CN114603163B - 增材制造成型***及3d打印方法 - Google Patents

增材制造成型***及3d打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及增材制造技术领域，提供了一种增材制造成型***及3D打印方法，所述增材制造成型***包括可旋转成型缸、保护气循环***、激光模块、工作台和控制模块；可旋转成型缸的旋转轴线垂直于工作台；保护气循环***形成稳定的风场，风场覆盖可旋转成型缸；控制模块控制可旋转成型缸的旋转位置、激光的扫描及风场的开闭；激光扫描方向始终垂直于风场的吹风方向。所述3D打印方法利用了上述增材制造成型***。本发明利用建模配合成形缸的旋转，使得零件的激光扫描方向垂直于风场，从而提高去除飞溅物的效率；与现有设备相比，提高风场对飞溅物的承载能力，更高效地除去飞溅物，提高零件质量。

Description

增材制造成型***及3D打印方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种增材制造成型***及3D打印方法。
背景技术
增材制造是一种可以由模型数据直接制造零件的新型制造技术，增材制造以其强大的个性化制造能力充分满足未来社会大规模个性化定制的需求，以其对设计创新的强力支撑颠覆高端装备的传统设计和制造途径，形成前所未有的全新解决方案，使大量的产品概念发生革命性变化，成为支撑我国制造业从转型到创新驱动发展模式的转换。
在金属材料的增材制造中，最为常用的是激光选区熔化、电子束选区熔化以及能量直接沉积三种。其中激光选区熔化技术制件精度高、性能优异，是金属增材制造领域的重要部分。不过，选区激光熔化技术所制造的零件中难免存在不同程度的缺陷，导致SLM部件的机械性能降低。众多缺陷中，飞溅是一种常见的现象。在高能束扫过粉末床形成熔池时，蒸汽反冲压力的作用以及马拉高尼效应会将熔融金属与非熔融金属粉末等就会飞溅而出，形成飞溅物。该飞溅物会直接影响打印质量，例如导致孔隙率增加，产生夹杂等缺陷。
目前，主要的去除方式为通过在打印舱室引入一个风场，将部分飞溅物吹走。不过，在实践中发现，不同的激光扫描方向与风场方向会影响飞溅物吹走的效率，而实际上为了减小增材制造的热应力，每一层都会改变一次激光扫描的方向。因此，现有设备难以避免该问题。
发明内容
本发明的目的是至少克服现有技术的不足之一，提供了一种增材制造成型缸***、3D打印机及打印方法，可用于不同激光选区熔化设备的飞溅物分离，提高除去飞溅物的效率，改善增材制造零件的质量，减少对回收粉末的污染。
本发明设置一种可旋转的成形缸，使得成形缸配合扫描策略后保持激光扫描方向与风场方向垂直，增加了可利用风场面积，从而提高风场对飞溅物的承载能力，同时较大部分飞溅物侧面速度都小于平行于激光扫描方向的速度，因此可更高效除去飞溅物，最终提高零件质量。
本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种增材制造成型***，包括可旋转成型缸、保护气循环***、激光模块、工作台和控制模块；
所述可旋转成型缸设置在所述工作台的中部，可带动成形缸及其内部的粉末床一起旋转；所述可旋转成型缸的顶部与所述工作台台面平齐，所述可旋转成型缸的旋转轴线垂直于所述工作台；所述可旋转成型缸相对于所述工作台旋转，所述工作台固定不动；
所述保护气循环***，可在打印腔室内形成稳定的风场，所述风场覆盖所述可旋转成型缸；
所述激光模块可从成形缸上方向下射出激光；所述激光模块根据预先设定的路径进行扫描，每次扫描方向都垂直于风场方向；
所述控制模块用于控制所述可旋转成型缸的旋转位置、激光的扫描及所述风场的开闭；激光扫描方向始终垂直于所述风场的吹风方向。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述可旋转成型缸包括成型台、旋转筒及旋转驱动单元；
所述旋转筒为圆筒状，所述旋转筒的外侧面与所述工作台贴合；所述成型台设置在所述旋转筒内部空间内，所述成型台的侧面与所述旋转筒内侧面滑动接触，所述成型台能在所述旋转筒内部空间上下移动（在自身驱动单元的驱动下）；所述成型台的上表面与所述旋转筒形成的空间用于盛放增材粉末；
所述旋转驱动单元用于驱动所述成型台和所述旋转筒绕轴同步旋转。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述工作台与所述旋转筒连接处设置有延伸到所述工作台内部的内凹圆环槽，所述旋转筒设置有相对应的突出部，所述突出部卡合在所述内凹圆环槽内，可减少铺粉过程中粉末进入缝隙。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述控制模块为计算机或控制器。
所述保护气循环***包括打印腔室、出风口、进风口、管路及阀门、过滤芯等，所述出风口与进风口可在打印腔室内形成稳定的风场，所述增材制造成型***位于打印腔室中。优选的，出风口和进风口相对设置。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述进风口与出风口均避开打印机刮刀的运动位置。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述成型台与所述旋转筒结合处，及所述旋转筒与所述工作台结合处均进行密封处理。
另一方面，本发明还提供了一种利用上述装置进行3D打印的方法，所述方法包括：
S1、建模：将待打印零件切片分析，得到零件保持不动时每层打印的激光扫描方向；将每层打印的激光扫描方向转化为可旋转成型缸的旋转角度，使得可旋转成型缸经过旋转后各层的激光扫描沿同一方向；
S2、打印：根据当前层打印时可旋转成型缸的旋转角度，控制可旋转成型仓旋转到目标位置；开始激光扫描，同时出风口和进风口打开并形成稳定风场，激光扫描方向和风场吹风方向保持垂直，完成本层打印；
S3、重复步骤S2，直至完成零件打印。
本发明的有益效果为：通过引入旋转的成形缸，结合计算机***控制，保持在打印过程中风场方向与激光扫描方向垂直，从而提高风场对飞溅物的承载能力，更高效除去飞溅物，最终提高零件质量。
附图说明
图1所示为本发明风场与激光扫描方向关系的工作原理示意图。
图2所示为本发明实施例一种增材制造成型缸***的结构示意图。
图3所示为实施例的俯视示意图。
图中：1.风场，2.激光扫描路径，3.飞溅物，4.工作台，5.旋转筒，6.可旋转成形缸，7.打印的零件，8.成型台，9.激光模块，10.出风口，11.进风口，2-1.激光扫描路径一，2-2.激光扫描路径二。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
本发明的技术原理：
由于单位面积气流可承载的飞溅物量是一定的，因此当激光扫描方向垂直于风场时，一定时间内飞溅物与风场的接触面积最大，单位时间与飞溅物接触的气流量越大，总的飞溅物承载能力就增加。此外，由于飞溅物的形成主要是由于熔池不稳定性，因此较大部分飞溅物都朝着熔池前方或后方飞去，因此侧方的风向更有利于去除飞溅物。如图1所示，激光扫描路径2-1与风场1方向相同时，飞溅物清除效果不佳。激光扫描路径2-2与风场1方向垂直，飞溅物清除效率最高，效果最好。
如图2、图3所示，本发明实施例一种增材制造成型缸***，包括可旋转成型缸6、保护气循环***、激光模块9、工作台4和控制模块；所述可旋转成型缸6设置在所述工作台4的中部，所述可旋转成型缸6的顶部与所述工作台4台面平齐，所述可旋转成型缸6的旋转轴线垂直于所述工作台4；所述进风口11和所述出风口10均设置在所述工作台4上，所述保护气循环***，可在打印腔室内形成稳定的风场1，所述风场1覆盖所述可旋转成型缸6；所述激光模块设置在所述可旋转成型缸6上方；所述控制模块用于控制所述可旋转成型缸6的旋转位置、激光的扫描及所述风场1的开闭；激光扫描方向始终垂直于所述风场1的吹风方向。
所述保护气循环***包括打印腔室、出风口10、进风口11、管路及阀门、过滤芯等，所述出风口与进风口可在打印腔室内形成稳定的风场，所述增材制造成型***位于打印腔室中所述出风口10与进风口11连接管路。
在一个具体实施例中，所述可旋转成型缸6包括成型台8、旋转筒5及旋转驱动单元；所述旋转筒5为圆筒状，所述旋转筒5的外侧面与所述工作台4贴合；所述成型台8设置在所述旋转筒5内部空间内，所述成型台8的侧面与所述旋转筒5内侧面滑动接触，所述成型台8能在所述旋转筒5内部空间上下移动；所述成型台8的上表面与所述旋转筒5形成的空间用于盛放增材粉末；所述旋转驱动单元用于驱动所述成型台8和所述旋转筒5绕轴同步旋转。
所述成型台8和所述旋转筒5同步旋转可采用多种方式实现，例如，可以在成型台8侧壁设置凸部，在旋转筒5上设置竖向的滑槽，成型台8的凸部卡入滑槽，可在滑槽内上下滑动，同时可保证旋转筒5与成型台8同步旋转。
在一个具体实施例中，所述工作台4与所述旋转筒5连接处设置有延伸到所述工作台4内部的内凹圆环槽，所述旋转筒5设置有相对应的突出部，所述突出部卡合在所述内凹圆环槽内。该设计可减少铺粉过程中进入缝隙的粉末，如图2所示。
在一个具体实施例中，所述控制模块为计算机或控制器。
在一个具体实施例中，所述出风口10和进风口11处设置有阀门。所述进风口11与出风口10均避开打印机刮刀的运动位置。
所述激光模块9根据预先处理的模型进行扫描，每次扫描方向都垂直于风场方向1。
在一个具体实施例中，所述成型台8与所述旋转筒5结合处，及所述旋转筒5与所述工作台4结合处均进行密封处理。
本发明实施例一种3D打印方法，所述方法使用上述增材制造成型***，所述方法包括：
S1、建模：将待打印零件切片分析，得到零件保持不动时每层打印的激光扫描方向；将每层打印的激光扫描方向转化为可旋转成型缸6的旋转角度，使得可旋转成型缸6经过旋转后各层的激光扫描沿同一方向；
S2、打印：根据当前层打印时可旋转成型缸6的旋转角度，控制可旋转成型仓6旋转到目标位置；开始激光扫描，同时出风口10和进风口11打开并形成稳定风场1，激光扫描方向和风场1吹风方向保持垂直，完成本层打印；
S3、重复步骤S2，直至完成零件打印。
本发明保证在打印过程中风场1方向与激光扫描方向垂直，从而提高风场1对飞溅物的承载能力，更高效地除去飞溅物，提高零件质量。
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (7)

1.一种3D打印方法，其特征在于，所述方法使用增材制造成型***，所述方法包括：
S1、建模：将待打印零件切片分析，得到零件保持不动时每层打印的激光扫描方向；将每层打印的激光扫描方向转化为可旋转成型缸的旋转角度，使得可旋转成型缸经过旋转后各层的激光扫描沿同一方向；
S2、打印：根据当前层打印时可旋转成型缸的旋转角度，控制可旋转成型缸旋转到目标位置；开始激光扫描，同时出风口和进风口打开并形成稳定风场，激光扫描方向和风场吹风方向保持垂直，完成本层打印；
S3、重复步骤S2，直至完成零件打印；
所述成型***包括可旋转成型缸、保护气循环***、激光模块、工作台和控制模块；
所述可旋转成型缸设置在所述工作台中，用于带动所述可旋转成形缸内部的粉末床一起旋转；所述可旋转成型缸的顶部与所述工作台台面平齐，所述可旋转成型缸的旋转轴线垂直于所述工作台；
所述保护气循环***，用于在打印腔室内形成稳定的风场，所述风场覆盖所述可旋转成型缸；
所述激光模块用于从所述可旋转成形缸上方向下射出激光；
所述控制模块用于控制所述可旋转成型缸的旋转位置、激光的扫描及所述风场的开闭；激光扫描方向始终垂直于所述风场的吹风方向；
所述可旋转成型缸包括成型台、旋转筒及旋转驱动单元；
所述旋转筒为圆筒状，所述旋转筒的外侧面与所述工作台贴合，且所述旋转筒能相对于工作台旋转；
所述成型台设置在所述旋转筒内部空间内，所述成型台的侧面与所述旋转筒内侧面滑动接触，所述成型台能在所述旋转筒内部空间上下移动；所述成型台的上表面与所述旋转筒形成的空间用于盛放增材粉末；
所述旋转驱动单元用于驱动所述成型台和所述旋转筒绕轴同步旋转；
所述工作台与所述旋转筒连接处设置有延伸到所述工作台内部的内凹圆环槽，所述旋转筒设置有相对应的突出部，所述突出部卡合在所述内凹圆环槽内。
2.如权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述控制模块为计算机或控制器。
3.如权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述保护气循环***包括出风口、进风口及管路，打开所述出风口与进风口在打印腔室内形成稳定的风场；所述增材制造成型***整体设置在打印腔室内。
4.如权利要求3所述的3D打印方法，其特征在于，所述出风口和进风口处均设置有阀门。
5.如权利要求3所述的3D打印方法，其特征在于，所述进风口与出风口均避开打印机刮刀的运动位置。
6.如权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述激光模块根据预先设定的路径进行扫描，每次激光扫描方向均垂直于风场方向。
7.如权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述成型台与所述旋转筒接合处、及所述旋转筒与所述工作台结合处均进行密封处理。
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