CN112846239B - 一种用于大型金属3d打印设备的铺粉机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于大型金属3D打印设备的铺粉机构，包括：至少一个储料罐，用于存储金属粉末；中转箱，为封闭式结构并设置在所述储料罐的下方；所述中转箱的上部通过连接管与所述储料罐连接，中转箱的底部设置有出料口；第一开关阀，设在所述中转箱底部的出料口处；铺粉器，用于承接从所述中转箱的出料口送出的金属粉末，并把金属粉末定量送入打印基板表面；铺粉刮刀，用于把所述铺粉器送入打印基板表面的金属粉末铺平；第一驱动装置，用于驱动所述铺粉刮刀前后移动；第二驱动装置，用于驱动所述铺粉器前后移动；该铺粉机构可避免粉末扬尘涌出污染3D打印设备的其它部件。

Description

一种用于大型金属3D打印设备的铺粉机构

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种用于大型金属3D打印设备的铺粉机构。

背景技术

近年来，由于3D打印技术（增材制造技术）在工业化领域的迅速发展，使得我国在众多前沿科技领域有了突飞猛进的进步，有效弥补了面对加工复杂金属零部件的短板。

在使用3D打印技术进行大型金属零部件的制造时，需要将金属粉末源源不断，持续稳定的输送到打印基板表面，因此，用于大型金属零部件的3D打印设备中的铺粉机构一般采用重力送粉和双向铺粉的设计。如图11、12为现有的铺粉机构，包括储料罐1’和铺粉组件2’，其中铺粉组件2’包括接料料斗3’、设置在接料料斗3’下方的Y型转轴4’、设置在Y型转轴4’下方的刮刀5’；工作时，储料罐1’先把一定量的金属粉送入接料料斗3’，从而落入Y型转轴4’的Y型凹槽内，然后Y型转轴4’转动一定角度，把Y型凹槽内的一部分金属粉倒在刮刀5’的右侧（如图11），接着铺粉组件2’向右运动由刮刀5’完成一次铺粉，然后Y型转轴4’转动反向转动一定角度，把剩余的金属粉倒在刮刀5’的左侧（如图12），接着铺粉组件2’向左运动由刮刀5’完成第二次铺粉，从而实现双向铺粉的效果。

然而，由于需要大型金属零部件的制造，储料罐1’每次向接料料斗3’输送的粉量较大，而这种铺粉机构的铺粉组件2’为开放式结构，储料罐1’往接料料斗3’送粉过程中容易产生大量粉末扬尘，这些粉末扬尘会对3D打印设备的场镜模组产生非常严重的污染，进而影响整个打印效果及效率。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种用于大型金属3D打印设备的铺粉机构，可避免粉末扬尘涌出污染3D打印设备的其它部件。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种用于大型金属3D打印设备的铺粉机构，包括：

至少一个储料罐，用于存储金属粉末；

中转箱，为封闭式结构并设置在所述储料罐的下方；所述中转箱的上部通过连接管与所述储料罐连接，中转箱的底部设置有出料口；

第一开关阀，设在所述中转箱底部的出料口处；

铺粉器，用于承接从所述中转箱的出料口送出的金属粉末，并把金属粉末定量送入打印基板表面；

铺粉刮刀，用于把所述铺粉器送入打印基板表面的金属粉末铺平；

第一驱动装置，用于驱动所述铺粉刮刀前后移动；

第二驱动装置，用于驱动所述铺粉器前后移动。

所述的用于大型金属3D打印设备的铺粉机构中，所述铺粉器包括具有内腔的铺粉器壳体，所述铺粉器壳体的顶部设置有入料口，所述入料口用于从所述第一开关阀下侧接料，所述铺粉器壳体的底部设置有下料口；所述铺粉器还包括落粉控制组件，所述落粉控制组件用于控制从所述下料口落粉的落粉量。

所述的用于大型金属3D打印设备的铺粉机构中，所述落粉控制组件包括转动设置在所述铺粉器壳体的内腔中的落粉辊，以及用于驱动所述落粉辊转动的伺服电机；所述落粉辊的周面上沿周向均匀设置有多个凹槽；所述内腔的底面为与所述落粉辊相适配的圆弧形面，所述下料口连通至所述圆弧形面，所述落粉辊与所述圆弧形面同轴设置。

所述的用于大型金属3D打印设备的铺粉机构中，所述铺粉器还包括若干个设置在所述铺粉器壳体上的传感器，所述传感器用于检测所述铺粉器壳体的内腔中的金属粉末的量是否充足。

所述的用于大型金属3D打印设备的铺粉机构中，所述第一开关阀包括连接在所述中转箱底部的开关阀主体，以及设置在所述开关阀主体底部的导向座；所述导向座设置有正对所述开关阀主体的出口的导向通道，以及围绕所述导向通道设置的柔性挡片；所述柔性挡片的下端伸出至所述导向通道以下。

进一步的，所述开关阀主体包括上大下小的入口，连接在所述入口下端的出口，以及围绕所述出口设置的环形气囊；所述环形气囊可在充气后堵塞所述出口，所述环形气囊具有一个气嘴，所述气嘴伸出所述开关阀主体外。

所述的用于大型金属3D打印设备的铺粉机构中，所述连接管连接在所述中转箱的顶部；所述中转箱具有至少一个倾斜设置的侧壁；所述连接管与所述中转箱连接的连接口竖直朝下的投影落在其中一个倾斜设置的侧壁上。

所述的用于大型金属3D打印设备的铺粉机构中，所述第一驱动装置为直线电机模组，所述直线电机模组的两个直线电机之间连接有一个连接梁，所述第一驱动装置驱动所述连接梁移动，所述铺粉器通过多根连接杆与所述连接梁固定连接。

所述的用于大型金属3D打印设备的铺粉机构中，所述第二驱动装置为直线电机模组，所述直线电机模组的两个直线电机分别通过L形架与所述铺粉刮刀的两端连接。

所述的用于大型金属3D打印设备的铺粉机构中，所述铺粉刮刀包括金属固定架，以及与所述金属固定架可拆卸式连接的橡胶刀条。

有益效果：

本发明提供的一种用于大型金属3D打印设备的铺粉机构，由于铺粉器和铺粉刮刀分别由第二驱动装置和第一驱动装置驱动，可独立移动，通过控制铺粉器落粉时的位置，可保证金属粉末每次都落在铺粉刮刀移动方向下游一侧，从而可实现双向铺粉；此外，通过在储料罐下方设置封闭式结构的中转箱，储料罐下料时先把金属粉末送入中转箱中，再由中转箱中把金属粉末输入铺粉器进行铺粉，能够有效避免粉末扬尘涌出污染3D打印设备的其它部件。

附图说明

图1为本发明提供的用于大型金属3D打印设备的铺粉机构的立体图。

图2为本发明提供的用于大型金属3D打印设备的铺粉机构的前视图。

图3为本发明提供的用于大型金属3D打印设备的铺粉机构的侧视图。

图4为本发明提供的用于大型金属3D打印设备的铺粉机构中，中转箱的立体图。

图5为本发明提供的用于大型金属3D打印设备的铺粉机构中，中转箱的横截面图。

图6为本发明提供的用于大型金属3D打印设备的铺粉机构中，铺粉器的立体图。

图7为本发明提供的用于大型金属3D打印设备的铺粉机构中，铺粉器的横截面图。

图8为本发明提供的用于大型金属3D打印设备的铺粉机构中，铺粉刮刀的立体图。

图9为本发明提供的用于大型金属3D打印设备的铺粉机构中，铺粉刮刀的横截面图。

图10为双向铺粉过程的示意图。

图11为现有的铺粉机构的结构示意图。

图12为现有的铺粉机构的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式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方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

下文的公开提供的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

为了便于描述，本申请中的前后方向是指铺粉时铺粉刮刀移动的方向，即图3中的左右方向；左右方向时指水平垂直于前后的方向，即图2中的左右方向。

请参阅图1-9，本发明提供的一种用于大型金属3D打印设备的铺粉机构，包括：

至少一个储料罐1，用于存储金属粉末；

中转箱2，为封闭式结构并设置在储料罐1的下方；中转箱2的上部通过连接管3与储料罐1连接，中转箱2的底部设置有出料口2.1（见图5）；

第一开关阀4，设在中转箱2底部的出料口处（见图4）；

铺粉器5，用于承接从中转箱2的出料口2.1送出的金属粉末，并把金属粉末定量送入打印基板表面；

铺粉刮刀6，用于把铺粉器5送入打印基板表面的金属粉末铺平；

第一驱动装置7，用于驱动铺粉刮刀6前后移动；

第二驱动装置8，用于驱动铺粉器5前后移动。

该铺粉机构在工作时，把金属粉末存储在储料罐1中，然后由储料罐1把金属粉末送入中转箱2中，由于中转箱2为封闭式结构，产生的粉末扬尘无法涌出，当铺粉器5移动到中转箱2正下方时，第一开关阀4打开使金属粉末落入铺粉器5中，然后由铺粉器5把金属粉末定量送入打印基板表面（把该动作称为落粉），在落粉前，先通过第二驱动装置8把铺粉器5移动至铺粉刮刀6即将移动的方向的下游一侧，再进行落粉，从而可实现双向铺粉；双向铺粉的具体过程可参考图10：铺粉刮刀6开始位于图中的最左侧，此时，由第二驱动装置8驱动铺粉器5移动至铺粉刮刀6右侧靠近铺粉刮刀6的位置进行落粉，然后第一驱动装置7驱动铺粉刮刀6往右移动铺平金属粉末，完成一次铺粉，接着第二驱动装置8驱动铺粉器5移动至铺粉刮刀6左侧靠近铺粉刮刀6的位置进行落粉，然后第一驱动装置7驱动铺粉刮刀6往左移动铺平金属粉末，完成第二次铺粉，从而实现双向铺粉。该铺粉机构可实现双向铺粉，且控制逻辑简单，并能够有效避免粉末扬尘涌出污染3D打印设备的其它部件。此外，由于铺粉器5和铺粉刮刀6可独立移动，在铺粉刮刀6进行铺粉操作的过程中，铺粉器5可移动至中转箱2下侧进行金属粉末补充，从而铺粉刮刀6无需因为铺粉器5补粉而停止并等待，生产连续性好，生产效率高。

其中，中转箱2为封闭式结构是指，除了底部的出料口2.1和用于与连接管3连接的连接口，中转箱2的其它部分密闭。

本实施例中，储料罐1、中转箱2和第一开关阀4的位置均是固定的，当铺粉器5中的金属粉末需要进行补充时，可移动至第一开关阀4的下侧进行接料。

本领域技术人员应该理解的是，为了避免铺粉器5和铺粉刮刀6发生碰撞，铺粉器5和铺粉刮刀6的上下位置相互错开，且铺粉器5的位置比铺粉刮刀6高。

在一些实施方式中，见图1、2 ，储料罐1设置有两个，该两个储料罐1分别通过连接管3与中转箱2连接，且在中转箱2上的连接位置左右对称。在实际应用中，进行大型金属零部件的制造时，打印基板表面的宽度较大，从而中转箱2的宽度（即左右方向的尺寸）相应地也较大，通过设置两个或更多的储料罐1，使各储料罐1从宽度方向的不同位置输送金属粉末到中转箱2中，可使到中转箱2中的金属粉末的高度各处均匀，从而保证中转箱2向铺粉器5送料时均匀送料。

在一些实施方式中，连接管3为波纹管，由于波纹管可弯曲，因此对中转箱2和储料罐1的定位精度要求较低。但连接管3不限于是波纹管。

其中，可在连接管3处设置第二开关阀9（如图2、3），以控制连接管3的通断。

具体的，见图6、7，铺粉器5包括具有内腔的铺粉器壳体5.1，铺粉器壳体5.1的顶部设置有入料口5.2，该入料口5.2用于从第一开关阀4下侧接料，铺粉器壳体5.1的底部设置有下料口5.3；铺粉器5还包括落粉控制组件，该落粉控制组件用于控制从下料口5.3落粉的落粉量。

在一些优选实施方式中，见图6、7，落粉控制组件包括转动设置在铺粉器壳体5.1的内腔中的落粉辊5.4，以及用于驱动落粉辊5.4转动的伺服电机5.5；落粉辊5.4的周面上沿周向均匀设置有多个凹槽5.6；粉器壳体5.1的内腔的底面为与落粉辊5.4相适配的圆弧形面（该圆弧形面的半径与落粉辊5.4的半径基本相同），下料口5.3连通至该圆弧形面，落粉辊5.4与该圆弧形面同轴设置。工作时，铺粉器5内的金属粉末会进入落粉辊5.4的凹槽5.6中，当凹槽5.6转动至对准下料口5.3的时候，凹槽5.6中的粉末会从下料口5.3处掉落，由于凹槽5.6的容积是固定的，因此只需要控制好每次落料时落粉辊5.4的转动角度，即可精确控制落粉量，可见，该落粉控制组件对落粉量控制的精度高，且控制逻辑简单。其中，凹槽5.6的数量和形状可根据实际需要进行设置。落粉控制组件的结构不限于此。

在实际应用中，若铺粉器5中的金属粉末不充足，可能会在落粉过程中耗尽金属粉末，导致落粉量不足而影响打印质量；为避免出现该问题，在一些优选实施方式中，见图6、7，铺粉器5还包括若干个设置在铺粉器壳体5.1上的传感器5.7，该传感器5.7用于检测铺粉器壳体5.1的内腔中的金属粉末的量是否充足。该传感器5.7可以是激光传感器、红外传感器、长声波传感器等，当金属粉末充足时，粉末顶层的高度高于传感器5.7的位置，从而遮挡传感器5.7，当金属粉末不充足时，粉末顶层的高度低于传感器5.7的位置，从而传感器5.7没有遮挡，3D打印设备的控制***根据传感器5.7的检测信号可判断传感器5.是否被遮挡，从而判断铺粉器5中的金属粉末量是否充足，若不充足，则使铺粉器5移动至第一开关阀4下方进行接料。

其中，传感器5.7的数量和位置可根据实际需要进行设置。优选地，传感器5.7设置多个，并沿左右方向均匀排布，只要有一个传感器5.7检测到金属粉末不充足，则判定铺粉器5中的金属粉末不充足，从而提高可靠性。

优选的，见图7，铺粉器壳体5.1有上、下两部分组成，且上、下两部分之间可拆卸式连接，以便对落粉辊5.4进行清洗和更换。当需要更换落粉辊5.4或对落粉辊5.4进行清洗时，可把铺粉器壳体5.1的上、下部分拆开，然后再进行落粉辊5.4的取放，方便快捷。为了进一步提高落粉辊5.4的取放，铺粉器壳体5.1的下部分的腔体上大下小。

在一些实施方式中，见图5、7，第一开关阀4包括连接在中转箱2底部的开关阀主体4.1，以及设置在开关阀主体4.1底部的导向座4.2；导向座4.2设置有正对开关阀主体的出口4.6的导向通道4.3，以及围绕导向通道4.3设置的柔性挡片4.4；柔性挡片4.4的下端伸出至导向通道4.3以下。通过柔性挡片4.4的遮挡，减小导向通道4.3下端与铺粉器壳体5.1顶部之间的间隙，从而降低粉末从该间隙洒出的概率，且柔性挡片4.4即使与铺粉器壳体5.1刮擦也不会破坏铺粉器壳体5.1。

进一步的，开关阀主体4.1包括上大下小的入口4.5，连接在入口4.5下端的出口4.6，以及围绕出口4.6设置的环形气囊4.7；环形气囊4.7可在充气后堵塞出口4.6，环形气囊4.7具有一个气嘴，气嘴伸出开关阀主体外。当需要往铺粉器5中补充粉末时，从气嘴抽出环形气囊4.7的气体，从而疏通出口4.6，在补充完成后，重新向环形气囊4.7充气，以堵塞出口4.6，与一般的具有阀芯或阀板的开关阀相比，该环形气囊4.7不会被粉末卡住而无法工作（金属粉末粒径大小平均在15-100μm之间，容易对阀芯、阀板等器件造成卡滞），可靠性更高。

本实施例中，开关阀主体4.1的顶部通过螺钉与中转箱2连接，开关阀主体4.1的顶部开设有环形凹槽4.8，如图6所示，该环形凹槽4.8中设置有密封圈（图中没画），以保证第一开关阀4和中转箱2之间的密封性。

在一些优选实施方式中，见图4、5，连接管3连接在中转箱2的顶部；中转箱2具有至少一个倾斜设置的侧壁；连接管3与中转箱2连接的连接口竖直朝下的投影落在其中一个倾斜设置的侧壁上。当粉末从储料罐1落入中转箱2时，先落在倾斜的侧壁上，再沿该侧壁下滑，与直接从上往下直落入中转箱2底部的方式相比，对粉末的冲击作用更小，产生的扬尘更小。其中，倾斜侧壁的倾斜角度需大于金属粉末的休止角，避免金属粉末驻留在该侧壁上。

在一些实施方式中，见图1-3，第一驱动装置7为直线电机模组（包括两个平行的直线电机），该直线电机模组的两个直线电机之间连接有一个连接梁10，第一驱动装置7驱动该连接梁10移动，铺粉器5通过多根连接杆11与该连接梁10固定连接。第一驱动装置7的结构不限于此，例如还可以是通过两个同步带驱动连接梁10移动的同步带模组、通过两个链条驱动连接梁10移动的链条模组、通过两个丝杠驱动连接梁10移动的丝杠模组等。

在一些实施方式中，见图1-3，第二驱动装置8为直线电机模组（包括两个平行的直线电机），该直线电机模组的两个直线电机分别通过L形架12与铺粉刮刀6的两端连接。第二驱动装置8的结构不限于此，例如还可以是通过两个同步带驱动铺粉刮刀6移动的同步带模组、通过两个链条驱动铺粉刮刀6移动的链条模组、通过两个丝杠驱动铺粉刮刀6移动的丝杠模组等。

优选的，见图8、9，铺粉刮刀6包括金属固定架6.1，以及与金属固定架6.1可拆卸式连接的橡胶刀条6.2。通过金属固定架6.1提高了铺粉刮刀6的整体强度和刚性的同时，保留了橡胶材质的柔软性，从而保证铺粉时的铺粉平整性，且保证了橡胶刀条6.2的直线度；而且当橡胶刀条6.2过度磨损后可单独更换，降低了维护成本。

在一些实施方式中，橡胶刀条6.2上开设有多个上下延伸的腰孔6.3，并由穿过该腰孔6.3的螺钉固定在金属固定架6.1上，如图8所示。从而当橡胶刀条6.2下侧出现轻度磨损后，可把橡胶刀条6.2的位置适当往下调节，保证铺粉厚度的精确性。

优选实施方式中，橡胶刀条6.2的下部为橡胶、上部为金属，从而可进一步保证橡胶刀条6.2的直线度。

其中，见图9，可把橡胶刀条6.2的下端面设置为“W”型，当橡胶刀条6.2下端受到挤压时，具有更多空间供其下端变形，从而使橡胶刀条6.2下端变形的阻力更小、柔软度更适中，进而有利于提高铺粉的均匀性。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，其方案与本发明实质上相同。

Claims (9)

1.一种用于大型金属3D打印设备的铺粉机构，其特征在于，包括：

至少一个储料罐，用于存储金属粉末；

中转箱，为封闭式结构并设置在所述储料罐的下方；所述中转箱的上部通过连接管与所述储料罐连接，中转箱的底部设置有出料口；

第一开关阀，设在所述中转箱底部的出料口处；

铺粉器，用于承接从所述中转箱的出料口送出的金属粉末，并把金属粉末定量送入打印基板表面；

铺粉刮刀，用于把所述铺粉器送入打印基板表面的金属粉末铺平；

第一驱动装置，用于驱动所述铺粉刮刀前后移动；

第二驱动装置，用于驱动所述铺粉器前后移动；

所述铺粉刮刀包括金属固定架，以及与所述金属固定架可拆卸式连接的橡胶刀条；

所述橡胶刀条的下部为橡胶、上部为金属；所述橡胶刀条的下端面为“W”型。

2.根据权利要求1所述的用于大型金属3D打印设备的铺粉机构，其特征在于，所述铺粉器包括具有内腔的铺粉器壳体，所述铺粉器壳体的顶部设置有入料口，所述入料口用于从所述第一开关阀下侧接料，所述铺粉器壳体的底部设置有下料口；所述铺粉器还包括落粉控制组件，所述落粉控制组件用于控制从所述下料口落粉的落粉量。

3.根据权利要求2所述的用于大型金属3D打印设备的铺粉机构，其特征在于，所述落粉控制组件包括转动设置在所述铺粉器壳体的内腔中的落粉辊，以及用于驱动所述落粉辊转动的伺服电机；所述落粉辊的周面上沿周向均匀设置有多个凹槽；所述内腔的底面为与所述落粉辊相适配的圆弧形面，所述下料口连通至所述圆弧形面，所述落粉辊与所述圆弧形面同轴设置。

4.根据权利要求2所述的用于大型金属3D打印设备的铺粉机构，其特征在于，所述铺粉器还包括若干个设置在所述铺粉器壳体上的传感器，所述传感器用于检测所述铺粉器壳体的内腔中的金属粉末的量是否充足。

5.根据权利要求1所述的用于大型金属3D打印设备的铺粉机构，其特征在于，所述第一开关阀包括连接在所述中转箱底部的开关阀主体，以及设置在所述开关阀主体底部的导向座；所述导向座设置有正对所述开关阀主体的出口的导向通道，以及围绕所述导向通道设置的柔性挡片；所述柔性挡片的下端伸出至所述导向通道以下。

6.根据权利要求5所述的用于大型金属3D打印设备的铺粉机构，其特征在于，所述开关阀主体包括上大下小的入口，连接在所述入口下端的出口，以及围绕所述出口设置的环形气囊；所述环形气囊可在充气后堵塞所述出口，所述环形气囊具有一个气嘴，所述气嘴伸出所述开关阀主体外。

7.根据权利要求1所述的用于大型金属3D打印设备的铺粉机构，其特征在于，所述连接管连接在所述中转箱的顶部；所述中转箱具有至少一个倾斜设置的侧壁；所述连接管与所述中转箱连接的连接口竖直朝下的投影落在其中一个倾斜设置的侧壁上。

8.根据权利要求1所述的用于大型金属3D打印设备的铺粉机构，其特征在于，所述第一驱动装置为直线电机模组，所述直线电机模组的两个直线电机之间连接有一个连接梁，所述第一驱动装置驱动所述连接梁移动，所述铺粉器通过多根连接杆与所述连接梁固定连接。

9.根据权利要求1所述的用于大型金属3D打印设备的铺粉机构，其特征在于，所述第二驱动装置为直线电机模组，所述直线电机模组的两个直线电机分别通过L形架与所述铺粉刮刀的两端连接。

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