用于三维打印系统的粉末混合装置和三维打印系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于三维打印系统的粉末混合装置和具有所述粉末混合装置的三维打印系统。所述粉末混合装置包括：多个粉末供给装置，每个粉末供给装置包括：粉末储存箱，粉末储存箱内具有容纳腔，粉末储存箱上设有与容纳腔连通的出料口；振动板，振动板设在出料口的下方且与出料口相对以便接收从出料口流出的粉末；和振动源，振动源与振动板相连；粉末接收箱，粉末接收箱内具有上端敞开的接料腔，粉末接收箱在接料位置与卸料位置之间可移动地设在多个粉末供给装置的振动板的下方，在接料位置接料腔与多个粉末供给装置的振动板相对；以及驱动件，驱动件与粉末接收箱相连。所述粉末混合装置具有粉末供给有效、稳定、粉末混合均匀等优点。
【专利说明】用于三维打印系统的粉末混合装置和三维打印系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于三维打印系统的粉末混合装置，还涉及一种具有所述粉末混合装置的三维打印系统。
【背景技术】
[0002]利用激光或电子束扫描固化预置的粉末层、逐层制造三维物体的三维打印技术是一种新型的制造技术。典型的三维打印工艺有激光选区熔化和电子束选区熔化，其基本的工艺步骤包括:利用粉末供应与铺平系统将粉末材料在工作平台上铺展成薄层，然后激光或电子束在粉末上移动，选择性烧结或熔化粉末材料。以上步骤不断重复直至整个三维物体制造完成。现有的三维打印系统获得的三维物体的材料性质单一。
【发明内容】
[0003]本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种用于三维打印系统的粉末混合装置。
[0004]本发明的另一个目的在于提出一种具有所述用于三维打印系统的粉末混合装置的三维打印系统。
[0005]为了实现上述目的，根据本发明第一方面的实施例提出一种用于三维打印系统的粉末混合装置，所述用于三维打印系统的粉末混合装置包括:多个粉末供给装置，每个所述粉末供给装置包括:粉末储存箱，所述粉末储存箱内具有容纳腔，所述粉末储存箱上设有与所述容纳腔连通的出料口 ；振动板，所述振动板设在所述出料口的下方且与所述出料口相对以便接收从所述出料口流出的粉末；和振动源，所述振动源与所述振动板相连以便带动所述振动板振动；粉末接收箱，所述粉末接收箱内具有上端敞开的接料腔，所述粉末接收箱在接料位置与卸料位置之间可移动地设在多个所述粉末供给装置的振动板的下方，其中在所述接料位置所述接料腔与多个所述粉末供给装置的振动板相对以便接收粉末；以及驱动件，所述驱动件与所述粉末接收箱相连以便驱动所述粉末接收箱在所述接料位置与所述卸料位置之间移动。
[0006]根据本发明实施例的用于三维打印系统的粉末混合装置通过设置多个所述粉末供给装置且每个所述粉末供给装置设置位于所述出料口的下方的振动板和与所述振动板相连的振动源，从而可以有效地、稳定地向所述三维打印系统的工作平台输送多种粉末。因此，根据本发明实施例的用于三维打印系统的粉末混合装置具有粉末供给有效、稳定、粉末混合均勻等优点。
[0007]另外，根据本发明实施例的用于三维打印系统的粉末混合装置还可以具有如下附加的技术特征:
[0008]根据本发明的一个实施例，所述容纳腔的下端敞开且所述粉末储存箱设在所述振动板的上表面上，其中所述粉末储存箱的第一侧板与所述振动板之间限定出所述出料口。由此不仅可以使所述粉末储存箱的结构更加简单，所述粉末供给装置的结构更加合理，而且可以使粉末更加稳定地流到所述振动板上，并且可以充分地利用所述容纳腔内的粉末。
[0009]根据本发明的一个实施例，所述粉末储存箱的第二侧板包括竖直部和倾斜部，所述倾斜部的上沿与所述竖直部的下沿相连，所述倾斜部从所述竖直部向下向内延伸，其中所述粉末储存箱的第二侧板与所述粉末储存箱的第一侧板相对。通过使与所述出料口相对的第二侧板的下部(所述倾斜部)倾斜设置，可以使所述容纳腔内的粉末更加容易地、快速地从所述出料口流出所述容纳腔。
[0010]根据本发明的一个实施例，所述粉末供给装置还包括挡板，所述挡板可上下移动地设在所述粉末储存箱的第一侧板上以便改变所述出料口的大小。通过在所述粉末储存箱的第一侧板上设置可上下移动的挡板，从而不仅可以改变粉末从所述出料口流出的距离，而且可以改变粉末的供给速率，因此可以通过调节所述挡板的高度(即通过在上下方向上移动所述挡板)，获得各种类型的粉末所需要的粉末供给速率。
[0011]根据本发明的一个实施例，所述用于三维打印系统的粉末混合装置还包括称重传感器，所述粉末接收箱在所述接料位置与所述卸料位置之间可移动地设在所述称重传感器上，以便测量所述接料腔内的粉末的重量。通过将所述粉末接收箱设置在所述称重传感器上，从而可以利用所述粉末混合装置供给预定重量的混合粉末。
[0012]根据本发明的一个实施例，所述用于三维打印系统的粉末混合装置还包括:支撑件，所述支撑件适于设在工作平台的上表面上，所述称重传感器的一端设在所述支撑件上，所述称重传感器适于与所述工作平台在上下方向上间隔开；和称重平台，所述称重平台设在所述称重传感器的另一端上，所述粉末接收箱在所述接料位置与所述卸料位置之间可移动地设在所述称重平台上。由此可以使所述粉末混合装置的结构更加合理。
[0013]根据本发明的一个实施例，所述用于三维打印系统的粉末混合装置还包括控制器，所述控制器与所述称重传感器、所述驱动件和多个所述粉末供给装置的振动源相连以便控制所述驱动件打开和关闭以及根据所述称重传感器的粉末重量检测值控制所述振动源的打开和关闭。由此可以极大地提高所述粉末混合装置的自动化程度。
[0014]根据本发明的一个实施例，所述粉末的粒径为10微米-150微米。
[0015]根据本发明第二方面的实施例提出一种三维打印系统，所述三维打印系统包括:粉末混合装置，所述粉末混合装置为根据本发明第一方面所述的用于三维打印系统的粉末混合装置；工作平台，所述工作平台设在所述粉末接收箱的下方以便接收从所述粉末接收箱倒出的粉末；成形缸，所述成形缸包括缸体和可上下移动地设在所述缸体内的活塞，其中所述缸体与所述工作平台相连，所述缸体的上表面与所述工作平台的上表面平齐；和用于将所述工作平台上的粉末铺平到所述缸体内的粉末铺平装置。
[0016]根据本发明实施例的三维打印系统通过设置根据本发明第一方面所述的粉末混合装置，从而具有粉末供给有效、稳定、粉末混合均匀等优点。
[0017]根据本发明的一个实施例，所述粉末铺平装置包括:第一导轨和第二导轨，所述第一导轨和所述第二导轨间隔开地设在所述工作平台的上表面上，其中所述第一导轨的下表面的第一部分和所述第二导轨的下表面的第一部分均与所述工作平台在上下方向上间隔开；滑动件；梳子，所述梳子倾斜地设在所述滑动件上，所述梳子的下沿与所述工作平台的上表面接触；第一滚轮和第二滚轮，所述第一滚轮设在所述梳子的第一侧，所述第二滚轮设在所述梳子的第二侧；驱动器，所述驱动器与所述滑动件相连以便通过所述滑动件带动所述梳子在初始位置与终止位置之间移动，其中所述梳子在从所述初始位置向所述终止位置时，所述第一滚轮与所述第一导轨的下表面的第一部分接触，所述第二滚轮与所述第二导轨的下表面的第一部分接触。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0019]图1是根据本发明实施例的三维打印系统的结构示意图；
[0020]图2是根据本发明实施例的三维打印系统的粉末供给装置的结构示意图；
[0021]图3是图2中的A区域的放大图；
[0022]图4是根据本发明实施例的三维打印系统的粉末供给装置的工作状态图；
[0023]图5是图4中的B区域的放大图；
[0024]图6是根据本发明实施例的三维打印系统的粉末混合装置的局部结构示意图；
[0025]图7是根据本发明实施例的三维打印系统的粉末混合装置的工作状态图；
[0026]图8是根据本发明实施例的三维打印系统的粉末混合装置的工作状态图；
[0027]图9是根据本发明实施例的三维打印系统的粉末铺平装置的结构示意图；
[0028]图10是根据本发明实施例的三维打印系统的粉末铺平装置的结构示意图；
[0029]图11是根据本发明实施例的三维打印系统的粉末铺平装置的结构示意图；
[0030]图12是根据本发明实施例的三维打印系统的粉末铺平装置的结构示意图；
[0031]图13是根据本发明实施例的三维打印系统的粉末铺平装置的梳子的局部结构示意图；
[0032]图14是根据本发明实施例的三维打印系统的粉末铺平装置的梳子的局部结构示意图；
[0033]图15是根据本发明实施例的三维打印系统的粉末铺平装置的梳子的结构示意图；
[0034]图16是根据本发明实施例的三维打印系统的硬件框图；
[0035]图17是根据本发明实施例的三维打印系统的粉末混合装置的工作流程图；
[0036]图18是根据本发明实施例的三维打印系统的工作流程图。
【具体实施方式】
[0037]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0038]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0039]在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0040]下面参考图1-图15描述根据本发明实施例的三维打印系统I。如图1-图15所示，根据本发明实施例的三维打印系统I包括粉末混合装置10、工作平台20、成形缸30和用于将工作平台20上的粉末铺平到缸体301内的粉末铺平装置40。
[0041]首先参考图1-图8描述根据本发明实施例的用于三维打印系统I的粉末混合装置10。如图1-图8所示，根据本发明实施例的用于三维打印系统I的粉末混合装置10包括多个粉末供给装置100、粉末接收箱104和驱动件113。
[0042]每个粉末供给装置100包括粉末储存箱101、振动板102和振动源103。粉末储存箱101内具有容纳腔1011，粉末储存箱101上设有与容纳腔1011连通的出料口 1012。振动板102设在出料口 1012的下方，且振动板102与出料口 1012相对以便接收从出料口 1012流出的粉末。振动源103与振动板102相连以便带动振动板102振动。其中，上下方向如图1-图13和图15中的箭头C所示。
[0043]粉末接收箱104内具有上端敞开的接料腔1041，粉末接收箱104在接料位置与卸料位置之间可移动地设在多个粉末供给装置100的振动板102的下方，其中在所述接料位置接料腔1041与多个粉末供给装置100的振动板102相对以便接收粉末。也就是说，在所述接料位置接料腔1041与每个粉末供给装置100的振动板102均相对。驱动件113与粉末接收箱104相连以便驱动粉末接收箱104在所述接料位置与所述卸料位置之间移动。
[0044]其中，工作平台20设在粉末接收箱104的下方以便接收从粉末接收箱104倒出的粉末。成形缸30包括缸体301和可上下移动地设在缸体301内的活塞302，其中缸体301与工作平台20相连，缸体301的上表面与工作平台20的上表面平齐。
[0045]下面参考图1-图8描述根据本发明实施例的用于三维打印系统I的粉末混合装置10的工作过程。首先，将多种待供给的粉末一一对应地输送到多个粉末储存箱101的容纳腔1011内(如图2所示)。也就是说，每个粉末供给装置100可以用于供给一种粉末。容纳腔1011内的粉末在自身的重力作用下有向下流动的趋势，并且部分粉末从出料口 1012流出容纳腔1011并堆积在振动板102上。振动板102上的粉末受到振动板102的约束，以便形成静止角为α的粉末堆(如图3所示)。其中，该静止角是指粉末在平面(振动板102)上自然堆积时形成的圆锥形的母线与平面的夹角。该静止角α的大小取决于粉末的流动性、粉末的材料类型、粉末的颗粒尺寸分布、粉末的颗粒形状等因素。
[0046]然后，振动源103启动以便带动振动板102振动，多个粉末供给装置100的振动源103可以同时启动，也可以不同时启动，还可以依次启动。当振动板102振动时，振动板102上的粉末向振动板102的边缘移动(此时粉末堆不再保持静止角，如图5所示)。最终,粉末从振动板102的边缘振落，并落入到位于所述接料位置的粉末接收箱104的接料腔1041内(如图4所示)。
[0047]然后，驱动件113可以驱动粉末接收箱104从所述接料位置向所述卸料位置移动，但是粉末接收箱104并不移动到所述卸料位置以便防止接料腔1041内的粉末被倾倒出。具体地，驱动件113可以驱动粉末接收箱104在所述接料位置与中间位置之间移动以便将接料腔1041内的多种粉末混合均匀，所述中间位置位于所述接料位置与所述卸料位置之间。
[0048]最后，驱动件113驱动粉末接收箱104从所述接料位置移动到所述卸料位置，以便将接料腔1041内的混合均匀的粉末倾倒在工作平台20上。也就是说，三维打印系统I的工作平台20可以位于粉末接收箱104的下方以便接收从接料腔1041倒出的粉末。
[0049]根据本发明实施例的用于三维打印系统I的粉末混合装置10通过设置多个粉末供给装置100且每个粉末供给装置100设置位于出料口 1012的下方的振动板102和与振动板102相连的振动源103，从而可以有效地、稳定地向三维打印系统I的工作平台20输送多种粉末。因此，根据本发明实施例的用于三维打印系统I的粉末混合装置10具有粉末供给有效、稳定、粉末混合均匀等优点。
[0050]根据本发明实施例的三维打印系统I通过设置粉末混合装置10，从而具有粉末供给有效、稳定、粉末混合均匀等优点。
[0051]具体地，粉末的粒径可以是10微米-150微米。优选地，粉末的粒径可以是10微米-100微米。进一步优选地,粉末的粒径可以是20微米-50微米。更优选地,粉末的粒径可以是30微米-40微米。粉末可以是金属粉末、塑料粉末、陶瓷粉末等。
[0052]如图1、图2和图4所示，在本发明的一些实施例中，容纳腔1011的下端可以敞开，且粉末储存箱101可以设在振动板102的上表面上。其中，粉末储存箱101的第一侧板1013与振动板102之间可以限定出出料口 1012。换言之，第一侧板1013可以位于振动板102的上方以便在第一侧板1013与振动板102之间限定出出料口 1012。由此不仅可以使粉末储存箱101的结构更加简单，粉末供给装置100的结构更加合理，而且可以使粉末更加稳定地流到振动板102上，并且可以充分地利用容纳腔1011内的粉末。
[0053]具体地，出料口 1012可以邻近振动板102的第一端，在所述接料位置接料腔1041可以与多个振动板102的第一端相对以便接收从多个振动板102的第一端振落的粉末。换言之，在所述接料位置接料腔1041可以与每个振动板102的第一端都相对以便接收从每个振动板102的第一端振落的粉末。由此可以更加快速地将粉末供给到接料腔1041内。振动板102可以水平设置。
[0054]有利地，如图1、图2和图4所示，容纳腔1011的上端可以敞开以便形成进料口，粉末可以从容纳腔1011的上端输送到容纳腔1011内。
[0055]如图1、图2和图4所示，在本发明的一个实施例中，粉末储存箱101的第二侧板1014包括可以竖直部10141和倾斜部10142，倾斜部10142的上沿可以与竖直部10141的下沿相连，倾斜部10142可以从竖直部10141向下向内延伸。换言之，倾斜部10142的上沿可以与竖直部10141的下沿相连，倾斜部10142的下沿可以向下向内延伸。
[0056]其中，粉末储存箱101的第二侧板1014与粉末储存箱101的第一侧板1013相对。也就是说，第二侧板1014与出料口 1012相对。粉末储存箱101的内外方向如图2和图4中的箭头D所示。通过使与出料口 1012相对的第二侧板1014的下部(倾斜部10142)倾斜设置，可以使容纳腔1011内的粉末更加容易地、快速地从出料口 1012流出容纳腔1011。[0057]如图1、图2和图4所示，粉末供给装置100还可以包括安装板114，安装板114可以设在粉末储存箱101上，振动源103可以安装在安装板114上。由此可以更加方便地、容易地对振动源103进行安装，且可以使振动源103安装的更加稳固。具体地，安装板114可以安装在第二侧板1014的倾斜部10142上。
[0058]在本发明的一个具体示例中，如图1、图2和图4所示，粉末供给装置100还可以包括挡板105，挡板105可以可上下移动地设在粉末储存箱101的第一侧板1013上以便改变出料口 1012的大小。也就是说，当想改变出料口 1012的大小时，可以在上下方向上移动挡板105，以便改变出料口 1012的被挡板105遮挡住的部分的大小。当挡板105的下沿不低于第一侧板1013的下沿时，出料口 1012最大，即整个出料口 1012都敞开。当挡板105的下沿与振动板102接触时，出料口 1012全部被挡板105遮挡，即出料口 1012处于关闭状态。
[0059]此外，通过改变挡板105的高度，即改变挡板105与振动板102之间的距离，可以改变粉末从出料口 1012流出的距离。挡板105的高度越大(挡板105与振动板102之间的距离越大，即出料口 1012的开口越大)，粉末从出料口 1012流出的距离越长。
[0060]对于一种确定的粉末(即粉末的材料是确定的)，其供给速率受挡板105的高度的影响，挡板105的高度越大，该粉末从容纳腔1011流到振动板102的速率越大，即该粉末的供给速率越大。此外，粉末的供给速率还受到振动源103的振幅的影响，即粉末的供给速率还受到振动板102的振幅的影响，振动源103的振幅越大，粉末的供给速率越大。如果要使用另外一种类型的粉末，可以简单地通过调节挡板105的高度、振动源103的振幅来获得所需要的粉末供给速率。
[0061]也就是说，通过在粉末储存箱101的第一侧板1013上设置可上下移动的挡板105，从而不仅可以改变粉末从出料口 1012流出的距离，而且可以改变粉末的供给速率，因此可以通过调节挡板105的高度(即通过在上下方向上移动挡板105)，获得各种类型的粉末所需要的粉末供给速率。
[0062]有利地，粉末接收箱104在所述接料位置与所述卸料位置之间可枢转地设在振动板102的下方。由此不仅可以更加方便地、容易地将接料腔1041内的粉末倾倒在工作平台20上，而且可以使多种粉末在接料腔1041内混合的更加均匀。具体而言，粉末接收箱104在所述接料位置与所述中间位置之间往复枢转5-10次可以获得比较均匀的混合效果。
[0063]如图1、图2和图4所示，在本发明的一些示例中，用于三维打印系统I的粉末混合装置10还可以包括称重传感器106，粉末接收箱104在所述接料位置与所述卸料位置之间可移动地设在称重传感器106上，以便测量接料腔1041内的粉末的重量。通过将粉末接收箱104设置在称重传感器106上，从而可以利用粉末混合装置10供给预定重量的混合粉末。
[0064]有利地，如图1、图2和图4所示，用于三维打印系统I的粉末混合装置10还可以包括支撑件107和称重平台108。支撑件107可以设在工作平台20的上表面201上，称重传感器106的一端可以设在支撑件107上,称重传感器106可以与工作平台20在上下方向上间隔开。换言之，称重传感器106可以位于工作平台20的上方。称重平台108可以设在称重传感器106的另一端上，粉末接收箱104在所述接料位置与所述卸料位置之间可移动地设在称重平台108上。也就是说，粉末接收箱104通过称重平台108在所述接料位置与所述卸料位置之间可移动地设在称重传感器106上。由此可以使粉末混合装置10的结构更加合理。
[0065]在本发明的一个示例中，用于三维打印系统I的粉末混合装置10还可以包括控制器109，控制器109与称重传感器106、驱动件113和多个粉末供给装置100的振动源103相连以便控制驱动件113打开和关闭以及根据称重传感器106的粉末重量检测值控制多个粉末供给装置100的振动源103的打开和关闭。由此可以极大地提高粉末混合装置10的自动化程度。换言之，所述控制器与每个粉末供给装置100的振动源103均相连。
[0066]图16为根据本发明实施例的三维打印系统I的硬件框图。如图16所示，振动源103通过开关110与电源111连接，控制器109 (例如计算机)与开关110连接，并可以向开关Iio发送信号使开关Iio合上与断开。称重传感器106与A/D转换器112连接，A/D转换器112与控制器109连接，并将称重传感器106的检测数据发送给控制器109采集。驱动件113与粉末接收箱104连接，并为粉末接收箱104提供动力。控制器109与驱动件113连接，并向驱动件113发送信号使驱动件113带动粉末接收箱104转动。
[0067]驱动器50可以与粉末铺平装置40的滑动件403连接以便通过滑动件403带动粉末铺平装置40的梳子404铺平粉末。控制器109与驱动器50连接，并向驱动器50发送信号使驱动器50带动粉末铺平装置40运动。驱动器60通过活塞杆303与活塞302相连(驱动器60通过运动副与活塞杆303连接)。控制器109与驱动器60连接，并向驱动器60发送信号使驱动器60带动活塞302上下运动。
[0068]下面参考图17描述根据本发明实施例的三维打印系统I的粉末混合装置10的工作过程。
[0069]首先，控制器109采集A/D转换器112的数据，记下初始重量GO。然后，控制器109向开关110发送指令，使开关110合上，一个粉末供给装置100的振动源103振动，该振动板102上的粉末落入粉末接收箱104的接料腔1041内。控制器109采集A/D转换器112的数据，记下当前重量Gl。如果Gl-GO小于设定的供给量G，则控制器109继续采集数据。如果Gl-GO大于或等于设定的供给量G，控制器109向开关110发送指令，使开关110断开，停止粉末的供应。
[0070]当向接料腔1041内供给第二种粉末时，控制器109控制另一个粉末供给装置100的振动源103振动。重复上述过程，以便完成将多种粉末供给到接料腔1041内的过程。然后，控制器109向驱动件113发送信号，使粉末接收箱104在所述接料位置与所述中间位置之间往复枢转以便将接料腔1041内的多种粉末混合均匀。最后，控制器109向驱动件113发送信号，使粉末接收箱104转过一定角度(即粉末接收箱104枢转到所述卸料位置)，以便将粉末倾倒在工作平台20上。这样完成了一次粉末供给。
[0071]其中，粉末供给精度主要取决于称重传感器106的灵敏度以及A/D转换器112的分辨率，可以根据实际情况选择。
[0072]成形缸30可以是已知的，且成形缸30与工作平台20可以通过已知的方式相连，这与本发明的发明点无关，在此不再详细地描述。如图1所示，在本发明的一个具体示例中，工作平台20上可以设有沿上下方向贯通工作平台20的容纳孔202，成形缸30的上端可以容纳在容纳孔202内。
[0073]下面以所需的粉末为两种为例，参考图18描述根据本发明实施例的三维打印系统I的工作过程。初始i=l，表示从第I层开始成形。控制器109计算第i层所需要的A粉末的重量和B粉末的重量。计算式如下:
[0074]GA=k P AgVspace η λ a
[0075]GB=kpBgVspacen λΒ
[0076]式中Pa为A粉末的实体密度，Pb SB粉末的实体密度，g为重力加速度，Vsp为缸体301的上部的空间304的体积(当i=l时，Vspace为缸体301的位于活塞302上方的空间304的体积)，η为混合粉末在自然堆积下的致密度，λ Α和λ Β分别为A粉末和B粉末在这一层中所占的体积分数，其中λΑ+λΒ=1。k为粉末重量的裕度，因为很难保证粉末恰好填充空间304，因此需要留出一定余量，以便保证混合粉末能够将空间304填满。具体地，k=l.1-1.2。
[0077]随着层数i的增加，不断改变入4和λΒ的值。例如，在第I层，λΑ=1, λΒ=0，随着层数i的增加，λ A逐层减小，λ B逐层增大。在最后一层，λΑ=0，Ab=10这样就可以获得具有材料梯度的三维物体。
[0078]通过上述方式将A粉末和B粉末供给到接料腔1041内，然后将混合均匀的A粉末和B粉末的混合粉末供给到工作平台20上。然后利用粉末铺平装置40将混合粉末铺平到空间304内。利用激光或电子束扫描粉末层,使相应截面内的粉末熔化，以便完成第i层的成形。接着，驱动器60通过活塞杆303带动活塞302下降一个粉末层的高度，并重复上述过程，以便对第i+Ι层进行成形。
[0079]在对所有层进行成形后，就可以在成形缸30内得到具有材料梯度的三维物体。
[0080]粉末铺平装置40可以位于工作平台20的上方。
[0081]下面参考图9-图15描述根据本发明实施例的用于三维打印系统I的粉末铺平装置40。如图9-图15所示，根据本发明实施例的用于三维打印系统的粉末铺平装置40包括第一导轨401、第二导轨402、滑动件403、梳子404、第一滚轮405、第二滚轮406和驱动器50。
[0082]第一导轨401和第二导轨402间隔开地设在工作平台20的上表面201上，其中第一导轨401的下表面的第一部分和第二导轨402的下表面的第一部分均与工作平台20在上下方向上间隔开。梳子404倾斜地设在滑动件403上，梳子404的下沿与工作平台20的上表面201接触以便对工作平台20的上表面201上的粉末进行铺平。换言之，梳子404相对工作平台20的上表面201倾斜设置，即梳子404与工作平台20的上表面201的夹角α大于O度且小于等于90度。也就是说，梳子404倾斜地设在滑动件403上是指:梳子404相对于工作平台20的上表面201来说是倾斜的，即梳子404相对工作平台20的上表面201倾斜地设在滑动件403上。
[0083]第一滚轮405设在梳子404的第一侧，第二滚轮406设在梳子404的第二侧。驱动器50与滑动件403相连以便通过滑动件403带动梳子404在初始位置与终止位置之间移动。其中，梳子404在从所述初始位置向所述终止位置移动时，第一滚轮405与第一导轨401的下表面的所述第一部分接触，第二滚轮406与第二导轨402的下表面的所述第一部分接触。
[0084]下面参考图9-图12描述根据本发明实施例的用于三维打印系统I的粉末铺平装置40的工作过程。在图9中，粉末铺平装置40位于所述初始位置。当需要对工作平台20的上表面201上的粉末2 (由粉末混合装置10供给的混合粉末)进行铺平时，驱动器50通过滑动件403带动梳子404从所述初始位置向所述终止位置移动(图9中的箭头示出了梳子404的移动方向)。由于梳子404的下沿与工作平台20的上表面201接触，因此可以将工作平台20的上表面201上的粉末2铺平(铺平后的粉末2如图10所示)。
[0085]具体而言，三维打印系统可以包括成形缸，所述成形缸可以包括缸体和可上下移动地设在所述缸体内的活塞，其中所述缸体与工作平台20相连，所述缸体的上表面与工作平台20的上表面平齐。所述成形缸可以是已知的，且所述成形缸与工作平台20可以通过已知的方式相连，这与本发明的发明点无关，在此不再详细地描述。在本发明的一个具体示例中，工作平台20上可以设有沿上下方向贯通工作平台20的容纳孔202，所述成形缸的上端可以容纳在容纳孔202内。
[0086]由于梳子404相对工作平台20的上表面201倾斜设置，因此可以极大地减小梳子404的梳齿在刮过不平整的表面时的变形应力，从而可以降低梳子404的梳齿发生不可恢复的变形或折断的风险，由此可以使铺平过程能够顺利地进行，不会被打断。
[0087]而且，在铺平粉末时，由于设在梳子404上的第一滚轮405和第二滚轮406以第一导轨401的下表面的所述第一部分和第二导轨402的下表面的所述第一部分为参考面滚动，并且粉末2不能在第一导轨401的下表面的所述第一部分和第二导轨402的下表面的所述第一部分上积累，因此可以保证该参考面的恒定。而且，当梳子404刮过障碍时，第一导轨401和第二导轨402向梳子404产生向下的压紧力，从而保证梳子404可以完全依靠梳齿的弹性变形越过障碍。由于该参考面可以保持恒定，因此梳子404不会被整体抬升，从而不会导致没有障碍的地方的粉末层变厚，即可以使铺平得到的粉末层的厚度保持一致。
[0088]根据本发明实施例的用于三维打印系统I的粉末铺平装置40通过将梳子404倾斜地设在滑动件403上，从而可以极大地减小梳子404的梳齿在刮过不平整的表面时的变形应力，进而可以降低梳子404的梳齿发生不可恢复的变形或折断的风险。而且，由于第一滚轮405和第二滚轮406在保持恒定的参考面上移动，因此可以使铺平得到的粉末层的厚度保持一致。因此，根据本发明实施例的用于三维打印系统I的粉末铺平装置40具有铺平效果好、铺平效率高、不易损坏、使用寿命长等优点。
[0089]理论计算表明，梳子404与工作平台20的上表面201的夹角α越小，梳子404的梳齿在越过同样高度的障碍时的最大应力值越小。例如，当夹角α为65度时，梳子404的梳齿越过0.2晕米闻的障碍时，梳子404的梳齿所受:的最大应力值为梳子404垂直设在工作平台20的上表面201 (即梳子404垂直于工作平台20的上表面201)时梳齿所受的最大应力值的13.4%，梳子404的梳齿越过0.6毫米高的障碍时，梳子404的梳齿所受的最大应力值为梳子404垂直设在工作平台20的上表面201时梳齿所受的最大应力值的3L 8%。
[0090]有利地，梳子404与工作平台20的上表面201的夹角α可以是45度-85度。由此可以进一步减小梳子404的梳齿越过障碍时的最大应力值，进一步降低梳子404的梳齿发生不可恢复的变形或折断的风险。
[0091]进一步有利地，梳子404与工作平台20的上表面201的夹角α可以是65度。由此可以进一步减小梳子404的梳齿越过障碍时的最大应力值，进一步降低梳子404的梳齿发生不可恢复的变形或折断的风险。
[0092]如图9-图12所示，在本发明的一些实施例中，梳子404可以可枢转地设在滑动件403上，粉末铺平装置40还可以包括调节件407，调节件407可以可移动地设在滑动件403上，且调节件407可以与梳子404接触以便调节梳子404与工作平台20的上表面201的夹角α的大小。由此可以使粉末铺平装置40的结构更加合理，并且可以进一步提高铺平效果和铺平效率，进一步延长粉末铺平装置40的使用寿命。
[0093]有利地，滑动件403上可以设有螺纹孔，调节件407可以螺纹配合在螺纹孔内，调节件407的端部可以穿过螺纹孔且与梳子404接触。由此可以使粉末铺平装置40的结构更加合理，并且可以更加容易地、精确地调节梳子404与工作平台20的上表面201的夹角α的大小。
[0094]下面以梳子404在左右方向上移动为例，描述利用调节件407调节梳子404与工作平台20的上表面201的夹角α的大小的过程，其中左右方向如图9-图12中的箭头E所示。梳子404的主体位于滑动件403的左侧，且梳子404位于调节件407的左侧，调节件407的左端可以穿过螺纹孔且调节件407的左端可以与梳子404接触。当需要增大梳子404与工作平台20的上表面201的夹角α时，可以旋转调节件407以便使调节件407向右移动。当需要减小梳子404与工作平台20的上表面201的夹角α时，可以旋转调节件407以便使调节件407向左移动。
[0095]如图9-图12所示，在本发明的一个实施例中，用于三维打印系统的粉末铺平装置40还包括第一楔形块408、第二楔形块409、第一翻板410和第二翻板411。第一楔形块408可以具有第一斜面4081，第二楔形块409可以具有第二斜面4091。第一翻板410可以可枢转地设在第一导轨401的远离所述初始位置的端部(例如第一导轨401的右端)且第一翻板410的远离第一导轨401的端面(例如第一翻板410的右端面)可以是第三斜面4101。
[0096]第二翻板411可以可枢转地设在第二导轨402的远离所述初始位置的端部(例如第二导轨402的右端)且第二翻板411的远离第二导轨402的端面(例如第二翻板411的右端面)可以是第四斜面4111。其中，第三斜面4101可以支撑在第一斜面4081上，第四斜面4111可以支撑在第二斜面4091上。在对粉末2进行铺平时，梳子404从所述初始位置向第一导轨401的远离所述初始位置的端部和第二导轨402的远离所述初始位置的端部移动。
[0097]梳子404铺平粉末2后继续向所述终止位置移动，当第一滚轮405移动至第一斜面4081且第二滚轮406移动至第二斜面4091后，第一滚轮405沿第一斜面4081且第二滚轮406沿第二斜面4091向上移动，并且第一滚轮405可以顶开第一翻板410且第二滚轮406可以顶开第二翻板411 (如图10所示)。如图11所示，当第一滚轮405移动到第一楔形块408的上表面4082且第二滚轮406移动到第二楔形块409的上表面4092时，梳子404位于所述终止位置，第一翻板410和第二翻板411恢复原状。此时，梳子404被向上抬升了一段距离，且梳子404不再与工作平台20的上表面201接触。
[0098]然后，驱动器50可以带动梳子404从所述终止位置向所述初始位置移动，第一滚轮405依次经过第一楔形块408的上表面4082、第一翻板410的上表面4102和第一导轨401的上表面4013，第二滚轮406依次经过第二楔形块409的上表面4092、第二翻板411的上表面4112和第二导轨402的上表面4021。最后，第一滚轮405从第一导轨401的上表面4013上滚落且第二滚轮406从第二导轨402的上表面4021上滚轮，此时梳子404回到所述初始位置。
[0099]如果梳子404在工作平台20的上表面201上进行回程移动，即梳子404在工作平台20的上表面201上从所述终止位置移动到所述初始位置，则梳子404容易顶住不平整的表面，导致梳子404产生大变形甚至折断。因此，通过设置第一翻板410、第二翻板411、第一楔形块408和第二楔形块409,从而在梳子404从所述终止位置移动到所述初始位置时无需与工作平台20的上表面201接触，由此可以防止梳子404产生大变形甚至折断。
[0100]有利地，第一斜面4081可以平行于第三斜面4101 (第一翻板410未被顶起时)，第二斜面4091可以平行于第四斜面4111 (第二翻板411未被顶起时)。
[0101]如图9-图12所不，第一翻板410的上表面4102可以邻近第一导轨401的上表面4013和第一楔形块408的上表面4082，第一翻板410的下表面可以邻近第一导轨401的下表面。第一翻板410的上表面4102、第一导轨401的上表面4013和第一楔形块408的上表面4082可以平齐，第一翻板410的下表面可以与第一导轨401的下表面平齐。
[0102]第二翻板411的上表面4112可以邻近第二导轨402的上表面4021和第二楔形块409的上表面4092，第二翻板411的下表面可以邻近第二导轨402的下表面。第二翻板411的上表面4112、第二导轨402的上表面4021和第二楔形块409的上表面4092可以平齐，第二翻板411的下表面可以与第二导轨402的下表面平齐。由此可以使粉末铺平装置40的结构更加合理，第一滚轮405和第二滚轮406在移动过程中更加平稳。
[0103]如图9-图12和图15所示，在本发明的一些示例中，梳子404可以包括本体4041、第一枢转轴4042、第二枢转轴4043、第三枢转轴4044和第一铺平部4045。本体4041可以倾斜地设在滑动件403上，本体4041可以与调节件407接触。第一枢转轴4042可以设在本体4041上，且第一枢转轴4042可以可旋转地安装在滑动件403上。第二枢转轴4043可以设在本体4041的第一侧，第三枢转轴4044可以设在本体4041的第二侧，本体4041的第一侧与本体4041的第二侧可以相对。第一滚轮405可以安装在第二枢转轴4043上，第二滚轮406可以安装在第三枢转轴4044上。第一铺平部4045可以设在本体4041上，第一铺平部4045上可以间隔开地设有多个第一梳齿40451，每个第一梳齿40451的下沿可以与工作平台20的上表面201接触。每个第一梳齿40451相对工作平台20的上表面201倾斜地设置。由此可以使梳子404的结构更加合理。
[0104]第一枢转轴4042可以是两个，一个第一枢转轴4042可以设在本体4041的第一侧上，另一个第一枢转轴4042可以设在本体4041的第二侧上。
[0105]有利地，本体4041可以是平板状，第一铺平部4045可以是平板状，且第一铺平部4045可以平行于本体4041。本体4041和第一铺平部4045都可以相对工作平台20的上表面201倾斜地设置。
[0106]在本发明的一个示例中，如图13和图14所示，梳子404还可以包括第二铺平部4046，第二铺平部4046可以设在本体4041上，第二铺平部4046可以相对第一铺平部4045远离所述初始位置。具体地，第二铺平部4046可以位于第一铺平部4045的右侧。其中，第二铺平部4046上可以间隔开地设有多个第二梳齿40461，每个第二梳齿40461的下沿可以与工作平台20的上表面201间隔预定距离。
[0107]通过在本体4041上设置第二铺平部4046且第二铺平部4046的第二梳齿40461的下沿与工作平台20的上表面201间隔预定距离，从而可以利用第二铺平部4046先对粉末2进行初步铺平，即可以将粉末2的推力分散到第一铺平部4045和第二铺平部4046上，由此可以减小梳子404变形的风险。[0108]有利地，第二铺平部4046可以是平板状，且第二铺平部4046可以平行于第一铺平部4045和本体4041。由此可以使梳子404的结构更加合理。本体4041、第一铺平部4045和第二铺平部4046都可以相对工作平台20的上表面201倾斜地设置。每个第二梳齿40461的下沿与工作平台20的上表面201之间的距离可以大于O且小于等于I毫米。优选地，每个第二梳齿40461的下沿与工作平台20的上表面201之间的距离可以是0.2毫米。
[0109]如图14所示，第一铺平部4045和第二铺平部4046可以采用弹性较好的材料制成，并利用线切割加工出等间距的槽，以便形成一列第一梳齿40451和一列第二梳齿40461。每个第一梳齿40451的宽度可以是I毫米，每个第二梳齿40461的宽度可以是I毫米。
[0110]第一铺平部4045和第二铺平部4046的厚度可以根据材料而定，一般在0.1毫米-1毫米。有利地，第一铺平部4045和第二铺平部4046都可以由弹簧钢支撑，第一铺平部4045的厚度和第二铺平部4046的厚度都可以是0.4毫米。
[0111]如图13和图14所示，有利地，第二铺平部4046可以平行于第一铺平部4045。由此可以使梳子404的结构更加合理。
[0112]在本发明的一个具体示例中，如图14所示，相邻两个第二梳齿40461之间的间隙在梳子404的移动方向(例如左右方向)上可以与第一梳齿40451相对。换言之,第一铺平部4045与第二铺平部4046可以错开设置。当第二铺平部4046刮过粉末2时，会有粉末2从相邻两个第二梳齿40461之间的间隙中漏出。由于该间隙与第一梳齿40451相对，因此第一梳齿40451可以将漏出的粉末2刮平，由此可以进一步提高粉末铺平装置40的铺平效果O
[0113]如图9-图12所示，第一导轨401和第二导轨402中的每一个可以包括导轨部4011和支撑部4012。支撑部4012可以设在工作平台20的上表面201上，导轨部4011可以设在支撑部4012上，且导轨部4011可以位于工作平台20的上方。也就是说，导轨部4011的下表面与工作平台20在上下方向上间隔开。
[0114]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0115]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
【权利要求】
1.一种用于三维打印系统的粉末混合装置，其特征在于，包括: 多个粉末供给装置，每个所述粉末供给装置包括: 粉末储存箱，所述粉末储存箱内具有容纳腔，所述粉末储存箱上设有与所述容纳腔连通的出料口； 振动板，所述振动板设在所述出料口的下方且与所述出料口相对以便接收从所述出料口流出的粉末；和 振动源，所述振动源与所述振动板相连以便带动所述振动板振动； 粉末接收箱，所述粉末接收箱内具有上端敞开的接料腔，所述粉末接收箱在接料位置与卸料位置之间可移动地设在多个所述粉末供给装置的振动板的下方，其中在所述接料位置所述接料腔与多个所述粉末供给装置的振动板相对以便接收粉末；以及 驱动件，所述驱动件与所述粉末接收箱相连以便驱动所述粉末接收箱在所述接料位置与所述卸料位置之间移动。
2.根据权利要求1所述的用于三维打印系统的粉末混合装置，其特征在于，所述容纳腔的下端敞开且所述粉末储存箱设在所述振动板的上表面上，其中所述粉末储存箱的第一侧板与所述振动板之间限定出所述出料口。
3.根据权利要求2所述的用于三维打印系统的粉末混合装置，其特征在于，所述粉末储存箱的第二侧板包括竖直部和倾斜部，所述倾斜部的上沿与所述竖直部的下沿相连，所述倾斜部从所述竖直部向下向内延伸，其中所述粉末储存箱的第二侧板与所述粉末储存箱的第一侧板相对。
4.根据权利要求2所述的用于三维打印系统的粉末混合装置，其特征在于，所述粉末供给装置还包括挡板，所述挡板可上下移动地设在所述粉末储存箱的第一侧板上以便改变所述出料口的大小。
5.根据权利要求1所述的用于三维打印系统的粉末混合装置，其特征在于，还包括称重传感器，所述粉末接收箱在所述接料位置与所述卸料位置之间可移动地设在所述称重传感器上，以便测量所述接料腔内的粉末的重量。
6.根据权利要求5所述的用于三维打印系统的粉末混合装置，其特征在于，还包括: 支撑件，所述支撑件适于设在工作平台的上表面上，所述称重传感器的一端设在所述支撑件上，所述称重传感器适于与所述工作平台在上下方向上间隔开；和 称重平台，所述称重平台设在所述称重传感器的另一端上，所述粉末接收箱在所述接料位置与所述卸料位置之间可移动地设在所述称重平台上。
7.根据权利要求6所述的用于三维打印系统的粉末混合装置，其特征在于，还包括控制器，所述控制器与所述称重传感器、所述驱动件和多个所述粉末供给装置的振动源相连以便控制所述驱动件打开和关闭以及根据所述称重传感器的粉末重量检测值控制所述振动源的打开和关闭。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的用于三维打印系统的粉末混合装置，其特征在于，所述粉末的粒径为10微米-150微米。
9.一种三维打印系统，其特征在于，包括: 粉末混合装置，所述粉末混合装置为根据权利要求1-8中任一项所述的用于三维打印系统的粉末混合装置；工作平台，所述工作平台设在所述粉末接收箱的下方以便接收从所述粉末接收箱倒出的粉末； 成形缸，所述成形缸包括缸体和可上下移动地设在所述缸体内的活塞，其中所述缸体与所述工作平台相连，所述缸体的上表面与所述工作平台的上表面平齐；和 用于将所述工作平台上的粉末铺平到所述缸体内的粉末铺平装置。
10.根据权利要求9所述的三维打印系统，其特征在于，所述粉末铺平装置包括: 第一导轨和第二导轨，所述第一导轨和所述第二导轨间隔开地设在所述工作平台的上表面上，其中所述第一导轨的下表面的第一部分和所述第二导轨的下表面的第一部分均与所述工作平台在上下方向上间隔开； 滑动件； 梳子，所述梳子倾斜地设在所述滑动件上，所述梳子的下沿与所述工作平台的上表面接触； 第一滚轮和第二滚轮，所述第一滚轮设在所述梳子的第一侧，所述第二滚轮设在所述梳子的第二侧； 驱动器，所述驱动器与所述滑动件相连以便通过所述滑动件带动所述梳子在初始位置与终止位置之间移动，其中所述梳子在从所述初始位置向所述终止位置时，所述第一滚轮与所述第一导轨的下表面的第一部分接触，所述第二滚轮与所述第二导轨的下表面的第一部分接触。
【文档编号】B22F3/115GK103737932SQ201410007083
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月7日 优先权日:2014年1月7日
【发明者】林峰, 郭超, 张峻, 张磊, 张婷, 姚睿 申请人:清华大学