CN106041080B - 粉末材料激光烧结成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种粉末材料激光烧结成形装置，属于3D打印增材制造技术领域，提供了一种操作简单，铺粉效率高，铺粉效果好，适用范围广的粉末材料激光烧结成形装置，采用的技术方案为集料缸、成型缸和供粉缸内均设置有液压油缸，液压油缸上设置有推料挡板，成型腔体的中部设置有铺粉滑轨，滚筒架滑动安装在铺粉滑轨上，滚筒架上安装有铺粉滚筒，滚筒架上设置有滚筒架丝杠，成型腔体上部设置有预热导轨，预热壳体滑动安装在预热导轨上，预热壳体内设置有预热棒，预热壳体外设置红外测温仪，成型腔体的顶部设置有激光扫描系统，成型腔体侧壁上设置有进排气装置；本发明广泛用于粉末材料激光烧结成形。

Description

粉末材料激光烧结成形装置

技术领域

本发明涉及一种粉末材料激光烧结成形装置，属于3D打印增材制造技术领域。

背景技术

近年来，3D打印技术以其独特的优势在学术界、产业界掀起了一股3D打印热潮。3D打印是根据三维模型，以高分子塑料、光敏树脂、金属粉末、覆膜粉体等材料为原料，通过逐层叠加材料的原理来实现三维模型的制造，集CAD，机械自动化等技术于一体，具有快速性、高柔性、高效性等特点，特别适合于制造小批量的复杂结构模型，其产品己在汽车制造、航空航天等领域有所应用。

选择性激光烧结（SLS）技术属于3D打印技术的一种，SLS是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。

其整个工艺过程为：工作时粉末缸活塞(送粉活塞)上升，由铺粉辊将粉末在成型缸上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。烧结完成一层后，成型缸活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉，控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。SLS成形突出的优点在于它所使用的成形材料广泛，目前，可成功进行SLS成形加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末等及其复合粉末材料。由于SLS成形材料品种多、用料节省、成形件性能优良、以及SLS成形无需支撑，所以SLS的应用越来越广泛。

目前SLS成形过程中，仍存在以下问题需要解决：①铺粉质量难以监测。铺粉好坏对成形件质量具有重要影响，当铺粉不均时，容易引起成形件内部缺陷，从而降低产品质量，甚至出现废品。

②成形过程中成形件是否发生翘曲变形难以监测，成形过程中，当零件发生翘曲变形时，如果不能及时发现，及时调整工艺参数，将会使变形程度越来越严重，从而导致成形失败。

③成形粉末预热不均匀、预热温度精度低，在铺粉过程中对粉末的预热主要有两个热源，一是成形件本身对所铺粉末的预热，二是预热系统对粉末的预热。由于成形件尺寸不同，不同部位温度分布不同，对所铺粉末的预热不均匀。同时预热系统难以补偿由于成形件本身对所铺粉末引起的预热不均，因此最终导致成形粉末预热不均，预热温度控制精度不够，从而影响成形件质量，更有甚者难以成形。

④成形腔内气体保护系统进气不均匀，成形过程中，有些粉末需要进行气体保护防止氧化，然而SLS成形过程中，如果成形腔中保护气分布不均匀，将会使成形件发生氧化，从而影响成形件质量。

⑤由于存在以上问题，一台设备难以成形不同的粉末。例如尼龙对粉末预热温度控制精度要求非常严格，就需要高精度的预热系统；有些粉末成形过程中需要进行气体保护，防止成形件氧化，就需要安装气体保护系统。目前开发的SLS成形设备主要是针对特定的成形粉末，难以满足多种不同的粉末成形。

发明内容

为解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种操作简单，铺粉效率高，铺粉效果好，适用范围广的粉末材料激光烧结成形装置。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为粉末材料激光烧结成形装置，包括成型腔体，所述成型腔体下部设置有集料缸、成型缸和供粉缸，所述成型缸位于集料缸和供粉缸之间，所述集料缸、成型缸和供粉缸内均设置有液压油缸，所述液压油缸的活塞杆上设置有推料挡板，所述成型腔体的中部设置有铺粉滑轨，滚筒架滑动安装在铺粉滑轨上，所述滚筒架上安装有铺粉滚筒，铺粉滚筒的一侧设置有滚筒驱动电机，所述滚筒架上还设置有滚筒架丝杠，所述滚筒架丝杠的端部设置有滚筒架驱动电机，所述成型腔体上部设置有预热导轨，预热壳体通过预热支架滑动安装在预热导轨上，所述预热壳体内设置有预热棒，预热壳体外设置有红外测温仪，且预热壳体内壁设置有反光板，所述成型腔体的顶部设置有激光扫描系统，所述成型腔体侧壁上设置有进排气装置，所述液压油缸、滚筒架驱动电机、预热棒、红外测温仪和激光扫描系统均与主控系统相连接。

优选的，所述进排气装置主要由设置在成型腔体侧壁上的多个进气罩和排气装置，所述进气罩、排气装置均通过进气管道、排气管道与气体循环装置相连接，氧气传感器安装在成型腔体的内壁上，所述进气循环装置、氧气传感器与主控系统相连接。

优选的，所述铺粉滚筒内设置有铺粉加热棒和铺粉测温电偶，滚筒架的两侧分别设置有红外线发射装置和红外线接收装置，所述铺粉加热棒、铺粉测温电偶、红外线发射装置和红外线接收装置均与主控系统相连接。

优选的，所述供粉缸主要由四块围板和框架构成，所述四块围板首尾连接依次固定在框架内部，围板的外壁设置有耳座，耳座通过螺栓固定在框架上，所述围板为空心结构，所述围板内设置有供粉加热装置，所述供粉加热装置与主控系统相连接。

优选的，所述围板为铝合金材质。

优选的，所述成型腔体的顶部还设置有图像采集装置，所述成型腔体的两侧设置有补光灯，所述图像采集装置和补光灯均与主控系统相连接。

优选的，所述图像采集装置的外部设置有镜头防护罩。

优选的，所述图像采集装置为高分辨工业CCD相机，补光灯为LED灯。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明能够监测铺粉质量及成形件是否发生翘曲变形，并且能够进行报警，使成形粉重铺或者调整工艺参数；能够使所铺粉末预热均匀，提高了粉末预热效率；能够使成形腔内的保护气均匀进入成形腔，并且能在成形腔均匀分布，避免了成形过程中成形件发生氧化；能够提高了成形件质量及生产效率，对SLS成形技术的发展具有重要意义；并且适用范围广，能够进行蜡粉、聚苯乙烯粉、尼龙粉、覆膜陶瓷粉、覆膜金属粉、覆膜砂、聚碳酸酯粉等材料的激光烧结成形。

附图说明

图1为本发明的结构示意图一。

图2为本发明的结构示意图二。

图3为本发明中进排气装置的结构示意图一。

图4为本发明中进排气装置的结构示意图二。

图5为本发明中供粉缸的结构示意图。

图6为本发明中围板的结构示意图。

图7为本发明中预热壳体的结构示意图。

图8为本发明中滚筒架的结构示意图。

图9为本发明中铺粉滚筒的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图7至图9所示，粉末材料激光烧结成形装置，包括成型腔体5，成型腔体5下部设置有集料缸15、成型缸14和供粉缸10，成型缸14位于集料缸15和供粉缸10之间，集料缸15、成型缸14和供粉缸10内均设置有液压油缸13，液压油缸13的活塞杆上设置有推料挡板11，成型腔体5的中部设置有铺粉滑轨19，滚筒架20滑动安装在铺粉滑轨19上，滚筒架20上安装有铺粉滚筒18，铺粉滚筒18的一侧设置有滚筒驱动电机29，滚筒架20上还设置有滚筒架丝杠17，滚筒架丝杠17的端部设置有滚筒架驱动电机9，成型腔体5上部设置有预热导轨7，预热壳体24通过预热支架25滑动安装在预热导轨7上，从而实现对整个预热装置的移动。预热壳体7内设置有预热棒37, 预热壳体外设置有红外测温仪39，且预热壳体24内壁设置有反光板38，成型腔体5的顶部设置有激光扫描系统1，成型腔体5侧壁上设置有进排气装置，液压油缸13、滚筒架驱动电机9、预热棒37、红外测温仪39和激光扫描系统1均与主控系统8相连接。预热壳体24上安装红外线测温仪39，对所铺粉末进行测温，并将信息反馈给主控系统，从而准确调整预热温度。预热壳体24安装在预热支架25上，在预热壳体24内部安装多层预热棒37，每层由四个预热棒37连接成方形。预热壳体24内壁安装反光板38，用于对预热棒37辐射的热进行反射，提高加热效率。上述所有装置与主控系统8相连，实现所铺粉末均匀预热以及保证粉末预热温度的精度。

如图8、图9所示，铺粉滚筒内设置有铺粉加热棒32和铺粉测温电偶31，滚筒架20的两侧分别设置有红外线发射装置22和红外线接收装置30，铺粉加热棒32、铺粉测温电偶31、红外线发射装置22和红外线接收装置30均与主控系统8相连接。

铺粉滚筒18内部安装铺粉测温电偶31和铺粉加热棒32，用于对铺粉滚筒进行测温和预热，从而实现铺粉滚筒18在铺粉过程中对成形粉末的预热。铺粉滚筒18安装在滚筒架20上，滚筒架20一侧设置有滚筒驱动电机29与铺粉滚筒18相连。滚筒架20两侧底部设置有滚筒架丝杠17，滚筒架丝杠17与滚筒架驱动电机9相连，通过滚筒架驱动电机9驱动滚筒架丝杠17转动，从而驱动滚筒架20在铺粉滑轨19上运动。在铺粉滚筒18前端滚筒架20上安装有红外线发射装置22及红外线接收装置30，用于测量零件是否发生翘曲变形。当零件发生翘曲变形时，将会挡住红外线发射装置22发出的红外线，从而红外线接收装置30不能接收到红外线信号，将会把此信息反馈给主控系统8，从而提醒操作者调节工艺参数。

如图5、图6所示，供粉缸10主要由四块围板12和框架34构成，四块围板12首尾连接依次固定在框架34内部，围板12的外壁设置有耳座35，耳座35通过螺栓33固定在框架34上，围板12采用铝合金材质，且为空心结构，围板12内设置有供粉加热装置36，供粉加热装置36与主控系统8相连接。供粉加热装置36对供粉缸中的成形粉末进行预热。推料挡板11下端通过与液压缸13的活塞杆连接，推料挡板11升降主要由主控系统8来调整液压缸13升降来实现。靠近供粉缸安装有成形缸14及集料缸15，成形缸14与集料缸15结构及液压系统与供粉缸一样。

如图2至图4所示，进排气装置主要由设置在成型腔体侧壁上的多个进气罩23和排气装置16，进气罩23、排气装置16均通过进气管道26、排气管道27与气体循环装置28相连接，氧气传感器21安装在成型腔体5的内壁上，进气循环装置28、氧气传感器21与主控系统8相连接。进气管道26一端与成形腔连接，进气管道26出口位置安装网状进气罩23，用于调整气流均匀进入。进气管道26另一端与进气循环装置28连接。氧气传感器21安装在成形腔体内的不同位置，用于测量成形腔不同位置氧气含量，并将氧气含量信息反馈给主控系统8，从而通过进气循环装置28调整惰性气体进气量。排气装置16安装在成形腔前端，排气装置16通过排气管道27与进气循环装置28连接，实现保护气体的供应及循环。

此外，如图1所示，成型腔体5的顶部还设置有图像采集装置2，成型腔体5的两侧设置有补光灯6，图像采集装置2和补光灯6均与主控系统8相连接。图像采集装置2的外部设置有镜头防护罩4。图像采集装置2为高分辨工业CCD相机，补光灯6为LED灯。高分辨工业CCD相机安装在成形腔体的顶部，在成形腔体顶部两侧安装LED灯照明，对拍照过程进行光补偿。在高分辨工业CCD相机最外侧安装镜头防护罩4，避免粉末对镜头造成污染。镜头防护罩4为全封闭结构，材质为耐高温透明有机玻璃。成像系统对铺粉表面及烧结层成形件轮廓进行拍照，并将图片信息传输到图像处理系统。图像处理系统接收到成形系统拍摄的图片信息后，对该照片进行分析检测。根据铺粉的灰度检测铺粉是否均匀平整，根据成形件的影像检测烧结层成形件轮廓尺寸，实现点、线、圆、弧、距离、椭圆、角度等图形测量，并将信息反馈给主控系统8。主控系统8根据反馈信息，判断铺粉是否均匀，烧结层成形件轮廓尺寸是否达到要求，判断是否需要进行二次或者多次铺粉，从而对铺粉系统及激光烧结成形系统发出指令，调整铺粉次数及激光烧结成形工艺。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包在本发明范围内。

Claims (8)

1.粉末材料激光烧结成形装置，包括成型腔体，其特征在于：所述成型腔体下部设置有集料缸、成型缸和供粉缸，所述成型缸位于集料缸和供粉缸之间，所述集料缸、成型缸和供粉缸内均设置有液压油缸，所述液压油缸的活塞杆上设置有推料挡板，所述成型腔体的中部设置有铺粉滑轨，滚筒架滑动安装在铺粉滑轨上，所述滚筒架上安装有铺粉滚筒，铺粉滚筒的一侧设置有滚筒驱动电机，所述滚筒架上还设置有滚筒架丝杠，所述滚筒架丝杠的端部设置有滚筒架驱动电机，所述成型腔体上部设置有预热导轨，预热壳体通过预热支架滑动安装在预热导轨上，所述预热壳体内设置有预热棒，预热壳体外设置红外测温仪，且预热壳体内壁设置有反光板，所述成型腔体的顶部设置有激光扫描系统，所述成型腔体侧壁上设置有进排气装置，所述液压油缸、滚筒架驱动电机、预热棒、红外测温仪和激光扫描系统均与主控系统相连接。

2.根据权利要求1所述的粉末材料激光烧结成形装置，其特征在于：所述进排气装置主要由设置在成型腔体侧壁上的多个进气罩和排气装置，所述进气罩、排气装置均通过进气管道、排气管道与气体循环装置相连接，氧气传感器安装在成型腔体的内壁上，所述进气循环装置、氧气传感器与主控系统相连接。

3.根据权利要求1所述的粉末材料激光烧结成形装置，其特征在于：所述铺粉滚筒内设置有铺粉加热棒和铺粉测温电偶，滚筒架的两侧分别设置有红外线发射装置和红外线接收装置，所述铺粉加热棒、铺粉测温电偶、红外线发射装置和红外线接收装置均与主控系统相连接。

4.根据权利要求1所述的粉末材料激光烧结成形装置，其特征在于：所述供粉缸主要由四块围板和框架构成，所述四块围板首尾连接依次固定在框架内部，围板的外壁设置有耳座，耳座通过螺栓固定在框架上，所述围板为空心结构，所述围板内设置有供粉加热装置，所述供粉加热装置与主控系统相连接。

5.根据权利要求4所述的粉末材料激光烧结成形装置，其特征在于：所述围板为铝合金材质。

6.根据权利要求1所述的粉末材料激光烧结成形装置，其特征在于：所述成型腔体的顶部还设置有图像采集装置，所述成型腔体的两侧设置有补光灯，所述图像采集装置和补光灯均与主控系统相连接。

7.根据权利要求6所述的粉末材料激光烧结成形装置，其特征在于：所述图像采集装置的外部设置有镜头防护罩。

8.根据权利要求6或7所述的粉末材料激光烧结成形装置，其特征在于：所述图像采集装置为高分辨工业CCD相机，补光灯为LED灯。