CN114701160B - 可实现无支撑成型的增材制造集成装置与方法 - Google Patents

可实现无支撑成型的增材制造集成装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及可实现无支撑成型的增材制造集成装置与方法，装置包括成型缸、刮刀组件、成型缸限位板、第一运动装置、成型缸缓冲组件、导向光杆、旋转盘、成形缸连接杆和第二运动装置；成形缸连接杆一端固定在旋转盘上，成形缸连接杆另一端与成型缸活动连接；成型缸能在导向光杆上自由落下；刮刀组件和成型缸限位板均与第一运动装置连接，第一运动装置能带动刮刀组件和成型缸限位板在垂直于导向光杆轴线方向上运动；成型缸缓冲组件与第二运动装置连接，第二运动装置能带动成型缸缓冲组件在垂直于导向光杆轴线方向上运动。本发明解决现有技术需要成型支撑，造成后处理流程复杂、粉末浪费并且留存在工件内部空腔的支撑极难被处理掉的问题。

Description

可实现无支撑成型的增材制造集成装置与方法
技术领域
本发明涉及增材制造领域，具体涉及一种可实现无支撑成型的增材制造集成装置与方法。
背景技术
在增材制造领域中，对于相当一部分类型的工件，由于有重力的存在，按照传统的增材制造工艺，增材制造设备在工件成型前需要使用分层切片软件对工件进行支撑设计，在工件成型的过程中也同时成型支撑，这样工件成型完成后再经过一系列后处理操作处理附着在工件外面或者里面的支撑。若支撑全部在工件外面，通过一系列复杂的切割、打磨等操作才能够处理掉附着在工件外面的支撑，使工件成型后的后处理流程过于繁琐，耗时耗力，即使经过长时间的打磨依然不能完全去除工件表面的支撑痕迹；若支撑在具有空腔的工件内部，目前尚没有有效的办法在不破坏工件前提下对工件内部支撑进行全部清除，严重影响工件的成型质量，极大影响工件的使用功能，同时由于要成型支撑，还会造成较多的粉末浪费。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可实现无支撑成型的增材制造集成装置与方法，解决现有的增材制造工艺需要成型支撑，造成后处理流程复杂、粉末浪费并且留存在工件内部空腔的支撑极难被处理掉的问题。
为了达到上述的目的，本发明提供一种可实现无支撑成型的增材制造集成装置，包括成型缸、刮刀组件、成型缸限位板、第一运动装置、成型缸缓冲组件、导向光杆、旋转盘、成形缸连接杆和第二运动装置；成形缸连接杆一端固定在旋转盘上，带动成型缸连接杆在竖直平面内转动，成形缸连接杆另一端与成型缸活动连接；成型缸通过导向基座套在导向光杆上，能在导向光杆上自由落下；刮刀组件和成型缸限位板均与第一运动装置连接，第一运动装置能带动刮刀组件和成型缸限位板在垂直于导向光杆轴线方向上运动；成型缸缓冲组件与第二运动装置连接，第二运动装置能带动成型缸缓冲组件在垂直于导向光杆轴线方向上运动。
上述可实现无支撑成型的增材制造集成装置，其中，成型缸的顶端面为铺粉平台，成型缸的顶端面朝向刮刀组件的一侧设有突出平面；成型缸内设有储粉仓，成型缸的顶端面远离刮刀组件的一侧设有储粉仓开口；成型缸朝向刮刀组件的表面上设有卡槽，用于卡住成型缸限位板。
上述可实现无支撑成型的增材制造集成装置，其中，成型缸缓冲组件包括成形缸缓冲基座、转轴、限位钉、弹簧和限位钉固定板；限位钉通过转轴安装在成形缸缓冲基座上，限位钉能绕转轴转动；弹簧一端固定在成形缸缓冲基座上，限位钉固定板设置在弹簧另一端；限位钉固定板上设有插孔。
上述可实现无支撑成型的增材制造集成装置，其中，第一运动装置包括第一滑轨、第一滑块、刮刀连接支架、第二滑块和成型缸限位板连接支架；刮刀组件通过刮刀连接支架固定在第一滑块上；成型缸限位板通过成型缸限位板连接支架固定在第二滑块上；第一滑块和第二滑块均与第一滑轨滑动连接。
上述可实现无支撑成型的增材制造集成装置，其中，第二运动装置包括第二滑轨、第三滑块和成形缸缓冲基座连接支架；第二滑轨通过螺钉固定在支座上；成形缸缓冲基座通过成形缸缓冲基座连接支架固定在第三滑块上；第三滑块与第二滑轨滑动连接。
上述可实现无支撑成型的增材制造集成装置，其中，成型缸连接杆远离旋转盘的一端与成型缸相连，使成型缸位于导向光杆上端；成型缸连接杆脱离成型缸，成型缸沿导向光杆自由下落，直至与成型缸缓冲组件接触，压缩成型缸缓冲组件的弹簧；当成型缸缓冲组件将成型缸的速度降为0后，成型缸限位板运动至成型缸的卡槽中，限制成型缸竖直方向上的运动，同时成型缸缓冲组件的限位钉转动，***限位钉固定板的插孔中，避免成型缸出现抖动；成型缸连接杆再次与成型缸连接，移动成型缸缓冲组件直至脱离成型缸，移动成型缸限位板，使成型缸限位板脱离成型缸的卡槽；旋转盘驱动成型缸连接杆带动成形缸再次移动到导向光杆上端；成型缸缓冲组件移动到成型缸的正下方，成型缸缓冲组件的限位钉转动脱离限位钉固定板，成型缸缓冲组件的弹簧伸展到自然状态。
上述可实现无支撑成型的增材制造集成装置，其中，成型缸上方设有光路***，光路***为可变焦光路***，在成型缸下落过程中，光路***能一直聚焦在扫描平面上，使光斑能量在成型缸下落过程中保持一致。
上述可实现无支撑成型的增材制造集成装置，其中，导向光杆为长度可调导向光杆。
本发明提供的另一技术方案是一种增材制造方法，使用上述可实现无支撑成型的增材制造集成装置，该方法具体步骤如下：
(1)将成型缸的导向基座套在导向光杆上，中央控制器控制成型缸连接杆远离旋转盘的一端与成型缸相连，使成型缸位于导向光杆上端；
(2)中央控制器控制成型缸连接杆脱离成型缸，成型缸自由下落，直至与成型缸缓冲组件接触，当成型缸缓冲组件将成型缸的速度降为0后，中央控制器控制成型缸限位板运动至成型缸的卡槽中，使成型缸不能在竖直方向上运动，同时中央控制器控制成型缸缓冲组件的限位钉转动，***限位钉固定板的插孔中，避免成型缸出现抖动；
(3)外部粉仓内的粉末通过送粉***落在成型缸的突出平面上，中央控制器控制刮刀组件运动完成一次铺粉操作，多余的粉末进入到储粉仓中；
(4)工艺软件判断当前粉层扫描是否需要在微重力环境下进行，若是，执行步骤(5)；若否，中央控制器控制位于成型缸上方的光路***聚焦到当前粉层平面开始打印，扫描完成后执行步骤(6)；
(5)中央控制器控制成型缸连接杆逆时针旋转并与成型缸连接，控制成型缸缓冲组件移动直至脱离成型缸，控制成型缸限位板移动，使成型缸限位板脱离成型缸的卡槽；然后旋转盘驱动成型缸连接杆顺时针旋转带动成形缸再次移动到高处；中央控制器控制成型缸缓冲组件移动到成型缸的正下方，并控制成型缸缓冲组件的限位钉转动脱离限位钉固定板，此时成型缸缓冲组件的弹簧伸展到自然状态；
中央控制器控制成型缸连接杆脱离成型缸，成型缸自由下落，在成型缸下落过程中，位于成型缸上方的光路***按照预先设定好的扫描策略进行可变焦单层扫描；
成型缸下落直至与成型缸缓冲组件接触，当成型缸的速度降为0时，中央控制器控制成型缸限位板运动到成型缸的卡槽中，控制成型缸缓冲组件的限位钉转动，***限位钉固定板的插孔中；
(6)工艺软件判断工件是否制作完成，若是，结束成型工艺，若否，返回步骤(3)，再次铺粉，进入下一层扫描。
上述增材制造方法，其中，根据扫描时间的长短调节导向光杆的长度，使得层扫描在成型缸下落过程中完成。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
本发明提出了一种可实现无支撑成型的增材制造集成装置与方法，该装置可模拟微重力环境并能实现微重力环境下的增材制造，这样可实现工件的无支撑成型，相较于现有的加支撑增材制造方式，不仅可以简化工件成型后的后处理流程，譬如支撑切割、支撑处打磨等，还能避免因成型支撑造成的粉末浪费，最后还能避免工件内部空腔支撑无法有效去除的难题。
附图说明
本发明的可实现无支撑成型的增材制造集成装置与方法由以下的实施例及附图给出。
图1为本发明实施例的可实现无支撑成型的增材制造集成装置的总体图。
图2为本发明实施例的可实现无支撑成型的增材制造集成装置的背视图。
图3为本发明实施例中集成装置成形缸位于高点的状态图。
图4为本发明实施例中集成装置成形缸位于低点的状态图。
具体实施方式
以下将结合图1～图4对本发明的可实现无支撑成型的增材制造集成装置与方法作进一步的详细描述。
图1所示为本发明实施例的可实现无支撑成型的增材制造集成装置的总体图；图2所示为本发明实施例的可实现无支撑成型的增材制造集成装置的背视图。
参见图1和图2，本实施例的可实现无支撑成型的增材制造集成装置包括成型缸1、刮刀组件5、成型缸限位板8、第一运动装置、成型缸缓冲组件、导向光杆17、旋转盘18、成形缸连接杆19和第二运动装置；
成形缸连接杆19一端固定在旋转盘18上，旋转盘18由伺服电机驱动，带动成型缸连接杆19在竖直平面内转动，成形缸连接杆19另一端与成型缸1活动连接；
成型缸1背部安装有导向基座20，导向基座20套在导向光杆17上，导向基座20与导向光杆17之间基本没有摩擦；
第一运动装置固定在支座(图中未示)上，并且不会对成型缸1在竖直方向(即与导向光杆17轴线方向平行的方向)上的运动产生干涉；刮刀组件5和成型缸限位板8均与第一运动装置连接，第一运动装置可带动刮刀组件5和成型缸限位板8在垂直于竖直方向的方向上运动；
成型缸缓冲组件与第二运动装置连接，第二运动装置可带动成型缸缓冲组件在垂直于竖直方向的方向上运动；第二运动装置连接固定在支座上。
成型缸1的顶端面103为铺粉平台，成型缸1的顶端面朝向刮刀组件5的一侧(定义为右侧)设有突出平面101；成型缸1内设有储粉仓，成型缸1的顶端面远离刮刀组件5的一侧(定义为左侧)设有储粉仓开口102；成型缸1右侧面(即朝向刮刀组件5的表面)上设有卡槽，用于卡住成型缸限位板8，该卡槽位于突出平面101下方；
第一运动装置包括第一滑轨2、第一滑块3、刮刀连接支架4、第二滑块6和成型缸限位板连接支架7；第一滑轨2通过螺钉固定在支座上；刮刀组件5通过刮刀连接支架4固定在第一滑块3上；成型缸限位板8通过成型缸限位板连接支架7固定在第二滑块6上；第一滑块3和第二滑块6均与第一滑轨2滑动连接，刮刀组件5与成型缸限位板8可分别在第一滑轨2上实现左右运动。
第一滑块3与第二滑块6并列放置，都可在第一滑轨2上左右移动，第一滑块3与第二滑块6既可保持同步运动，也可运动速度各不相同，具体驱动方式可采用丝杠螺母、同步带同步轮等，本发明不作限制。
成型缸缓冲组件包括成形缸缓冲基座12、转轴13、限位钉14、弹簧15和限位钉固定板16；限位钉14通过转轴13安装在成形缸缓冲基座12上，限位钉14可绕转轴13转动；弹簧15一端固定在成形缸缓冲基座12上，限位钉固定板16设置在弹簧15另一端；本实施例中，限位钉14和转轴13均为两个，两个限位钉14分别通过两个转轴13安装在成形缸缓冲基座12上，且分别位于弹簧15的两侧。限位钉固定板16上设有插孔。
第二运动装置包括第二滑轨9、第三滑块10和成形缸缓冲基座连接支架11；第二滑轨9通过螺钉固定在支座上；成形缸缓冲基座12通过成形缸缓冲基座连接支架11固定在第三滑块10上；第三滑块10与第二滑轨9滑动连接，成型缸缓冲组件可在第二滑轨9上实现左右运动。第三滑块10具体驱动方式可采用丝杠螺母、同步带同步轮等。
图3所示为本发明实施例中集成装置成形缸位于高点的状态图；图4所示为本发明实施例中集成装置成形缸位于低点的状态图。
参见图3和图4，使用上述可实现无支撑成型的增材制造集成装置的增材制造方法，具体步骤如下：
(1)将成型缸1的导向基座20套在导向光杆17上，中央控制器控制成型缸连接杆19远离旋转盘18的旋转轴的一端与成型缸1相连，使成型缸1位于导向光杆17上端，此时成型缸1位于高点，如图3；
(2)中央控制器控制成型缸连接杆19脱离成型缸1，成型缸1开始下落，而成型缸连接杆19远离旋转盘18的旋转轴的一端仍在高处，此时成型缸1只受到重力以及极小的摩擦力，即成型缸1的下落运动可视为自由落体运动；成型缸1下落直至与成型缸缓冲组件接触，当成型缸缓冲组件将成型缸1的速度降为0后，中央控制器控制成型缸限位板6运动至成型缸1右侧的卡槽中，使成型缸1不能在竖直方向上运动，同时中央控制器控制成型缸缓冲组件的限位钉14转动，***限位钉固定板16的插孔中，避免成型缸1出现抖动，如图4；
(3)外部粉仓内的粉末通过送粉***落在成型缸1的突出平面101上，中央控制器控制刮刀组件5左右运动完成一次铺粉操作，多余的粉末进入到储粉仓中；
(4)工艺软件判断当前粉层扫描是否需要在微重力环境下进行，若是，执行步骤(5)；若否，中央控制器控制位于成型缸1上方的光路***聚焦到当前粉层平面开始打印，扫描完成后执行步骤(6)；
(5)中央控制器控制成型缸连接杆19逆时针旋转并与成型缸1连接，控制成型缸缓冲组件移动到最右侧，控制成型缸限位板8脱离成型缸1右侧卡槽并移动到最右侧；然后旋转盘驱动成型缸连接杆19顺时针旋转带动成形缸1再次移动到高处；中央控制器控制成型缸缓冲组件向左移动到成型缸1的正下方，并控制成型缸缓冲组件的限位钉14转动脱离限位钉固定板16，此时成型缸缓冲组件的弹簧15伸展到自然状态；
中央控制器控制成型缸连接杆19脱离成型缸1，成型缸1开始下落，在成型缸1下落过程中，位于成型缸1上方的光路***按照预先设定好的扫描策略进行可变焦单层扫描；可根据扫描时间的长短调节导向光杆17的长度，使得该层扫描在成型缸1下落过程中完成；光路***为可变焦光路***，在成型缸1下落过程中，光路***能一直聚焦在扫描平面上，使光斑能量在成型缸1下落过程中保持一致；
成型缸1下落直至与成型缸缓冲组件接触，当成型缸1的速度降为0时，中央控制器控制成型缸限位板运动8到成型缸1右侧的卡槽中，控制成型缸缓冲组件的限位钉14转动，***限位钉固定板16的插孔中；
(6)工艺软件判断工件是否制作完成，若是，结束成型工艺，若否，返回步骤(3)，再次铺粉，进入下一层扫描。

Claims (10)

1.可实现无支撑成型的增材制造集成装置，其特征在于，包括成型缸、刮刀组件、成型缸限位板、第一运动装置、成型缸缓冲组件、导向光杆、旋转盘、成形缸连接杆和第二运动装置；
成形缸连接杆一端固定在旋转盘上，带动成型缸连接杆在竖直平面内转动，成形缸连接杆另一端与成型缸活动连接；
成型缸通过导向基座套在导向光杆上，能在导向光杆上自由落下；成型缸的顶端面为铺粉平台；
刮刀组件和成型缸限位板均与第一运动装置连接，第一运动装置能带动刮刀组件和成型缸限位板在垂直于导向光杆轴线方向上运动；
成型缸缓冲组件与第二运动装置连接，第二运动装置能带动成型缸缓冲组件在垂直于导向光杆轴线方向上运动。
2.如权利要求1所述的可实现无支撑成型的增材制造集成装置，其特征在于，成型缸的顶端面朝向刮刀组件的一侧设有突出平面；成型缸内设有储粉仓，成型缸的顶端面远离刮刀组件的一侧设有储粉仓开口；成型缸朝向刮刀组件的表面上设有卡槽，用于卡住成型缸限位板。
3.如权利要求2所述的可实现无支撑成型的增材制造集成装置，其特征在于，成型缸缓冲组件包括成形缸缓冲基座、转轴、限位钉、弹簧和限位钉固定板；限位钉通过转轴安装在成形缸缓冲基座上，限位钉能绕转轴转动；弹簧一端固定在成形缸缓冲基座上，限位钉固定板设置在弹簧另一端；限位钉固定板上设有插孔。
4.如权利要求1所述的可实现无支撑成型的增材制造集成装置，其特征在于，第一运动装置包括第一滑轨、第一滑块、刮刀连接支架、第二滑块和成型缸限位板连接支架；刮刀组件通过刮刀连接支架固定在第一滑块上；成型缸限位板通过成型缸限位板连接支架固定在第二滑块上；第一滑块和第二滑块均与第一滑轨滑动连接。
5.如权利要求1所述的可实现无支撑成型的增材制造集成装置，其特征在于，第二运动装置包括第二滑轨、第三滑块和成形缸缓冲基座连接支架；第二滑轨通过螺钉固定在支座上；成形缸缓冲基座通过成形缸缓冲基座连接支架固定在第三滑块上；第三滑块与第二滑轨滑动连接。
6.如权利要求3所述的可实现无支撑成型的增材制造集成装置，其特征在于，成型缸连接杆远离旋转盘的一端与成型缸相连，使成型缸位于导向光杆上端；
成型缸连接杆脱离成型缸，成型缸沿导向光杆自由下落，直至与成型缸缓冲组件接触，压缩成型缸缓冲组件的弹簧；当成型缸缓冲组件将成型缸的速度降为0后，成型缸限位板运动至成型缸的卡槽中，限制成型缸竖直方向上的运动，同时成型缸缓冲组件的限位钉转动，***限位钉固定板的插孔中，避免成型缸出现抖动；
成型缸连接杆再次与成型缸连接，移动成型缸缓冲组件直至脱离成型缸，移动成型缸限位板，使成型缸限位板脱离成型缸的卡槽；旋转盘驱动成型缸连接杆带动成形缸再次移动到导向光杆上端；成型缸缓冲组件移动到成型缸的正下方，成型缸缓冲组件的限位钉转动脱离限位钉固定板，成型缸缓冲组件的弹簧伸展到自然状态。
7.如权利要求6所述的可实现无支撑成型的增材制造集成装置，其特征在于，成型缸上方设有光路***，光路***为可变焦光路***，在成型缸下落过程中，光路***能一直聚焦在扫描平面上，使光斑能量在成型缸下落过程中保持一致。
8.如权利要求1所述的可实现无支撑成型的增材制造集成装置，其特征在于，导向光杆为长度可调导向光杆。
9.增材制造方法，其特征在于，使用权利要求1至权利要求8中任一权利要求所述的可实现无支撑成型的增材制造集成装置，该方法具体步骤如下：
(1)将成型缸的导向基座套在导向光杆上，中央控制器控制成型缸连接杆远离旋转盘的一端与成型缸相连，使成型缸位于导向光杆上端；
(2)中央控制器控制成型缸连接杆脱离成型缸，成型缸自由下落，直至与成型缸缓冲组件接触，当成型缸缓冲组件将成型缸的速度降为0后，中央控制器控制成型缸限位板运动至成型缸的卡槽中，使成型缸不能在竖直方向上运动，同时中央控制器控制成型缸缓冲组件的限位钉转动，***限位钉固定板的插孔中，避免成型缸出现抖动；
(3)外部粉仓内的粉末通过送粉***落在成型缸的突出平面上，中央控制器控制刮刀组件运动完成一次铺粉操作，多余的粉末进入到储粉仓中；
(4)工艺软件判断当前粉层扫描是否需要在微重力环境下进行，若是，执行步骤(5)；若否，中央控制器控制位于成型缸上方的光路***聚焦到当前粉层平面开始打印，扫描完成后执行步骤(6)；
(5)中央控制器控制成型缸连接杆逆时针旋转并与成型缸连接，控制成型缸缓冲组件移动直至脱离成型缸，控制成型缸限位板移动，使成型缸限位板脱离成型缸的卡槽；然后旋转盘驱动成型缸连接杆顺时针旋转带动成形缸再次移动到高处；中央控制器控制成型缸缓冲组件移动到成型缸的正下方，并控制成型缸缓冲组件的限位钉转动脱离限位钉固定板，此时成型缸缓冲组件的弹簧伸展到自然状态；
中央控制器控制成型缸连接杆脱离成型缸，成型缸自由下落，在成型缸下落过程中，位于成型缸上方的光路***按照预先设定好的扫描策略进行可变焦单层扫描；
成型缸下落直至与成型缸缓冲组件接触，当成型缸的速度降为0时，中央控制器控制成型缸限位板运动到成型缸的卡槽中，控制成型缸缓冲组件的限位钉转动，***限位钉固定板的插孔中；
(6)工艺软件判断工件是否制作完成，若是，结束成型工艺，若否，返回步骤(3)，再次铺粉，进入下一层扫描。
10.如权利要求9所述的增材制造方法，其特征在于，根据扫描时间的长短调节导向光杆的长度，使得层扫描在成型缸下落过程中完成。
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