CN105383059A - 多材料铺粉及成型的3d打印方法和打印装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多材料铺粉及成型的3D打印方法和打印装置，该方法采用颜色区分材料的多材料物体的三维模型，切片处理后的数据输入3D打印机，同一层包括多种材料即多种颜色，首先铺好材料A，采用选择性激光烧结或三维打印喷洒胶水精确固化成型代表材料A的颜色区域，然后移除未固化的材料A，之后同样铺好材料B，再固化成型材料B，再移除未固化的材料B，以此类推，材料C、D……，直到将本层所有材料全部精确固化成型，工作台下移一个切片厚度，重复上述过程，直至叠加打印完成整个实体。打印装置包括床身、送粉装置、吸粉装置、刮刀、成型腔、工作台和回收粉装置。本发明可以制备多种材料组成的零件、部件及一体化功能器件。
Description
技术领域
本专利属于增材制造(3D打印)领域，具体涉及到粉末床3D打印技术，提供了多材料铺粉及成型的3D打印方法和装置，运用本方法及装置可以铺设多材料粉末并3D打印成型。
背景技术
3D打印技术是一种非传统加工工艺，也称为增材制造、快速成型等，是近年来全球制造领域新兴起的一项集光、机、电、计算机、数控及新材料于一体的先进制造技术。与传统切削加工的“去除法”不同，而是一种以数字模型文件为基础，通过将粉末、液体片状等离散材料逐层堆积，“自然生长”成三维实体的成型制造技术。
粉末床工艺是3D打印的一种主要工艺，其原理是将粉末材料在可以升降的缸内铺设薄薄一层，之后在特定区域选择性的运用激光烧结或者喷射粘结剂，使其固化，之后在铺设下一层粉末，再固化，如此循环层层累积成三维实体。
粉末床3D打印技术的成型方法主要包括选择性激光烧结(SLS)和三维打印(3DP)两种技术。
选择性激光烧结(SLS)又可称为选区激光烧结，是利用激光有选择地逐层烧结粉末，逐层的叠加从而生成预定形状的三维实体零件的一种快速成型制造方法。其特点是生产周期短，开发成本低；可以成型几乎任意形状的零件；可成型的材料范围宽，包括塑料、陶瓷、金属及其复合材料中任何加热后能够粘结的粉末材料；成型件应用面广泛。
三维打印(3DP)，是利用喷头喷射液体粘结剂，粘结铺设在粉床上的粉末逐层叠加而成三维实体。该技术通过在粉末床上喷射彩色粘接剂的方法实现彩色技术，由于彩色粘接剂特性与彩色墨水类似，通过混合渐变可实现真彩色制件打印。其具有成型材料范围广、制造速度快、可实现全彩色制造的特点。
随着3D打印技术的不断发展，近年来粉末床3D打印技术也得到了快速提升，但是目前多数都停留在单材均质加工方面，而实际上大多数零件或产品均由多种材料构成，因此实现多材料、多功能、梯度材料、复合材料、彩色制件的粉末床3D打印技术成为快速成型制造领域的迫切需要。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种多材料铺粉及成型的3D打印方法和打印装置。
本发明之多材料铺粉及成型的3D打印方法是：
采用颜色区分材料的多材料物体的三维模型，切片处理后的数据输入3D打印机，同一层包括多种材料即多种颜色，首先铺好材料A，采用选择性激光烧结(SLS)或三维打印(3DP)喷洒胶水精确固化成型代表材料A的颜色区域，然后移除未固化的材料A，之后同样铺好材料B，再固化成型材料B，再移除未固化的材料B，以此类推，材料C、D……，直到将本层所有材料全部精确固化成型，工作台下移一个切片厚度，重复上述过程，直至叠加打印完成整个实体。
采用上述多材料铺粉及成型的3D打印方法和装置进行打印，包括具体如下步骤：
附图说明
图1为本发明的打印装置结构示意图。
图2为本发明之打印装置的吸粉装置示意图。
图3为本发明之打印装置的成型腔外套的收粉盒结构图。
图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10为本发明的打印装置运行状态展示图。
图11至图21为本发明实施例的打印一层过程中成型腔的状态展示图。
具体实施方式
本发明之多材料铺粉及成型的3D打印方法是：
采用颜色区分材料的多材料物体的三维模型，切片处理后的数据输入3D打印机，同一层包括多种材料即多种颜色，首先铺好材料A，采用选择性激光烧结(SLS)或三维打印(3DP)喷洒胶水精确固化成型代表材料A的颜色区域，然后移除未固化的材料A，之后同样铺好材料B，再固化成型材料B，再移除未固化的材料B，以此类推，材料C、D……，直到将本层所有材料全部精确固化成型，工作台下移一个切片厚度，重复上述过程，直至叠加打印完成整个实体。
如图1所示，本发明之多材料铺粉及成型的3D打印装置包括床身1、送粉装置2、吸粉装置3、刮刀4、成型腔5、工作台6和回收粉装置7；
床身1右侧固定有激光器装置或三维打印(3DP)的打印头装置；
送粉装置2包括有第一粉料盒21、第二粉料盒22、第三粉料盒23；
吸粉装置3包括吸粉嘴34、第一收粉箱31、第二收粉箱32、第三收粉箱33，其作用是分类回收每次选择性固化后成型腔内多余的粉末；
刮刀4位于成型腔5之上，成型腔5设置在工作台6之上，成型腔5和工作台6可实现上下运动和水平的左右运动；
回收粉装置7包括转盘和第一回收粉盒71、第二回收粉盒72和第三回收粉盒73和转盘74，第一回收粉盒71、第二回收粉盒72和第三回收粉盒73均匀分布在转盘74上，伺服电机带动轴75转动，转盘74由轴75带动旋转，从而实现更换收粉盒的功能，回收粉装置7的作用是分类回收刮刀4刮平每层后多余的粉末。
所述的床身1还包括传感器，用来精确控制工作台6运行的位置。
所述第一粉料盒21、第二粉料盒22和第三粉料盒23的宽度大于成型腔5的宽度，以保证粉末全部覆盖整个成型腔5。
所述第一粉料盒21、第二粉料盒22和第三粉料盒23的下方均开有通长的漏粉口，各内置一个花键轴24，花键轴24转动时漏粉，停转时起到密封作用；所述的花键轴24均由步进电机控制；所述的第一粉料盒21、第二粉料盒22和第三粉料盒23均装有传感器，用以控制相应的步进电机转停，从而准确的控制漏粉范围，以免浪费材料。
如图2所示，所述吸粉装置3的吸粉嘴34的形状是鸭嘴形，所述的吸粉嘴34最下方的宽度大于成型腔5的宽度，以保证全面吸收整个成型腔5内多余的粉末；所述的吸粉嘴34联接真空吸粉泵35；所述的真空吸粉泵35是三通的，真空吸粉泵35分别联接空气压缩机36、电磁阀37；所述的电磁阀37末端联接第一收粉箱31、第二收粉箱32和第三收粉箱33；所述的第一收粉箱31、第二收粉箱32和第三收粉箱33的上端是开放的，在上端管口处安装有滤网。
所述的刮刀4下方刀刃是楔形的，刀刃的宽度大于成型腔5的宽度，刮刀4的刃口完全与成型腔5的上表面接触。
所述的成型腔5外面套有收粉盒51，如图3所示，收粉盒51的作用是回收从成型腔的三个侧面撒出的粉末。
所述的工作台6包括工作台支架、实现上下运动和水平左右运动的滚珠丝杠和伺服电机系统。
所述的第一回收粉盒71、第二回收粉盒72和第三回收粉盒73宽度大于成型腔5的宽度，保证刮刀刮出的粉末全部落入收粉盒。
所述的3D打印装置还包括冷却系统、安全系统、机床控制系统、激光控制系统和三维打印(3DP)的打印头控制系统。
本发明之多材料铺粉及成型的3D打印装置的工作过程：
步骤1：建立用颜色区分材料的多材料物体三维模型，并进行切片处理，将切片数据输入3D打印机。
步骤2：按照用量，取各种材料的粉末，干燥后，放入相应的送粉盒中。
步骤3：对整个3D打印设备进行安全调试，调试好后，等待打印。
步骤4：根据切片信息，工作台下降第一个切片厚度，并运行到床身最左侧，铺粉装置此时的状态如图4所示，成型腔内为空，状态如图11所示。
步骤5：在机床的控制系统下，工作台向右运动，同时根据第一层切片信息，3D打印机判断送粉盒的铺粉顺序，并将信息传输给机床控制系统，当成型腔与铺粉顺序排在第一位的送粉盒位置适当时，控制系统控制该送粉盒上的步进电机带动其花键轴旋转，开始铺粉，状态如图5所示，直至整个成型腔通过该送粉盒，该送粉盒的步进电机停止旋转，结束送粉。
步骤6：在工作台运动到刮刀位置时，刮刀开始刮粉，同时回收粉装置旋转，最终使与上述送粉盒相对应的回收粉盒停留在工作台的下粉口处，状态如图6所示。刮刀刮过整个成型腔后，在成型腔内均匀的铺满一个切片厚度的粉末，状态如图12所示，此时铺粉装置的状态如图7所示。
步骤7：工作台运行到床身右侧，精确定位并停止，激光打印头或三维打印(3DP)的打印头根据切片信息精确的固化成型代表第一种材料的颜色区域，此时成型腔的状态如13所示，铺粉装置的状态如图8所示。
步骤8：工作台向左运行到吸粉装置处，吸粉装置开始吸粉，同时电磁阀打开与上述送粉箱对应的收粉箱通道，未固化的粉末被吸回收粉箱，状态如图9所示，直至整个成型腔全部通过吸粉嘴，吸粉装置停止吸粉，此时成型腔状态如图14所示，工作台一直运行到床身最左侧，铺粉装置此时状态如图10所示。
步骤9：工作台向右运动，开始接下来的材料铺粉，每种材料的铺粉、刮粉、固化成型、吸粉的整个过程均重复步骤5-8，在此过程中成型腔的状态变化如图15、图16、图17、图18、图19和图20所示，直到最后一种材料完成此过程。
步骤10：工作台下降第二个切片厚度，重复步骤5-9，从而层层叠加而成三维实体，如图21所示。
采用本发明进行3D打印成型的有益效果是：
采用本发明可以便捷的打印出梯度材料、功能材料、复合材料、彩色制件等，更大的优点是可以制备多种材料组成的零件、部件及一体化功能器件。
Claims (5)
1.一种多材料铺粉及成型的3D打印方法，该方法是：
采用颜色区分材料的多材料物体的三维模型，切片处理后的数据输入3D打印机，同一层包括多种材料——多种颜色，首先在工作台上铺好材料A，采用选择性激光烧结或三维打印喷洒胶水精确固化成型代表材料A的颜色区域，然后移除未固化的材料A，之后同样铺好材料B，再固化成型材料B，再移除未固化的材料B，以此类推，材料C、D……，直到将本层所有材料全部精确固化成型，工作台下移一个切片厚度，重复上述过程，直至叠加打印完成整个实体。
2.权利要求1所述方法所用的多材料铺粉及成型的3D打印装置，其特征在于：包括床身(1)、送粉装置(2)、吸粉装置(3)、刮刀(4)、成型腔(5)、工作台(6)和回收粉装置(7)；
床身(1)右侧固定有激光器装置或三维打印的打印头装置；
送粉装置(2)包括有第一粉料盒(21)、第二粉料盒(22)、第三粉料盒(23)；
吸粉装置(3)包括吸粉嘴(34)、第一收粉箱(31)、第二收粉箱(32)、第三收粉箱(33)；
刮刀(4)位于成型腔(5)之上，成型腔(5)设置在工作台(6)之上，成型腔(5)和工作台(6)可实现上下运动和水平的左右运动；
回收粉装置(7)包括转盘和第一回收粉盒(71)、第二回收粉盒(72)和第三回收粉盒(73)和转盘(74)，第一回收粉盒(71)、第二回收粉盒(72)和第三回收粉盒(73)均匀分布在转盘(74)上，伺服电机带动轴(75)转动，转盘(74)由轴(75)带动旋转，从而实现更换收粉盒的功能，回收粉装置(7)的作用是分类回收刮刀(4)刮平每层后多余的粉末；
所述第一粉料盒(21)、第二粉料盒(22)和第三粉料盒(23)的宽度大于成型腔(5)的宽度，以保证粉末全部覆盖整个成型腔(5)。
所述第一粉料盒(21)、第二粉料盒(22)和第三粉料盒(23)的下方均开有通长的漏粉口，各内置一个花键轴(24)，花键轴(24)转动时漏粉，停转时起到密封作用；所述的花键轴(24)均由步进电机控制；所述的第一粉料盒(21)、第二粉料盒(22)和第三粉料盒(23)均装有传感器，用以控制相应的步进电机转停，从而准确的控制漏粉范围，以免浪费材料；
所述吸粉装置(3)的吸粉嘴(34)的形状是鸭嘴形，所述的吸粉嘴(34)最下方的宽度大于成型腔(5)的宽度，以保证全面吸收整个成型腔(5)内多余的粉末；所述的吸粉嘴(34)联接真空吸粉泵(35)；所述的真空吸粉泵(35)是三通的，真空吸粉泵(35)分别联接空气压缩机(36)、电磁阀(37)；所述的电磁阀(37)末端联接第一收粉箱(31)、第二收粉箱(32)和第三收粉箱(33)；所述的第一收粉箱(31)、第二收粉箱(32)和第三收粉箱(33)的上端是开放的，在上端管口处安装有滤网；
所述的刮刀(4)下方刀刃是楔形的，刀刃的宽度大于成型腔(5)的宽度，刮刀(4)的刃口完全与成型腔(5)的上表面接触。
所述的成型腔(5)外面套有收粉盒(51)；
所述的第一回收粉盒(71)、第二回收粉盒(72)和第三回收粉盒(73)宽度大于成型腔(5)的宽度，保证刮刀刮出的粉末全部落入收粉盒。
3.根据权利要求2所述的多材料铺粉及成型的3D打印装置，其特征在于：所述的床身(1)还包括传感器，用来精确控制工作台(6)运行的位置。
4.根据权利要求2所述的多材料铺粉及成型的3D打印装置，其特征在于：所述的工作台(6)包括工作台支架、实现上下运动和水平左右运动的滚珠丝杠和伺服电机系统。
5.根据权利要求2所述的多材料铺粉及成型的3D打印装置，其特征在于：还包括有冷却系统、安全系统、机床控制系统、激光控制系统和三维打印的打印头控制系统。
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