一种快速冷却型双激光打印设备的制作方法

1.本发明为智能制造领域，具体涉及到的是一种快速冷却型双激光打印设备。


背景技术：

2.3d打印(3d printing)即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。选择性激光烧结(selective lasersintering，sls)是预先在工作台上铺一层非金属粉末材料，激光在计算机控制下，按照界面轮廓信息，对实心部分粉末进行烧结，然后不断循环，层层堆积成型。该类成型方法有着制造工艺简单、柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜、材料利用率高、成型速度快等特点。但是该方式目前存在着以下缺陷：使用3d打印机打印出来的物品会有较高的热量，需要在打印完成后进行冷却处理后才能取出，这延长了工作时间，降低了工作效率；此外因为用非金属粉末材料烧结来进行3d打印需要在一定温度下进行，所以若是在打印成型的同时进行冷却降温，则会影响非金属粉末材料的烧结成型效果，降低成型质量；采用冷风直接吹拂冷却可能会使得粉末飞扬，不仅有安全隐患，还会影响成型质量。
3.所以有必要提供一种快速冷却型双激光打印设备，能够在设备打印工件的同时对工件已成型区域进行快速降温，并且不影响工件未成型区域的温度，不使得粉末飞舞，使得工件在打印完成时能够同步完成降温冷却，提高工件的成型效率。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种快速冷却型双激光打印设备，以解决上述背景技术中提出了现有技术缺点的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种快速冷却型双激光打印设备，包括安装在机架上的工作腔体，工作腔体上方设置有保温腔体，所述保温腔体顶端设置有激光头，底端设置有粉床，保温腔体内部设置有用于在粉床上铺粉的铺粉机构和用于对保温腔体内加温的加热机构；所述工作腔体内设置有用于放置工件的支撑板，所述支撑板固定安装在升降机构上，支撑板沿工作腔体内壁上下滑动；
6.所述工作腔体内设置有冷却机构，所述冷却机构用于在工件加工时对工件已成型区域进行降温。
7.选择性激光烧结(selective laser sintering，sls)是预先在工作台上铺一层非金属粉末材料，激光在计算机控制下，按照界面轮廓信息，对实心部分粉末进行烧结，然后不断循环，层层堆积成型。该类成型方法有着制造工艺简单、柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜、材料利用率高、成型速度快等特点。但是该方式目前存在着以下缺陷：使用3d打印机打印出来的物品会有较高的热量，需要在打印完成后进行冷却处理后才能取出，这延长了工作时间，降低了工作效率；此外因为用非金属粉末材料烧结来进行3d打印需要在一定温度下进行，所以若是在打印成型的同时进行冷却降温，则会影响非金属粉末材料的
烧结成型效果，降低成型质量。所以如图1、图2所示，本发明在工作时铺粉机构先在粉床上铺设一层均匀的非金属粉末材料，然后激光头发出激光沿轨迹移动，使得该轨迹上的非金属粉末材料烧结形成切片形状落在支撑板上，接着支撑板在升降机构的驱动下下移，非金属粉末材料一层层的烧结最终形成完整的三维物体。在烧结的过程中加热机构在温控系统的控制下对保温腔体内进行加温，将保温腔体的温度控制在一定的范围内。本发明在设备打印工件时，先打印好的区域会落在支撑板上随支撑板一起下移，此时本发明用冷却机构对工件已成型区域进行快速降温，在激光头打印的同时对工件的已成型区域进行降温，减少了最后冷却的时间，达到了快速冷却的效果。
8.作为本发明的进一步方案，所述冷却机构包括在工作腔体内壁上开设的中空层和固定安装在支撑板内部的冷却管道，所述中空层用于存放冷气，中空层分为入气区与出气区，位于入气区的中空层一侧通过入气口与外接冷却机相连通，另一侧通过控制单元与工作腔体内部相连通；位于出气区的中空层一侧通过出气口与外接冷却机相连通，另一侧通过另一控制单元与与工作腔体内部相连通，所述控制单元用于在支撑板向下移动时连通中空层和冷却管道，冷却管道两侧分别开有可伸缩式的第一连通口和第二连通口，所述第一连通口靠近入气区的中空层，第二连通口靠近出气区的中空层。
9.本发明在需要在设备打印工件的同时对工件已成型区域进行快速降温，并且不影响工件未成型区域的温度，不使得粉末飞舞。所以如图1、图2、图6所示，本发明在支撑板内设置冷却管道，在工作腔体内设置了用于存放冷气的中空层。本发明在工作时，激光一层层烧结非金属粉末，冷气从入气区的入气口进入中空层，在流经支撑板内的冷区管道后，从出气区的中空层处从出气口流出，这样冷气从冷却管道流过不会直接吹拂粉末，不会使得粉末飞扬，且从支撑板处开始降温冷却，只会对靠近支撑板处的工件已成型区域进行降温冷却，这样冷空气位于下方，保温腔体的热空气位于上方，热空气密度较低，在无外力的情况下冷热空气不会发生对流，使得粉末飞扬，且冷热空气的热交换只会发生在分界处，这样可以在对已成型区域进行快速降温，不会影响工件未成型区域的温度，保障了打印工件的成型质量。本发明利用冷却管道对支撑板上工件已成型区域从底至上进行降温，不仅避免直接吹拂粉末，造成安全隐患，还避免了冷热空气发生对流，保障了保温腔体内的温度不会受到冷却管道降温的影响，在提高降温效果的同时避免影响打印成型效果。
10.作为本发明的进一步方案，所述控制单元包括在工作腔体内壁上竖直开设的滑动槽和在滑动槽内滑动的开关板，所述开关板上开有连通中空层与工作腔体内部的通孔，开关板上还固定安装有驱动板，所述驱动板位于通孔下方，驱动板的上端开设有楔面，所述工作腔体上还固定安装有固定板，所固定板位于滑动槽的下端，固定板与驱动板之间设置有第一压缩弹簧。
11.因为本发明在刚开始打印时无需降温，避免影响保温腔体内的温度，只有当打印至一定高度后在开始进行冷却降温。如图2、图3、图8所示，本发明在工作时支撑板随着打印的进行不断下降。在开始时，支撑板内的冷却管道两端的第一连接口与第二连接口均属于封闭状态。随着支撑板的下降，支撑板会挤压驱动板，使得开关板在滑动槽内向下滑动，这样通孔会随着开关板的向下移动从滑动槽内移出与第一连接口相连通，这样入气区的中空层内的冷气可以进入冷却管道。同理，第二连接口也与出气区的中空层相连通，冷气开始循环流动，对支撑板上的工件已成型区域进行降温。打印完成后，支撑板在升降机构的作用下
上升复位，开关板上的驱动板在第一压缩弹簧的作用下向上移动复位，通孔重新进入滑动槽内将中空层与冷却管道断开。本发明在驱动板上设置楔面的目的是为了在驱动板复位时能够挤压第一连通口、第二连通口，辅助第一连通口、第二连通口收缩，断开连接。
12.作为本发明的进一步方案，出气口还设置有调节单元，所述调节单元根据支撑板的位移控制出气口开口大小，调节冷气流速。
13.作为本发明的进一步方案，所述调节单元包括固定安装在出气区驱动板上的齿条和设置在出气口的出气阀，所述出气阀上同轴安装有齿轮，齿条与齿轮相啮合。
14.同样条件下，冷气的流速加快代表着冷气带走的热量越多，降温效果越好，所以为了达到快速降温的目的，有必要加快冷气的流速。可是当刚开始打印时，支撑板与保温腔体的距离过于靠近，加快冷气流速，提高冷却效果很可能直接影响到保温腔体内的温度，影响烧结成型质量。所以本发明需要根据支撑板下移的距离调节冷却管道内冷气的流速。如图2、图4、图10所示，本发明在工作时随着支撑板的下移，出气区的驱动板被支撑板驱动向下移动，因为出气区的驱动板固定安装有齿条，齿条驱动出气阀上同轴安装的齿轮转动，齿轮转动调节出气口大小，当齿条向下转动时，齿轮正转调节出气口变大，冷气循环加快，冷气流速加快。当齿条在第一压缩弹簧的回复力下回位时，齿条驱动齿轮反转，出气口也复位。循环往复。本发明根据支撑板下移的距离调节冷却管道内冷气的流速，当支撑板下移距离越大时，提高冷气流速，在提高冷却效果的同时保障了保温腔体内的温度不受影响；加快流速可以保证了在打印结束时，降温冷却能够快速完成，节省了工作时间，提高了工作效率。支撑板下移距离越大，说明打印工作越接近完成，所以需要加快冷气流速，加大冷却效率，保证在打印完成后，冷却降温能够及时完成，节约冷却时间，提高工作效率。
15.作为本发明的进一步方案，所述冷却管道呈弓字形排列。冷却管道在支撑板内部呈弓字形排列，增大了冷却管道的换热面积，调高了冷却效率，便于冷却管道对支撑板上工件的已成型区域降温。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.1.本发明能够在设备打印工件的同时对工件已成型区域进行快速降温，并且不影响工件未成型区域的温度，不使得粉末飞舞，使得工件在打印完成时能够同步完成降温冷却，提高工件的成型效率。
18.2.本发明利用冷却管道对支撑板上工件已成型区域从底至上进行降温，不仅避免直接吹拂粉末，造成安全隐患，还避免了冷热空气发生对流，保障了保温腔体内的温度不会受到冷却管道降温的影响，在提高降温效果的同时避免影响打印成型效果。
19.3.本发明根据支撑板下移的距离调节冷却管道内冷气的流速，当支撑板下移距离越大时，提高冷气流速，在提高冷却效果的同时保障了保温腔体内的温度不受影响；加快流速可以保证了在打印结束时，降温冷却能够快速完成，节省了工作时间，提高了工作效率。
20.4.本发明的中空层与保温腔体具有一段距离可以避免在工作时中空层内的冷气影响保温腔体保温，本发明在刚开始工作时支撑板内的冷却管道未连通两端的中空层，使得支撑板可以有效分隔保温腔体和工作腔体，阻止保温腔体的散热，有利于保温腔体快速加热。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为一种快速冷却型双激光打印设备的结构示意图；
23.图2为本发明打印设备的剖视图；
24.图3为本发明图2中a部分的局部放大图；
25.图4为本发明图2中b部分的局部放大图；
26.图5为本发明去除保温腔体和工作腔体的结构示意图；
27.图6为本发明支撑板的结构示意图；
28.图7为本发明控制单元的结构示意图；
29.图8为本发明图7中c部分的局部放大图；
30.图9为本发明调节单元的结构示意图；
31.图10为本发明图9中d部分的局部放大图。
32.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0033]1‑
工作腔体、2
‑
保温腔体、3
‑
激光头、4
‑
粉床、5
‑
铺粉机构、6
‑ꢀ
加热机构、7
‑
支撑板、8
‑
升降机构、9
‑
中空层、10
‑
冷却管道、11
‑
入气口、12
‑
出气口、13
‑
第一连通口、14
‑
第二连通口、15
‑
滑动槽、16
‑ꢀ
开关板、17
‑
通孔、18
‑
驱动板、19
‑
楔面、20
‑
固定板、21
‑
第一压缩弹簧、22
‑
齿条、23
‑
出气阀、24
‑
齿轮。
具体实施方式
[0034]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]
请参阅图1
‑
10，一种快速冷却型双激光打印设备，包括安装在机架上的工作腔体1，工作腔体1上方设置有保温腔体2，所述保温腔体2顶端设置有激光头3，底端设置有粉床4，保温腔体2内部设置有用于在粉床4上铺粉的铺粉机构5和用于对保温腔体2内加温的加热机构6；所述工作腔体1内设置有用于放置工件的支撑板7，所述支撑板7固定安装在升降机构8上，支撑板7沿工作腔体1内壁上下滑动；
[0036]
所述工作腔体1内设置有冷却机构，所述冷却机构用于在工件加工时对工件已成型区域进行降温。
[0037]
选择性激光烧结(selective laser sintering，sls)是预先在工作台上铺一层非金属粉末材料，激光在计算机控制下，按照界面轮廓信息，对实心部分粉末进行烧结，然后不断循环，层层堆积成型。该类成型方法有着制造工艺简单、柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜、材料利用率高、成型速度快等特点。但是该方式目前存在着以下缺陷：使用3d打印机打印出来的物品会有较高的热量，需要在打印完成后进行冷却处理后才能取出，这延长了工作时间，降低了工作效率；此外因为用非金属粉末材料烧结来进行3d打印需要在
一定温度下进行，所以若是在打印成型的同时进行冷却降温，则会影响非金属粉末材料的烧结成型效果，降低成型质量。所以如图1、图2所示，本发明在工作时铺粉机构5先在粉床4上铺设一层非金属粉末材料，然后激光头3发出激光沿轨迹移动，使得该轨迹上的非金属粉末材料烧结形成切片形状落在支撑板7上，接着支撑板7 在升降机构8的驱动下下移，非金属粉末材料一层层的烧结最终形成完整的三维物体。在烧结的过程中加热机构6在温控系统的控制下对保温腔体2内进行加温，将保温腔体2的温度控制在一定的范围内。本发明在设备打印工件时，先打印好的区域会落在支撑板7 上随支撑板7一起下移，此时本发明用冷却机构对工件已成型区域进行快速降温，在激光头3打印的同时对工件的已成型区域进行降温，减少了最后冷却的时间，达到了快速冷却的效果。
[0038]
作为本发明的进一步方案，所述冷却机构包括在工作腔体1内壁上开设的中空层9和固定安装在支撑板7内部的冷却管道10，所述中空层9用于存放冷气，中空层9分为入气区与出气区，位于入气区的中空层9一侧通过入气口11与外接冷却机相连通，另一侧通过控制单元与工作腔体1内部相连通；位于出气区的中空层9一侧通过出气口12与外接冷却机相连通，另一侧通过另一控制单元与与工作腔体1内部相连通，所述控制单元用于在支撑板7向下移动时连通中空层9和冷却管道10，冷却管道10两侧分别开有可伸缩式的第一连通口13和第二连通口14，所述第一连通口13靠近入气区的中空层9，第二连通口14靠近出气区的中空层9。
[0039]
本发明在需要在设备打印工件的同时对工件已成型区域进行快速降温，并且不影响工件未成型区域的温度，不使得粉末飞舞。所以如图1、图2、图6所示，本发明在支撑板7内设置冷却管道10，在工作腔体1内设置了用于存放冷气的中空层9。本发明在工作时，激光一层层烧结非金属粉末，冷气从入气区的入气口11进入中空层 9，在流经支撑板7内的冷区管道后，从出气区的中空层9处从出气口12流出，这样冷气从冷却管道10流过不会直接吹拂粉末，不会使得粉末飞扬，且从支撑板7处开始降温冷却，只会对靠近支撑板7 处的工件已成型区域进行降温冷却，这样冷空气位于下方，保温腔体2的热空气位于上方，热空气密度较低，在无外力的情况下冷热空气不会发生对流，使得粉末飞扬，且冷热空气的热交换只会发生在分界处，这样可以在对已成型区域进行快速降温，不会影响工件未成型区域的温度，保障了打印工件的成型质量。本发明利用冷却管道10对支撑板7上工件已成型区域从底至上进行降温，不仅避免直接吹拂粉末，造成安全隐患，还避免了冷热空气发生对流，保障了保温腔体2内的温度不会受到冷却管道10降温的影响，在提高降温效果的同时避免影响打印成型效果。
[0040]
作为本发明的进一步方案，所述控制单元包括在工作腔体1内壁上竖直开设的滑动槽15和在滑动槽15内滑动的开关板16，所述开关板16上开有连通中空层9与工作腔体1内部的通孔17，开关板 16上还固定安装有驱动板18，所述驱动板18位于通孔17下方，驱动板18的上端开设有楔面19，所述工作腔体1上还固定安装有固定板20，所固定板20位于滑动槽15的下端，固定板20与驱动板18 之间设置有第一压缩弹簧21。
[0041]
因为本发明在刚开始打印时无需降温，避免影响保温腔体2内的温度，只有当打印至一定高度后在开始进行冷却降温。如图2、图 3、图8所示，本发明在工作时支撑板7随着打印的进行不断下降。在开始时，支撑板7内的冷却管道10两端的第一连接口与第二连接口均属于封闭状态。随着支撑板7的下降，支撑板7会挤压驱动板 18，使得开关板16在滑动槽15
内向下滑动，这样通孔17会随着开关板16的向下移动从滑动槽15内移出与第一连接口相连通，这样入气区的中空层9内的冷气可以进入冷却管道10。同理，第二连接口也与出气区的中空层9相连通，冷气开始循环流动，对支撑板7 上的工件已成型区域进行降温。打印完成后，支撑板7在升降机构8 的作用下上升复位，开关板16上的驱动板18在第一压缩弹簧21的作用下向上移动复位，通孔17重新进入滑动槽15内将中空层9与冷却管道10断开。本发明在驱动板18上设置楔面19的目的是为了在驱动板18复位时能够挤压第一连通口13、第二连通口14，辅助第一连通口13、第二连通口14收缩，断开连接。
[0042]
作为本发明的进一步方案，出气口12还设置有调节单元，所述调节单元根据支撑板7的位移控制出气口12开口大小，调节冷气流速。
[0043]
作为本发明的进一步方案，所述调节单元包括固定安装在出气区驱动板18上的齿条22和设置在出气口12的出气阀23，所述出气阀23上同轴安装有齿轮24，齿条22与齿轮24相啮合。
[0044]
同样条件下，冷气的流速加快代表着冷气带走的热量越多，降温效果越好，所以为了达到快速降温的目的，有必要加快冷气的流速。可是当刚开始打印时，支撑板7与保温腔体2的距离过于靠近，加快冷气流速，提高冷却效果很可能直接影响到保温腔体2内的温度，影响烧结成型质量。所以本发明需要根据支撑板7下移的距离调节冷却管道10内冷气的流速。如图2、图4、图10所示，本发明在工作时随着支撑板7的下移，出气区的驱动板18被支撑板7驱动向下移动，因为出气区的驱动板18固定安装有齿条22，齿条22驱动出气阀23上同轴安装的齿轮24转动，齿轮24转动调节出气口12 大小，当齿条22向下转动时，齿轮24正转调节出气口12变大，冷气循环加快，冷气流速加快。当齿条22在第一压缩弹簧21的回复力下回位时，齿条22驱动齿轮24反转，出气口12也复位。循环往复。本发明根据支撑板下移的距离调节冷却管道内冷气的流速，当支撑板下移距离越大时，提高冷气流速，在提高冷却效果的同时保障了保温腔体内的温度不受影响；加快流速可以保证了在打印结束时，降温冷却能够快速完成，节省了工作时间，提高了工作效率。支撑板7下移距离越大，说明打印工作越接近完成，所以需要加快冷气流速，加大冷却效率，保证在打印完成后，冷却降温能够及时完成，节约冷却时间，提高工作效率。
[0045]
作为本发明的进一步方案，所述所述冷却管道10呈弓字形排列。冷却管道10在支撑板7内部呈弓字形排列，增大了冷却管道10的换热面积，调高了冷却效率，便于冷却管道10对支撑板7上工件的已成型区域降温。
[0046]
工作原理：如图1、图2所示，本发明在工作时铺粉机构5先在粉床4上铺设一层非金属粉末材料，然后激光头3发出激光沿轨迹移动，使得该轨迹上的非金属粉末材料烧结形成切片形状落在支撑板7上，接着支撑板7在升降机构8的驱动下下移，非金属粉末材料一层层的烧结最终形成完整的三维物体。在烧结的过程中加热机构6对保温腔体2内进行加温，将保温腔体2的温度控制在一定的范围内。本发明在设备打印工件的同时用冷却机构对工件已成型区域进行快速降温，达到快速冷却的效果。
[0047]
如图1、图2、图6所示，本发明在支撑板7内设置冷却管道10，在工作腔体1内设置了用于存放冷气的中空层9。本发明在工作时，激光一层层烧结非金属粉末，冷气从入气区的入气口11进入中空层 9，在流经支撑板7内的冷区管道后，从出气区的中空层9处从出气口12流出，这样冷气从冷却管道10流过不会直接吹拂粉末，不会使得粉末飞扬，且从支撑板7
处开始降温冷却，只会对靠近支撑板7 处的工件已成型区域进行降温冷却，这样冷空气位于下方，保温腔体2的热空气位于上方，热空气密度较低，在无外力的情况下冷热空气不会发生对流，使得粉末飞扬，且冷热空气的热交换只会发生在分界处，这样可以在对已成型区域进行快速降温，不会影响工件未成型区域的温度，保障了打印工件的成型质量。本发明利用冷却管道10对支撑板7上工件已成型区域从底至上进行降温，不仅避免直接吹拂粉末，造成安全隐患，还避免了冷热空气发生对流，保障了保温腔体2内的温度不会受到冷却管道10降温的影响，在提高降温效果的同时避免影响打印成型效果。
[0048]
如图2、图3、图8所示，本发明在工作时支撑板7随着打印的进行不断下降。在开始时，支撑板7内的冷却管道10两端的第一连接口与第二连接口均属于封闭状态。随着支撑板7的下降，支撑板7 会挤压驱动板18，使得开关板16在滑动槽15内向下滑动，这样通孔17会随着开关板16的向下移动从滑动槽15内移出与第一连接口相连通，这样入气区的中空层9内的冷气可以进入冷却管道10。同理，第二连接口也与出气区的中空层9相连通，冷气开始循环流动，对支撑板7上的工件已成型区域进行降温。打印完成后，支撑板7 在升降机构8的作用下上升复位，开关板16上的驱动板18在第一压缩弹簧21的作用下向上移动复位，通孔17重新进入滑动槽15内将中空层9与冷却管道10断开。本发明在驱动板18上设置楔面19 的目的是为了在驱动板18复位时能够挤压第一连通口13、第二连通口14，辅助第一连通口13、第二连通口14收缩，断开连接。
[0049]
如图2、图4、图10所示，本发明在工作时随着支撑板7的下移，出气区的驱动板18被支撑板7驱动向下移动，因为出气区的驱动板18固定安装有齿条22，齿条22驱动出气阀23上同轴安装的齿轮24转动，齿轮24转动调节出气口12大小，当齿条22向下转动时，齿轮24正转调节出气口12变大，冷气循环加快，冷气流速加快。当齿条22在第一压缩弹簧21的回复力下回位时，齿条22驱动齿轮24反转，出气口12也复位。循环往复。本发明根据支撑板下移的距离调节冷却管道内冷气的流速，当支撑板下移距离越大时，提高冷气流速，在提高冷却效果的同时保障了保温腔体内的温度不受影响；加快流速可以保证了在打印结束时，降温冷却能够快速完成，节省了工作时间，提高了工作效率。支撑板7下移距离越大，说明打印工作越接近完成，所以需要加快冷气流速，加大冷却效率，保证在打印完成后，冷却降温能够及时完成，节约冷却时间，提高工作效率。
[0050]
所述冷却管道10呈弓字形排列。冷却管道10在支撑板7内部呈弓字形排列，增大了冷却管道10的换热面积，调高了冷却效率，便于冷却管道10对支撑板7上工件的已成型区域降温。