CN116851781A - 基于3d铺粉打印的增材加工装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及增材制造技术领域，具体而言涉及基于3D铺粉打印的增材加工装置和方法，包括被密封箱所包围的增材加工区域，所述增材加工区域内设有承载平台、变位机、成型缸、供粉***、激光器、刮粉部件，所述密封箱内充入惰性气体，并设有进气口和排气口，所述进气口和排气口连接气体循环***，使所述增材加工区域处于惰性气体保护氛围中；本发明将成型缸设置成可由变位机驱动，能沿其轴线Z轴连续转动，并能沿垂直与Z轴的Y轴转动，使成型缸的灵活性更好，使大尺寸复杂工件可以被加工形成；本发明的成型缸可翻转的设计，有利于倾倒成型缸内的打印粉末，通过将已打印层的粉末替换为填充粉末，可降低打印粉末的使用量。

Description

基于3D铺粉打印的增材加工装置和方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体而言涉及基于3D铺粉打印的增材加工装置和方法。

背景技术

激光选区熔化是一种增材制造技术，其借助计算机辅助设计与制造，基于“离散-分层-累加”的原理，利用高能激光束将金属粉末直接熔化成形为全致密的三维零件，成形过程无需模具，也不受零件结构复杂程度的限制，未熔粉末可充当支撑材料，从而获得冶金结合、高精度、高结构复杂性的金属功能件，具有广阔的应用前景。

其具体的原理大致为：激光束开始扫描前，铺粉装置先把金属粉末平推到成形缸的基板上，激光束再按当前层的填充扫描线，选区熔化基板上的粉末，加工出当前层，然后成形缸基板下降1个层厚的距离，粉料缸上升一定厚度的距离，铺粉装置再在已加工好的当前层上铺好金属粉末，设备调入下一层轮廓的数据进行加工，如此层层加工，直到整个零件加工完毕。整个加工过程在通有惰性气体保护的加工室中进行，以避免金属在高温下与其他气体发生反应。

目前3D铺粉打印的成型缸一般是固定的，约束了铺粉打印的灵活性，而随着3D打印工件的大型化和复杂化，3D铺粉打印的局限性愈发明显，因此，如何应对大型化、复杂化的加工需求，成为亟待解决的问题。

发明内容

根据本发明的第一方面，提出，一种基于3D铺粉打印的增材加工装置，包括被密封箱所包围的增材加工区域，所述增材加工区域内设有承载平台、变位机、成型缸、供粉***、激光器、刮粉部件，所述密封箱内充入惰性气体，并设有进气口和排气口，所述进气口和排气口连接气体循环***，使所述增材加工区域处于惰性气体保护氛围中；

所述供粉***包括增材粉末粉仓，所述增材粉末粉仓通过刮粉部件向所述成型缸中层层铺粉，并被所述激光器按照预定路径使增材粉末烧结形成主体结构；

其中，所述变位机安装到所述承载平台上，所述成型缸固定到所述变位机的负载面，并能被所述变位机所驱动绕所述成型缸的轴线Z轴以及垂直于Z轴的Y轴发生连续转动。

优选的，所述变位机包括第一支撑架、第二支撑架和旋转台，所述第二支撑架设置在所述第一支撑架的内侧，并能被翻转驱动器所驱动相对于所述第一支撑架沿Y轴翻转，所述旋转台固定到所述第二支撑架，所述成型缸连接到所述旋转台的上端，使所述成型缸能相对于第二支撑架绕成型缸轴线转动。

优选的，所述第二支撑架被设置成U型，所述旋转台上设有安装板，所述成型缸与所述安装板可拆卸连接。

优选的，所述变位机和成型缸的供电线路被集成为一束，且供电接头形成插排，所述插排与密封箱内的供电插座可拔插连接。

优选的，所述第一支撑架上设有第一供电线路，所述第二支撑架上设有第二供电线路，所述成型缸上设有第三供电线路，所述第一支撑架和第二支撑架的铰接处设有第一导电滑环，所述旋转台设有第二导电滑环，所述第一供电线路和第二供电线路之间通过第一导电滑环电连接，所述第二供电线路和第三供电线路通过第二导电滑环电连接，使所述变位机沿Z轴连续转动和/或沿Y轴翻转时，仍保持与外部电源供电。

优选的，还包括激光熔覆部件，所述激光熔覆部件被设置成由机械手驱动，在所述成型缸基板上形成的主体结构周围活动，以修补主体结构或在主体结构表面增材形成支撑结构以及悬空结构。

优选的，还包括减材加工区域和轨道结构，所述轨道结构的第一端延伸到所述增材加工区域，第二端延伸到所述减材加工区域；

所述承载平台可以在所述轨道结构上移动以往返于增材加工区域和减材加工区域；

所述减材加工区域设有加工中心，用于处于对减材加工区域成型缸内形成的工件进行减材加工。

优选的，所述供粉***还包括填充粉末粉仓，所述填充粉末粉仓通过刮粉部件向所述成型缸中铺入预定厚度的填充粉末，所述增材粉末粉仓中设有增材粉末，所述填充粉末粉仓中设有填充粉末，所述填充粉末的粒径大于增材粉末的粒径。

优选的，所述成型缸的一侧设有筛粉部件，当所述成型缸被所述变位机驱动发生倾斜时，所述成型缸内的混合粉末洒落到所述筛粉部件内，并被筛分为增材粉末和填充粉末。

优选的，还包括吸粉部件，设置在所述增材加工区域，用于在所述成型缸倾倒粉末时，抽吸成型缸以及所形成的工件周围的粉末并排放至筛粉部件。

优选的，所述筛粉部件包括筛网以及收集斗，所述筛网设置在所述收集斗的上部，使小于筛网筛孔的粉末掉落至所述收集斗内，大于筛网筛孔的粉末留在筛网表面，其中，所述筛网被倾斜的设置，在所述筛网的低端设有第一排粉口，在所述收集斗的底部设有第二排粉口。

优选的，所述还包括第一接粉筒和第二接粉筒，所述第一接粉筒连接到所述第一排粉口，所述第二接粉筒连接到所述第二排粉口，所述第一接粉筒用于向所述增材粉末粉仓供料，所述第二接粉筒用于向所述填充粉末粉仓供料。

优选的，还包括第一吸粉器和第二吸粉器，所述第一吸粉器和第二吸粉器均设有吸粉管路、排粉管路和排气管路，所述第一吸粉器的吸粉管路连接到所述第一接粉筒，所述第一吸粉器的排气管路连接到匀气盒，所述第一吸粉器的排粉管路连接到增材粉末粉仓，所述第二吸粉器的吸粉管路连接到所述第二接粉筒，所述第二吸粉器的排气管路连接到所述匀气盒，所述第二吸粉器的排粉管路连接到填充粉末料仓。

本发明第二方面提出一种技术方案，一种基于3D铺粉打印的增材加工方法，包括交替的持续过程和中断过程，在持续过程中，根据工件尺寸，将打印过程分为若干层，每一层对应一个切片结构，增材粉末粉仓控制每一层的落粉量，并由刮刀铺在基板表面被激光器按照预定路径烧结形成单层的切片结构；并由底部向上逐层打印形成每一层切片结构直至形成完整的工件；

其中，中断过程发生在持续过程中的任意一层切片结构加工成型之后，在中断过程，成型缸被翻转，使打印粉末倾倒出，再恢复成型缸至水平位置，回填填充粉末至中断前的高度层，中断过程结束。

优选的，倾倒出的打印粉末被收集并供应到增材粉末粉仓中，作为中断过程后持续过程所使用的打印材料。

优选的，回填的填充粉末的粒径大于打印粉末的粒径。

优选的，在回填填充粉末后，通过压板对回填的填充粉末层加压，以压实回填的填充粉末层。

优选的，还包括桥接加工过程，所述桥接加工过程处于中断过程中，定义所增材的工件包括悬空结构，其中悬空结构被定义为结构下部与主体结构不相接，或底部轮廓倾角与基板形成的夹角小于40°的状态结构，当所述悬空结构底部具有支撑时即属于主体结构；

所述桥接加工步骤包括：

步骤Qa、倾倒成型缸内的打印粉末，使成型缸翻转预定角度；

步骤Qb、在主体结构的表面、对应悬空结构底部的高度层增材形成平行于基板的支撑结构；

步骤Qc、在支撑结构的表面增材形成悬空结构，直至悬空结构与主体结构连接；

其中，在步骤Qb中，所述支撑结构与水平面的夹角大于40°。

优选的，在步骤Qb中，支撑结构通过激光熔覆形成；在步骤Qc中，悬空结构由激光熔覆或铺粉打印形成。

优选的，还包括减材加工过程，所述减材加工过程处于中断过程中，所述减材加工过程包括以下步骤：

步骤Ja、倾倒成型缸内的打印粉末，使成型缸翻转预定角度；

步骤Jb、通过加工中心将支撑结构去除。

本发明第三方面提出一种技术方案，一种铺粉打印的增材加工方法，根据工件尺寸，将打印过程分为若干层，每层的层高H相同，且每一层对应一个切片结构，增材粉末粉仓控制每一层的落粉量，并由刮刀铺在基板表面被激光器按照预定路径烧结形成单层的切片结构；并由底部向上逐层打印形成每一层切片结构直至形成完整的工件；

其中，每增材形成预设层高的工件后，进行压粉，压粉的步骤包括：

步骤Ya、基板下降压粉高度，所述压粉高度大于等于层高H，进行铺粉，铺粉厚度大于压粉高度；

步骤Yb、压板由成型缸正上方向下移动，压紧成型缸表面的粉末；

步骤Yc、压板复位，基板上升压粉高度，刮刀刮除多余的粉末，完成压粉。

与现有技术相比，本发明的基于3D铺粉打印的增材加工装置与方法的显著优点在于：

本发明提出的基于3D铺粉打印的增材加工装置，将成型缸设置成可由变位机驱动，能沿其轴线Z轴连续转动，并能沿垂直与Z轴的Y轴转动，使成型缸的灵活性更好，有利于将铺粉增材与其他的增材方式或减材方式配合，使大尺寸复杂工件可以被加工形成；同时，结合成型缸可翻转的设计，有利于倾倒成型缸内的打印粉末，通过将已打印层的粉末替换为填充粉末，回收倾倒后的打印粉末作为未打印层的供应粉末，可降低打印粉末的使用量，尤其体现在大尺寸工件上。

由此，本发明将可翻转的成型缸与激光熔覆装置相结合，激光熔覆装置能对耦打印形成的零件表面进行裂纹修复和表面形变修补，克服目前大尺寸铺粉打印中零件容易出现的变形、撞刀、裂纹等缺陷导致打印失败的问题；通过成型缸的可翻转设计，改变了支撑面的角度，激光熔覆装置可以在主体结构表面增材形成支撑结构，利用支撑结构作为悬空结构增材的支撑基础，利用桥接的方式改变目前打印悬空结构的支撑形式。

结合以上实施例，本发明将可翻转的成型缸与加工中心结合，由于成型缸的角度偏转，使加工中心具有更多的加工角度，实现可以对更复杂形状的工件进行表面机加；同时，将成型缸和变位机的供电设置成插拔式，并使用导电滑环供电，使成型缸在增材和减材的大范围移动以及沿Z轴、Y轴的多轴线连续转动的动作条件下，保持供电。

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是发明所示的基于3D铺粉打印的增材加工装置的结构示意图；

图2是本发明所示的筛粉部件的俯视图；

图3是本发明所示的变位机中电路埋线的结构示意图；

图4是本发明所示的成型缸处于水平状态的示意图；

图5是本发明所示的成型缸处于翻转状态的示意图；

图6是本发明所示的成型缸处于铺粉打印形成主体结构的示意图；

图7是本发明所示的成型缸处于倾倒粉末状态的示意图；

图8是本发明所示的在主体结构表面熔覆形成支撑结构和悬空结构的示意图；

图9是本发明所示的对支撑结构进行减材加工的示意图；

图10是本发明所示的回填粉末的示意图；

图11是本发明所示的压平回填粉末的示意图；

图12是本发明所示的压平回填粉末后继续铺粉打印的示意图；

图13是本发明所示的利用接粉筒回收粉末的示意图；

图14是本发明所示的一种铺粉方式的示意图。

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。

在目前的3D铺粉打印中，由于成型缸是固定的，仅内部的基板做上下运动，自由度较低，并且形成的工件进一步的限制了外部加工设备对工件的二次加工角度，因此，铺粉打印很难进行二次附加加工，而铺粉打印又具有精度高，可加工大尺寸工件的优点，因此，如何对大尺寸、高精度、形状复杂的工件进行加工成为亟待解决的问题。

针对上述的问题，本申请第一方面提出的基于3D铺粉打印的增材加工装置，在成型缸的底部设置变位机，使成型缸可倾斜，有利于机加工时，预留出刀具的操作空间和角度。

基于现有技术中中断的铺粉过程，再次加工需要重新铺粉，本申请第二方面采用粉末填充手段，替换增材粉末，将已加工的高度层使用填充粉末填充，以减少粉末的使用量。

在本发明的第三方面，通过与激光熔覆和/或机加工减材结合的方式，利用激光熔覆快速增材出支撑结构，再使用3D打印在增材出的支撑结构上加工，最后由加工中心减材形成最终产品，使加工大尺寸、高精度、形状复杂的工件成为可能。

在本发明的第四方面，在3D打印过程中，利用成型缸的翻转，改变工件原有的角度，创造出利于二次加工的活动空间，例如穿插使用桥接的方式先制造出支撑平台，再在支撑平台上做出设计的悬空构件，最后悬空构件成型后，利用机加工减材掉支撑平台，并进一步精细构件外形或表面处理，以实现复杂零件的成型。

【基于3D铺粉打印的增材加工装置】

结合图1所示，本发明第一方面提出一种技术方案，一种基于3D铺粉打印的增材加工装置，包括被密封箱100所包围的增材加工区域101，增材加工区域内设有承载平台20、变位机40、成型缸30、供粉***、激光器13、刮粉部件60。

其中，密封箱100内充入惰性气体，以保护金属粉末不会被氧化，进一步的，在激光增材制造过程中，由于热量和烟尘的产生，需要给密封箱100内持续的通入惰性气体，保持气流的流动，因此，在密封箱100上还设有进气口104和排气口103，其中，进气口104和排气口103之间连接气体循环***，气体循环***包括过滤装置和换热装置，目的在于冷却气体和清洁气体。

3D铺粉打印的具体形式为，增材粉末粉仓52通过刮粉部件60向成型缸30中层层铺粉，并被激光器13按照预定路径使增材粉末烧结形成主体结构，可以看出，这种层层铺粉的方式决定了成型缸30不能发生角度的倾斜，否则粉末会洒出，而这也限制了增材形成的工件的二次加工形式，例如，无法在工件表面增材形成倾斜角小于40°的延伸结构，当倾斜角过大时，例如与基板呈80°夹角，底部无支撑，增材时粉末会融化呈无序分布的球状，不能有效地结合呈固定的结构，另外，由于工件形状的干涉，机加工刀具没有更多的角度，由于成型缸30处于固定的角度。

因此，本发明旨在提高成型缸的灵活性，尤其是控制成型缸30可发生翻转，可选的，变位机40安装到承载平台20上，成型缸30固定到变位机40的负载面，并能被变位机40所驱动绕成型缸的轴线Z轴以及垂直于Z轴的Y轴发生连续转动。

如此，成型缸的灵活性更好，有利于将铺粉增材与其他的增材方式或减材方式配合，使大尺寸复杂工件可以被加工形成。

变位机

在可选的实施例中，结合图3-5所示，变位机40包括第一支撑架41、第二支撑架42和旋转台44，第二支撑架42设置在第一支撑架41的内侧，并能被翻转驱动器43所驱动相对于第一支撑架41沿Y轴翻转，旋转台44固定到第二支撑架42，成型缸30连接到旋转台44的上端，使成型缸30能相对于第二支撑架42绕成型缸30轴线转动。

在优选的实施例中，第一支撑架41、第二支撑架42被设置成U型，旋转台44位于第二支撑架42的底部。如此，第一支撑架41、第二支撑架42和成型缸30的结构紧凑，可降低设备整体的体积。

进一步的，在旋转台44的上端设置安装板441，成型缸30被可拆卸的安装到安装板441，如此，可根据所生产的工件的大小，合理的更换不同尺寸的成型缸30。

进一步的，为了满足成型缸30的供电，尤其是成型缸30沿Z轴连续转动和/或沿Y轴翻转时，仍保持与外部电源供电。

第一支撑架41、第二支撑架42上应设有预埋线路45，其中，第一支撑架41上设有第一供电线路，第二支撑架42上设有第二供电线路，成型缸30上设有第三供电线路，第一支撑架41和第二支撑架42的铰接处设有第一导电滑环，旋转台44设有第二导电滑环，第一供电线路和第二供电线路之间通过第一导电滑环电连接，第二供电线路和第三供电线路通过第二导电滑环电连接。

如此，通过导电滑环的设置使两个相对转动的部件可以保持持续的电连接。

具体的，第三供电线路给成型缸30供电，第二供电线路给成型缸30和旋转台44供电，第一供电线路一端连接到翻转驱动器43，第二端连接到外部电源。

在其他的实施例中，变位机40和成型缸30的供电线路被集成为一束，且供电接头形成插排，插排与密封箱内的供电插座可拔插连接。

进一步的，在承载平台20的底部设置拖链，利用拖链连接第一供电线路，使承载平台20往返于增材加工区域101和减材加工区域102仍保持供电状态。

在可选的实施例中，第一供电线路的端部设有插接头451，插接头451固定到第一支撑架41的侧面，而密封箱100上设有供电插头，当插接头451和供电插头对接后，对成型缸30以及变位机40供电。

进一步的，由于成型缸30和变位机40在转移时不需要供电，因此，在承载平台20停放的极限位置，例如处于增材加工区域101中的位置和处于减材加工区域102中的位置处分别设置供电插头，当承载平台20移动到增材加工区域101和减材加工区域102时，供电插头和插接头451对接。

与激光熔覆部件的结合

进一步的，由于大尺寸铺粉打印中零件容易出现的变形、撞刀、裂纹等缺陷，且铺粉打印时，缺陷隐藏在粉末中无法被观察到，而通过翻转成型缸30倾倒粉末则容易观察到，并可以利用激光熔覆部件二次加工修补，因此，设备还设有激光熔覆部件14，激光熔覆部件14被设置成由机械手驱动，在成型缸30的基板32上形成的主体结构周围活动，以修补主体结构或在主体结构表面增材形成支撑结构以及悬空结构。

优选的，基板32上升至工件的缺陷位置暴露后，激光熔覆部件14才被机械手驱动进行表面裂缝的修补。

其中，激光熔覆部件14包括激光熔覆头，可采用送丝或送粉熔覆的方式进行表面加工。

与加工中心的结合

由于激光熔覆加工的精度差，还需要加工中心进行精细的表面加工处理，因此设备还包括减材加工区域102和轨道结构11，轨道结构11的第一端延伸到增材加工区域101，第二端延伸到减材加工区域102。

承载平台20可以在轨道结构11上移动以往返于增材加工区域101和减材加工区域102；

减材加工区域101设有加工中心16，用于处于对减材加工区域102成型缸30内形成的工件进行减材加工。

由于成型缸30可以被变位机40驱动发生转动，尤其是沿Z轴方向的转动，可大大提高机加工的可操作性。

另外，通过引入加工中心，使熔覆加工具有更广的应用，例如目前铺粉打印无法打印无支撑的悬空结构，必须由底部生长形成支撑，但是也难以将支撑去除，而通过熔覆增材形成支撑结构，再在支撑结构上增材形成悬空结构，使悬空结构可以在任意高度被增材形成，使更复杂的工件可以由铺粉打印形成。

在具体的实施例中，结合图6-12所示，例如图示的悬空结构打印步骤如下，

第一步，结合图6所示，3D铺粉打印：刮刀储存预定量的粉末并将粉末铺设在成型缸30的上端面311，激光器13通过扫描振镜使激光束按照预定的轨迹使增材粉末521烧结，形成预制结构，当增材至预定厚度需要做悬空结构后(定义此时的高度层为第一高度层)；

第二步，倾倒粉末：结合图7所示，成型缸30将基板上升至最高处，变位机40控制成型缸30转动一定角度，倾倒粉末；

第三步，支撑层打印：结合图8所示，翻转成型缸30，使新增材的结构与水平面保持小于40°的角度，通过激光熔覆部件14在预制结构表面增材形成支撑层，再控制基板返回到水平状态，并在支撑层的基础上增材形成悬空结构(其中该悬空结构的精度要求不高，轮廓大于目标结构的轮廓)；

可选的，当悬空结构体积比较小时，可使用激光熔覆部件14在支撑结构上增材形成，例如图示的，将方形的的结构减材形成球形的结构。

第四步，减材加工：结合图9所示，转移成型缸30至减材加工区域102，通过加工中心16对熔覆的结构进行精加工，使其表面粗糙度和形状满足产品要求，定义该目标结构的最高处高度处于第二高度层；

第五步，回填粉末：结合图10所示，使成型缸30转移到增材加工区域101中，填入填充粉末531至低于第二高度层，再填充打印粉末521至高于第二高度层，如此，保证在打印层时，底部为打印粉末，避免造成打印质量的下降；

第六步，压实粉末：结合图11所示，使用压板15将表面压平，使填充的粉末紧实；

第七步，3D铺粉打印：结合图12所示，使用增材粉末521进行逐层打印剩余部分，直至再次遇到悬空结构，重复步骤二至步骤六，直至完成整个结构。

进一步的，在上述的实施例中，减材加工区域102还设置行吊***，用于吊装/更换不同尺寸的成型缸。

粉末填充设计

在上述的实施例中，由于成型缸的翻转，均涉及到粉末的倾倒，因此，有必要将倾倒的粉末回填至倾倒前的原高度，而进一步的，为了节省打印粉末的使用量，回填的粉末不参与打印，因此，可以使用其他粉末填充，其中，要求粉末的粒径与打印粉末不同，强度高，不可以发生破碎，避免与打印粉末混掺，优选使用与打印粉末相同材料的大颗粒粉末。

可选的，供粉***还包括填充粉末粉仓53，填充粉末粉仓53通过刮粉部件60向成型缸30中铺入预定厚度的填充粉末531，增材粉末粉仓52中设有增材粉末521，填充粉末粉仓53中设有填充粉末531.

优选的，为了提高回填速度，填充粉末531的粒径大于增材粉末的粒径521。

进一步的，为了回收倾倒后的粉末，成型缸30的一侧设有筛粉部件50，当成型缸30被变位机40驱动发生倾斜时，成型缸30内的混合粉末洒落到筛粉部件50内，并被筛分为增材粉末521和填充粉末531。

结合上述的，成型缸30被变位机40驱动而发生倾斜，使表面的粉末倾倒，可以理解的，在中间的加工过程中，倾倒粉末不完全不干扰铺粉打印和桥接，在工件打印完成最后一次清粉时，可打开密封箱100的箱门，手动进入清粉。

优选的，可使用抽粉装置，对残留在工件角落的粉末进行抽吸和收集。

筛粉部件50旨在将混合的增材粉末521和填充粉末531分离，并分流到不同的部位进行收集。

可选的，筛粉部件50包括筛网51以及收集斗513，筛网51设置在收集斗513的上部，使小于筛网51筛孔的粉末掉落至收集斗513内，大于筛网51筛孔的粉末留在筛网51表面，其中，筛网51被倾斜的设置，在筛网51的低端设有第一排粉口511，在收集斗513的底部设有第二排粉口512。

在优选的实施例中，筛网51上连接振动电机，通过对筛网51的振动加速筛分的速度。

如此，大于筛网51筛孔的粉末被从第一排粉口511分离，小于筛网51筛孔的粉末被从第二排粉口512分离。

粉末循环的实施例1

结合图12所示，可选的，在第一排粉口511和第二排粉口512分别设置接粉筒，当接粉筒内的粉末满后，倒入对应的料仓中，实现粉末的循环。其中，可通过抽粉的方式将粉末抽入到料仓中。

进一步的，当粉末加入到对应的料仓中时，由于打开了料仓的仓盖，需要对料仓进行洗气，增材粉末粉仓52和填充粉末粉仓53均包括上下两个料仓，具体的，结合图13所示，其中，位于上方的料仓为过渡料仓521，位于下方的料仓为供粉料仓522，其中过渡料仓521和供粉料仓522中间设有隔离阀523，过渡料仓521上设有仓盖和气阀，在加料时，隔离阀523关闭，将仓盖打开，向过渡料仓521内加入粉料，当加满后，关闭仓盖，通过气阀抽气，使过渡料仓521不含氧，再充入惰性气体，使过渡料仓521和供粉料仓522的气氛相同，此时，可以打开隔离阀523。

优选的，气阀为三通阀，可直接更换抽气和充气状态。

粉末循环的实施例2

结合图1所示，在优选的实施例中，在接粉筒和粉仓之间设置吸粉管道501，并在管道上设置吸粉部件，通过吸粉部件将排粉口的粉末吸入到粉仓内。

具体的，第一接粉筒57和第二接粉筒58均设有阀门，当倾倒筛分完毕后，将阀门打开，并对应的将连接第一接粉筒57的第一吸粉器54打开，连接第二接粉筒58的第二吸粉器55打开，通过第一吸粉器54和第二吸粉器55的抽气作用，将对应的粉末抽吸到对应的粉仓内。

优选的，为了不破坏密封箱100内的保护气氛围，第一吸粉器54和第二吸粉器55分别设置排气管道503和排粉管道502，其中，排粉管道502连接到对应的粉仓，排气管道503连接到密封箱100内，如此，气体形成循环，粉末也形成回收。

进一步的，为了降低排入密封箱100内气流的影响，在密封箱100内设置匀气盒504，匀气盒504的排气口设置成条状，并向着密封箱100的上下方向，以减少气流速度，并避免产生横向气流。

如上述的，通过将回收的粉末循环到粉仓的方式，实时的回收粉末用于供粉，可减少加工时增材粉末的使用量。

在上述的实施例中，为了保证粉末不会掉落到变位机上，在成型缸30的一侧设置了导向板514，导向板514的第一端与成型缸30的边缘对接，第二端处于筛网51的上方，成型缸30上多余的粉末可由刮粉刀61刮至导向板514。

在优选的实施例中，收集斗513以及筛网51设置成以抽拉形式设置在成型缸30的下方，当打印不同的工件，尤其是需要更换不同类型的粉末时，将收集斗513以及筛网51整体更换，以避免粉末的混杂干扰。

可以理解的，所使用的吸粉管道以及粉仓均设置成可拆卸形式，以在更换粉末时适应性的配套更换。

铺粉

刮粉部件60包括刮粉刀61，刮粉刀61旨在将增材粉末在成型缸30的表面刮平并形成预定的厚度，以保证铺粉打印的精度。

刮粉刀61由料仓落粉进行供粉，具体的，以两个料仓的供粉仓为例，供粉料仓522的底部设有控制阀524，用于控制落出粉末的量，根据需求，一次落下满足铺设一层增材粉末的量即可。

在可选的实施例中，结合图14所示，第一刮粉刀61c被设置成包括两个刀片，且两个刀片之间形成储粉空间，每次的储粉量可以满足第三刮粉刀61c一个往返刮粉。

具体的，当第一刮粉刀61c处于成型缸左侧，并从左侧向右侧移动时，两个刀片之间的储粉空间储存往返使用的粉末量，第一刮粉刀61c从左向右将落在储粉空间的粉末在成型缸30的上端面311刮平，当第一层铺好，并被烧结后，第一刮粉刀61c处于成型缸右侧，从右向左侧移动，进行第二次铺粉，到达成型缸左侧时，粉末刚好铺完，由供粉料仓522再一次供粉。

如此，通过上述的铺粉方式进行增材粉末的铺粉。

进一步的，填充粉末的铺粉方式可选与增材粉末的铺粉方式相同。

当填充粉末的一次性铺粉量大时，则不需要往复的铺粉，优选的，可以直接在成型缸30的上端面311上落下足量的粉末，由刮刀一次性的刮入基板32与成型缸缸体之间的形成的凹坑中，以提高填充粉末的铺粉速度。

进一步的，结合图2所示，为了阻止粉末不会成型缸的外部洒出，在刮粉刀61的外侧设置了挡板62。

可以理解的，刮粉刀61和挡板62连接到升降机构(图中未示出)，当成型缸30翻转时，刮粉刀61和挡板62升起，以避免干涉成型缸30的运动。

优选的，为了保***填入大量填充粉末被铺粉紧实，在密封箱100内设置压板15，其中，压板15由机械手所驱动，当填充粉末填充后，使用压板15压在填充粉末的表面，将粉末压实。

【基于3D铺粉打印的增材加工方法】

由于铺粉打印的特征，大尺寸工件的粉末需求量多，而粉末的利用率与工件体积和成型缸体积的实际占比有关，因此，工件体积越小，成型缸尺寸越大的工件粉末利用率越低。因此，如何提高粉末的利用率是人们目前所关注的。

本发明第二方面提出一种技术方案，一种基于3D铺粉打印的增材加工方法，包括交替的持续过程和中断过程，在持续过程中，根据工件尺寸，将打印过程分为若干层，每一层对应一个切片结构，增材粉末粉仓控制每一层的落粉量，并由刮刀铺在基板表面被激光器按照预定路径烧结形成单层的切片结构；并由底部向上逐层打印形成每一层切片结构直至形成完整的工件；

其中，中断过程发生在持续过程中的任意一层切片结构加工成型之后，在中断过程，成型缸被翻转，使打印粉末倾倒出，再恢复成型缸至水平位置，回填填充粉末至中断前的高度层，中断过程结束。

其中，增材粉末是根据产品需要所使用的被烧结形成产品本体的粉末，填充粉末不参与被烧结形成产品本体的过程，因此，填充粉末可以采用耐热、支撑性好、价格低的其他材质粉末。

本方案将打印的过程分为持续过程和中断过程，其中，持续过程为正常铺粉打印过程，中断过程为替换粉末的过程，其中，持续过程和中断过程的交替由增材粉末粉仓中的粉末量决定，例如，成型缸的体积是900L，产品的实际体积是200L，增材粉末粉仓中有300L粉末，那么每持续的铺粉300L即进入中断过程，每次中断将原成型缸30内的增材粉末回收到增材粉末粉仓中，如此，当具有至少200L以上的打印粉末和700L的填充粉末即可进行加工。

优选的，倾倒出的打印粉末被收集并供应到增材粉末粉仓中，作为中断过程后持续过程所使用的打印材料。如此可节省增材粉末的总使用量。

进一步的，为了节省回填粉末的回填时间，回填的填充粉末的粒径大于打印粉末的粒径。

优选的，在回填填充粉末后，通过压板对回填的填充粉末层加压，以压实回填的填充粉末层。

进一步的，为了使铺粉增材可以加工出悬空结构，基于3D铺粉打印的增材加工方法还包括桥接加工过程，桥接加工过程处于中断过程中，定义所增材的工件包括悬空结构，其中悬空结构被定义为结构下部与主体结构不相接，或底部轮廓倾角与基板形成的夹角小于40°的状态结构，当悬空结构底部具有支撑时即属于主体结构；

桥接加工步骤包括：

步骤Qa、倾倒成型缸内的打印粉末，使成型缸翻转预定角度；可以理解的，倾倒粉末时，并不需要保证粉末完全被倾倒；

步骤Qb、在主体结构的表面、对应悬空结构底部的高度层增材形成平行于基板的支撑结构；

步骤Qc、在支撑结构的表面增材形成悬空结构，直至悬空结构与主体结构连接；

其中，在步骤Qb中，支撑结构与水平面的夹角大于40°。

由于使用激光熔覆增材形成支撑结构，所以在基于主体结构的再次增材，支撑结构与水平面的夹角应大于40°，以有利于熔覆形成预定形状的支撑结构。

优选的，在步骤Qb中，支撑结构通过激光熔覆形成；在步骤Qc中，悬空结构由激光熔覆或铺粉打印形成。

在具体的实施例中，支撑结构被增材成型后，其上端面应与主体结构的上端面齐平，如此，再铺粉进行主体结构和悬空结构的同时铺粉打印成型。

进一步的，由于上述支撑结构的加工使用激光熔覆加工，激光熔覆增材的精度较低，因此，还需要减材精细加工，因此，基于3D铺粉打印的增材加工方法还包括减材加工过程，减材加工过程处于中断过程中，减材加工过程包括以下步骤：

步骤Ja、倾倒成型缸内的打印粉末，使成型缸翻转预定角度；

步骤Jb、通过加工中心将支撑结构去除。

【铺粉打印的增材加工方法】

目前的铺粉打印，层高与打印材料的粒径相关，而受制于精度要求、激光器的功率及其他条件，层厚一般为0.02-0.1mm，而对于一些精度要求低的铺粉环境，采用大粒径，大层厚的铺粉方式，加工速度得到明显的提升，但是粉末的紧实度不够，容易造成工件裂缝等缺陷。

本发明第三方面提出一种技术方案，一种铺粉打印的增材加工方法，根据工件尺寸，将打印过程分为若干层，每层的层高H相同，且每一层对应一个切片结构，增材粉末粉仓控制每一层的落粉量，并由刮刀铺在基板表面被激光器按照预定路径烧结形成单层的切片结构；并由底部向上逐层打印形成每一层切片结构直至形成完整的工件；

其中，每增材形成预设层高的工件后，进行压粉，压粉的步骤包括：

步骤Ya、基板下降压粉高度，压粉高度大于等于层高H，进行铺粉，铺粉厚度大于压粉高度；

步骤Yb、压板由成型缸正上方向下移动，压紧成型缸表面的粉末；

步骤Yc、压板复位，基板上升压粉高度，刮刀刮除多余的粉末，完成压粉。

通过中断连续的铺粉进行压粉过程，可保证大粒径粉末结构的紧实型，保证加工质量。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (19)

1.一种基于3D铺粉打印的增材加工装置，包括被密封箱所包围的增材加工区域，其特征在于，所述增材加工区域内设有承载平台、变位机、成型缸、供粉***、激光器和刮粉部件，所述密封箱内充入惰性气体，并设有进气口和排气口，所述进气口和排气口连接气体循环***，使所述增材加工区域处于惰性气体保护氛围中；

所述供粉***包括增材粉末粉仓，所述增材粉末粉仓通过刮粉部件向所述成型缸中层层铺粉，并被所述激光器按照预定路径使增材粉末烧结形成主体结构；

其中，所述变位机安装到所述承载平台上，所述成型缸固定到所述变位机的负载面，并能被所述变位机所驱动绕所述成型缸的轴线Z轴以及垂直于Z轴的Y轴发生连续转动。

2.根据权利要求1所述的基于3D铺粉打印的增材加工装置，其特征在于，所述变位机包括第一支撑架、第二支撑架和旋转台，所述第二支撑架设置在所述第一支撑架的内侧，并能被翻转驱动器所驱动相对于所述第一支撑架沿Y轴翻转，所述旋转台固定到所述第二支撑架，所述成型缸连接到所述旋转台的上端，使所述成型缸能相对于第二支撑架绕成型缸轴线转动。

3.根据权利要求2所述的基于3D铺粉打印的增材加工装置，其特征在于，所述第二支撑架被设置成U型，所述旋转台上设有安装板，所述成型缸与所述安装板可拆卸连接。

4.根据权利要求1或2所述的基于3D铺粉打印的增材加工装置，其特征在于，所述变位机和成型缸的供电线路被集成为一束，且供电接头形成插排，所述插排与密封箱内的供电插座可拔插连接。

5.根据权利要求1或2所述的基于3D铺粉打印的增材加工装置，其特征在于，所述第一支撑架上设有第一供电线路，所述第二支撑架上设有第二供电线路，所述成型缸上设有第三供电线路，所述第一支撑架和第二支撑架的铰接处设有第一导电滑环，所述旋转台设有第二导电滑环，所述第一供电线路和第二供电线路之间通过第一导电滑环电连接，所述第二供电线路和第三供电线路通过第二导电滑环电连接，使所述变位机沿Z轴连续转动和/或沿Y轴翻转时，仍保持与外部电源供电。

6.根据权利要求1所述的基于3D铺粉打印的增材加工装置，其特征在于，还包括激光熔覆部件，所述激光熔覆部件被设置成由机械手驱动，在所述成型缸基板上形成的主体结构周围活动，以修补主体结构或在主体结构表面增材形成支撑结构以及悬空结构。

7.根据权利要求1所述的基于3D铺粉打印的增材加工装置，其特征在于，还包括减材加工区域和轨道结构，所述轨道结构的第一端延伸到所述增材加工区域，第二端延伸到所述减材加工区域；

所述承载平台可以在所述轨道结构上移动以往返于增材加工区域和减材加工区域；

所述减材加工区域设有加工中心，用于处于对减材加工区域成型缸内形成的工件进行减材加工。

8.根据权利要求1或6或7所述的基于3D铺粉打印的增材加工装置，其特征在于，所述供粉***还包括填充粉末粉仓，所述填充粉末粉仓通过刮粉部件向所述成型缸中铺入预定厚度的填充粉末，所述增材粉末粉仓中设有增材粉末，所述填充粉末粉仓中设有填充粉末，所述填充粉末的粒径大于增材粉末的粒径。

9.根据权利要求8所述的基于3D铺粉打印的增材加工装置，其特征在于，所述成型缸的一侧设有筛粉部件，当所述成型缸被所述变位机驱动发生倾斜时，所述成型缸内的混合粉末洒落到所述筛粉部件内，并被筛分为增材粉末和填充粉末。

10.根据权利要求9所述的基于3D铺粉打印的增材加工装置，其特征在于，所述筛粉部件包括筛网以及收集斗，所述筛网设置在所述收集斗的上部，使小于筛网筛孔的粉末掉落至所述收集斗内，大于筛网筛孔的粉末留在筛网表面，其中，所述筛网被倾斜的设置，在所述筛网的低端设有第一排粉口，在所述收集斗的底部设有第二排粉口。

11.根据权利要求10所述的基于3D铺粉打印的增材加工装置，其特征在于，所述还包括第一接粉筒和第二接粉筒，所述第一接粉筒连接到所述第一排粉口，所述第二接粉筒连接到所述第二排粉口，所述第一接粉筒用于向所述增材粉末粉仓供料，所述第二接粉筒用于向所述填充粉末粉仓供料。

12.一种基于3D铺粉打印的增材加工方法，其特征在于，包括交替的持续过程和中断过程，在持续过程中，根据工件尺寸，将打印过程分为若干层，每一层对应一个切片结构，增材粉末粉仓控制每一层的落粉量，并由刮刀铺在基板表面被激光器按照预定路径烧结形成单层的切片结构；并由底部向上逐层打印形成每一层切片结构直至形成完整的工件；

其中，中断过程发生在持续过程中的任意一层切片结构加工成型之后，在中断过程，成型缸被翻转，使打印粉末倾倒出，再恢复成型缸至水平位置，回填填充粉末至中断前的高度层，形成填充粉末层，中断过程结束。

13.根据权利要求12所述的基于3D铺粉打印的增材加工方法，其特征在于，倾倒出的打印粉末被收集并供应到增材粉末粉仓中，作为中断过程后持续过程所使用的打印材料。

14.根据权利要求12所述的基于3D铺粉打印的增材加工方法，其特征在于，回填的填充粉末的粒径大于打印粉末的粒径。

15.根据权利要求12所述的基于3D铺粉打印的增材加工方法，其特征在于，在回填填充粉末后，通过压板对回填的填充粉末层加压，以压实回填的填充粉末层，其中，成型缸的基板下降高度大于工件增材高度。

16.根据权利要求12所述的基于3D铺粉打印的增材加工方法，其特征在于，还包括桥接加工过程，所述桥接加工过程处于中断过程中，定义所增材的工件包括悬空结构，其中悬空结构被定义为结构下部与主体结构不相接，或底部轮廓倾角与基板形成的夹角小于40°的状态结构，当所述悬空结构底部具有支撑时即属于主体结构；

所述桥接加工步骤包括：

步骤Qa、倾倒成型缸内的打印粉末，使成型缸翻转预定角度；

步骤Qb、在主体结构的表面、对应悬空结构底部的高度层增材形成平行于基板的支撑结构；

步骤Qc、在支撑结构的表面增材形成悬空结构，直至悬空结构与主体结构连接；

其中，在步骤Qb中，所述支撑结构与水平面的夹角大于40°。

17.根据权利要求16所述的基于3D铺粉打印的增材加工方法，其特征在于，在步骤Qb中，支撑结构通过激光熔覆或焊接形成；在步骤Qc中，悬空结构由激光熔覆或铺粉打印形成。

18.根据权利要求16所述的基于3D铺粉打印的增材加工方法，其特征在于，还包括减材加工过程，所述减材加工过程处于中断过程中，所述减材加工过程包括以下步骤：

步骤Ja、倾倒成型缸内的打印粉末，使成型缸翻转预定角度；

步骤Jb、通过加工中心将支撑结构去除。

19.一种铺粉打印的增材加工方法，其特征在于，根据工件尺寸，将打印过程分为若干层，每层的层高H相同，且每一层对应一个切片结构，增材粉末粉仓控制每一层的落粉量，并由刮刀铺在基板表面被激光器按照预定路径烧结形成单层的切片结构；并由底部向上逐层打印形成每一层切片结构直至形成完整的工件；

其中，每增材形成预设层高的工件后，进行压粉，压粉的步骤包括：

步骤Ya、基板下降压粉高度，所述压粉高度大于等于层高H，进行铺粉，铺粉厚度大于压粉高度；

步骤Yb、压板由成型缸正上方向下移动，压紧成型缸表面的粉末；

步骤Yc、压板复位，基板上升压粉高度，刮刀刮除多余的粉末，完成压粉。