件表面；经加热能量输出通路输出的加热能量作用在工件表面的沉积打印原料的区域以加热工件表面，或者在加热工件表面的同时也加热打印原料；所述的工件是指三维打印过程中打印原料沉积后形成的物体；

其特征在于：所述三维打印设备还包括上述任一项所述的三维打印抹平装置；

所述的三维打印抹平装置的接触部件位于所述的打印头的原料输送通道出口外；在三维打印过程中，打印原料从所述的打印头的原料输送通道输出后，在抵达工件前，经过所述的三维打印抹平装置的接触部件的通道。

可选地：

在三维打印过程中，所述的打印头的原料输送通道不穿过或者不完全穿过所述的三维打印抹平装置的接触部件的通道。

可选地：

所述的加热单元，其加热形式为激光加热、电子束加热、电弧加热、等离子束加热、电阻加热、电磁感应加热当中的一种或至少两种的组合。

可选地：

所述的加热单元采用激光加热和电阻加热，激光加热用于在工件上产生熔池，电阻加热用于熔化打印原料或者电阻加热与激光加热共同用于加热熔化打印原料；

所述的加热能量输出通路包括用于输出激光的光学组件和用于产生电阻加热作用的电路(例如：例如电极、导电嘴)。

可选地：

所述的激光加热采用至少三束激光，在三维打印过程中，激光束从所述的原料输送通道周围空间投射并通过所述的三维打印抹平装置的接触部件的通道后抵达所述的工件表面；在投射激光时，所述的原料输送通道的出口和打印原料居于激光束之间的无激光区；

或者，所述的激光加热采用空心激光束，在三维打印过程中，空心激光束从所述的原料输送通道周围空间投射并通过所述的三维打印抹平装置的接触部件的通道后抵达所述的工件表面；在投射激光时，所述的原料输送通道的出口和打印原料居于空心激光束的无激光的中心区；

或者，所述的激光加热采用扫描激光束，在三维打印过程中，激光束从所述的原料输送通道周围空间投射并通过所述的三维打印抹平装置的接触部件的通道后抵达所述的工件表面，在工件表面的沉积打印原料的区域进行扫描式加热；在激光束进行扫描式加热的同时，激光束在工件表面的扫描加热区跟随所述的打印头一起作相对于所述的工件的移动；

所述的作相对于所述的工件的移动，是以工件为移动的参照物。

可选地：

所述的电阻加热，通过将所述的原料输送通道、工件都与电阻加热电源连接，所述的原料输送通道作为加热能量输出通路；打印原料在熔化前为金属丝，金属丝经过原料输送通道和所述的三维打印抹平装置的接触部件的通道并抵达工件表面；电阻加热电源输出的电流经原料输送通道和工件引入金属丝，将金属丝与工件(即打印体)接触的部位加热熔化。(例如：激光参与加热金属丝，但电阻加热占主导)。

可选地：

所述的加热单元在所述的三维打印抹平装置的接触部件接触到所述的已完成沉积的打印原料之前，对所述的已完成沉积的打印原料进行加热。(解释：可以确保所述的已完成沉积的打印原料与所述的接触部件接触之前仍未完全硬化。)

可选地：

所述的加热单元，其加热形式为电弧加热，打印原料在熔化前为金属丝，电弧在金属丝的前端与工件之间发生，电弧将金属丝熔化和加热工件表面产生熔池；加热能量来源于电弧加热电源，原料输送通道与电弧加热电源连接，工件通过底板/支撑板与电弧加热电源连接；原料输送通道是加热能量输出通路的组成部分(解释：原料输送通道可导电，电流经原料输送通道引入金属丝；底板或支撑板是三维打印在打印第一层时所基于的金属板)。

本发明的主要有益效果如下：

(1)本发明通过设置用于驱动所述的接触部件运动的驱动单元，驱动单元包含有活动件和固定件，活动件能相对固定件往复活动；所述的接触部件与活动件连接，所述的固定件与三维打印机相连接；活动件的中部空间贯通；在三维打印过程中，打印原料从活动件的中部空间和所述的接触部件的通道通过，往工件移动并在工件表面沉积，与此同时，驱动单元驱动所述的接触部件相对工件往复运动以对工件进行往复式碰撞，达到在三维打印成型过程中对沉积后的尚未硬化的工件表面进行同步抹平和挤压锻造的目的，并且在三维打印过程中不会发生卡阻。

(2)本发明采用流体驱动方式，将流体驱动所需的动力源分离，使得安装在三维打印机上的抹平装置体积小、结构简单，并且动力强、振动频率高。

(3)本发明通过在接触部件设置供打印原料通过的通道，在三维打印过程中，打印原料在离开打印头的原料输送通道后穿过抹平装置的接触部件的通道并抵达工件表面，通道的出口端的端面与工件的尚未完全硬化的区域接触，从而使得接触部件围绕着工件上刚完成沉积打印原料的且尚未完全硬化的区域。这样，只要刚完成沉积的打印原料的表面高度(该高度是相对于工件表面上的当前成型平面而言的)高于接触部件的通道的出口端端面(以刚完成沉积的打印原料的表面为参照)，无论打印往哪个方向进行，都会被接触部件接触到，也就是说本发明对刚完成沉积的且尚未完全硬化的打印原料的“抹平”作用不具有方向性，不需要额外的装置来调整本发明的用于抹平的结构的所处方位，抹平装置结构简单，三维打印的路径规划算法简单，熔融打印原料从完成沉积到被抹平的时间间隔短(抹平响应速率高)，可以确保在熔融打印原料完成沉积后尚未硬化就可以被抹平，可用于高速三维打印。如果用于抹平的结构具有方向性(也即抹平的结构没有围绕着刚完成沉积打印原料的且尚未完全硬化的区域)，因为在三维打印过程中熔融打印原料的沉积路径的方向是随时发生转变的(例如发生120°转折)，就需要抹平结构瞬间转移到以工件表面正在沉积熔融原料的区域为中心的对侧位置(例如以当前位置为0°偏转120°到对侧)，而机械结构受到质量、空间、动力等方面的制约是无法实现瞬间转移的(存在时间延迟)，当抹平结构转移到目标位置时，刚完成沉积的熔融打印原料可能已经完全硬化而无法被“抹平”，并且在抹平结构转移到目标位置前，熔融打印原料的沉积过程可能需要暂停，直到抹平结构转移到目标位置。可见，本发明通过直接在接触部件设置供打印原料通过的通道，从而使得接触部件围绕着打印原料，进而使得“抹平”作用不具有方向性，设计构思十分巧妙，且结构简单。

(4)本发明在三维打印过程中对刚完成沉积的且尚未完全硬化的打印原料实时原位抹平，使每个成型层的表面始终处于平整状态，可以确保所有熔融打印原料沉积时所基于的沉积面(成型面)是一致的、可控的，使三维打印过程的可控性极高，可重复性高，从而最终打印成型的零件的形状、精度、表面形貌等方面都变得高度可控(每层打印层的高度和平整度获得高一致性，不需要复杂的监控系统来监控表面形貌)。

(5)本发明在三维打印过程中的对刚完成沉积的且尚未完全硬化的打印原料进行抹平，抹平动作具有挤压作用；刚完成沉积的且尚未完全硬化的打印原料内部的晶粒被机械力破碎，内部的孔隙和热裂纹被挤压坍塌，材料变得更致密，这些有益作用使最终打印成型的金属零件获得锻造级的性能。对软化态或熔融态的局部小区域进行抹平，所需的驱动压力小，不需大型动力系统(例如千斤顶)，所需的实现结构简单并且能够直接集成在打印头上。本发明使金属三维打印过程可以同步原位集成机械锻造功能。

(6)本发明在三维打印过程中接触部件接触到工件表面的尚未完全硬化的区域(包括刚完成沉积的且尚未完全硬化的打印原料)，接触部件在抹平的过程中充分接触刚完成沉积的且尚未完全硬化的打印原料，接触部件对其所充分接触的区域迅速降温，减少工件的热输入和局部热蓄积，抑制工件的形变(例如翘曲)，提高打印零件的成品率和最终成型精度；并且，因为刚完成沉积的且尚未完全硬化的打印原料被与其充分接触的接触部件快速冷却，这对打印散热条件差的结构(例如位置较高的薄壁结构)具有显著的益处，例如：避免刚完成沉积的且尚未完全硬化的打印原料流淌而产生结构缺陷，可以实现高速打印而不需降低熔融原料沉积速率以给散热留时间。

(7)当打印原料为熔融态时，熔融态打印原料在通过所述的接触部件的通道并往工件表面沉积的过程中，熔融态打印原料不与所述的接触部件的通道内壁接触，也即，熔融打印原料在沉积之后才接触到本发明的抹平装置的接触部件，抹平装置不会对熔融打印原料的沉积过程产生影响，不会发生熔融打印原料堵塞的情况；接触部件始终处于不被熔融打印原料熔蚀的较低温状态，可确保接触部件在长时间的三维打印过程中不损坏。

(8)活动件和固定件二者之一为活塞，二者之另一为缸体，使得流体驱动单元结构简单、功能可靠。

(9)活塞、缸体和接触部件三者共轴，可进一步使得结构简单、体积小。

综上所述，本发明的有益效果众多，例如：本发明的技术方案解决了直接能量沉积(Directed Energy Deposition，DED)金属三维打印过程中工件表面无法实时抹平的难题；对刚完成沉积的且尚未完全硬化的打印原料的“抹平”作用不具有方向性，不需要额外的装置来调整本发明的用于抹平的结构的所处方位，三维打印的路径规划算法简单，控制机构的结构简单，可支持高速三维打印；使直接能量沉积三维打印过程的可控性高，可重复高，从而最终打印成型的零件的形状、精度、表面形貌等方面都变得高可控；使金属三维打印过程可以同步集成原位机械锻造功能；可对刚完成沉积的熔融打印原料的区域迅速降温，减少工件的热输入和局部热蓄积，提高薄壁结构、镂空结构等散热差的结构的打印速率，抑制工件的形变(例如翘曲)，提高打印零件的成品率和最终成型精度；抹平装置体积小、结构简单、功能可靠。本发明具有实质性进步。

附图说明

图1是三维透视图，用于说明本发明一种三维打印抹平装置的第一个具体实施例；

图2是图1的三维剖视图；

图3是三维示意图，用于说明安装了图1所示的三维打印抹平装置具体实施例的三维打印设备的关键组成；

图4是图3的三维剖视图；

图5是二维示意图，用于说明图3所示的安装了图1所示的三维打印抹平装置具体实施例的三维打印设备的核心工作原理；

图6和图7是二维示意图，用于说明图1和图3中的三维打印抹平装置具体实施例的流体驱动单元的工作原理；

图8是三维示意图，用于说明本发明一种三维打印抹平装置的第二个具体实施例及安装了该具体实施例的三维打印设备的关键组成；

图9是图8的三维剖视图；

图10和图11是图8所示的三维打印抹平装置具体实施例的接触部件，其中：图11是图10的三维剖视图；

其中的标号：

101-接触部件一，101A-通道出口，101B-通道入口，102-活塞，103-缸体，103A-流体接口一，103B-流体接口二，103C-环形腔一，103D-环形腔二104-弹性连接环，105-支架，106-原料输送通道107-激光束阵列，108-工件，109-线状固态原料，110-当前成型层，111-泵，112-三通阀一，113-三通阀二；115-环形空心激光束，116-接触部件二，116A-气孔阵列。

具体实施方式

下面列举本发明的较佳具体实施例并结合附图对本发明进行详细描述。

在本发明的所有具体实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。

如图1至图7所示的本发明一种三维打印抹平装置的第一个具体实施例和安装了该具体实施例的三维打印设备，图1至图7只展示关键结构(省略了设备的外壳、框架、各组件之间的连接支架等非特征性结构)：

一种三维打印抹平装置，设置有用于在三维打印过程中与工件的尚未完全硬化的区域进行接触的接触部件；通过所述的接触部件与工件的尚未完全硬化的区域接触，对工件的尚未完全硬化区域进行形貌调控；所述的工件是指三维打印过程中打印原料沉积后形成的物体；

所述的接触部件(即接触部件一101)设置有供打印原料通过的通道，所述的通道有入口端(即通道入口101B)和出口端(即通道出口101A)；在三维打印过程中，打印原料从入口端进入通道、从出口端离开通道，通道的出口端的端面与工件的尚未完全硬化的区域接触；通道出口101A的孔径4mm；

设置用于驱动所述的接触部件运动的驱动单元，驱动单元包含有活动件(即活塞102)和固定件(即缸体103)，活动件能相对固定件往复活动；所述的接触部件与活动件(活塞102)连接，所述的固定件与三维打印机相连接；活动件的中部空间贯通(如图2、图4和图5所示，顺着打印原料往工件递进的方向上下贯通，图5中的箭头D1表示打印原料往工件递进的方向)，在三维打印过程中，打印原料从活动件的中部空间和所述的接触部件的通道通过，往工件(即工件108)移动并在工件表面沉积；驱动单元驱动所述的接触部件相对工件往复运动(如图5中的双向箭头D3所示上下移动)以对工件进行往复式碰撞(上下振动、间歇式碰撞)。在所述的接触部件对工件进行往复式碰撞的同时，所述的接触部件与打印原料(即线状固态原料109)一起在打印原料沉积路径上相对工件移动(如图5中的箭头D2所示的方向)。

驱动单元的活动件可以是受流体压力驱动或磁力驱动或电致形变驱动(电致形变材料的形变产生的驱动属于电致形变驱动，压电陶瓷就属于电致形变材料)等不同的驱动方式驱动，只要该驱动方式能够驱动活动件相对固定件往复活动即可。本实施例优选采用流体驱动方式，即驱动单元为流体驱动单元。

具体的，活动件为活塞102，固定件为缸体103，流体驱动单元内部的位于活塞102与缸体103之间的封闭空间(即环形腔一103C和环形腔二103D)内的流体推动活塞102与缸体103相对移动，通过交替地改变流体的流动方向以交替地改变活塞102相对缸体103的活动方向。当然，其他实施例中，也可以替换为活动件为缸体，固定件为活塞，效果是一样的。

所述的接触部件(即接触部件一101)以可拆卸的方式和与其相连接的驱动单元的部件(即活塞102)进行连接。接触部件一101采用含钨量90％(即W90)的钨铜合金制造。

在三维打印过程中，当打印原料为熔融态时，熔融态打印原料在通过所述的接触部件(即接触部件一101)的通道并往工件(即工件108)表面沉积的过程中，熔融态打印原料不与所述的接触部件的通道内壁接触。设置弹性连接体(即弹性连接环104)，将所述的驱动单元与安装支架(即支架105)连接，安装支架(即支架105)再与三维打印机连接。弹性连接体(即弹性连接环104)采用由锰钢弹簧片阵列组成的弹簧圈。弹性连接体起到减震、缓冲的作用，能够降低驱动单元和接触部件的振动对打印头(打印设备)的影响。

如图3至图5所示的安装了图1所示的三维打印抹平装置具体实施例的三维打印设备的关键组成。三维打印设备设置有加热单元和打印头，加热采用激光加热方式。所述打印头设置有加热单元的加热能量输出通路(即激光聚焦镜和保护镜)和原料输送通道(即原料输送通道106)，其中：在三维打印过程中打印原料经原料输送通道往工件(即工件108)表面移动，打印原料通过原料输送通道的出口后才抵达工件表面；经加热能量输出通路输出的加热能量(即激光束阵列107)作用在工件表面的沉积打印原料的区域以加热工件表面(例如工件表面重新熔化产生熔池)，在加热工件表面的同时也加热打印原料；工件(即工件108)是三维打印过程中打印原料沉积后形成的物体；图4和图5所示的三维打印抹平装置具体实施例的接触部件(即接触部件一101)位于所述的打印头的原料输送通道(即原料输送通道106)出口外；在三维打印过程中，打印原料(即线状固态原料109，采用线径1mm的TC4(TiAl6V4)钛合金丝)从所述的打印头的原料输送通道输出后(以图5中的箭头D1所示的方向)，在抵达工件前，经过所述的三维打印抹平装置的接触部件的通道(从通道入口101B进入、从通道出口101A离开)。在三维打印过程中，原料输送通道106不完全穿过接触部件一101的通道，原料输送通道106的前端进入接触部件一101的通道的通道入口101B、但不抵达通道出口101A，接触部件一101的通道不被原料输送通道106完全贯穿。在三维打印过程中，激光束(即激光束阵列107)在接触部件的通道出口101A处将打印原料(即线状固态原料109)的前端熔化，熔融态打印原料在通过所述的接触部件(即接触部件一101)的通道并往工件(即工件108)表面沉积的过程中，熔融态打印原料不与接触部件的通道内壁接触(避免接触部件一101对熔融打印原料的状态造成不利影响和避免接触部件一101被熔融金属熔蚀)。激光束阵列107由4束波长1064nm的红外激光束组成，激光束阵列107以线状固态原料109为中心等间距对称分布。在三维打印过程中，激光束阵列107从所述的原料输送通道周围空间投射并通过所述的三维打印抹平装置的接触部件的通道后抵达所述的工件表面；在投射激光时，所述的原料输送通道的出口和打印原料居于激光束之间的无激光区。熔融态的打印原料在工件上刚完成沉积，就被接触部件一101抹平，然后形成当前成型层110。由于金属材料的导热率高，熔融态或软化态的金属在停止加热后迅速硬化，接触部件一101的通道出口101A的孔径越小、越容易接触到打印原料在工件表面沉积后的熔融态或软化态区域(在打印速率和加热功率不变的前提下)；本具体实施例的接触部件一101的通道出口101A的孔径4mm，能在打印头移动速率30mm/s、激光加热功率大于1000W时对工件表面尚未完全硬化区域进行有效抹平和锻造。如果通道出口101A的孔径过大，可能导致接触部件一101无法接触到工件的尚未完全硬化区，或者错过对工件进行抹平和锻造的最佳时机。

如图5至图7所示，流体驱动单元内部的位于活塞(即活塞102)与缸体(即缸体103)之间的封闭空间(即环形腔一103C和环形腔二103D)通过流体接口一103A和流体接口二103B与外界的管路、阀门(三通阀一112和三通阀二113)、泵(即泵111)连接，工作流体采用液压油；液压油在进入流体驱动单元内部之前，流经散热器(附图中未示出)，液压油同时充当冷却液角色，将流体驱动单元和接触部件一101的热量带走。

流体驱动单元的活塞102上下往复运动(双向箭头D3所示)，缸体103则相对固定(相对于支架105和活塞102而言)。活塞102上下往复运动的原理如图5、图6和图7所示：三通阀一112将环形腔一103C与泵111连通，三通阀二113将环形腔二103D与储油罐(在附图中未示出)连通，液压油(即下文所述的第一流体)以箭头d6所示方向进入环形腔一103C，环形腔二103D内的液压油(即下文所述的第二流体)以箭头d7所示方向流出，活塞102带动接触部件一101以箭头D4所示方向移动；三通阀一112将环形腔一103C与储油罐(在附图中未示出)连通，三通阀二113将环形腔二103D与泵111连通，液压油(即下文所述的第二流体)以箭头d8所示方向进入环形腔二103D，环形腔一103C内的液压油(即下文所述的第一流体)以箭头d9所示方向流出，活塞102带动接触部件一101以箭头D5所示方向移动。通过切换第一流体和第二流体的流动方向实现对活塞102的驱动力的切换。

所述的活塞102具有周壁，所述的周壁围成所述的中部空间，所述的接触部件安装于所述的中部空间的下端，活塞102的中部空间与所述的接触部件的通道相通。所述的活塞102和缸体103均为空心圆柱体，缸体103套在活塞102的外侧，活塞102的外侧设有伸入所述的封闭空间中的受力部，流体包括互不连通的第一流体(环形腔一103C内的流体)和第二流体(环形腔二103D内的流体)，该受力部的顶面与第一流体相接触，该受力部分的底面与第二流体相接触；所述的流体可以为气体或液体。

优选的，所述的接触部件为空心回旋体，所述的活塞102、缸体103和接触部件三者共轴。这样，驱动单元和接触部件都是总体上呈环状对称结构，体积小，结构简单。驱动单元和接触部件体积小，可以直接安装在三维打印设备的打印头下方与工件之间的空间，实现与打印头高度集成。

如图8至图11所示的本发明一种三维打印抹平装置的第二个具体实施例和安装了该具体实施例的三维打印设备，图8至图11只展示关键结构(省略了打印头的外壳、各组件之间的连接支架等非特征性结构)。三维打印抹平装置的第二个具体实施例与图1至图7所示的三维打印抹平装置的第一个具体实施例的区别是：接触部件二116是在接触部件一101的通道周围设置气孔阵列116A，气孔阵列116A与所述的通道连通，使得在接触部件的通道的出口端下端面与工件接触时成为气流的排泄孔，例如三维打印机喷射的保护气体的排泄通路；流体驱动单元内的工作流体采用压缩空气，压缩空气在进入流体驱动单元内之前，先经过主动制冷式热交换器(空调就属于一类主动制冷式热交换器)，压缩空气也同时作为冷媒对流体驱动单元和接触部件散热。如图8至图9所示的三维打印设备采用激光作为加热能量，使用环形空心激光束115；在三维打印过程中，环形空心激光束115从所述的原料输送通道周围空间投射并通过所述的三维打印抹平装置的接触部件的通道后抵达所述的工件表面；在投射激光时，所述的原料输送通道的出口和打印原料居于环形空心激光束的无激光的中心区。三维打印抹平装置的接触部件接触到已完成沉积的打印原料之前，环形空心激光束115对所述的已完成沉积的打印原料进行加热。如何将实心的激光束转变为中空的环形激光束，可以参考申请公布号CN108544092A(申请号201810376757.9)和申请公布号CN101386111A(申请号200710046020.2)的中国专利申请。

采用流体驱动方式，将流体驱动所需的动力源分离，使得安装在三维打印机上的抹平装置体积小、结构简单，并且动力强、振动频率高(例如高于100Hz)。采用往复式撞击(间歇式撞击)，可以有效地避免接触部件的通道被打印原料堵塞。在刚完成沉积的熔融打印原料仍处于高温的可塑性变形状态下，接触部件对其进行往复式撞击，以消除工件(打印体)尚未完全硬化区域内的孔隙、热裂纹，降低应力，以实现极佳的锻造效果。熔融金属在凝固过程中，其内部晶粒生长，如果生长过程不受破坏，晶粒就会长成粗大的晶粒(晶枝)，力学性能差。如果在熔融金属在凝固过程中(包括软化态/塑性状态阶段)，对其施加机械压力(例如碾压、捶打)，就能打断晶粒的生长过程，获得破碎的较小的晶粒，与此同时，机械压力也会将其内部的孔隙(例如由混入其中的气泡或金属气化产生)、热裂纹挤压坍塌，材料变得更致密，降低应力。这就是“锻造”的主要原理。熔池是通过加热能量重熔工件表面获得，接触部件一101和接触部件二116在抹平刚完成沉积的尚未硬化的打印原料的过程中施加的挤压力被传导给工件的重熔区或塑性状态区或处于可锻造温度区间内的软化区，因此，工件的重熔区或塑性状态区或处于可锻造温度区间内的软化区在接触部件一101和接触部件二116的抹平作用中被再次锻造。需要通过优化工件的重熔区或塑性状态区或处于可锻造温度区间内的软化区的面积、深度等参数来进一步提升三维打印零件的最终锻造效果。这里所述的塑性状态，可参考金属焊接领域的固相焊接(例如摩擦焊)当中的高温塑性状态，温度低于熔点(例如碳钢的摩擦焊高温塑性状态的温度稍低于碳钢熔点)。这里所述的尚未完全硬化是宽区间的，只要在三维打印过程中材料硬度低于其常温(室温)时的硬度就属于尚未完全硬化(工件的刚沉积了打印原料的区域及周边区域的温度一般而言是高于常温的)；本发明的接触部件(例如接触部件一101)对工件尚未完全硬化区域进行抹平(即，接触部件在与三维打印设备的打印头一起相对工件移动的同时对工件进行往复式碰撞)，优选地，应该确保在工件的尚未完全硬化区域(包括工件上的刚完成沉积的打印原料)还处于再结晶温度以上的状态时与接触部件的通道的出口端的端面接触(进行抹平)；更进一步地，应该确保与接触部件的通道的出口端的端面进行接触的工件尚未完全硬化区域的直接接触区处于再结晶温度以上、固相线以下的状态(工件的尚未完全硬化区域还有不与接触部件的通道的出口端的端面发生直接接触的区域，例如位于通道的出口端正下方的中心区域，通道的出口端正下方的中心区域的温度可能比其它区域更高)，这样的抹平就属于热锻，可以获得较高的综合效益(例如抹平阻力小、更容易获得细小晶粒、材料内部的微孔洞和热裂纹被挤压塌陷后可以有效地融合/闭合等)；再结晶温度因材料类型和具体牌号的不同而可能不同，因此，在实际三维打印金属材料时，打印不同材料所需的参数可能不同(例如接触部件跟随打印头一起移动的速率、三维打印设备的加热能量的功率和加热作用范围等)。热锻是金属材料被加热到再结晶温度以上、固相线以下的状态时进行压力加工的锻造工艺。金属材料处于再结晶温度以上、固相线以下的状态时是属于软化态的，属于尚未完全硬化的状态。

当打印原料为熔融态时，熔融打印原料在沉积之后才接触到接触部件(接触部件一101和接触部件二116)，接触部件的低温无法对熔融打印原料的沉积过程造成影响；接触部件始终处于不被熔融打印原料熔蚀的较低温状态，可确保在长时间的三维打印过程中不因为接触到未凝固的金属而损坏。

本发明还有其它优选方案。例如：设置传感器，对所述的接触部件的位置状态进行监测。

又如：设置轴承，轴承与所述的驱动单元可活动地连接，增加对驱动单元的活动件的约束。

又如：在驱动单元外壳设置风冷结构，增强对所述的接触部件和/或所述的驱动单元进行散热。

又如：设置限位结构，用于限制所述的活动件和/或所述的接触部件的可移动范围。

又如：设置用于产生不垂直于工件表面的当前成型面的气流的通道，该气流的通道设置于所述的活动件和/或所述的接触部件,气流至少流过所述的接触部件的通道的入口端或出口端处；所述的气流通过喷射和/或吸引的方式产生(所述的工件表面的当前成型面，是三维打印按层成型过程中的当前成型层的当前成型区所基于的面)；例如产生横向气流，用于吹走三维打印过程中可能产生的碎屑。横向气流不会直接冲击正在沉积的熔融打印原料和熔池等可流动的区域。(说明：与横向相对的概念是纵向，纵向这里是垂直于工件表面的当前成型面。)

又如：所述的接触部件的通道的出口端的端面，其边缘倒角；所述的接触部件的通道的出口端的端面设置有凸台结构，在三维打印过程中通过所述凸台结构对工件碰撞；所述的凸台结构在周向上不完全占据整个接触部件的通道的出口端的端面，所述的凸台结构围绕所述的接触部件的中心旋转。这样可以减小碰撞面积。

又如：三维打印设备的加热能量采用激光，激光采用扫描激光束，在三维打印过程中，激光束从所述的原料输送通道周围空间投射并通过所述的三维打印抹平装置的接触部件的通道后抵达所述的工件表面，在工件表面的沉积打印原料的区域进行扫描式加热；在激光束进行扫描式加热的同时，激光束在工件表面的扫描加热区跟随所述的打印头一起作相对于所述的工件的移动；所述的作相对于所述的工件的移动，是以工件为移动的参照物。

又如：三维打印设备的加热单元，其加热形式为激光加热、电子束加热、电弧加热、等离子束加热、电阻加热、电磁感应加热当中的一种或至少两种的组合。

又如：三维打印设备的加热单元采用激光加热和电阻加热，激光加热用于在工件上产生熔池，电阻加热用于熔化打印原料或者电阻加热与激光加热共同用于加热熔化打印原料；所述的加热能量输出通路包括用于输出激光的光学组件和用于产生电阻加热作用的电路。

又如：三维打印设备的加热单元，其加热形式为电弧加热，打印原料在熔化前为金属丝，电弧在金属丝的前端与工件之间发生，电弧将金属丝熔化和加热工件表面产生熔池；加热能量来源于电弧加热电源，原料输送通道与电弧加热电源连接，工件通过底板/支撑板与电弧加热电源连接；原料输送通道是加热能量输出通路的组成部分(解释：原料输送通道可导电，电流经原料输送通道引入金属丝)。

又如：三维打印设备的加热单元仅采用激光，打印原料在熔化前为金属粉末。

又如：所述的接触部件的用于与已完成沉积的尚未完全硬化的打印原料及工件表面进行接触的端面在三维打印过程中与工件表面的当前成型面之间的距离可调节。

又如：打印原料采用熔融态，此时，优选的，熔融态打印原料在通过所述的接触部件的通道并往工件表面沉积的过程中，熔融态打印原料不与所述的接触部件的通道内壁接触。

以上所述，仅作为本发明的较佳具体实施例，不能以此限定本发明的实施范围，即依据本发明权利要求书及说明书内容所做的等效变换与修饰，皆仍属于本发明涵盖的范围。

Claims (21)

1.一种三维打印抹平装置，设置有用于在三维打印过程中与工件的尚未完全硬化的区域进行接触的接触部件；通过所述的接触部件与工件的尚未完全硬化的区域接触，对工件的尚未完全硬化区域进行形貌调控；所述的工件是指三维打印过程中打印原料沉积后形成的物体；

其特征在于：

所述的接触部件设置有供打印原料通过的通道，所述的通道有入口端和出口端；在三维打印过程中，打印原料从入口端进入通道、从出口端离开通道，通道的出口端的端面与工件的尚未完全硬化的区域接触；

设置用于驱动所述的接触部件运动的驱动单元，所述的驱动单元包含有活动件和固定件，活动件能相对固定件往复活动；所述的接触部件与活动件连接，所述的固定件与三维打印机相连接；活动件的中部空间贯通；在三维打印过程中，打印原料从活动件的中部空间和所述的接触部件的通道通过，往工件移动并在工件表面沉积，驱动单元驱动所述的接触部件相对工件往复运动以对工件进行往复式碰撞。

2.根据权利要求1所述的三维打印抹平装置，其特征在于：

所述的驱动单元为流体驱动单元，活动件和固定件二者之一为活塞，二者之另一为缸体，流体驱动单元内部的位于活塞与缸体之间的封闭空间内的流体推动活塞与缸体相对移动，通过交替地改变流体的流动方向以交替地改变活动件相对固定件的活动方向。

3.根据权利要求2所述的三维打印抹平装置，其特征在于：

所述的活动件具有周壁，所述的周壁围成所述的中部空间，所述的接触部件安装于所述的中部空间的下端，活动件的中部空间与所述的接触部件的通道相通。

4.根据权利要求3所述的三维打印抹平装置，其特征在于：活动件为活塞，固定件为缸体，所述的活塞和缸体均为空心圆柱体，缸体套在活塞的外侧，活塞的外侧设有伸入所述的封闭空间中的受力部，流体包括互不连通的第一流体和第二流体，该受力部的顶面与第一流体相接触，该受力部的底面与第二流体相接触，第一流体和第二流体的流动方向相反；所述的活塞与缸体之间的封闭空间内的流体通过管路与阀门连接，所述的流体为气体或液体；

所述的接触部件为空心回旋体，所述的活塞、缸体和接触部件三者共轴。

5.根据权利要求1所述的三维打印抹平装置，其特征在于：

在所述的接触部件对工件进行往复式碰撞的同时，所述的接触部件与打印原料一起在打印原料沉积路径上相对工件移动。

6.根据权利要求1所述的三维打印抹平装置，其特征在于：

所述的接触部件和与其相连接的驱动单元的部件是整体制造的，或者所述的接触部件与其相连接的驱动单元的部件是分体制造后相连接的。

7.根据权利要求1所述的三维打印抹平装置，其特征在于：

在三维打印过程中，当打印原料为熔融态时，熔融态打印原料在通过所述的接触部件的通道并往工件表面沉积的过程中，熔融态打印原料不与所述的接触部件的通道内壁接触；

在三维打印过程中，当打印原料为金属材料时，所述的接触部件的通道的出口端的端面与工件的尚未完全硬化的区域接触，其中与所述的端面接触的工件尚未完全硬化区域处于再结晶温度以上的状态。

8.根据权利要求1所述的三维打印抹平装置，其特征在于：

设置弹性连接体，用于将所述的驱动单元与三维打印机连接，或者用于将所述的驱动单元与安装支架连接，安装支架再与三维打印机连接。

9.根据权利要求1所述的三维打印抹平装置，其特征在于：

设置传感器，对所述的接触部件的位置状态进行监测。

10.根据权利要求1所述的三维打印抹平装置，其特征在于：

在所述的接触部件的通道的出口端周围设置气孔，气孔与所述的通道连通。

11.根据权利要求1所述的三维打印抹平装置，其特征在于：

设置轴承，轴承与所述的驱动单元可活动地连接。

12.根据权利要求1所述的三维打印抹平装置，其特征在于：

设置冷却结构，对所述的接触部件和/或所述的驱动单元进行散热；

设置限位结构，用于限制所述的驱动单元和/或所述的接触部件的可移动范围。

13.根据权利要求1所述的三维打印抹平装置，其特征在于：

设置用于产生不垂直于工件表面的当前成型面的气流的通道，该气流的通道设置于所述的活动件和/或所述的接触部件,气流至少流过所述的接触部件的通道的入口端或出口端处；所述的气流通过喷射和/或吸引的方式产生；所述的工件表面的当前成型面，是三维打印按层成型过程中的当前成型层的当前成型区所基于的面。

14.根据权利要求1所述的三维打印抹平装置，其特征在于：

所述的接触部件的通道的出口端的端面，其边缘倒角；

和/或，所述的接触部件的通道的出口端的端面设置有凸台结构，在三维打印过程中通过所述凸台结构对工件碰撞。

15.根据权利要求14所述的三维打印抹平装置，其特征在于：

所述的凸台结构在周向上不完全占据整个接触部件的通道的出口端的端面，所述的凸台结构围绕所述的接触部件的中心旋转。

16.一种三维打印设备，包括打印头，所述打印头设置有加热单元的加热能量输出通路和原料输送通道，其中：在三维打印过程中打印原料经原料输送通道往工件表面移动，打印原料通过原料输送通道的出口后才抵达工件表面；经加热能量输出通路输出的加热能量作用在工件表面的沉积打印原料的区域以加热工件表面，或者在加热工件表面的同时也加热打印原料；所述的工件是指三维打印过程中打印原料沉积后形成的物体；

其特征在于：所述三维打印设备还包括权利要求1至15任一项所述的三维打印抹平装置；

所述的三维打印抹平装置的接触部件位于所述的打印头的原料输送通道出口外；在三维打印过程中，打印原料从所述的打印头的原料输送通道输出后，在抵达工件前，经过所述的三维打印抹平装置的接触部件的通道。

17.根据权利要求16所述的三维打印设备，其特征在于：

所述的加热单元，其加热形式为激光加热、电子束加热、电弧加热、等离子束加热、电阻加热、电磁感应加热当中的一种或至少两种的组合。

18.根据权利要求16所述的三维打印设备，其特征在于：

所述的加热单元采用激光加热和电阻加热，激光加热用于在工件上产生熔池，电阻加热用于熔化打印原料或者电阻加热与激光加热共同用于加热熔化打印原料；

所述的加热能量输出通路包括用于输出激光的光学组件和用于产生电阻加热作用的电路。

19.根据权利要求17所述的三维打印设备，其特征在于：

所述的激光加热采用至少三束激光，在三维打印过程中，激光束从所述的原料输送通道周围空间投射并通过所述的三维打印抹平装置的接触部件的通道后抵达所述的工件表面；在投射激光时，所述的原料输送通道的出口和打印原料居于激光束之间的无激光区；

或者，所述的激光加热采用空心激光束，在三维打印过程中，空心激光束从所述的原料输送通道周围空间投射并通过所述的三维打印抹平装置的接触部件的通道后抵达所述的工件表面；在投射激光时，所述的原料输送通道的出口和打印原料居于空心激光束的无激光的中心区；

或者，所述的激光加热采用扫描激光束，在三维打印过程中，激光束从所述的原料输送通道周围空间投射并通过所述的三维打印抹平装置的接触部件的通道后抵达所述的工件表面，在工件表面的沉积打印原料的区域进行扫描式加热；在激光束进行扫描式加热的同时，激光束在工件表面的扫描加热区跟随所述的打印头一起作相对于所述的工件的移动；

所述的作相对于所述的工件的移动，是以工件为移动的参照物。

20.根据权利要求17所述的三维打印设备，其特征在于：

所述的电阻加热，通过将所述的原料输送通道、工件都与电阻加热电源连接，所述的原料输送通道作为加热能量输出通路；打印原料在熔化前为金属丝，金属丝经过原料输送通道和所述三维打印抹平装置的接触部件的通道并抵达工件表面；电阻加热电源输出的电流经原料输送通道和工件引入金属丝，将金属丝与工件接触的部位加热熔化。

21.根据权利要求16所述的三维打印设备，其特征在于：

所述的加热单元在所述的三维打印抹平装置的接触部件接触到所述的已完成沉积的打印原料之前，对所述的已完成沉积的打印原料进行加热。