CN110153411B - 基于电阻加热的点阵式铺粉3d打印装置与打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于电阻加热的点阵式铺粉3D打印装置与打印方法，包括密封壳体、送料口、液压升降架、点阵式电阻加热板、送粉装置、可移动支架、铺粉装置、粉床槽、打印基台、隔板、升降器以及步进电机。本发明的点阵式铺粉3D打印装置采用基于电阻加热的方式，并利用点阵化的手段实现增材制造打印，即将三维零件进行空间网格切片划分后，先将一个面划分成阵列的点并根据三维零件单层切片将基台上粉末床上的粉末需打印的区域加热熔化或烧结得到面成型，然后逐渐层堆积直接成型，具有较低的生产成本和极高的生产效率，缩短了铺粉打印制备零件的周期。

Description

基于电阻加热的点阵式铺粉3D打印装置与打印方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体而言涉及基于电阻加热的点阵式铺粉3D打印装置与打印方法。

背景技术

铺粉3D打印技术是金属零件一种快速直接成形的方法，目前使用最多的是激光选区熔化SLM技术，除此外还有电子束选区熔化EBSM技术，其快速成形的最基本原理是通过点扫面逐层熔化堆叠的制造方式直接对复杂三维零件进行成形。采用此技术可加工制造出传统加工手段无法制造出来的结构复杂的金属零件，利于这种快速直接成形的方法制备的零件已在航空航天、生物医疗等领域内发挥了重要的作用。

不管是激光选区熔化SLM技术还是电子束选区熔化EBSM技术都是由单个光斑或多个光斑对一个面的扫描后逐层堆积起来的，也就是说，它们都是点到面成型再逐层堆积到体成型，虽然上述方法成形精度高，但整体的零件成形周期长，成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于金属零件的基于电阻加热的点阵式铺粉3D打印装置，解决目前铺粉3D打印技术打印周期过长、成本较高的问题。

为达成上述目的，本发明提供的基于电阻加热的点阵式铺粉3D打印装置，包括密封壳体、送料口、液压升降架、点阵式电阻加热板、送粉装置、可移动支架、铺粉装置、粉床槽、打印基台、隔板、升降器以及步进电机；

所述密封壳体用于将打印环境与外界隔离，打印时处在全惰性气体环境中；

所述隔板被设置成将密封壳体分割成上腔体和下腔体，所述液压升降架、点阵式电阻加热板、送粉装置、可移动支架、铺粉装置设置在上腔体内，粉床槽、打印基台、升降器以及步进电机设置在下腔体内；

所述送料口安装在密封壳体外部，金属粉末通过其入口进入至送粉装置中；

所述送粉装置包括储料仓和送粉组件，所述储料仓具有用于容纳金属粉末的腔体，所述腔体与送料口连通；送粉组件设置在储料仓下部，用于接收从储料仓输送的金属粉末；

所述送粉装置下方设置有一可移动支架，位于隔板上；所述送粉组件位于所述可移动支架所限定的空间内，送粉组件的底部出料口临近隔板，以提供打印一层所用的金属粉末；

所述铺粉装置包括一铺粉用的轧压辊和刮刀，所述刮刀安装在可移动支架的底端，所述刮刀被设置成随着可移动支架同步移动，将送粉装置输送的金属粉末刮平到所述粉床槽内，所述轧压辊被设置成用于受驱动而在隔板上滚动、带动整个可移动支架运动，并将铺到粉床槽内的金属粉末压实，其中粉床槽位于隔板下方位置并且在铺粉后与隔板平齐，其中所述的隔板上形成有与粉床槽截面相同的槽；

所述打印基台固定到粉床槽的下方；

所述步进电机安装在密封壳体的底部，位于下腔体内；所述步进电机的输出端与升降器连接，通过步进电机驱动升降器的上下运动，驱动打印基台和粉床槽的同步升降。

进一步的实施例中，所述点阵式铺粉3D打印装置还包括至少一组粉末回收装置，粉末回收装置具有回收槽和回收瓶，回收槽设置在隔板下方，回收槽的下方固定有回收瓶并与回收瓶连通，所述隔板上对应于回收槽的位置设置有开口部，使得金属粉末经由回收槽再收集至回收瓶中。

进一步的实施例中，所述开口部的截面形状与回收槽的上口部相同。

进一步的实施例中，所述刮刀还被设置成随着可移动支架同步移动，将金属粉末刮平并将多余的粉末推入至回收槽中。

进一步的实施例中，所述点阵式铺粉3D打印装置具有两组所述的粉末回收装置，分别设置在粉床槽的两侧，每组粉末回收装置对应设置一刮刀。

进一步的实施例中，所述铺粉装置向左前进进行铺粉时，所述液压升降架带动点阵式电阻加热板向上移动，当铺粉刮刀***下向右前进进行复位时，液压升降架带动点阵式电阻加热板向下移动，进行3D打印。

进一步的实施例中，所述点阵式电阻加热板包括密集排布的电阻加热针组成的模块化的加热模块，每个加热模块采用可编程式的控制并可单独进行更换，所述多个加热模块通过编程控制加热区域。

进一步的实施例中，所述电阻加热针上涂覆有耐高温氧化铝陶瓷涂层。

进一步的实施例中，所述打印基台内部设置有电阻加热元件，用以对粉床槽进行预热。

进一步的实施例中，所述储料仓的内腔的底部形成第一斜坡结构，第一斜坡结构的底部设置有第一送粉滚轮和第一开口，通过第一送粉滚轮的转动实现匀速传送金属粉末至送粉组件。

进一步的实施例中，所述送粉组件具有一喇叭状接收端以及与接收端连通的缓冲腔，所述接收端固定安装在可移动支架的顶部，用于接收从储料仓传送的金属粉末，所述缓冲腔的内部形成形成第二斜坡结构，第二斜坡结构的底部设置有第二送粉滚轮和第二开口，通过第二送粉滚轮的转动实现匀速传送金属粉末至隔板上。

进一步的实施例中，所述第二送粉滚轮的尺寸小于第一送粉滚轮。

根据本发明的改进，还提出一种点阵式铺粉3D打印方法，包括以下步骤：

打印过程开始后，将储料仓内的金属粉末通过送粉装置输送一定量的金属粉末，并由轧压辊和刮刀构成铺粉装置将粉末刮平压实，多余的粉末则通过刮刀刮走并收集至回收瓶内储存；

其中，在铺粉装置向左前进时，液压升降架带动点阵式电阻加热板向上移动至点，当铺粉刮刀***下右前进时并回到初始位置，液压升降架带动点阵式电阻加热板向下移动并与粉末床接触，进行3D打印，通过点阵电阻加热板上的电阻加热针对要成形区域加热然后熔化使该区域粉末熔化或烧结，然后缓慢抬升点阵电阻加热板同时停止加热，随后此面层成形区域凝固整体的成形完毕；

待一面层打印结束后，使用步进电机和升降器向下移动打印基台，随后进行新的一层粉末铺设、辊压和3D打印，循环往复增加新一层的打印，直至打印完成。

由以上本发明的技术方案可见，本发明的点阵式铺粉3D打印装置采用基于电阻加热的方式，并利用点阵化的手段实现增材制造打印，即将三维零件进行空间网格切片划分后，先将一个面划分成阵列的点并根据三维零件单层切片将基台上粉末床上的粉末需打印的区域加热熔化或烧结得到面成型，然后逐渐层堆积直接成型。

本发明的3D打印装置进行3D打印，具有较低的生产成本和极高的生产效率，大大缩短了铺粉打印制备零件的周期，该发明还保证了零件的成形精度，对于相对复杂的零件也可打印；此外对于单个零件的成形尺寸可大可小易于控制，可用于制造较为大型的金属零件，具有很强的适应性。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明基于电阻加热点阵式金属铺粉打印设备的整体结构示意图

图2是本发明电阻加热板点阵式加工面板的细节图

图3是本发明在打印状态时点阵电阻加热板与粉床做用的原理图

图中，1.送料口，2.密封壳体，3.液压升降架，4.点阵式电阻加热板，5.储料仓，6.送粉组件，7.轧压辊，8.刮刀，9.回收槽，10.收集瓶，11.粉床槽，12.打印基台，13.升降器，14.步进电机，15.电阻加热针，16.耐高温氧化铝涂层。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图1-图3所示，根据本发明较佳的实施例的基于电阻加热的点阵式铺粉3D打印装置，包括包括送料口1、密封壳体2，送料口1置于密封壳体2外部；送料口1用于加装打印的粉末材料。并且，送料口上的快速旋拧开关将密封壳体2稳定的氩气环境与外界环境隔离，以此来达到打印过程氧含量和湿度的精确控制。

结合图示，点阵式铺粉3D打印装置还包括液压升降架3、点阵式电阻加热板4、送粉装置、可移动支架17、铺粉装置、粉床槽11、收集瓶10、打印基台12、隔板18、升降器13以及步进电机14。

密封壳体2用于将打印环境与外界隔离，打印时处在全惰性气体环境中。送料口1安装在密封壳体外部，金属粉末通过其入口进入至送粉装置。

隔板18被设置成将密封壳体2分割成上腔体和下腔体，液压升降架3、点阵式电阻加热板4、送粉装置、可移动支架17、铺粉装置设置在上腔体内，粉床槽11、打印基台12、收集瓶10、升降器13以及步进电机14设置在下腔体内.

结合图1，送粉装置包括储料仓5和送粉组件6，储料仓5具有用于容纳金属粉末的腔体，腔体与送料口连通。送粉组件6设置在储料仓下部，用于接收从储料仓输送的金属粉末。

送粉装置下方设置有一可移动支架17，位于隔板18上；送粉组件17位于可移动支架17所限定的空间内，送粉组件17的底部出料口临近隔板，以提供打印一层所用的金属粉末。

铺粉装置包括一铺粉用的轧压辊7和刮刀8，刮刀8安装在可移动支架的底端，刮刀8被设置成随着可移动支架同步移动，将送粉装置输送的金属粉末刮平到粉床槽11内。轧压辊7被设置成用于受驱动而在隔板上滚动、带动整个可移动支架17运动，并将铺到粉床槽内的金属粉末压实。

结合图1，粉床槽11位于隔板下方位置并且在铺粉后与隔板平齐，其中的隔板上形成有与粉床槽截面相同的槽。如此，金属粉末从送份组件6送粉到隔板上，然后通过轧压辊7的运动，带动整个可移动支架17运动，通过可移动支架17底部的刮刀将金属粉末刮平到粉床槽11内，刮平后的粉床槽11(含打印一层的金属粉末)与隔板齐平。同时，刮刀还被设置成随着可移动支架同步移动，将多余的粉末推入至回收槽9中。

结合图1，打印基台12固定到粉床槽的下方。步进电机14安装在密封壳体的底部，位于下腔体内；步进电机14的输出端与升降器13连接，通过步进电机驱动升降器的上下运动，驱动打印基台12和粉床槽11的同步升降。

如此，通过粉床槽11中内置的打印基台12，其内部有电阻加热元件可用于粉末床打印预热，粉末床置于基台12之上，并且其由步进电机13和升降器14精确控制打印每个层的厚度。

结合图1，本实施例的点阵式铺粉3D打印装置还包括至少一组粉末回收装置，粉末回收装置具有回收槽9和回收瓶10，回收槽9设置在隔板下方，回收槽9的下方固定有回收瓶10并与回收瓶连通，隔板上对应于回收槽的位置设置有开口部，使得金属粉末经由回收槽再收集至回收瓶10中。优选地，前述开口部的截面形状与回收槽的上口部相同。

结合图1、2、3，点阵式电阻加热板4包括密集排布的电阻加热针组成的模块化的加热模块，每个加热模块采用可编程式的控制并可单独进行更换，多个加热模块通过编程控制加热区域。

结合图1所示，本发明的3D打印装置，其中液压升降架3固定在密封壳体2内部并与点阵式电阻加热板4相连接控制其上下移动，通过液压升降架3停留的时间来精确控制点阵式电阻加热板4与粉末的作用时间。

如图1、3，点阵式电阻加热板4的端面为模块化设计(如图2右图)可对不同区域损坏的组件进行快捷的更换，优选地在电阻加热针上涂覆有耐高温氧化铝陶瓷涂层16层，避免熔化金属与其进行粘连。打印时在电阻加热针对接触的粉体进行加热，同时对周围区域也进行加热，粉体加热的面积取决于材料的种类以及电阻功率的大小(如图3)。

优选的实施例中，点阵式铺粉3D打印装置具有两组前述的粉末回收装置，分别设置在粉床槽的两侧，每组粉末回收装置对应设置一刮刀。

结合图1，铺粉装置向左前进进行铺粉时，液压升降架带动点阵式电阻加热板向上移动，当铺粉***下向右前进进行复位时，液压升降架带动点阵式电阻加热板向下移动，进行3D打印，因此防止两个铺粉和打印工作时发生干扰。

结合图1，储料仓5的底部高于送粉组件6的顶部的喇叭状接收部，以避免铺粉装置在移动过程(与可移动支架一起)中，二者发生碰撞和干扰。

结合图1，储料仓5的内腔的底部形成第一斜坡结构51，第一斜坡结构的底部设置有第一送粉滚轮52和第一开口53，通过第一送粉滚轮的转动实现匀速传送金属粉末，通过第一开口31送至送粉组件。

送粉组6件具有一喇叭状接收端61以及与接收端连通的缓冲腔62，接收端固定安装在可移动支架的顶部，用于接收从储料仓传送的金属粉末，缓冲腔的内部形成形成第二斜坡结构63，第二斜坡结构的底部设置有第二送粉滚轮64和第二开口，通过第二送粉滚轮的转动实现匀速传送金属粉末至隔板上。第二开口具有朝向隔板17方向的狭长缝隙。

优选地，第二送粉滚轮64的尺寸小于第一送粉滚轮52。

结合图1所示实施例的3D打印装置，其采用点阵式铺粉的3D打印工作方式，具体包括以下步骤：

打印过程开始后，将储料仓内的金属粉末通过送粉装置输送一定量的金属粉末，并由轧压辊和刮刀构成铺粉装置将粉末刮平压实，多余的粉末则通过刮刀刮走并收集至回收瓶内储存；

其中，在铺粉装置向左前进时，液压升降架带动点阵式电阻加热板向上移动至点，当铺粉刮刀***下右前进时并回到初始位置，液压升降架带动点阵式电阻加热板向下移动并与粉末床接触，进行3D打印，通过点阵电阻加热板上的电阻加热针对要成形区域加热然后熔化使该区域粉末熔化或烧结，然后缓慢抬升点阵电阻加热板同时停止加热，随后此面层成形区域凝固整体的成形完毕；

待一面层打印结束后，使用步进电机和升降器向下移动打印基台，随后进行新的一层粉末铺设、辊压和3D打印，循环往复增加新一层的打印，直至打印完成。

由以上本发明的技术方案可见，本发明的点阵式铺粉3D打印装置采用基于电阻加热的方式，并利用点阵化的手段实现增材制造打印，即将三维零件进行空间网格切片划分后，先将一个面划分成阵列的点并根据三维零件单层切片将基台上粉末床上的粉末需打印的区域加热熔化或烧结得到面成型，然后逐渐层堆积直接成型。

本发明的3D打印装置进行3D打印，具有较低的生产成本和极高的生产效率，大大缩短了铺粉打印制备零件的周期，该发明还保证了零件的成形精度，对于相对复杂的零件也可打印；此外对于单个零件的成形尺寸可大可小易于控制，可用于制造较为大型的金属零件，具有很强的适应性。

Claims (9)

1.一种基于电阻加热的点阵式铺粉3D打印装置，其特征在于，包括密封壳体、送料口、液压升降架、点阵式电阻加热板、送粉装置、可移动支架、铺粉装置、粉床槽、打印基台、隔板、升降器以及步进电机，其中：

所述密封壳体用于将打印环境与外界隔离，打印时处在全惰性气体环境中；

所述隔板被设置成将密封壳体分割成上腔体和下腔体，所述液压升降架、点阵式电阻加热板、送粉装置、可移动支架、铺粉装置设置在上腔体内，粉床槽、打印基台、升降器以及步进电机设置在下腔体内；

所述送料口安装在密封壳体外部，金属粉末通过其入口进入至送粉装置中；

所述送粉装置包括储料仓和送粉组件，所述储料仓具有用于容纳金属粉末的腔体，所述腔体与送料口连通；送粉组件设置在储料仓下部，用于接收从储料仓输送的金属粉末；

所述送粉装置下方设置有一可移动支架，位于隔板上；所述送粉组件位于所述可移动支架所限定的空间内，送粉组件的底部出料口临近隔板，以提供打印一层所用的金属粉末；

所述铺粉装置包括一铺粉用的轧压辊和刮刀，所述刮刀安装在可移动支架的底端，所述刮刀被设置成随着可移动支架同步移动，将送粉装置输送的金属粉末刮平到所述粉床槽内，所述轧压辊被设置成用于受驱动而在隔板上滚动、带动整个可移动支架运动，并将铺到粉床槽内的金属粉末压实，其中粉床槽位于隔板下方位置并且在铺粉后与隔板平齐，其中所述的隔板上形成有与粉床槽截面相同的槽；

所述打印基台固定到粉床槽的下方；

所述步进电机安装在密封壳体的底部，位于下腔体内；所述步进电机的输出端与升降器连接，通过步进电机驱动升降器的上下运动，驱动打印基台和粉床槽的同步升降；

所述点阵式铺粉3D打印装置还包括至少一组粉末回收装置，粉末回收装置具有回收槽和回收瓶，回收槽设置在隔板下方，回收槽的下方固定有回收瓶并与回收瓶连通，所述隔板上对应于回收槽的位置设置有开口部，使得金属粉末经由回收槽再收集至回收瓶中；

所述点阵式电阻加热板包括密集排布的电阻加热针组成的模块化的加热模块，每个加热模块采用可编程式的控制并可单独进行更换，所述多个加热模块通过编程控制加热区域；

所述储料仓的内腔的底部形成第一斜坡结构，第一斜坡结构的底部设置有第一送粉滚轮和第一开口，通过第一送粉滚轮的转动实现匀速传送金属粉末至送粉组件；

所述送粉组件具有一喇叭状接收端以及与接收端连通的缓冲腔，所述接收端固定安装在可移动支架的顶部，用于接收从储料仓传送的金属粉末，所述缓冲腔的内部形成形成第二斜坡结构，第二斜坡结构的底部设置有第二送粉滚轮和第二开口，通过第二送粉滚轮的转动实现匀速传送金属粉末至隔板上。

2.根据权利要求1所述的基于电阻加热的点阵式铺粉3D打印装置，其特征在于，所述开口部的截面形状与回收槽的上口部相同。

3.根据权利要求1所述的基于电阻加热的点阵式铺粉3D打印装置，其特征在于，所述刮刀还被设置成随着可移动支架同步移动，将金属粉末刮平并将多余的粉末推入至回收槽中。

4.根据权利要求3所述的基于电阻加热的点阵式铺粉3D打印装置，其特征在于，所述点阵式铺粉3D打印装置具有两组所述的粉末回收装置，分别设置在粉床槽的两侧，每组粉末回收装置对应设置一刮刀。

5.根据权利要求1所述的基于电阻加热的点阵式铺粉3D打印装置，其特征在于，所述铺粉装置向左前进进行铺粉时，所述液压升降架带动点阵式电阻加热板向上移动，当铺粉刮刀***下向右前进进行复位时，液压升降架带动点阵式电阻加热板向下移动，进行3D打印。

6.根据权利要求1所述的基于电阻加热的点阵式铺粉3D打印装置，其特征在于，所述电阻加热针上涂覆有耐高温氧化铝陶瓷涂层。

7.根据权利要求1所述的基于电阻加热的点阵式铺粉3D打印装置，其特征在于，所述打印基台内部设置有电阻加热元件，用以对粉床槽进行预热。

8.根据权利要求1所述的基于电阻加热的点阵式铺粉3D打印装置，其特征在于，所述第二送粉滚轮的尺寸小于第一送粉滚轮。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的基于电阻加热的点阵式铺粉3D打印装置的点阵式铺粉3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

打印过程开始后，将储料仓内的金属粉末通过送粉装置输送一定量的金属粉末，并由轧压辊和刮刀构成铺粉装置将粉末刮平压实，多余的粉末则通过刮刀刮走并收集至回收瓶内储存；

其中，在铺粉装置向左前进时，液压升降架带动点阵式电阻加热板向上移动至点，当铺粉刮刀***下右前进时并回到初始位置，液压升降架带动点阵式电阻加热板向下移动并与粉末床接触，进行3D打印，通过点阵电阻加热板上的电阻加热针对要成形区域加热然后熔化使该区域粉末熔化或烧结，然后缓慢抬升点阵电阻加热板同时停止加热，随后此面层成形区域凝固整体的成形完毕；

待一面层打印结束后，使用步进电机和升降器向下移动打印基台，随后进行新的一层粉末铺设、辊压和3D打印，循环往复增加新一层的打印，直至打印完成。