CN209903948U - 一种多材料复合的3d打印设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型具体涉及一种多材料复合的3D打印设备，所述3D打印设备包括多腔室铺粉装置、工作平台、复合式打印装置、多材料混合装置等；所述多腔室铺粉装置是长形空心容器，其内腔可用于存放粉末材料；所述多腔室铺粉装置包含两个或多个供粉槽，所述供粉槽沿垂直于供粉槽长度的方向相邻连接排布；所述每个供粉槽设有单独的进料口和下料口；所述每个供粉槽的下料口处设有选择性下料装置，所述选择性下料装置由沿所述供粉槽长度方向排布在下料口处的多个膨胀体单元组成，所述多个膨胀体单元之间紧密连接布满所述供粉槽的下料口。

Description

一种多材料复合的3D打印设备

技术领域

本发明涉及增材制造设备技术领域中，具体涉及一种多材料复合的3D打印设备。

背景技术

传统的3D打印技术通常是铺设一层粉末材料，然后在粉末材料表面喷射粘结剂，固化形成二维图像，经过多次的堆叠固化，最终形成立体的三维产品。其3D打印工艺都只是涉及单一材料、单一层厚、单一粘结剂等参数，无法满足产品多样化、定制化的需求。在实际生产过程中，由于产品不同部位的特性不同，需要在一些特殊部位使用不同的粉末材料以及粘结剂组合成型，以提高产品的强度及质量。同时，对于一些表面轮廓极其复杂的产品，单一层厚打印会造成有些曲面处的精度及强度的降低。因此，变材料、变层厚、变粒度的复合打印工艺在3D打印中有着广阔的应用前景。

层厚对成型精度及效率的影响。分层打印出来的实际模型因存在多余材料，它与理论模型之间存在一定的误差，在快速成型技术中称之为阶梯效应。层厚直接影响制件的阶梯效应，随着单层层厚的增加，曲面件的阶梯效应更加明显，使得制件精度出现很大偏差。层厚几乎决定了3D打印的精度，打印模型层厚越大打印出的实际模型表面精度就越低，层厚越小表面精度就越高。同时，层厚过大将导致粘结剂不能穿过该粘结层，层与层之间连接不牢靠，造成分层、成型强度降低；而过小的层厚又会降低设备打印效率。

单一材料对3D打印的限制。以铸造3D打印为例，铸造中应用的3D打印技术主要有3DP(三维喷射粘结剂成型技术)和SLS(激光选择性烧结技术)两种：前者主要应用于呋喃树脂砂型、酚醛树脂砂型、水玻璃砂型的打印，其前后生产工序基本无需改变即可满足生产，且具有效率高、成本低的特点；后者主要应用于覆膜砂的打印，其打印成本较高，效率较低，但其打印砂型的精度和表面质量要好于3DP打印方式。此两种打印方法所使用的砂子都只能为一种砂子或几种砂子均匀混合物，但在实际生产过程中，由于铸件的冷却特性，需要在砂型的一些特殊部位，如热节处，使用特种砂制芯后，通过与普通砂型组合使用，可以提高铸件的质量，甚至在大型铸钢件的生产中，在接近铸件表面全部使用铬矿砂作为面砂，其余部位使用硅砂作为背砂来保证铸件质量。因此两种以上的复合砂型在铸造生产中有着广泛的应用。

单一粘结剂对3D打印的限制。不同的材料需要使用相匹配的粘结剂进行固化，目前对于传统3D打印设备，都只是针对单一材料、单一粘结剂进行打印，无法满足多种材料的同时打印，不能实现多样化、定制化的需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种多材料复合的3D打印设备，可在同一3D打印设备上打印不同参数要求的产品，满足变材料、变层厚、变粒度的工艺要求，实现多样化和复杂结构产品的打印。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种多材料复合的3D打印设备，包括多腔室铺粉装置；所述多腔室铺粉装置是长形空心容器，其内腔可用于存放粉末材料；所述多腔室铺粉装置包含两个或多个供粉槽，所述供粉槽沿垂直于供粉槽长度的方向相邻直线排布，或相邻阵列排布；所述每个供粉槽设有单独的进料口和下料口；所述每个供粉槽的下料口处设有选择性下料装置，所述选择性下料装置由沿所述供粉槽长度方向排布在下料口处的多个膨胀体单元组成，所述多个膨胀体单元之间紧密连接布满所述供粉槽的下料口。

进一步的，所述各个供粉槽的下料口在所述铺粉装置的下部连通，形成所述铺粉装置的出料口(111)。

进一步的，可将所述各个供粉槽长度设置为与所述多腔室铺粉装置长度相等，则各个供粉槽沿垂直于供粉槽长度的方向相邻直线排布组成所述铺粉装置。

进一步的，所述供粉槽中装有螺旋输送机构，将粉末材料输送到供粉槽腔室的各个部位。

进一步的，所述各个膨胀体单元有独立的膨胀驱动管道和独立的控制模块。

进一步的，所述膨胀体单元的长度为10-100mm，材质为耐腐蚀的弹韧性材料。

进一步的，所述多腔室铺粉装置的侧面安装有振动装置，用于使所述铺粉装置和粉末材料振动。

进一步的，所述3D打印设备还包括复合式打印装置，所述复合式打印装置由适用于不同粘结剂的多种类型的打印喷头集合而成。

进一步的，所述3D打印设备还包括多种材料混合机构，所述多种材料混合机构包含多个独立的固液混合装置。

进一步的，利用本发明一种多材料复合的3D打印设备进行3D打印的方法，是由所述多腔室铺粉装置根据系统指令打开和关闭所述选择性下料装置的部分所述膨胀体单元，以控制对应的所述供粉槽的部分下料口下料，完成多材料复合的粉末层铺设；然后由复合打印装置根据系统指令对应喷射适用于所述已铺设粉末层材料的粘结剂，实现所述已铺设粉末层材料的局部固化；如此重复粉末层铺设和粘结剂喷射，直至形成完整的多材料复合的产品。

进一步的，所述利用本发明一种多材料复合的3D打印设备进行3D打印的方法，具体包括以下步骤：

1)利用三维制图软件，绘制包含多种粉末材料的复合三维模型，将三维模型切片后，按打印顺序将每层的二维图像导入打印机控制系统；

2)将不同类型的粉末材料进行预处理，分别从所述多腔室铺粉装置进料口加入到单独的供粉槽，选择性下料机构全部膨胀关闭；

3)读取当前打印层的二维图像，根据读取的层数据打开相应供粉槽的一段或全部下料口，开始铺粉；

4)当所述多腔室铺粉装置运行到当前二维图像需要铺设另一种粉末材料的位置时，选择性下料装置根据系统定位和信号，控制下料口处的膨胀体闭合不需要下料的供粉槽，打开需要的下料的供粉槽的一段或全部下料口，实现粉末材料种类的切换；

5)完成一层的铺粉后，复合打印装置开始运动，在粉末层选择性地喷射粘结剂；

6)重复步骤3、步骤4)和步骤5)，至打印结束；

7)粘结剂硬化完成后，清除没有喷射粘结剂的粉末材料，获得多材料复合产品。

由上述技术方案可知，本发明一种多材料复合的3D打印设备及其铺粉方法的有益效果至少包括：可在同一3D打印设备上打印不同参数要求的产品，可在同一3D打印设备上打印不同参数要求的产品，满足变材料、变层厚、变粒度的工艺要求，实现多样化和复杂结构产品的打印。

附图说明

图1为本发明实施例提供的多腔铺粉装置的横断面图。

图2为本发明实施例提供的多腔铺粉装置的横断面局部放大图。

图3为本发明实施例提供的多腔铺粉装置的局部仰视图。

图4为本发明实施例提供的多腔铺粉装置的三维示意图。

图5为本发明实施例提供的多腔铺粉装置的底部结构图。

图6为本发明另一实施例提供的复合打印装置的集成方式一示意图。

图7为本发明另一实施例提供的复合打印装置的集成方式二示意图。

其中，100-进料口；101-负压入口；102-螺旋输送机构；103-供粉槽；104- 滤网；105-膨胀体；106-下料口；107-刮粉板；108-振动装置；109-供粉槽侧壁；110-连接板；111-出料口；200-进料口；201-负压入口；202-螺旋输送机构；203-供粉槽；204-滤网；205-膨胀体；206-下料口；207-刮粉板；208-振动装置；300-打印喷头1；301-打印喷头2；302-打印装置底板；400-打印装置 1；401-打印装置2；402-打印装置3；403-工作箱；404-清洗保护站1；405- 清洗保护站2；406-清洗保护站3；407-X方向运动模组。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。请注意，下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种多材料复合的3D打印设备，所述3D打印设备包括工作平台、多腔室铺粉装置、复合式打印装置、多材料混合装置、液料系统等。

所述多腔室铺粉装置结构，实现了在打印过程中，选择性的在打印层面各部位铺设不同种类或不同粒度的粉末材料，经喷射粘结剂粘结后，打印出具有多种粉末材料的复合产品，从而实现在产品特殊部位使用特种材料的打印要求，提高了成型产品的质量。

所述工作平台的举升机构采用高精度伺服驱动器，可以精确控制工作平台的升降高度，配合多腔室铺粉装置下料口开闭大小的调节，实现打印层厚的精确控制，能够根据每一层图形的特征选择性的控制其层厚，以实现变层厚打印。

所述复合式打印装置由填充了不同粘结剂的打印喷头组成，可根据不同的层厚、不同的粉末材料，喷射相应种类和数量的粘结剂，从而满足不同的成型工艺要求。所述复合式打印装置还包括了可提供多种粘结剂的液料系统，液料系统根据每个打印装置粘结剂的用量自动补充液量。

所述多材料混合装置，包含了多个粉末材料仓及混料罐，每种材料的混合都是相互独立的，可以有效保证材料混合的一致性及精确度。

如图1所示，所述多腔室铺粉装置包含两个及两个以上相连的供粉槽，各个供粉槽可以加入不同的粉末材料，所述供粉槽沿垂直于供粉槽长度的方向相邻直线排布，或相邻阵列排布。为方便本领域技术人员理解，以包含两个供粉槽(103和203)的铺粉装置结构进行描述，但不局限于两个供粉槽。所述供粉槽沿垂直于供粉槽长度的方向相邻连接排布，用于储存不同种类的粉末材料，每个供粉槽有一个单独的进料口100和200，用于分别向供粉槽103和203中加入粉末材料，所述供粉槽中装有螺旋输送机构102和202，用于将粉末材料传送至供粉槽各处；述各个供粉槽长度与所述多腔室铺粉装置长度相等；所述多腔室铺粉装置的侧面或所述供粉槽的侧面，比如供粉槽下料口两侧安装有振动装置108和208，振动装置贯穿于整个铺粉装置长度方向，用于振动下料，每个供粉槽内部安装有滤网104和204，其作用为避免过量下料，同时滤除杂质，每个供粉槽下方各有一个下料口106和206，且下料口在铺粉装置出口处汇集为一个铺粉装置出料口111，供粉槽下料口处存在选择性下料装置105、106、205、206；所述选择性下料装置由沿供粉槽出口紧密排列的可控膨胀体单元105及205组成，如图2及图3所示，控制供粉槽出口开关/闭合的物体为膨胀体105及205，膨胀体105及205一侧安装在连接板110上。所述各个膨胀体单元有独立的膨胀驱动管道和独立的控制模块；例如，其中膨胀体105经入口101通入正压后膨胀，堵塞相应供粉槽的下料口106，膨胀体205经入口201通入负压后，弹性体收缩，打开供粉槽下料口206，根据打印中每一层检测到的二维图形的不同，可以控制膨胀体105及205的膨胀状态，从而控制下料口106和206流出不同的粉末材料。

所述膨胀体均有单独的气道与外部控制电磁气阀链接，膨胀体105和205 是由多段单位长度为10mm-100mm的膨胀体单元组成；膨胀体材质为耐腐蚀橡胶或其他耐腐蚀弹性材料。

根据本发明的具体实施例，利用本发明所述的3D打印设备进行3D打印的方法，是由所述多腔室铺粉装置根据系统指令打开和关闭所述选择性下料装置的部分所述膨胀体单元，以控制对应的所述供粉槽的部分下料口下料，完成多材料复合的粉末层铺设；然后由复合打印装置根据系统指令对应喷射适用于所述已铺设粉末层材料的粘结剂，实现所述已铺设粉末层材料的局部固化；如此重复粉末层铺设和粘结剂喷射，直至形成完整的多材料复合的产品。

以上利用本发明一种多材料复合的3D打印设备进行3D打印的方法，具体包括如下步骤：

第一步，利用三维制图软件，绘制包含多种粉末材料的复合三维模型，将三维模型切片后，按打印顺序将每层的二维图像导入打印机控制系统；

第二步，将不同类型的粉末材料进行预处理，分别从所述多腔室铺粉装置进料口加入到单独的供粉槽，选择性下料机构全部膨胀关闭；

第三步，读取当前打印层的二维图像，根据读取的层数据打开相应供粉槽的一段或全部下料口，开始铺粉；

第四步，当所述多腔室铺粉装置运行到当前二维图像需要铺设另一种粉末材料的位置时，选择性下料装置根据系统定位和信号，控制下料口处的膨胀体闭合不需要下料的供粉槽，打开需要的下料的供粉槽的一段或全部下料口，实现粉末材料种类的切换；

第五步，完成一层的铺粉后，所述复合打印装置开始运动，在粉末层选择性地喷射粘结剂；

第六步，重复第三步至第五步操作，至打印结束；

第七部，粘结剂硬化完成后，清除没有喷射粘结剂的粉末材料，获得多材料复合产品。

优选其中，粉末材料预处理指在粉末中混入固化剂或双组份粘结剂的一种组分。

所述铺粉装置结构如附图1所示，铺粉装置供粉槽103的下料口打开，供粉槽203的下料口关闭，两个供粉槽中分别加入预处理好的两种不同粉末材料，在打印过程中，读取每层的图像信息，若有供粉槽203中粉末的图像，则当铺粉装置运行到该位置时，根据图像大小，在图像位置相应的一段关闭供粉槽103 的下料口，并打开供粉槽203相应的一段下料口，铺粉装置运行至图像结束后，关闭供粉槽203下料口，打开供粉槽103的下料口，逐层打印结束后，获得两种粉末材料的复合产品。

需要说明的是，以上方法步骤以两个供粉槽组成的多腔室铺粉装置为例，与相匹配的两种打印喷头集成的复合式打印装置配合，可获得两种粉末材料的复合产品；本领域技术人员容易想到，采用三个、四个或者更多个供粉槽组成的多腔室粉末装置，配合多种打印喷头集成的复合式打印装置，可以获得三种、四种或者更多种材料的复合产品；而且各供粉槽可对应同一品种不同粒度的粉末材料，也属于本发明所述的领域。

本发明所述复合式打印装置有两种方案实现不同种类的打印喷头集成，集成方案一如图6所示，所述复合式打印装置将不同类型的打印喷头集成安装在同一个打印装置底板上，例如对应2个供粉槽的两种打印喷头(300和301)集成安装在打印装置底板302上，控制这些打印喷头的驱动板卡同样集成安装同一个打印装置内部，每种打印喷头对应一种粘结剂，粘结剂分别存储在不同的墨盒当中，墨盒与打印喷头间的墨路相互独立，根据图形的特征选择性的打开或关闭相应的打印喷头，即可实现不同分辨率、不同粘结剂的固化打印。本例中打印装置底板上不仅局限于安装两种类型的打印喷头，可根据实际需要和排布安装多种类型的打印喷头。

集成方案二如图7所示，所述复合式打印装置包括在其运动方向上安装的两组及两组以上独立的打印装置，这些打印装置按照顺序依次排列进行编号，如Head1(400)、Head2(401)、Head3(402)……，所有打印装置共用一个运动模组407，每个独立的打印装置的底板上安装同一规格的打印喷头，每个打印装置的运动控制彼此独立，每种打印装置的墨盒内部填充一种粘结剂，不同的打印系统其粘结剂特性不同。所述复合式打印装置在工作区域的两侧均设计有清洗保护站404、405、406……，每个清洗保护站只停靠一种打印装置，如清洗保护站404对应打印装置Head1(400)，清洗保护站405对应打印装置Head2(401)，清洗保护站406对应打印装置Head3(402)，其作用为清洗及保护打印装置，当铺粉装置铺设不同的粉末材料时，则对应的打印装置自动激活并处于打印状态，位于前端的打印装置则先运动到对面清洗站相应的保护站进行等待，然后，激活的打印装置沿X轴方向运动到铺粉层面进行喷墨，其余打印装置则停留在工作箱两侧的清洗站等待下一次的喷墨指令。

本发明所述的多材料混合机构，包含多个独立的固液混合装置，每个固液混合装置的组成包括：粉末材料输送机构、粉末材料称重系统、液体精密计量装置、液料系统、搅拌器、控制单元。其中：粉末材料输送机构的作用是将粉末材料从地面或其它地方输送到计量容器中；粉末材料称重系统的作用是对每个计量容器中的粉末材料进行称重，并根据系统设定的固液混合比例，自动控制粉末材料的加入量；液体精密计量装置的作用是根据系统设定的固液混合比例，计量并精确控制液体的加入量；液料系统的作用是保证液体材料的实时供应及储存；搅拌器的作用是将计量好的粉末材料和液体进行均匀混合，待混合完毕后，将混合物排放至对应的铺粉装置腔体内部；控制单元的作用是接收上位机命令，并按照打印工艺执行逻辑输出，控制各个子单元的逻辑动作，完成固液混合。

为了满足多种材料的打印，需要提前混合不同的材料，采取的方案是，设置多套上述的固液混合装置集中放置，且彼此独立，计量不受影响，每种固液混合装置分别存放不同的粉末材料和对应的液体材料，然后将混合好的粉末材料通过控制机构输送到铺粉装置不同的腔体内，每个腔体都有一套独立的料位检测装置及螺旋输送系统，可独立控制该腔体内的铺粉。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”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，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。

Claims (8)

1.一种多材料复合的3D打印设备，其特征在于，所述打印设备包括多腔室铺粉装置；所述多腔室铺粉装置是长形空心容器，其内腔可用于存放粉末材料；

所述多腔室铺粉装置包含两个或多个供粉槽，所述供粉槽沿垂直于供粉槽长度的方向相邻直线排布，或相邻阵列排布；

所述每个供粉槽设有单独的进料口和下料口；

所述每个供粉槽的下料口处设有选择性下料装置，所述选择性下料装置由沿所述供粉槽长度方向排布在下料口处的多个膨胀体单元组成，所述多个膨胀体单元之间紧密连接布满所述供粉槽的下料口通道。

2.根据权利要求1所述的一种多材料复合的3D打印设备，其特征在于，所述各个供粉槽的下料口在所述铺粉装置的下部连通，形成所述铺粉装置的出料口(111)。

3.根据权利要求1所述的一种多材料复合的3D打印设备，其特征在于，所述供粉槽中装有螺旋输送机构，将粉末材料输送到供粉槽腔室的各个部位。

4.根据权利要求1所述的一种多材料复合的3D打印设备，其特征在于，所述各个膨胀体单元有独立的膨胀驱动管道和独立的控制模块。

5.根据权利要求4所述的一种多材料复合的3D打印设备，其特征在于，所述膨胀体单元的长度为10-100mm，材质为耐腐蚀的弹韧性材料。

6.根据权利要求1所述的一种多材料复合的3D打印设备，其特征在于，所述多腔室铺粉装置的侧面安装有振动装置，用于使所述铺粉装置和粉末材料振动。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种多材料复合的3D打印设备，其特征在于，所述3D打印设备还包括复合式打印装置，所述复合式打印装置由适用于不同粘结剂的多种类型的打印喷头集合而成。

8.根据权利要求1-6任意一项所述的一种多材料复合的3D打印设备，其特征在于，所述3D打印设备还包括多种材料混合机构，所述多种材料混合机构包含多个独立的固液混合装置。

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