粉末3D打印专用融合微梳铺粉法及铺粉装置的制作方法

[技术领域]

本发明属于机械技术领域，确切的讲是激光烧结及喷粘式3d打印专用一种快速的逐层铺粉的方法。

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背景技术：
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目前，粉末激光逐层烧结及粉末逐层粘接的3d打印机越来越作为工业加工的一种重要手段，而铺粉技术及装置直接影响工件的打印速度与打印质量，现有的粉末3d打印机的铺粉装置大多为设置能够升降的活塞仓式储粉及上落粉式供粉装置，这样的铺粉装置都是将粉收集或落到平直刮粉片的前面，堆积成有着几十层的铺层厚度的丘状条形的粉体堆，之后需要刮粉片(也称刮刀)平推粉堆将粉铺匀，由于绝对不能扰动上一层已经打印(烧结或粘结)好的成型物件结构，粉堆过高时或铺粉速度过快时都可能位移成型仓的浅部的没有牢固根基的微小成型构造，而不得不降低刮刀速度，相对较薄的精细打印更为严重，对于中等打印尺面的成型机，这一过程要长达甚至40秒-2分钟，造成铺粉速度的极大缓慢，效率较低。

技术背景详述：三维印刷技术(3dp，three-dimensionalprinting)主要为粉末粘结成型。3dp的具体工艺为：在每一层粘结完毕后，成型缸下降一个距离(等于层厚)，供粉缸上升一段高度，推出多余粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。喷头在计算机控制下，按照下一个截面的二维几何信息进行运动，有选择地喷射粘结剂，最终构成层面。原理和打印机非常相似，即为三维打印这一名称的由来。铺粉辊铺粉时多余的粉末被粉末收集装置收集。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结，从而生产制品。

3dp技术较为成熟。1989年，美国麻省理工学院的emanualsachs等人申请了3dp专利，该专利是非成形材料微滴喷射成形范畴的核心专利之一。采用3dp技术的厂商，主要是zcorporation公司(3dsystems2011年收购)、ex-one公司和日本rikoninstituto等，zprinter、r系列三维打印机为主。2000年以色列objectgeometries(stratasys2012年收购)推出基于结合3dink-jet与sla工艺的打印设备quadra。3dp打印设备能使用的材料比较多，包括石膏、塑料、陶瓷和金属等，而且还可以打印彩色零件，能够形成内部具备复杂形状的零件。此类打印机通过多碰头和喷嘴来提高速度。国内方面，目前清华大学、西安交通大学、上海大学等也在积极研发。3dp成型速度快，可做彩色原型。3dp技术成型速度快，成型材料价格低，适合做桌面型的快速成型设备。同时，由于在粘结剂中添加颜料，可以制作彩色原型，这是该工艺最具竞争力的特点之一。整个成型过程不需要支撑，多余粉末的去除比较方便，特别适合于做内腔复杂的原型。当然，由于3dp成型件强度较低，只能做概念型模型，而不能做功能性试验件。3dp技术在国外的家电、汽车、航空航天、船舶、工业设计、医疗等领域已得到了较为广泛的应用。目前市场上主流的全彩3d人像打印多采用3dp技术。

金属3d打印sls技术是3d打印体系中最为前沿和最具潜力的技术。随着科技发展及推广应用的需求，利用快速成型直接制造金属功能零件成为了快速成型主要的发展方向。目前可用于直接制造金属功能零件的快速成型方法主要有：激光净成形(lens，laserengineerednetshaping)、选择性激光烧结(sls，selectivelasersintering)和选择性激光熔化(slm，selectivelasermelting，slm)、直接金属激光烧结(dmls，directmetallasersintering)和电子束熔化技术(ebm，electronbeammelting)等。sls技术是以激光器为能量源，通过激光束使粉末均匀地烧结在加工平面上。在工作台上均匀铺上一层很薄(亚毫米级)的粉未作为原料，激光束在计算机的控制下，通过扫描器以一定的速度和能量密度按分层面的二维数据扫描。经过激光束扫描后，相应位置的粉末就烧结成一定厚度的实体片层，未扫描的地方仍然保持松散的粉末状。这一层扫描完毕，随后需要对下一层进行扫描。如此反复，直至扫描完所有层面。去掉多余粉末，并经过打磨、烘干等适当的后处理，即可获得零件。sls技术适用于复杂零件制造。sls技术最早于1989年由德克萨斯大学奥斯丁分销的carldeckard和joebeaman提出，后来两人成立了dtm公司，并于1992年开始sls商业化产品sintersation。2001年，3dsystems公司收购了dtm，完成了技术整合。sls可处理的原料包括塑料粉末(尼龙、聚苯乙烯、聚碳酸酯等，直接激光烧结)、金属粉末(工艺分直接法、间接法和双组员法)、陶瓷粉末(需使用粘结剂，包括无机粘结剂、有机粘结剂和金属粘结剂)。sls已成功应用于汽车、造船、航天和航空等诸多行业。除dtm公司外，德国eos公司也开发了相应的系列成型设备。在国内，如华中科技大学、南京航空航天大学、西北工业大学、华北工学院和北京隆源自动成型有限公司等,也取得了许多重大成果，如南京航空航天大学研制的rap-i型激光烧结快速成型系统、北京隆源自动成型有限公司开发的afs-300激光快速成型设备等。sls目前已成功应用于汽车、造船、航天和航空等诸多行业，主要涉及快速原型制造、快速模具和工具制造以及小批量生产等环节。

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技术实现要素：
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本发明的目的：

就在于为了解决上述问题，改善：铺粉速度极慢、结构复杂及效率较低等缺陷。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的:

包括：融合落粉过程、微梳铺粉过程及辊压过程(辊压可以选择使用)。

融合落粉过程：

主要构造为：融合供粉辊、落粉片、供粉电机及储粉仓等；融合落粉过程为：供粉电机及带动融合供粉辊转动通过自身融合凹槽空间将储粉仓内的存粉带到底部、由于携带粉末的融合凹槽在接触落粉片时是密闭空间，这样粉的自身推力将落粉片推开，粉就落下；落粉片的数量与融合凹槽的凹槽组数量一样多，同一组凹槽分布在同一圆周上，且凹槽数量2个或2个以上；另一组则分布在另一圆周上，且凹槽数量相同也是2个或2个以上；所有凹槽的位置关系：沿着融合供粉辊的轴线方向来看，2组依次首尾重合，分为重合区及单凹槽区；所谓融合凹槽的截面的特征是:凹槽的截面积在非重合的区域是不变的且截面积相同，在重合区域渐变递减直至到零，也就是凹槽的深度在重合区逐渐递减为零；在非重合区域是单槽—单落粉片排粉，在重合区域是双槽—双落粉片同时排粉，排粉的数量等于双落粉片排粉之和，由于在由单凹槽排粉过度到双凹槽排粉的过程中，一个凹槽的截面积线性减少的同时另一个凹槽的截面积线形增加，刚好补偿减少，维持总体排量不变。因而在理论上获得了绝对的线性的排粉输出，这在容积类变容泵技术中是绝无仅有的！，这样就形成了1个粉量可控的均匀落粉的落粉区域。

落粉片的另一个作用是在融合供粉辊停止转动时，恢复弹力将使得落粉片封锁融合凹槽的截面，瞬间止住粉料的下落；落粉经由漏斗落在成型缸内，形成多条条状分布粉体矮墙，该矮墙的中分线恰好与梳状刮粉片的齿状前沿所运行的直线轨迹相重合，为梳理推平做好准备。

*进一步，上述的均匀落粉区域在同一个融合供粉辊上可以设置多个，每一个均匀落粉区域含有凹槽组数量是2组、4组等偶数组，成对出现，每1对必须具有上述的融合特征。

*进一步，凹槽截面的形状：可以是梯形、矩形、弧形的，最佳是下窄上宽的形状，当与当与落粉片的下窄上宽形状的接触点滑动配合时，具有自己补偿作用，磨损不影响配合间隙，对密封的影响很小。

微梳铺粉过程：

分为除溢粉铺粉过程或留溢粉铺粉过程：

除溢粉铺粉过程----对成型缸进行选择性落粉或均匀性落粉之后、再使用具有铲状外形并加工有齿状前沿的梳状刮粉片进行刮粉及同时扫除溢粉区域所堆积的粉末的过程；铲状外形的齿状前沿将有利于减少粉堆对刮粉片的阻力，这一点类似于船的头部的分水作用，对成型仓深部的机械干扰也很小，可以大大的提高铺粉速度。

留溢粉铺粉过程----对成型缸进行选择性落粉或均匀性落粉之后、再使用具有铲状外形并加工有齿状前沿的梳状刮粉片进行刮粉的过程，或直接使用平直刮粉片铺粉，平直刮粉片是目前使用最多的刮板形状之一；融合落粉过程将能良好的控制粉量及均匀性，使得平直刮粉片前面不会堆积过量的粉料，而减少对已铺设的粉层的扰动，提高落粉高度或加以机械震荡或漏斗的落粉通道的表面处加有凸柱体以打乱粉的下落，使其尽量均匀落在的平直刮粉片前方。

当上述各铺粉过程(仅仅是一个铺粉周期的一部分)完成之后，再进行激光烧结成型或喷胶粘结成型过程后该周期结束；然后成型缸上的活塞再次下降一层的高度，设有供粉缸的其供粉缸活塞再次上升1层的高度，再进行下一轮成型过程，循环往复。

梳状刮粉片的结构特点：

根本特征是一个铲状的外形构造，前沿部位加工成较薄的梳状，且具有锯齿的形状；尖端部位较薄，远离尖端部位的结构较厚，与成型缸表面的粉层的接触线是锯齿状曲线，该锯齿状曲线具有一定宽度(约1/10—100毫米)是平面曲线，该曲线平面与成型仓口的表面重合，铲状的外形适合于铲粉，对上一周期的成型粉层的冲击较小，阻力也小，适合于快速梳理粉层。梳状刮粉片在成型仓口表面滑动，像铲雪车一样铲平高出成型仓口表面的粉末，锯齿的尖部恰好使得多余的粉末向齿尖的两侧分开，以填补选择性落粉的无落粉区域。

*进一步，在梳状刮粉片的结构上使用震荡器对其前沿的梳状部位提供震荡，用来使得与梳状刮粉片接触的粉末易于滑动及添实，还可以进一步减小对成型缸粉体的冲击力，阻力也更小。

*进一步，适合于铲粉的铲状的锯齿状的锯齿根部可以加工有沿着平移方向走向的余粉沟道，使得铲粉时由齿尖部分开并滑移积累到齿根部的粉体不至于堆积过高，而顺着余粉沟道转移，多余的粉在铺粉的尽端或主动除掉。

*进一步，同步扫粉排粉过程指的是：需要通过螺旋刷或吸粉装置或位移刮粉板或吹粉装置等，将梳状刮粉片的刮粉过程所积累溢粉区域(13)的粉体及时移出梳状刮粉片的前端的齿状区域；以减少由于过度的粉量的堆积对成型缸粉体的增加的压力，螺旋刷的结构是刷毛生根在一个圆柱上，毛的方向指向径向，整个圆柱上并不是布满刷毛，而是在圆柱上螺旋分布或单纯的轴向分布；吸粉装置的结构是使用管道将多余的粉吸除；位移刮粉板的结构是利用与的螺旋体或平移的片状物；吹粉装置的结构是使用管道将多余的粉吹除；需要指出：清除多余的粉是将之输运出成型缸外部或重新散布在成型缸表面的未被刮粉处理的广大区域上；溢粉区域(13)积粉过多时在高速刮粉时会产生粉体之间剪切力的凹坑问题，甚至推移上一层的悬浮成型物件体。

*进一步，均匀性落粉过程指的是：在与梳状刮粉片移动的垂直方向上均匀落粉，粉量一次落下或多次落下；相对于均匀性落粉过程而言，所述选择性落粉指的是将粉末落在成型缸上的梳状刮粉片的前沿部齿尖运行路径的条形区域，的宽度小于梳状刮粉片的前沿部齿尖的间距，就一定存在有无落粉区域，所以需要在该条形区域内堆积有超过铺层厚度的粉末带，需要指出的是：选择性落粉意义在于极大的减低对落粉的精细控制度的要求，因为任何常规机械无法一次将落粉层厚精准成目标厚度，只能过量堆粉，给刮粉时的扰动成型物件造成隐患；而在梳状刮粉片的前沿齿尖部运行路径的条形区域以外的区域没有落粉或只有少量落粉；落粉机构是一个下端是一漏斗形的通孔，通孔使用阀门构造使得粉料落下或阻止落下及落下的速度。

本发明的有益效果在于:

能快速铺粉的方法及简化的铺粉装置及降低了对设备精度的要求，与现有技术相比，本发明结构简单，铺粉速度大大加快，可以提高2-3倍以上，具有推广应用的价值。

[附图说明]

以下结合附图就较佳实施例对本发明作进一步说明：

图1落粉片融合柱面转子式落粉器原理示意图。

图2落粉片融合锥面转子式落粉器原理示意图。

图3激光烧结及喷粘式3d打印专用微梳快速铺粉法示意图。

图4粉末3d打印专用融合微梳铺粉装置示意图

标号说明：

(1)融合转子

(2)结构腔体

(3)推力弹簧片

(4)落粉片

(5)靠壁

(6)固定螺丝

(7)粉料输入口

(8)粉料输出口

(9)真空吸入的粉料

(10)排出的粉料

(11)转轴

(12)2个同圆周槽道

(13)另2个同圆周槽道

(14)单向泄压阀

(15)泄压孔道

(20)槽道重合部分

(21)粉料输入口形状

(22)粉料输出口形状

(41)，(42)落粉片

(51)梳状刮粉片

(52)刮粉片梳状齿

(53)成型缸

(54)回粉刷

(55)回粉刷轴

(56)回粉电机

(57)回粉刷转动轴心

(58)回粉刷圆周轨迹

(59)回粉刷劈尖状前沿

(60)铺粉过的粉面

(61)选择性落粉区域

(62)未落粉区域

(63)溢粉区域

(64)刮粉方向

(65)梳状刮粉片缩小全图

(66)回粉刷缩小全图

(70)融合供粉辊

(71)储粉仓

(72)落粉片

(73)供粉电机

(74)融合凹槽

(75)导轨

(76)压粉辊

(77)融合落粉区

(78)支架

(79)铺粉漏斗

(80)固定螺丝

(81)余粉沟道

(82)储粉仓/腔体剥离部分

(83)电机轴

(84)落粉缝隙

(85)储粉

[实施例证]

如图1所示：

图中的左面图是融合转子(1)移动出来的详细图示；共有4个槽道:2个同圆周槽道(12)及另2个同圆周槽道(13)；每个槽道的长度略大于1/8圆周弧度；即:45度；彼此这样就存在一个,槽道重合部分(20),重合角度约10-20度.

图中的右面图是沿着融合转子(1)的转轴(11)的方向观看的整个油泵的透视图,4个槽道分布透视观看槽道重合部分(20)清晰可见:2个同圆周槽道(12)与另2个同圆周槽道(13)都各自相对分布(180度)；每一个槽道的中心点都夹有90度的角度,这样才能确保整个圆周能被槽道填满,且有4个一样的重合区域.

落粉片(41)与图2的落粉片被固定螺丝(6)紧固在结构腔体(2)上,部件基本相同(详细见图2说明),靠壁(5)与落粉片(41)的背部紧密接触；确保能密封槽道！(7),(8)分别为:粉料输入口及粉料输出口；(9)是真空吸入的粉料；图中表达为:真空吸入的粉料瞬间；(10)表达为:排出的粉料瞬间.实际情况下，粉料是充满整个进出口的空间的，图中为了方便表达进出料的作用原理，未画出来。

当作为液压马达使用时：单向泄压阀(13)将发挥作用：在马达起动的短时间内，槽道不能瞬间达到完全真空，回出现槽道困油现象，无法产生完全力矩，启动将无法进行。泄压孔道(14)可以通往低压油区域或排出机外。

(21)为圆形粉料输入口形状；(22)为方形粉料输出口形状，从该孔望进去；仅仅可以见到所有槽道，由于每段槽道仅有1/8圆周弧度左右，在融合转子(1)任何位置状态下，对于油压输入来说都是密封的。(22)的方形粉料输出口形状，有利于固定安装落粉片(41)，

由于与的接触滑动区域的密封，需要有1块平面的靠壁，固定安装落粉片(41)也很方便。

按图中箭头的转动方向，由于表面拖带的作用，图中上方的落粉片(41)的与融合转子(1)保持表面接触，一个接触在槽道的底部，形成右边的那段槽道的真空状态(由3个面所围城的闭合空间：槽面、落粉片(41)的尖端接触部位表面及结构腔体(2)上的内表面)；另一个已经滑离槽道接触在的侧面积上了，尖端被推移了一段距离。

如图2所示：

与图1在原理上完全一致，区别在于融合转子(1)是锥面形状的。其密封不同于图1情况，融合转子(1)在推力弹簧片(3)的上推力下，与结构腔体(2)的内表面紧密配合，密封极好。

右下角是落粉片(4)的放大的斜视角图，容易表明其形状及工作模式；在固定螺丝(6)的紧固后，严密靠在靠壁(5)上，且正好对准2组槽道所在的圆周上；落粉片(4)的环状弯曲，使之容易产生沿着融合转子(1)锥面的法线的方向位移；随着融合转子(1)的转动，落粉片(4)的与融合转子(1)的接触端紧贴表面滑动，当滑动出槽道后。

正下方的图是拆卸下的结构腔体(2)零件图，(7),(8)分别为:粉料输入口及粉料输出口；图中的上面图是沿着融合转子(1)的与转轴(11)垂直的方向观看的整个油泵的截面图；与图1一样；2个同圆周槽道(12)与另2个同圆周槽道(13)都各自相对分布(180度)上。

(21)，(22)分别为圆形粉料输入口形状及粉料输出口形状，从该孔望进去；仅仅可以见到所有槽道，由于每段槽道仅有1/8圆周弧度左右，在融合转子(1)任何位置状态下，对于油压输入来说都是密封的。

槽道的截面变化特点，已在[发明内容]中进行了详细阐述。

如图3所示：

刮粉器被铺粉电机拖动，其与的粉接触部分为梳状刮粉片(51)，梳状刮粉片(51)沿着刮粉方向(64)水平运动在成型缸(53)表面扫过；对比梳状刮粉片缩小全图(65)可以看出实际刮粉过程中所生成的溢粉区域(63)；未落粉区域(62)的粉面的高度略低于成型缸(53)的上表面0.1—3毫米之间(该高差是完成一个成型周期后成型缸内的活塞下降而形成的)，选择性落粉区域(61)是一个条状区域，粉堆积的高度将略凸出于成型缸(53)的上表面01—3毫米之间，刮粉片劈尖状前沿(59)所行走的路径位于其中心线位置，由于刮粉片梳状齿(52)的劈尖形状使得条状的选择性落粉区域(61)被分成2侧，恰好填补未落粉区域(62)的缺粉区域，溢粉区域(63)的过量堆积被回粉刷(54)扫过，回粉刷圆周轨迹(58)恰好能扫到堆积粉而不接触到成型缸(53)的表面位置，详见：回粉刷缩小全图(66)所示；回粉电机(56)固定在刮粉器上，驱动回粉刷轴(55)绕着回粉刷转动轴心(57)转动；铺粉过的粉面(60)可以被压粉辊再压实，是与成型缸(53)表面齐平的平整表面。

落粉过程由铺粉漏斗完成，被刮去的多余粉可以被回粉仓回收而再利用；铲状外形的齿状前沿将有利于减少粉堆对刮粉片的阻力，这一点类似于船的头部的分水作用，对成型仓浅部粉层的机械干扰也很小，可以大大的提高铺粉速度，提高效率。

如图4所示：

融合微梳铺粉装置：主要由：落粉组件、铺粉组件及压粉辊组成。其结构及原理与，图1、图2的说明基本相同。

导轨(75)约束着融合微梳铺粉装置作1维运动，支架(78)将各个部件连接在一起；供粉电机(73)的电机轴(83)驱动融合供粉辊(70)转动，融合凹槽(74)将储粉仓(71)的粉末携带到底部，固定螺丝(80)所固定的落粉片(72)将粉末刮出，为了清晰内部结构，特别将1个落粉片(72)分离一定距离；2个落粉片对应2组融合凹槽；形成1个融合落粉区(77)(图中有4个融合落粉区，实际应用中有更多个)，储粉(85)由铺粉漏斗(79)将粉导出，最终从落粉缝隙(84)落下；图中共有4个融合落粉区。为了清晰内部结构，(82)为储粉仓/腔体剥离部分，并分离开一定距离。

融合落粉区也就是选择性落粉区域恰好落在刮粉片劈尖状前沿(59)所行走的路径位于其中心线位置区域，进行微梳铺粉过程。

微梳铺粉过程完成后，压粉辊(76)将粉层压实。然后将融合微梳铺粉装置移出成型缸内，利用激光烧结或喷胶对本粉末铺层进行选择性烧结或粘结处理，循环往复直至完成；像图1一样，被刮去的多余粉可以被回粉仓回收而再利用。其它不重要的构造与本发明的阐明无关，在此略去。

在锯齿状的锯齿根部，加工有沿着平移方向走向的余粉沟道(81)。

融合微梳铺粉装置工作在图3所示的成型仓的表面。

本发明不局限于上述最佳实施方式：

任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。