增材制造一体化辅助设备、工作方法及筛分、收料设备与流程

本发明属于增材制造设备领域，尤其是涉及一种增材制造一体化辅助设备、工作方法及筛分、收料设备。

背景技术

增材制造俗称3d打印，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。相对于传统的、对原材料去除-切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。增材制造技术其成型原材料通常为粉末、丝料、化学液体等，而目前工业应用的主流技术都是利用激光或电子束为能量源将粉末熔化或粘结成型，例如slm、sls、lsf、ebm等技术，其原材料均为几十到几百微米粉末材料。其一次工艺流程中，粉末的利用率根据成型原理和成型零件的大小、结构等有很大关系，同时粉末的熔融、粘结导致的粒子团聚现象与未利用粉末混合，造成粉末的污染，影响粉末的回收利用。

传统的粉末循环处理工艺一般通过人工将未利用粉末回收来，再用筛网人工筛除或用筛分设备筛除大颗粒杂质，将细小粉末重新利用。由于粉末长时间暴露在空气中不仅会降低粉末质量、影响成型效果，也会影响生产现场的空气质量、威胁操作人员的身体健康，甚至粉末积聚严重时会发生爆燃事故，因此粉末循环处理过程中如何安全、密闭且高效的上料、筛分、送料是一个亟待解决的问题。

目前市场上已经出现针对粉末的收料、筛分的自动化设备，但是每种设备只具有收料、筛分中的一种功能，如果要实现全部功能，就要购买几台单独的设备，成本很高；而且收料、筛分各个工序不能集成为一体进行自动循环操作，效率不高。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了集各项功能于一体的、密闭、高效、可循环利用的增材制造一体化辅助设备、工作方法及筛分、收料设备。

本发明是这样实现的：

一种增材制造一体化辅助设备，包括多功能支架；所述多功能支架从上至下设有依次连接的收料系统、筛分系统和送料系统；

所述收料系统用于收取增材制造铺粉过程中多余的粉末；

所述筛分系统用于对所述收料系统收取的粉末进行筛分，将过筛后可再次利用的粉末送至所述送料系统；

所述送料系统用于将可再次利用的粉末送至增材制造设备的落粉部；

还包括气控系统；所述气控系统包括控制粉末流量的气动蝶阀、防止粉末挂壁的气锤、以及控制送料系统开闭的电磁阀组。

这样从增材制造设备中掉落到收料系统的粉末，经过筛分系统的筛选后进入送料系统，最后又被增材制造设备回收利用，实现了粉末的循环使用，较以往使用多台设备进行收料、筛分和送料，本发明的设备工作效率更高。

进一步，所述收料系统包括承接收料桶及成型轴中粉末的真空料桶；所述筛分系统包括筛分料斗，所述送料系统包括送料桶；所述筛分料斗的一端通过软管与真空料桶连通，筛分料斗的另一端通过软管与所述送料桶连通，真空料桶、筛分料斗与送料桶形成完全连通的腔体。

这样的结构使得收料系统、筛分系统和送料系统连通为一体，不仅保证了收料、筛分、送料过程的连续性，而且完全连通的腔体使得粉末处在与外界隔绝的密闭环境中，不仅保证了粉末质量，也不会造成对生产现场的环境污染和安全隐患。

进一步，所述收料系统还包括为真空料桶抽真空的真空发生器模组；所述真空发生器模组与所述真空料桶通过管路连接。

真空发生器模组的设置是为了对真空料桶抽真空造成负压，以将粉末顺利的从收料桶及成型轴中吸入真空料桶中。

进一步，所述真空料桶内设有排出粉末内气体的过滤结构。

设置过滤结构是为了将粉末内的废气从收料系统内排到外部。

进一步，所述收料系统还包括反吹装置；所述反吹装置包括反吹气瓶；所述反吹气瓶与所述真空料桶之间通过吹气管路连接。

真空发生器模组关闭后，反吹装置用于向真空料桶中的过滤结构吹气，以保证过滤结构的滤芯不被粉末堵塞，从而延长滤芯寿命。

进一步，所述筛分系统还包括振动电机装置和/或超声波装置；所述振动电机装置和超声波装置与所述筛分料斗接触设置。

设置振动电机装置是为了向待筛分的粉末提供低频率大振幅振动，使粉末中的小颗粒过网大颗粒排除；设置所述超声波装置用于将超高频小振幅声波能量传递给筛分料斗的筛网网丝，以破坏网丝表面张力，避免细微粉末吸附，降低筛网网孔堵塞几率。

进一步，还包括惰性气体保护系统；惰性气体保护系统包括进排气装置、过滤装置和检测装置；进排气装置由安装在筛分料斗上的进气阀和排气阀组成；过滤装置安装在排气阀的前端部；检测装置安装在筛分料斗内，检测装置包括压力传感器、氧传感器。

惰性气体保护系统通过对设备从上往下依次连接的真空料筒、筛分料斗、送料桶的密闭腔体冲入惰性气体，从而实现设备进行粉末处理时整个内部腔体完全处在惰性气体保护的环境中，以避免粉末接触空气品质下降。

进一步，上述增材制造一体化辅助设备的工作方法包括以下步骤：

s1、所述收料系统收取增材制造铺粉过程多余的粉末；收取的粉末经过滤后进入所述筛分系统；

s2、所述筛分系统对来自所述收料系统的粉末进行筛分，将过筛后可再次利用的粉末送至所述送料系统；

s3、所述送料系统将可再次利用的粉末送至增材制造设备的落粉部。

进一步，一种设在上述多功能支架上的筛分设备，包括上述筛分系统；在所述多功能支架的上端设有盛装粉末的上储粉桶；在多功能支架的下端放置下储粉桶；筛分料斗的上端与上储粉桶的下端通过软管连接；筛分料斗的下端与下储粉桶的上端通过软管连接；在所述多功能支架上设置筛分设备气控模块。

对于不能与本发明的增材制造一体化辅助设备完全匹配的非落粉式增材制造设备，或任何不参与粉末循环过程、仅需要对已经收集到的粉末进行筛分的时候，不需要购置新的单独的筛分设备，仅需要将原来的设备拆除集收料系统和筛分系统，保留筛分系统并简单改装；这样一台辅助设备可以适应不同的增材制造设备，大大的节约了成本。

更进一步，一种设在上述多功能支架上的收料设备，包括上述收料系统；在真空料桶的下方连接有延长料桶；在多功能支架的下端设置储料桶，储料桶的上端与延长料桶通过软管连接；在所述多功能支架上设置收料系统气控模块。

对于不能与本发明设备完全匹配的非落粉式增材制造设备，或任何不参与粉末循环过程、仅需要独立吸收粉末的时候，不需要购置新的单独的筛分设备，仅需要将原来的设备拆除集筛分系统和送料系统，保留收料系统并简单改装；这样一台辅助设备可以适应不同的增材制造设备，大大的节约了成本。

综上所述，本发明通过在一个多功能支架上设置收料系统、筛分系统和送料系统，不仅可以将三者功能集成一体，为增材制造设备提供粉末的后续处理和处理后的再利用，而且可以拆分成独立的筛分和收料设备，不仅可以适应不同的增材制造设备、降低成本、而且该设备自动化程度高、安全、密闭且高效、可循环使用，减少了粉末对工作环境和工艺操作人员的危害，使增材制造工艺过程更加安全高效且节能环保。

附图说明

图1是现有技术中一种落粉式增材制造设备的结构示意图；

图2是本发明优选实施例的增材制造一体化辅助设备的立体图；

图3是本发明优选实施例的增材制造一体化辅助设备的左视图；

图4是本发明中的粉末循环流程图；

图5是本发明中增材制造一体化辅助设备的控制流程图；

图6是本发明中独立组装的筛分设备；

图7是本发明中独立组装的筛分设备的控制流程图；

图8是本发明中独立组装的收料设备；

图9是本发明中独立组装的收料设备的控制流程图。

图中：1、真空料桶；2、筛分料斗；3、送料桶；4、真空发生器模组；5、反吹装置；6、振动电机；7、超声波装置；8、物料传感器；9、气动蝶阀；10、气锤；11、电磁阀组；12、惰性气体保护系统；13、多功能支架；14、上储粉桶；15、下储粉桶；16、筛分系统气控模块；17、收料系统气控模块；18、延长料桶；19、储料桶；20、落粉部；21、铺粉装置；22、成型轴；23、收料桶。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本发明是在现有的收料设备、筛分设备基础上，将几台设备集成为一台设备，进行收料、筛分和送料的循环操作，具体如下：

本实施例提供了一种增材制造一体化辅助设备，该辅助设备最适合用于落粉式增材制造设备；为了清楚的理解该辅助设备的结构和作用，首先需要了解一下现有的落粉式增材制造设备的大致工作过程；如图1所示，落粉式增材制造成型过程是将粉末原料先填装至落粉部20，然后工作开始时落粉部20将粉末落入铺粉装置21中，再由铺粉装置21的来回运动和成型轴22中成型平台的逐层下降，实现零件的增材成型过程。其中铺粉过程中大部分成型粉末都在成型轴22中；有一些未落入成型轴22的粉末被收入收料桶23中；待增材制造过程结束后，收料桶23和成型轴22中都存有粉末。为了实现这些粉末的回收利用，目前市场上已经出现针对粉末的收料、筛分的自动化设备，但是每种设备只具有收料、筛分中的一种功能，如果要实现全部功能，就要购买多台单独的设备，成本很高；而且收料、筛分、送料各个工序不能集成为一体进行自动循环操作，效率不高。因此本发明的增材制造一体化辅助设备就克服了上述弊端。

如图2、3所示，本发明的增材制造一体化辅助设备，主要包括多功能支架13；所述多功能支架13从上至下设有依次连接的收料系统、筛分系统和送料系统；

所述收料系统包括真空料桶1，所述真空料桶1用于承接收料桶23及成型轴22中的粉末；所述筛分系统包括筛分料斗2，所述筛分料斗2与真空料桶1之间通过软管连通；所述送料系统包括送料桶3，所述送料桶3与所述筛分料斗2通过软管连通；所述送料桶3的作用是将经过筛粉系统筛分的粉末进行回收，回收完成后将送料桶3用叉车取出并运送到激光成型设备处，将送料桶3置于落粉部20之上并进行连接、供料。这样如图4所示，从增材制造设备中掉落到收料系统的粉末，经过筛分系统的筛选后进入送料桶3，最后又被增材制造设备回收利用，实现了粉末的循环使用，较以往使用若干台设备进行收料、筛分和送料，工作效率更高。

所述收料系统还包括为真空料桶1抽真空的真空发生器模组4；所述真空发生器模组4与所述真空料桶1通过管路连接；所述真空发生器模组4通过对真空料桶1抽真空造成负压，将粉末从收料桶23及成型轴22中吸入真空料桶1中。所述真空料桶1内设有排出粉末内气体的过滤结构；粉末经过所述过滤结构后，气体被过滤结构排出，粉末则留在所述真空料桶1内；所述收料系统还包括反吹装置5，所述反吹装置5包括反吹气瓶；所述反吹气瓶与所述真空料桶1之间通过吹气管路连接；真空发生器模组4关闭后，反吹装置5用于向真空料桶1中的过滤结构吹气，以保证滤芯不易被粉末堵塞，从而延长滤芯寿命。

所述筛分系统还包括振动电机6装置和/或超声波装置7；所述振动电机6装置和超声波装置7与所述筛分料斗2接触设置；所述筛分料斗2具有接收收料桶23内粉末的筛网；所述振动电机6装置向所述筛分料斗2的筛网上的粉末提供25-50hz低频率大振幅振动，使粉末中的小颗粒过网大颗粒排除；所述超声波装置7用于将30-40khz超高频小振幅声波能量传递给筛网网丝，破坏网丝表面张力，避免细微粉末吸附，降低筛网网孔堵塞几率。

所述送料系统还包括监测送料桶3内粉末容量的物料传感器8；所述物料传感器8设在所述送料桶3的顶部；当送粉桶中粉末已填满，则送料桶3顶部的物料传感器8报警。

还包括气控系统；所述气控系统包括控制粉末流量的气动蝶阀9、防止粉末挂壁的气锤10、以及控制送料系统开闭的电磁阀组11。所述气动蝶阀9设在所述真空料桶1与所述筛分料斗2之间的软管上；当所述气动蝶阀9打开，则收料系统与筛分系统连通，真空料桶1内的粉末进入筛分系统；当气动蝶阀9关闭，则收料系统与筛分系统隔开。所述气锤10设在真空料桶1上；

还包括惰性气体保护系统12，惰性气体保护系统12通过对设备从上往下依次连接的真空料筒、筛分料斗2、送料桶3的密闭腔体冲入惰性气体，从而实现设备进行粉末处理时整个内部腔体完全处在惰性气体保护的环境中。惰性气体保护系统12包括进排气装置、过滤装置和检测装置；进排气装置由与筛分料斗2连接的进气阀和排气阀组成；过滤装置安装在排气阀的前端，过滤装置为桶型滤芯结构，可有效过滤排气阀中排出的废气中的粉尘；检测装置安装在筛分料斗2内，检测装置包括压力传感器、氧传感器，可有效检测设备运行过程中个状态参数。开机启动后，惰性气体进气阀与排气阀打开，设备内部开始进行气体置换；待筛粉系统中的氧传感器反馈氧含量到氧含量设定值2％后，所述进气阀关闭，当压力传感器反馈压力值小于压力设定值100pa后，所述排气阀关闭。

优选的，所述多功能支架13包括置于水平面的立式箱体，在所述立式箱体上方固定有竖向的支撑架；所述真空料桶1和筛分料斗2固定在所述支撑架上，所述送料桶3置于立式箱体内部。

真空料桶1的顶部设有进料口，底部设有出料口；优选的，所述真空料桶1的下端为上端大下端小的圆锥腔体，以方便粉末流向筛分系统；优选的，所述气锤10设在圆锥腔体外壁。

上述增材制造一体化辅助设备的工作方法包括以下步骤：

s1、所述收料系统收取增材制造铺粉过程多余的粉末；收取的粉末经过滤后进入所述筛分系统；

s2、所述筛分系统对来自所述收料系统的粉末进行筛分，将过筛后可再次利用的粉末送至所述送料系统；

s3、所述送料系统将可再次利用的粉末送至增材制造设备的落粉部20。

上述收粉、筛分、送料的过程都保证粉末密闭，且实现上下料的反复循环。

进一步，在设备开始使用前，将送料桶3与设备连接好并打开对应的电磁阀组11，启动设备后气控蝶阀开启，真空料桶1、筛分料斗2与送料桶3形成完全连通的腔体，惰性气体进气阀与出气阀门打开，设备内部开始进行气体置换；待筛分料斗2中的氧传感器反馈氧含量到2％后，惰性气体进气阀关闭；当筛分料斗2中的压力传感器反馈腔体的压力值小于100pa后，惰性气体出气阀关闭，气控蝶阀关闭，气体置换过程结束，整个腔体处于惰性气体保护环境中；然后振动电机6、超声波装置7分别开启，筛粉系统准备完毕；收料系统准备吸粉；首先将s1中真空料桶1通过软管与增材设备成型轴22或收粉桶对接，开启真空发生器模组4，粉末被吸入真空料桶1中，气体通过真空料桶1中的过滤结构排出，粉末则落入真空料桶1底部的圆锥腔体内；5s后真空发生器模组4关闭，气控蝶阀、气锤10、反吹气瓶的阀门开启，粉末落入筛分料斗2中；在此过程中，气锤10不停敲击真空桶，避免了粉末在真空料桶1底部滞留不下。

s2中在振动电机6、超声波装置7的作用下，落入筛分系统的粉末在筛网上被筛分，过网粉末落入送料桶3中；2s后反吹气瓶阀门、气锤10、气控蝶阀关闭，真空发生器开启，收料系统又开始新一轮的收料，收料桶23和成型轴22中的剩余粉末被吸入真空料桶1中，再过筛，再落入送料桶3中，如此反复循环；

s3中当送料桶3顶部的物料传感器8反馈信号报警，说明送粉桶中粉末已填满，设备停机；或成型轴22、收粉桶中粉末吸收完毕后，操作人员手动关闭设备，并关闭各个阀门，使送料桶3与设备断开，用叉车将送料桶3叉出安装到增材制造设备上进行工作备用。

实施例2

如图6中，对于不能与本发明设备完全匹配的非落粉式增材制造设备，或任何不参与粉末循环过程、仅需要对已经收集到的末进行筛分的时候，需要在实施例1的设备基础上将所述收料系统和送料系统拆除，保留筛分系统；然后在原来放置真空料桶1的位置放入装有粉末的上储粉桶14；在原来放置送粉桶的位置放置下储粉桶15；筛分料斗2的上端与上储粉桶14的下端通过软管连接；筛分料斗2的下端与下储粉桶15的上端通过软管连接；同时在所述多功能支架13上设置筛分系统气控模块16，这样实施例1的粉末筛分、收料设备改装成为独立的筛分设备。

图7中，是改装后的筛分设备控制流程：

s1、开机启动，惰性气体进气阀与出气阀门打开，筛分系统内部开始进行气体置换；待筛粉模块中的氧传感器反馈氧含量到设定值如2％后，惰性气体进气阀关闭，同时筛粉模块中的压力传感器反馈压力值小于设定值如100pa后，惰性气体出气阀关闭，气体置换过程结束，设备整个腔体处于惰性气体保护环境中；

s2、振动电机6、超声波装置7分别开启；

s3、打开上收料桶23和下收料桶23的阀门，使粉末由上收料桶23落入筛分料斗2中，其中过网粉末最终落入下收料桶23中，待上收料桶23中粉末全部下落完毕，关闭设备，筛分过程结束。

实施例3

如图8所示，对于不能与本发明设备完全匹配的非落粉式增材制造设备，或任何不参与粉末循环过程、仅需要独立吸收粉末的时候，需要在实施例1的基础上拆除筛分系统、送料系统，在所述多功能支架13上设置收料系统气控模块17，设备改装成为独立的收料设备。为了适应多功能支架13的高度，在原筛分系统的位置设置延长料桶18，所述延长料桶18的上端与真空料桶1的下端相接；在设备的底部设置储料桶19，并将储料桶19的上端与延长料桶18通过软管连接。为了防止延长料桶18的储粉量大于储料桶19的容量，造成拆除储料桶19时粉末外泄，故在延长料桶18上安装物料传感器8。

如图9是改装后的收料设备控制流程：

s1、开机启动，将收料系统中真空料桶1的进料口通过软管与增材设备成型轴22或收粉桶对接，开启真空发生器模组4，粉末被吸入真空料桶1中，气体通过真空料桶1中的过滤结构排出，粉末则被过滤后落入延长料桶18底部；

s2、5s后真空发生器模组4关闭，反吹气瓶阀门开启并于0.2s后关闭，从过滤结构上吹下来的粉末也堆积在延长料桶18底部；

s3、2s后，真空发生器模组4再次开启，成型轴22或收粉桶中剩余粉末被吸入真空料桶1中，继续堆积在延长料桶18底部，如此反复循环；

s4、当延长料桶18上物料传感器8反馈信号报警，说明粉末量已达到储料桶19的最大容量，气控蝶阀、气锤10开启，粉末落入储料桶19中，设备停机；或当增材设备成型轴22或收粉桶中粉末吸收完毕，手动关闭设备，收料过程结束。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。