一种3D打印设备及打印方法与流程

本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种3D打印设备及打印方法。

背景技术：

3D打印技术是快速成型技术的一种，它是一种以三维模型为基础，运用金属粉末或者塑料等可粘合材料，通过逐层扫描，层层堆垛的方式来构造出立体三维零件的技术。该技术结合了CAD/CAM、光学、数控及材料科学等各类学科，应用领域非常广泛，在珠宝、医疗、鞋类、工业设计、建筑、航空航天、汽车、教育等都有应用前景。

目前针对金属材料3D打印工艺，SLM是主流工艺，SLM技术是在SLS基础上发展起来的，二者的基本原理类似。SLM技术需要使金属粉末完全熔化，直接成型金属件，因此需要高功率密度激光器激光束开始扫描前，水平铺粉辊先把金属粉末平铺到加工室的基板上，然后激光束将按当前层的轮廓信息选择性地熔化基板上的粉末，加工出当前层的轮廓，然后可升降系统下降一个图层厚度的距离，滚动铺粉辊再在已加工好的当前层上铺金属粉末，设备调入下一图层进行加工，如此层层加工，直到整个零件加工完毕。

在SLM增材制造过程中，铺粉过程是增材制造工艺的关键过程。金属粉末材料的可铺展性能对打印工艺及其重要。但目前对增材制造用金属粉末的性能检测仍然停留在传统的参数检测水平，利用传统粉末材料的检测手段进行表征，准确度不高，常导致实际打印出的制品的质量达不到预想标准。

申请人在研究过程中发现，在制品的打印过程中，每一层粉末的表面形貌对打印制品的性能影响巨大，某一层铺粉时造成的不均匀、缺陷会造成一个产品缺陷，而缺陷会进一步造成应力集中等影响，进而大幅度降低制品的性能。而现有的3D打印设备运行时，当某一层铺粉出现缺陷时，由于无法判断出铺粉层质量情况，一般会继续打印，影响产品的性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可监测打印过程中铺粉层平整度情况的3D打印设备及打印方法，以提高打印制品质量，实现更精细化的打印。

本发明的技术方案为：一种3D打印设备打印方法，包括如下步骤：

（1）铺一层粉末，获得粉末层；

（2）用表面形貌测量装置对步骤（1）中的粉末层进行表征，获取粉末层表面不平整度的表征参数H；

（3）将表征参数H与设定范围值进行比较；

（4）当表征参数H符合设定范围值要求时，进行打印；当参数H超出设定范围值时，停止打印，并反馈信息。

进一步地，反馈信息可以反馈给操作人员，操作人员根据需要采取进一步的补救措施或者调整参数或者重新打印。也可以反馈给操作系统，操作系统可以根据预定的处理方式进行继续处理。

进一步地，所述的表面不平整度的表征参数H为可以表征不平整程度大小的参数，优选为表征高度、深度、体积的参数，如其最大值、均值、方差。

进一步地，所述的表征参数H为粉末层表面不平整处的最高处高度H_max和最低处深度H_min的绝对值，或者，所述的表征参数H为粉末层表面不平整处的总体积，或者，所述的表征参数H为最大单个凸起/凹陷的体积。

其中，所述的不平整度的表征参数H的第一种方案为：

通过常规的高分辨率测距装置（如激光测距装置、光纤测距装置），激光测量装置位于测量点位的正上方，测量铺粉后铺粉仓表面N个位点，测得其相对于刮刀的刀锋所过面的相对高度的绝对值。其中，相对高度的绝对值即表面不平整度的表征参数H。相应的，操作人员可以根据实际需要设定合适的设定范围值，一般认为，相对高度的绝对值过高，对应处的缺陷体积越大，如果继续打印则会在此处留下缺陷，影响品质。操作人员可以根据实际需要，设定一个合适的范围值，如0～H₀（包含端点），当H小于H₀时，则表明此处的缺陷的大小是可以接受的，造成制品中的缺陷大小也是可以接受的，继续打印。反之，停止打印，并反馈。

其中，所述的不平整度的表征参数H的第二种方案为：

通过常规的高分辨率测距装置（如激光测距装置、光纤测距装置），如激光测量装置位于测量点位的正上方，测量铺粉后铺粉仓表面N个位点，测得N个点位相对于激光发射平面的高度H₁，H₂...H_N，计算得到H₁，H₂...H_N的平均值H_A，计算|H₁-H_A|，...,|H_N-H_A|,并获得计算出的一系列数据的最大值定为表征参数H。同样，操作人员可以根据实际需要，设定一个合适的范围值，如0～H₀（包含端点），当H小于H₀时，则表明此处的缺陷的大小是可以接受的，造成制品中的缺陷大小也是可以接受的，继续打印。反之，停止打印，并反馈。

其中，所述的不平整度的表征参数H的第三种方案为：

通过常规的高分辨率测距装置（如激光测距装置、光纤测距装置），如激光测量装置位于测量点位的正上方，测量铺粉后铺粉仓表面N个位点，测得N个点位相对于激光发射平面的高度H₁，H₂...H_N，计算得到H₁，H₂...H_N的平均值H_A，计算|H₁-H_A|，...,|H_N-H_A|，然后计算上述绝对值的平均值，并将之定为表征参数H。同样，操作人员可以根据实际需要，设定一个合适的范围值，如0～H₀（包含端点），当H小于H₀时，则表明此处的缺陷的大小是可以接受的，造成制品中的缺陷大小也是可以接受的，继续打印。反之，停止打印，并反馈。

其中，所述的不平整度的表征参数H的第四种方案为：

所述表面形貌测量装置为光学成像装置、激光成像装置或电子成像装置及配套的处理软件，所述的成像装置可以形成三维图像。并且可以通过相应配套的处理软件，计算三维图像中相对于刮刀挂过平面的不平整处的最大垂直凸起高度绝对值H_max和最低凹陷处深度绝对值H_min，并将其定为表面不平整度的表征参数H。相应的，操作人员可以根据实际需要设定合适的设定范围值，一般认为，相对高度的绝对值或者凹陷处深度绝对值越大，对应处的缺陷体积越大，如果继续打印则会在此处留下缺陷，影响品质。操作人员可以根据实际需要，设定一个合适的范围值，如0～H₀（包含端点），当H小于H₀时，则表明此处的缺陷的大小是可以接受的，造成制品中的缺陷大小也是可以接受的，继续打印。反之，停止打印，并反馈。

其中，所述的不平整度的表征参数H的第五种方案为：

所述表面形貌测量装置为光学成像装置、激光成像装置或电子成像装置及配套的处理软件，所述的成像装置可以形成三维图像。并且可以通过相应配套的处理软件，计算三维图像中相对于刮刀挂过平面的不平整处的最大垂直凸起大凹陷处的体积V_max，并将其定为表面不平整度的表征参数H。相应的，操作人员可以根据实际需要设定合适的设定范围值，一般认为，不平整处凸起/凹陷的体积越大，对应处的缺陷体积越大，如果继续打印则会在此处留下缺陷，影响品质。操作人员可以根据实际需要，设定一个合适的范围值，如0～H₀（包含端点），当H小于H₀时，则表明此处的缺陷的大小是可以接受的，造成制品中的缺陷大小也是可以接受的，继续打印。反之，停止打印，并反馈。

进一步地，步骤（3）中所述的设定范围值是操作人员根据实际的使用需要设定的值，其设定范围值与相应的表面不平整度的表征参数H对应，如表面不平整度的表征参数H为最大高度绝对值时，操作人员可以根据实际操作中获得的性能与H的关系，设定范围值（如0～最大值Ｈ_０），当H大于Ｈ_０时，则认为超出范围。

进一步地，步骤（4）中打印方法为SLS、SLM中的一种。

进一步地，步骤（4）中反馈的信息在3D打印设备的操作界面上显示，或者为声和/或光报警信号。

采用这样的打印方法，操作人员可以根据实际需要设定H₀的值后，进行打印，当铺粉层的平整度不符合要求时，停止打印，停止打印后可以进行后续的补救措施，然后继续打印，或者操作人员可以对打印工艺参数进行适当调整后继续打印，以获得性能优异的制品。

本发明还提供一种3D打印设备，包括密封的壳体，所述壳体内设置有铺粉装置，所述壳体内还设置有表面形貌测量装置；

还包括数据处理装置，用于对表面形貌测量装置获得的数据进行处理，获取粉末层表面不平整度的表征参数H，并将表征参数H与设定范围值进行比较；还包括数据反馈装置，用于接收数据处理装置的数据处理结果并反馈数据处理结果。

优选地，所述反馈装置与数据处理装置电连接。

进一步地，所述铺粉装置为刮刀铺粉装置或辊铺粉装置。

进一步地，所述表面形貌测量装置为三维成像装置或测距装置，三维成像装置可以获得三维图像中峰、谷的高度、深度、面积信息。

进一步地，所述表面形貌测量装置为光学成像装置、激光成像装置、电子成像装置中的一种。

进一步地，所述数据处理装置为单片机或计算机。

进一步地，所述数据反馈装置为显示装置、声和/或光报警装置中的一种或多种。

其中，数据处理装置可以为本领域常规的单片机、计算机等硬件及所包含的软件，数据处理装置对表面形貌表征数据进行处理，甄别数据，如粉末表面不平整处的最高处高度H_max和最低处深度H_min，并将数据通过反馈装置反馈给操作人员，操作人员根据反馈结果可对打印设备进行实时调节，如控制启闭、调整打印参数等等。操作人员可以根据需要，进行设定表面的形貌的最大的高、深值（H₀），当某一层的表面出现大于所述设定值H₀的不平整地时，数据处理装置控制反馈装置进行反馈。

本发明的3D打印设备及打印方法可以对打印过程中铺粉层的平整度进行实时监测，并将监测结果实时反馈出来，方便操作人员对打印工艺参数进行合理调整，避免铺粉不均匀所导致的产品缺陷，进而大幅度提高制品的性能。

附图说明

图1是本发明第一种实施方式的3D打印设备的俯视图。

图2是本发明第一种实施方式的3D打印设备的剖面结构示意图。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

本实施方式的3D打印设备，包括密封的壳体1，壳体1内设有与水平面平行的工作平台2，所述壳体1内设置有铺粉装置，所述铺粉装置的周围设置有表面形貌测量装置；还包括数据处理装置，用于对表面形貌测量装置获得的数据进行处理，获得粉末层表面不平整处的最高处高度H_max和最低处深度H_min，并与设定值H₀比较，所述数据处理装置与表面形貌测量装置电连接；还包括数据反馈装置，用于接收数据处理装置的数据处理结果并将数据处理结果反馈给操作人员，所述反馈装置与数据处理装置电连接。

其中，铺粉装置为刮刀铺粉装置，所述刮刀铺粉装置包括供粉平台301和铺粉平台303，供粉平台301和铺粉平台303均与工作平台2平行，所述供粉平台301和铺粉平台303的下方分别设置有供粉仓304和铺粉仓305，供粉仓304和铺粉仓305的顶部均开口，供粉仓304和铺粉仓305均固定在工作平台2上，供粉仓304和铺粉仓305的顶端面与工作平台2平齐，所述供粉平台301可沿供粉仓304上升，所述铺粉平台303可沿铺粉仓305上升或下降；所述供粉平台301上设有可将粉末刮至铺粉平台303上的刮粉机构302，所述刮粉机构302完成一次刮刀后可上升并返回至供粉平台301。工作平台2处于惰性气体保护状态。

表面形貌测量装置为激光成像装置，该激光成像装置包括激光器501和感应器502，所述激光器501设置于铺粉平台303的左侧，所述感应器502设置于铺粉平台303的右侧，且位于铺粉平台303与供粉平台301之间，所述的成像装置还包括计算机，以及相应的计算成像软件。数据处理装置对获得的三维图像中峰、谷的高度、深度、面积信息进行处理，分析获得粉末表面不平整处的最高处高度H_max和最低处深度H_min，并将数据通过反馈装置反馈给操作人员。

数据处理系统对获得的数据进行处理，获得粉末表面不平整处的最高处高度H_max和最低处深度H_min，并将数据通过反馈装置反馈给操作人员。

本实施方式的3D打印设备还包括用于测量铺粉装置铺设的粉末层密度的密度测量装置4，密度测量装置4包括体积测量装置和重量测量装置，密度测量装置4设置于铺粉仓305的下方，密度测量装置与数据处理装置电连接。

所述数据处理装置为单片机；数据反馈装置主要由显示装置和声光报警装置组成，显示装置用于显示实时监测数据，供操作人员参考，声光报警装置给予操作人员提示或警示。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。