一种铺粉装置及增材制造装置的制作方法

本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种铺粉装置及增材制造装置。

背景技术：

增材制造(3D打印)是一种通过连续熔合一个以上薄层的材料来构建三维物体的制造技术。粉床式增材制造是增材制造技术路线的一种，其基本的工艺步骤如下：三维模型储存在计算机中，并将模型进行分层，得到每一层的截面数据。粉末系统(装置)将粉末材料在工作平台上铺展成薄层，高能量密度的射线束(激光或电子束)在粉末层上扫描三维模型的一个截面；之后，工作平台下降一个粉末层厚度的距离，在工作平台上铺一层新的粉末，射线扫描三维模型的下一个截面；重复以上步骤，直至该三维物体制造完成。

目前增材制造装置大多是通过倾斜设置的刮刀实现对粉末材料的铺设，通常采用单向铺设粉末的方式进行铺粉，其过程为：刮刀向右铺设粉末，之后刮刀抬起向左返回，然后刮刀落下进行下一次的铺设粉末，这种方式存在着以下隐患：粉末层的厚度不均匀，总是一侧厚、一层薄。多层铺设粉末后，这种不均匀不断积累，可能导致粉床表面呈现一侧高、一侧低的斜坡形。单向铺设粉末时，刮刀的返回运动也造成了时间的浪费，降低了铺粉效率。

申请号为201610408732.3的中国专利公开了一种增材制造装置，在铺粉平台上方设有竖直设置的刮刀，且该刮刀可沿水平方向以及竖直方向移动，通过上述刮刀，实现了增材制造装置的双向铺设粉末，但是上述刮刀沿水平方向铺设一层粉末并运动至成形缸一侧的放置材料处后，需要上升一定距离，然后越过该放置材料处再下降，随后再沿水平方向铺设另一层粉末。该种方式在进行双向铺粉时，刮刀需要进行上升、水平运动和下降运动，同样会造成时间的浪费，导致增材制造装置的铺粉效率依旧不高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种铺粉装置及增材制造装置，解决了现有增材制造装置存在的铺粉效率过低的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种铺粉装置，包括铺粉平台，位于铺粉平台两侧上方且放有粉末材料的料斗，还包括设置于铺粉平台上的刮刀，所述刮刀竖直设置且沿水平方向可移动，所述刮刀上设有连通铺粉平台的放置腔，所述料斗内的粉末材料输送至所述放置腔内，并由所述刮刀带动移动。

作为优选，所述刮刀包括两组竖直且平行设置的刀片，以及连接两组刀片的连接结构，两组刀片之间形成所述放置腔。

作为优选，所述连接结构连接有水平移动机构，所述水平移动机构连接于控制机构，用于带动所述连接结构以及刀片沿水平方向移动。

作为优选，还包括粉末输送机构，所述粉末输送机构连接于所述料斗，用于将料斗内的粉末材料输送至放置腔内。

作为优选，所述粉末输送机构包括连接在所述料斗下方的平板，以及设置在平板一端的振动器，所述振动器连接于所述控制机构，所述料斗内的粉末材料置于平板上。

本发明通过上述铺粉装置，将刮刀竖直设置且沿水平方向可移动，能够实现粉末材料的双向铺设，而且在刮刀上设有放置腔，粉末材料置于该放置腔内，相对于现有的双向铺粉的增材制造装置，本发明的刮刀无需上升、水平和下降运动，只需往复水平移动即可完成双向铺粉，避免了时间的浪费，有效地提高了铺粉效率。

本发明还提供一种增材制造装置，包括上述的铺粉装置。

作为优选，还包括：

成形室，所述铺粉装置位于成形室内；

成形缸，密封的安装于所述铺粉装置的铺粉平台上，且其缸体上端面与铺粉平台平齐。

作为优选，所述成形室内设有检测装置，所述铺粉平台上开设有位于成形缸两侧的若干通孔，刮刀铺设粉末材料时，部分粉末材料落入通孔，所述检测装置对落入通孔内的粉末材料的量进行检测。

作为优选，所述检测装置包括一端连通于所述通孔的管道，位于管道另一端的回收盒，以及位于所述回收盒下方的称重传感器。

作为优选，所述检测装置包括一端连通于所述通孔的管道，位于管道另一端的回收盒，以及位于管道上的接近开关。

本发明的增材制造装置包括上述铺粉装置，能够提高铺粉效率，且避免了粉末材料的浪费。

附图说明

图1是本发明铺粉装置的结构示意图；

图2是本发明的刮刀的结构示意图；

图3是本发明实施例一的增材制造装置的结构示意图；

图4-7是本发明实施例一的增材制造装置进行铺粉时的状态示意图；

图8是本发明实施例二的增材制造装置的结构示意图；

图9是本发明实施例三的增材制造装置的结构示意图。

图中：

1、成形室；2、成形缸；3、检测装置；4、射线发生装置；11、铺粉平台；12、料斗；13、刮刀；14、放置腔；15、平板；16、振动器；21、缸体；22、活塞；31、管道；32、回收盒；33、称重传感器；33a、接近开关；111、通孔；131、刀片；132、连接结构。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

本实施例提供一种铺粉装置，如图1所示，该铺粉装置包括铺粉平台11、料斗12、粉末输送机构(图中未示出)以及刮刀13，其中料斗12内放置有粉末材料，其设置在铺粉平台11两侧上方，粉末输送机构位于料斗12下方，且连接于料斗12，用于将料斗12内的粉末材料输送至铺粉平台11上。刮刀13设置在铺粉平台11上且可沿水平方向移动，用于对粉末材料的铺设。

本实施例中，可参照图1和图2上述刮刀13竖直设置，其包括两组竖直且平行设置的刀片131，以及连接两组刀片131的连接结构132，上述两组刀片131之间形成有放置腔14，该放置腔14连通铺粉平台11设置，料斗12内的粉末材料由粉末输送机构输送至该放置腔14内，并由刮刀13带动移动，并在移动的过程中，由刀片131将粉末材料铺设。

具体的，每组刀片131均垂直于铺粉平台11设置，且每组刀片131包括一个或多个重叠设置且呈梳子状的金属薄片，且每个金属薄片均竖直设置。将金属薄片设置为梳子状结构，其上的梳齿可以承受一定的变形。本实施例中，优选的将相邻的两个金属薄片错开一定距离设置，且使其中一个金属薄片的梳齿挡设于另外一个金属薄片的梳齿缝隙处，进而在进行铺设粉末材料时，能够确保粉末材料不会从金属薄片的梳齿缝隙处漏出并大量遗留在铺粉平台11上。

本实施例的上述刮刀13连接有水平移动机构(图中未示出)，该水平移动机构用于带动所述连接结构132以及刀片131沿水平方向移动，上述水平移动机构连接于控制机构(图中未示出)，其为现有技术，只要能够满足带动刮刀13沿水平方向移动即可。例如可以通过电机带动链条、皮带或者齿轮-齿条机构，再由链条、皮带或齿轮-齿条机构带动刮刀13水平移动。

上述粉末输送机构包括连接在料斗12下方的平板15，以及设置在平板15一端的振动器16，上述振动器16连接于控制机构，平板15可在振动器16的驱动下振动，使粉末材料从料斗12中流出，并置于平板15上，且随着平板15的振动，其上的粉末材料会离开平板15，掉落在上述放置腔14内。

本实施例中，上述粉末材料的输送量是通过控制平板15的振动时间来调整的，通常平板15振动时单位时间内输送的粉末量是一定的，因此，平板15振动时间越长，输送的粉末材料的量越大；反之，输送的粉末材料的量越小。

上述振动器16可以为超声波振动器，通过超声波振动实现平板15的振动，更为精准的控制平板15上的粉末材料的输送量。也可以是其他振动设备，例如振动电机等。

可以理解的是，本实施例的上述粉末输送机构并非仅限于平板15和振动器16的结构，也可以是其他例如机械开关、阀门等能够实现输送料斗12内的粉末材料的结构。

本实施例的铺粉装置在使用时，以图1的左侧位置开始铺设粉末材料为例，首先通过振动器16带动平板15振动，进而使得左侧的料斗12内的粉末材料经由平板15落在刮刀13的放置腔14内，随后由刮刀13进行铺粉，刮刀13在水平移动机构的带动下将放置腔14内的粉末材料向右侧铺设，当刮刀13水平移动到右侧的料斗12下方时停止运动，此时右侧的料斗12内的粉末材料经由平板15落在刮刀13的放置腔14内，随后刮刀13在水平移动机构的带动下将放置腔14内剩余的粉末材料以及新增的粉末材料一起向左侧铺设，完成双向铺设粉末过程，相对于现有的单向铺设粉末，本实施例的上述铺粉装置使得粉末层的厚度更加均匀，且提高了铺粉效率。而且在刮刀13上设有放置腔14，粉末材料置于该放置腔14内，相对于现有的双向铺粉的增材制造装置，本实施例的刮刀13只需水平移动即可完成双向铺粉，避免了粉末材料的浪费，有效地提高了铺粉效率。

本实施例还提供一种增材制造装置，如图3所示，该增材制造装置包括上述铺粉装置，还包括成形室1，上述铺粉装置位于成形室1内，上述成形室1内为真空环境，具体可以通过旋片泵、分子泵、真空计等构成的真空系统，抽走真空室中空气，获得真空环境。

在成形室1内设有成形缸2，该成形缸2密封的安装于铺粉装置的铺粉平台11上，具体的该成形缸2包括缸体21以及设于缸体21内且上下移动的活塞22，其中缸体21的上端面与铺粉平台11平齐且密闭的连接于铺粉平台11，上述两个料斗12对称设于缸体21的两侧，刮刀13将铺粉平台11上的粉末材料平铺在活塞22的顶部，具体是铺满活塞22顶部与缸体21形成的空间，并使粉末材料形成粉末薄层。本实施例中，刮刀13横跨整个缸体21，以保证铺设在活塞22上的粉末材料能够形成所需的粉末薄层。

在成形室1的顶部设有射线发生装置4，该射线发生装置4位于成形缸2的上方，并产生熔化粉末材料的射线，对铺设好的粉末薄层进行扫描、熔化。

本实施例中，射线发生装置4产生的射线可以为电子束，此时成形室1内部为真空状态，电子束的加速电压为60kV，功率最大3kW。成形室1通过上述真空系统维持0.001-1Pa的压力。粉末材料可以是纯金属或金属合金，如钛合金、钛、铝合金、铝、钛铝合金、36L不锈钢、Co-Cr合金等，粉末粒径范围10-150微米。也可以将电子束改变为激光束，将成形室1内的真空环境替换为惰性气体保护环境，粉末材料不限于金属，可以是尼龙、高分子材料等非金属材料。

下面对本实施例的上述增材制造装置的粉末分配过程加以阐述说明：

首先，如图4所示，成形缸2的活塞22下降等于一个粉末薄层的层厚的距离，随后刮刀13停留在成形缸2的左侧，左侧的料斗12下的平板15在振动器16的驱动下振动，平板15上的粉末材料被输送落入刮刀13的放置腔14内。

之后如图5所示，刮刀13通过水平移动机构驱动向右运动，并通过其刀片131对粉末材料进行铺设，使粉末材料铺满活塞22顶部与缸体21形成的空间，并使粉末材料形成粉末薄层。直至刮刀13运动至成形缸2右侧的料斗12下方后，刮刀13停止运动，此时刮刀13的放置腔14内会剩余部分粉末材料(以保证铺设粉末层的完整性)。至此完成一层粉末材料的铺设，并通过射线发生装置4进行粉末材料的熔化。

随后如图6所示，此时，上一层粉末材料已被射线熔化，成形缸2的活塞22再次下降一个粉末薄层的层厚的距离，右侧的料斗12下方的平板15在振动器16的驱动下振动，平板15上的粉末材料被输送落入刮刀13的放置腔14内。

之后如图7所示，刮刀13通过水平移动机构驱动向左运动，并通过其刀片131对粉末材料进行铺设，使粉末材料铺满活塞22顶部与缸体21形成的空间，并使粉末材料形成粉末薄层。直至刮刀13运动至成形缸2左侧的料斗12下方后，刮刀13停止运动，至此完成第二层粉末材料的铺设，并通过射线发生装置4进行粉末材料的熔化。

之后循环上述图4-7的步骤，直至整个产品打印成型。

需要说明的是，上述图4-7的步骤中，在每一层粉末材料的铺设过程中，刮刀13只铺设粉末一次即可完成一次粉末薄层的铺设。但是可以理解的是，本实施例在一层粉末材料的铺设过程中，刮刀13也可以多次铺设粉末来完成一次粉末薄层的铺设，以增强铺粉效果。具体的，在刮刀13完成一次从左到右或从右到左的运动后，刮刀13的放置腔14内一般还会有剩余的粉末材料。若需要增强铺粉效果，可以进行第二次铺设粉末，具体的，右侧料斗12的平板15在振动器16驱动下振动，粉末离开平板15、被输送到刮刀13的放置腔14内。刮刀13向左或向右运动，将上一层剩余的粉末材料和新输送的粉末材料一起刮走。刮刀13运动至成形缸2左侧或右侧后，刮刀13的放置腔14内一般还会有剩余的粉末材料，还可以进行下一次铺设粉末。一般而言，一个粉末薄层的铺设可以进行2-3次粉末铺设。之后，在粉末薄层被射线熔化后，进行下一层粉末材料的铺设。

实施例二

本实施例在实施例一的增材制造装置的基础上增设了检测装置3，具体的，如图8所示，该检测装置3设置在成形室1内，且对称设于成形缸2的两侧。在本实施例中，在铺粉平台11上开设有位于成形缸2两侧的若干通孔111，刮刀13铺设粉末材料时，部分粉末材料会落入通孔111内，检测装置3则对落入通孔111内的粉末材料的量进行检测，并根据检测到的结果对下一次输送的粉末材料的量进行调整，以避免粉末材料的浪费。

具体的，上述检测装置3包括一端连通于通孔111的管道31，位于管道31另一端的回收盒32，以及位于回收盒32下方且连接于控制机构的称重传感器33。通过回收盒32对落入通孔111内的粉末材料进行回收利用，通过称重传感器33对每次铺粉时落入回收盒32内的粉末材料的重量进行检测。本实施例中，上述管道31倾斜设置，以便于落入通孔111内的粉末材料顺利的落入回收盒32内。

本实施例的上述检测装置3的检测过程如下：

在进行一次粉末的铺设时，以从左至右铺设粉末为例，刮刀13依次经过成形缸2左侧、右侧的通孔111，部分粉末材料会掉入通孔111，并经过管道31进入回收盒32，称重传感器33可以测量出左侧的回收盒32中的粉末增加量△m_L以及右侧的回收盒32中的粉末增加量△m_R。以铺粉过程中后落入通孔111的粉末增加量为主(即以粉末增加量△m_R为主)，将△m_R与预设区间的上限值以及下限值进行比较，当△m_R低于预设区间的下限值时，下一次粉末材料输送时平板15振动的时间应当增加，以增加粉末材料的输送量；当△m_R高于预设区间的上限值时，下一次粉末材料输送时平板15振动的时间应当减小，以减少粉末材料的输送量。需要说明的是，本实施例的上述△m_L同样可以作为粉末材料的量的检测，其原理与通过△m_R进行检测的原理一致，不再赘述。相应的，可以理解的是，本实施例还可以综合△m_L以及△m_R共同对粉末材料的量进行检测，以使得检测结果更加准确。

实施例三

本实施例与实施例二的区别在于检测装置3的结构不同，具体的，可参照图9，本实施例的检测装置3包括一端连通于通孔111的管道31，位于管道31另一端的回收盒32，以及位于管道31上的接近开关33a。本实施例通过接近开关33a进行粉末材料的量的检测，具体的，粉末材料经过管道31时，会遮挡接近开关33a，接近开关33a会产生脉冲信号，落入通孔111内的粉末材料的量越大，流过管道31的时间越长，遮挡接近开关33a的时间越久，脉冲的宽度也就越大。

本实施例的上述检测装置3的检测过程如下：

在进行一次粉末铺设时，以从左至右铺设粉末为例，刮刀13依次经过成形缸2左侧、右侧的通孔111，部分粉末材料会掉入通孔111，并经过管道31进入回收盒32。此时，分别经过左右两侧管道31的粉末材料会使左侧、右侧的接近开关33a分别产生脉冲信号的宽度为W_L以及W_R。以铺粉过程中后落入通孔111的粉末材料使接近开关33a产生的脉冲信号的宽度为主(即以W_R为主)，将W_R与预设信号区间的上限值以及下限值进行比较，当W_R低于预设信号区间的下限值时，下一次粉末材料输送时平板15振动的时间应当增加，以增加粉末材料的输送量；当W_R高于预设信号区间的上限值时，下一次粉末材料输送时平板15振动的时间应当减小，以减少粉末材料的输送量。需要说明的是，本实施例的上述W_L同样可以作为粉末材料的量的检测，其原理与通过W_R进行检测的原理一致，不再赘述。相应的，可以理解的是，本实施例还可以综合W_R以及W_L共同对粉末材料的量进行检测，以使得检测结果更加准确。

本实施例中，也可以通过多组光产生装置和光强感应装置的结构来代替接近开关33a，具体的，光产生装置和光强感应装置设置在管道31上，从通孔111落入的粉末材料会从光产生装置和光强感应装置之间掉落，当没有粉末材料经过时，光强感应装置测得的光强度是恒定的，当有粉末材料经过时，光线会被部分或全部遮挡，光强感应装置测得光强度有所变化，会形成一个脉冲信号，并将脉冲信号发送给上述控制机构，由控制机构进行处理。由于上述光强感应装置设置为多个，因此会向控制机构发送多个脉冲信号，此时控制机构会取上述多个脉冲信号的平均值或者最值作为粉末余量的判断依据，即控制机构会根据上述平均值或者最值计算出粉末余量的大小，当粉末余量过少或为零，说明粉末材料很有可能不够、不足以完全覆盖成形缸2上方的空间，下一次粉末材料输送时平板15振动的时间应当增加，以增加粉末材料的输送量；当粉末余量过多，说明粉末材输送量过大，下一次粉末材料输送时平板14振动的时间应当减小，以减少粉末材料的输送量。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。