CN111267344B

CN111267344B - 多分区阵列式选区熔化制造设备及工艺

Info

Publication number: CN111267344B
Application number: CN202010073848.2A
Authority: CN
Inventors: 曹志强; 沈爱萍
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2020-01-22
Filing date: 2020-01-22
Publication date: 2021-07-13
Anticipated expiration: 2040-01-22
Also published as: CN111267344A

Abstract

本发明涉及一种多分区阵列式选区熔化制造设备及工艺，该设备的成型仓内通过升降导轨连接成型底板，成型仓上端设有成型平台，成型平台上面设有多个平行分布的铺粉栅格，将成型平台上的粉末成型区分成多个阵列式选粉区，铺粉栅格两端上面分别设有一个粉料仓，且铺粉栅格两端和其上的粉料仓分别通过料仓滑动底座与成型平台连接，由料仓滑动底座带动铺粉栅格和粉料仓在成型平台上沿铺粉方向垂直进行往复移动，形成多分区铺粉，高能束可在铺粉栅格中间进行打印，使铺粉和打印相对隔离；铺粉栅格内设有多个小刮刀，小刮刀通过刮刀驱动机构连接刮刀驱动电机，刮刀驱动电机通过刮刀驱动机构驱动小刮刀在铺粉栅格内往复运动，将粉末均匀的铺在铺粉栅格内。

Description

多分区阵列式选区熔化制造设备及工艺

技术领域

本发明涉及一种金属及非金属3D打印制造设备，尤其是一种多分区阵列式选区熔化制造设备及工艺。

背景技术

增材制造俗称3D打印，是融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。

其中，选择性激光熔化SLM（Selective Laser Melting），SLM技术是利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成型的一种技术。为了完全熔化金属粉末，要求激光能量密度超过106W/cm²。目前用SLM技术的激光器主要有Nd-YAG激光器、Co2激光器、光纤激光器。

选择性激光烧结SLS(Selective Laser Sintering)也是一种重要的增材制造方法。其原理在于，激光束根据分层截面信息进行有选择地对粉末材料逐层烧结，全部烧结完成后去除多余的粉末，以得到所需的零件。通常采用先铺粉再烧结的顺序：粉末颗粒存储在左侧的供料仓内，打印时供粉仓升降平台向上升起，将高于打印平面的粉末通过刮刀推压至打印仓的打印平板上，形成一个很薄且平面的粉层；此时激光束扫描系统，会依据切片的二维CAD路径在粉层上进行选择性扫描，被扫描到的粉末颗粒会由于激光焦点的高温而烧结在一起，而生成具有一定厚度的实体薄片，未扫描的区域仍然保持原来的松散粉末状；一层烧结完成后，打印平台根据切片高度下降，水平刮刀再次将粉末铺平，然后再开始新一层的烧结，此时层与层之间也同时烧结在一起；如此反复，直至烧结完所有层面。移除并回收未被烧结的粉末，即可取出打印好的实体模型。

在加工过程中，刮刀的移动速度通常为150mm/s左右，以常见的250*250mm基板为例，刮刀需要从送粉仓运动到回粉仓，运动距离为550mm左右，铺粉时间需要3.67秒，刮刀返回速度500mm/s，返回时间需要1.1秒，刮刀运动总时间需要4.77秒。当加工高度为100mm的零件时，层厚30微米，刮刀运动总时间需要超过4.4小时。刮刀运动期间激光无法加工，这对打印时间产生了很大影响。目前常见的解决办法是采用双向铺粉技术，节约刮刀返回的时间，但是收效不明显。大量的时间被用在了刮刀铺粉上。

由于铺粉时间长、加工时间长，导致当前金属3D打印成本高企，效率低下。直接影响了3D打印技术的大规模应用。为此，需要设计一种全新的铺粉与打印装置和工艺。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种多分区阵列式选区熔化制造设备及工艺，以解决现有3D打印生产中存在的铺粉时间长、加工效率低、加工综合成本高的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种多分区阵列式选区熔化制造设备，具有一个底座、底座上面通过支撑固定连接成型仓，所述成型仓内通过升降导轨连接成型底板，所述成型底板在升降导轨带动下可上下移动，所述成型仓上端设有成型平台，所述成型平台上面设有多个平行分布的铺粉栅格，将所述成型平台上的粉末成型区分成多个阵列式选粉区，所述铺粉栅格两端上面分别设有一个粉料仓，且铺粉栅格两端和其上的粉料仓分别通过料仓滑动底座与成型平台连接，由料仓滑动底座带动铺粉栅格和粉料仓在成型平台上沿铺粉方向垂直进行往复移动，形成多分区铺粉，高能束可在铺粉栅格中间进行打印，使铺粉和打印相对隔离；所述铺粉栅格内设有多个小刮刀，小刮刀通过刮刀驱动机构连接刮刀驱动电机，所述刮刀驱动电机通过刮刀驱动机构驱动小刮刀在铺粉栅格内往复运动，将粉末均匀地铺在铺粉栅格内。

进一步，所述小刮刀的材质为不锈钢或碳纤维。

进一步，所述刮刀驱动机构为链轮传动机构或同步带传动机构。

进一步，所述铺粉栅格的横截面为梯形，与高能束加工角度保持一致，使铺粉和烧结不冲突，以获得最大的加工区间。

进一步，所述高能束为激光或电子束。

一种采用多分区阵列式选区熔化制造设备的选区熔化工艺，首先，将需要打印的工件模型切片后进行阵列化处理分区，再打印铺粉栅格间铺好的粉末，同一层内，先栅格化烧结或熔化一半的片层，同时铺粉，然后将铺粉栅格移动后打印剩余的粉末，烧结或熔化另一半片层粉末，同时铺粉，逐层打印，形成需要的工件。

进一步，所述选区熔化工艺的具体步骤为：首先，在两个粉料仓内分别加入需要重量的粉末，粉末通过两个落料口分别进入铺粉栅格两端，刮刀驱动电机驱动刮刀驱动机构带动小刮刀，将落入铺粉栅格一端的粉末均匀地铺设在铺粉栅格内；铺粉完毕后，料仓滑动底座驱动铺粉栅格整体与铺粉方向垂直移动一个铺粉栅格的距离，使铺好的粉末正好位于铺粉栅格间隙内，高能束根据设置图形扫描铺粉栅格间隙内的粉末，将需要的区域进行烧结或熔化，在高能束扫描的同时，小刮刀在铺粉栅格内将另一端的粉末均匀地铺设在铺粉栅格内部；高能束扫描结束后，升降导轨根据程序设定将成型底板下降一定高度，料仓滑动底座驱动铺粉栅格整体返回初始位置，此时铺设好的粉末正好位于铺粉栅格中间间隙位置，而已经烧结或熔化的区域位于铺粉栅格下方，高能束立即开始加工露出来的铺粉栅格间粉末，同时刮刀驱动电机驱动刮刀驱动机构带动小刮刀，将落入铺粉栅格一端的粉末均匀地铺设在铺粉栅格内；如此铺粉栅格来回移动，高能束将铺粉栅格间的粉末烧结或熔化，最终形成一个完成的工件。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明提供了一种多分区阵列式选区熔化制造设备与工艺，包括底座、支撑、升降导轨、成型仓、成型平台、成型底板、粉料仓、粉料仓、落料口、落料口、料仓滑动底座、铺粉栅格、刮刀驱动电机、刮刀驱动机构、小刮刀、粉末成型区。采用多分区技术进行铺粉，陈列式打印，减少铺粉等待时间，提高加工效率。

（2）所述铺粉栅格可以前后移动，激光或者其它高能束可在栅格中间进行打印，铺粉和打印相对隔离。

（3）所述小刮刀可以再铺粉栅格内运动，将粉末均匀地铺在栅格内。

（4）所述粉料仓和粉料仓可以将粉末送到对应的栅格内，使得栅格内始终有粉末，避免小刮刀出现空行程。

（5）所述刮刀驱动电机、刮刀驱动机构可以使小刮刀在栅格内准确移动，使得铺粉均匀，并且可以往复运动。

（6）本发明采用栅格技术，使得高能束烧结或熔化的同时可以铺粉，极大地缩短了激光间歇的时间，采用阵列式打印，可以铺粉效果稳定，保证工件打印质量。

附图说明

图1是本发明的分区阵列式选区熔化制造设备总体结构示意图；

图2是本发明的分区阵列式选区熔化制造设备结构剖视图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1，2所示，本发明的多分区阵列式选区熔化制造设备，包括底座011、支撑012、升降导轨013、成型仓014、成型平台015、成型底板016、粉料仓一021、粉料仓二022、落料口一023、落料口二024、料仓滑动底座025、铺粉栅格031、刮刀驱动电机032、刮刀驱动机构033、小刮刀034、粉末成型区040。

本发明设备中底座011是整套装置的基础承力结构，保证装置整体在运行过程中不晃动，支撑012安装在底座011上，成型仓014安装在支撑012上，升降导轨013位于成型仓内014部，成型底板016安装在升降导轨013上，可以根据程序设定进行上下移动。成型平台015是铺粉系统的底座，安装在支撑012上，并且与成型仓014紧密相连。铺粉栅格031安装在粉料仓一021和粉料仓二022底部，粉料仓内的粉末可以通过落料口一023和落料口二024进入铺粉栅格031的两端，每个铺粉栅格031内都有一套小刮刀034。刮刀驱动电机032可以驱动刮刀驱动机构033，使得小刮刀034在铺粉栅格031内水平往复运动，小刮刀034将粉料仓一021和粉料仓二022内落下的粉末均匀地铺在铺粉栅格031内。料仓滑动底座025可以驱动粉料仓一021、粉料仓二022和铺粉栅格031在成型平台015上与铺粉方向垂直移动。

本发明装置运行时，在粉料仓一021和粉料仓二022内分别加入需要重量的粉末，粉末通过落料口一023和落料口二024进入铺粉栅格031两端，刮刀驱动电机032驱动刮刀驱动机构033带着小刮刀034，将落入铺粉栅格031一端的粉末均匀地铺设在铺粉栅格031内。铺粉完毕后，料仓滑动底座025驱动铺粉栅格031整体与铺粉方向垂直移动一个铺粉栅格031的距离，此时铺好的粉末正好位于栅格间隙内。高能束如激光等根据设置图形扫描栅格间隙内的粉末，将需要的区域进行烧结或熔化。在高能束扫描的同时，小刮刀034在铺粉栅格031内将另一端的粉末均匀地铺设在铺粉栅格031内部。高能束扫描结束后，升降导轨013根据程序设定将成型底板016下降一定高度，料仓滑动底座025驱动铺粉栅格031整体返回初始位置，此时铺设好的粉末正好位于铺粉栅格031中间间隙位置，而已经烧结或熔化的区域位于铺粉栅格031下方，高能束立即开始加工露出来的铺粉栅格031间粉末，同时刮刀驱动电机032驱动刮刀驱动机构033带着小刮刀034，将落入铺粉栅格031一端的粉末均匀地铺设在铺粉栅格031内。如此铺粉栅格031来回移动，高能束将铺粉栅格031间的粉末烧结或熔化，最终形成一个完成的工件。

本发明中铺粉栅格031可以根据成型仓014的大小进行调整，在成型面上均匀排布。每个铺粉栅格031内部均布置有小刮刀034。铺粉栅格031的外形为梯形结构，避免高能束在加工的时候作用在铺粉栅格031上。

本发明还提供了一种新的选区熔化工艺。传统的选区熔化是将工件模型进行切片，在烧结或熔化过程中整体铺粉，然后烧结或熔化，再铺粉再烧结或熔化。本发明将工件模型切片后进行阵列化处理，同一层内，先栅格化烧结或熔化一半的片层，同时铺粉，再移动铺粉栅格031，烧结或熔化另一半片层粉末，同时铺粉。相比整体铺粉结构，可以节省铺粉的时间。

Claims

1.一种多分区阵列式选区熔化制造设备，具有一个底座，其特征在于：所述底座上面通过支撑固定连接成型仓，所述成型仓内通过升降导轨连接成型底板，所述成型底板在升降导轨带动下可上下移动，所述成型仓上端设有成型平台，所述成型平台上面设有多个平行分布的铺粉栅格，将所述成型平台上的粉末成型区分成多个阵列式选粉区，所述铺粉栅格两端上面分别设有一个粉料仓，且铺粉栅格两端和其上的粉料仓分别通过料仓滑动底座与成型平台连接，由料仓滑动底座带动铺粉栅格和粉料仓在成型平台上沿铺粉方向垂直进行往复移动，形成多分区铺粉，高能束可在铺粉栅格中间进行打印，使铺粉和打印相对隔离；所述铺粉栅格内设有多个小刮刀，小刮刀通过刮刀驱动机构连接刮刀驱动电机，所述刮刀驱动电机通过刮刀驱动机构驱动小刮刀在铺粉栅格内往复运动，将粉末均匀地铺在铺粉栅格内。

2.根据权利要求1所述的多分区阵列式选区熔化制造设备，其特征在于：所述小刮刀的材质为不锈钢或碳纤维。

3.根据权利要求1所述的多分区阵列式选区熔化制造设备，其特征在于：所述刮刀驱动机构为链轮传动机构或同步带传动机构。

4.根据权利要求1所述的多分区阵列式选区熔化制造设备，其特征在于：所述铺粉栅格的横截面为梯形，与高能束加工角度保持一致，使铺粉和烧结不冲突，以获得最大的加工区间。

5.根据权利要求1所述的多分区阵列式选区熔化制造设备，其特征在于：所述高能束为激光或电子束。

6.一种采用权利要求1-5任一所述的多分区阵列式选区熔化制造设备的选区熔化工艺，其特征在于：首先，将需要打印的工件模型切片后进行阵列化处理分区，再打印铺粉栅格间铺好的粉末，同一层内，先栅格化烧结或熔化一半的片层，同时铺粉，然后将铺粉栅格移动后打印剩余的粉末，烧结或熔化另一半片层粉末，同时铺粉，逐层打印，形成需要的工件。

7.根据权利要求6所述的选区熔化工艺，其特征在于，具体步骤为：首先，在两个粉料仓内分别加入需要重量的粉末，粉末通过两个落料口分别进入铺粉栅格两端，刮刀驱动电机驱动刮刀驱动机构带动小刮刀，将落入铺粉栅格一端的粉末均匀地铺设在铺粉栅格内；铺粉完毕后，料仓滑动底座驱动铺粉栅格整体与铺粉方向垂直移动一个铺粉栅格的距离，使铺好的粉末正好位于铺粉栅格间隙内，高能束根据设置图形扫描铺粉栅格间隙内的粉末，将需要的区域进行烧结或熔化，在高能束扫描的同时，小刮刀在铺粉栅格内将另一端的粉末均匀地铺设在铺粉栅格内部；高能束扫描结束后，升降导轨根据程序设定将成型底板下降一定高度，料仓滑动底座驱动铺粉栅格整体返回初始位置，此时铺设好的粉末正好位于铺粉栅格中间间隙位置，而已经烧结或熔化的区域位于铺粉栅格下方，高能束立即开始加工露出来的铺粉栅格间粉末，同时刮刀驱动电机驱动刮刀驱动机构带动小刮刀，将落入铺粉栅格一端的粉末均匀地铺设在铺粉栅格内；如此铺粉栅格来回移动，高能束将铺粉栅格间的粉末烧结或熔化，最终形成一个完成的工件。