阅读说明：本技术 一种带冷却铺粉装置的3d打印机及其打印方法 (3D printer with cooling powder spreading device and printing method thereof ) 是由 樊子均 江姣龙 廖彬 黄华锋 于 2019-08-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种带冷却铺粉装置的3D打印机,包括工作缸体,工作缸体的一侧设置有回收粉桶,回收粉桶远离工作缸体的一侧设置有动力气源,工作缸体的顶部设置有保温腔体,保温腔体的顶部设置有振镜,振镜的一侧设置有激光器,保温腔体的一侧设置有储料斗,保温腔体的内底部前后对称穿插设置有两组无杆气缸,无杆气缸之间设置有铺粉槽,铺粉槽的底部设置有粉床,粉床的底部设置有活塞,活塞的底部设置有垂直运动装置。有益效果：一次落粉可以实现双向铺粉,节省了铺粉时间,提高了激光打印的效率,此外,采用无杆气缸,使得整机的铺粉结构相对简单,从而精度高,工作可靠,成本低廉。(The invention discloses a 3D printer with a cooling powder spreading device, which comprises a working cylinder body, wherein a powder recycling barrel is arranged on one side of the working cylinder body, a power air source is arranged on one side, away from the working cylinder body, of the powder recycling barrel, a heat insulation cavity is arranged at the top of the working cylinder body, a vibrating mirror is arranged at the top of the heat insulation cavity, a laser is arranged on one side of the vibrating mirror, a storage hopper is arranged on one side of the heat insulation cavity, two groups of rodless cylinders are symmetrically arranged at the front and back of the inner bottom of the heat insulation cavity in a penetrating mode, a powder spreading groove is arranged between the rodless cylinders, a powder bed is arranged at the bottom of the powder spreading groove, a. Has the advantages that: the powder can be spread bidirectionally by one-time powder falling, the powder spreading time is saved, the efficiency of laser printing is improved, and in addition, the rodless cylinder is adopted, so that the powder spreading structure of the whole machine is relatively simple, the precision is high, the work is reliable, and the cost is low.)

一种带冷却铺粉装置的3D打印机及其打印方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体来说，涉及一种带冷却铺粉装置的 3D打印机及其打印方法。

背景技术

3D打印(增材制造)是快速成型技术的一种，以数学模型文件为基础， 运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，采用激光等热源制造产品。3D打印的 工艺方法可分为FDM(熔融沉积式)、SLS(选择性激光烧结)、SLM(选择 性激光熔化成型)等类型。

其中SLS、SLM都是针对粉末材料利用激光熔融特定区域的粉末从而直 接制造产品。其过程类似：利用CAD软件对特定物体建模，然后通过切片软 件对模型切片，切片所得的模型截面数据传给控制系统，控制系统控制一定功 率激光器将特定层金属粉末或者非金属粉末加工熔合。这样加工融合完初始层 后，工作平台下降一个层厚的距离，铺粉装置铺一定层厚的未加工粉末，继续 加工融合下一层粉末，重复此步骤，直至特定的区域全部熔合完成，就得到一 件立体的产品。

由上可以看出铺粉装置在整个系统中为关键的一个部分，其可靠性关系着 整个打印制程的连续性，铺粉平稳和高精度决定了打印成品的最终质量。而打 印介质是细小的粉末，容易扬尘，且大多数材料的打印工艺需要加热到一定温 度，导致铺粉装置的工况环境恶劣。

传统的铺粉装置一般用电机与同步带组合，或者电机与丝杠组合来实现。 一般的电机，同步带，丝杠都不适用于高温，高粉尘的工况，而耐高温特制的 组件工艺复杂，成本高昂，维护也复杂，所以传统的铺粉装置需要将电机，同 步带或丝杠等全部布局在打印保温腔体外面，需要增加较多额外的部件，结构 复杂，成本高昂，且精度比较差，影响打印质量。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种带冷却铺粉装置的3D打印机 及其打印方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

为此，本发明采用的具体技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供了一种带冷却铺粉装置的3D打印机，包 括工作缸体，所述工作缸体的一侧设置有回收粉桶，所述回收粉桶远离所 述工作缸体的一侧设置有动力气源，且所述动力气源上设置有与之相配合 的气动控制系统，所述工作缸体的顶部设置有保温腔体，所述保温腔体的 顶部设置有振镜，所述振镜的一侧设置有激光器，所述保温腔体的一侧设 置有储料斗，且所述储料斗的底部设置有电控卸料阀，所述保温腔体的内顶部设置有加热系统，所述保温腔体的内底部前后对称穿插设置有两组无 杆气缸，且所述无杆气缸的一端均通过导管回路分别与所述气动控制系统 和所述动力气源连接，所述无杆气缸之间设置有铺粉槽，所述铺粉槽的上 方设置有导料管，且所述导料管的顶端贯穿所述保温腔体并与所述储料斗 的底端固定连接，所述铺粉槽的底部设置有粉床，所述粉床的底部设置有 活塞，且所述活塞位于所述工作缸体的内顶部，所述活塞的底部设置有垂 直运动装置，且所述垂直运动装置的底端贯穿所述工作缸体并延伸至所述 工作缸体的底部。

进一步的，为了不仅可以提供动力，而且还能够冷却无杆气缸，保证 暴露在所述保温腔体内部分温度在额定工作范围内，所述动力气源采用液 化氮气提供动力。

进一步的，为了可以保证温度场稳定，所述加热系统采用四组或八组 红外灯管进行加热，且所述加热系统内设置有温控系统。

进一步的，为了便于实现粉末的下料，使得铺粉槽可以随着气缸活塞 的运动沿着工作缸体上端粉床将粉末铺平，所述铺粉槽的下端设置为V形 结构，所述铺粉槽的底部设置有开口刮刀，且所述铺粉槽的两端均通过螺 丝与所述无杆气缸内的气缸活塞固定连接。

进一步的，为了避免粉末从活塞与工作缸体内壁的间隙漏下，所述活 塞的四周与所述工作缸体之间设置有密封毛毡，且所述密封毛毡的一侧与 所述活塞固定连接。

根据本发明的另一个方面，提供了一种带冷却铺粉装置的3D打印机的 打印方法，包括以下步骤：

步骤S1、根据产品的结构特性使用计算机中的3D建模软件设计出产 品的三维实体模型，利用切片程序将三维模型进行切片处理，并将截面信 息储存与计算机中；

步骤S2、计算机控制所述垂直运动装置将所述活塞移动至所述工作缸 体的内顶部，使得铺粉机构位于所述导料管的下方；

步骤S3、计算机控制所述储料斗上的所述电控卸料阀开启，粉末沿着 所述导料管落入所述铺粉槽内；

步骤S4、当所述铺粉槽内的粉末积聚到预先设定的参数后，计算机控 制所述电控卸料阀关闭；

步骤S5、计算机控制所述无杆气缸带动所述铺粉槽向左水平运动，开 始水平铺设一个层厚的粉末；

步骤S6、计算机控制所述振镜按照预选获取的切片截面数据控制所述 激光器对铺设好粉末的所述粉床进行照射，使得当前层厚粉末有选择的熔 融固化；

步骤S7、计算机控制所述垂直运动装置下降一个层厚距离，带动所述 粉床下降一个层厚的距离；

步骤S8、计算机控制所述无杆气缸带动所述铺粉槽反向朝右运动，在 所述粉床上再铺设一个层厚的粉末；

步骤S9、计算机再次控制所述振镜按照预选获取的切片截面数据控制 所述激光器对当前铺设好粉末的所述粉床进行照射，使得当前层厚粉末有 选择的熔融固化；

步骤S10、计算机控制所述无杆气缸带动所述铺粉槽水平运动至所述 导料管的下方准备接料；

步骤S11、重复步骤S3-S10，按照预选获取的截面信息逐层叠加打印 出立体产品。

进一步的，所述切片程序包括以下步骤：

通过分层软件调整分层方向与分层厚度，将目标三维模型分层离散为 一组有序的二维轮廓集合，每一层的二维轮廓即为一个切片；

根据实际需求以及获取到的切片二维轮廓信息，设定技术参数以得出 可供3D打印机识别并扫描的数据代码，并根据所述扫描数据代码生成3D 打印控制指令。

进一步的，所述切片处理之前还包括以下步骤：

分析产品三维模型图的结构特性，得出分析结果，并根据分析结果找 出在3D打印中需要在产品中增加支撑的位置；

根据增加支撑的位置在产品的三维模型图中增加支撑，并得到带有支 撑的三维模型图；

根据带有支撑的三维模型图确定增加的支撑与产品之间的位置关系， 并获得包含支撑位置关系的产品三维模型图。

进一步的，步骤S5中的所述铺粉槽运动至最左端停止，此时，所述铺 粉槽内至少还有一个层厚的粉末。

进一步的，步骤S8中当所述铺粉槽铺设完一个厚度的粉末后，计算机 可以继续控制所述无杆气缸带动所述铺粉槽向右运动，使得多余的粉末落 入所述回收粉桶内。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明一次落粉可以实现双向铺粉，从而节省了铺粉时间，提高了激 光打印的效率；

2、本发明采用的气缸本身可以采用普通无杆气缸，结构简单可靠，且该 气缸可以直接安放在保温腔内部，靠近铺粉平台，不需要其他传动部件，整机 的铺粉结构相对简单，从而精度高，工作可靠，成本低廉；

3、本发明由于工作保温腔内一般有一点温度需求，所以气缸工作气体采 用低温气体，一般为氮气，对气缸有冷却作用，防止气缸部分暴露于保温腔体 中，因为热胀冷缩太剧烈而失效，保证打印顺利进行；

4、本发明所采用气缸本身带有导向装置，省略了传统3D打印机中需要 的导轨，结构简单，工作可靠，成本低廉；

5、本发明采用气缸驱动执行活塞位于气缸导管内部，与高粉尘工况不接 触，工作可靠，维护少，节约成本，此外，本发明采用气缸控制为普通左右双 位置电磁阀，控制简单，工作可靠；

6、本发明为单缸体打印结构，相比较于传统铺粉缸，工作缸，回收缸这 种三缸结构，保温腔体体积明显减小，有利于温度场的稳定控制，不仅有效地 保证了打印机的打印质量，而且还有效地降低了缸体的制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是 本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的 前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的一种带冷却铺粉装置的3D打印机的结构示 意图；

图2是根据本发明实施例的一种带冷却铺粉装置的3D打印机的内部结 构示意图；

图3是根据图2中A处的放大图；

图4是根据本发明实施例的一种带冷却铺粉装置的3D打印机的打印方 法的流程示意图。

图中：

1、工作缸体；2、回收粉桶；3、动力气源；4、气动控制系统；5、保 温腔体；6、振镜；7、激光器；8、储料斗；9、电控卸料阀；10、加热系统； 11、无杆气缸；12、导管回路；13、铺粉槽；14、导料管；15、粉床；16、 活塞；17、垂直运动装置；18、气缸活塞；19、密封毛毡。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容 的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例 的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实 施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通 常用来表示类似的组件。

根据本发明的实施例，提供了一种带冷却铺粉装置的3D打印机及其打 印方法。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1-3所示，根据本 发明的一个方面，提供了一种带冷却铺粉装置的3D打印机，包括工作缸体 1，所述工作缸体1的一侧设置有回收粉桶2，所述回收粉桶2远离所述工 作缸体1的一侧设置有动力气源3，且所述动力气源3上设置有与之相配 合的气动控制系统4，所述工作缸体1的顶部设置有保温腔体5，所述保温 腔体5用于保证特定温度场温度稳定，使打印工作正常进行，所述保温腔 体5的顶部设置有振镜6，所述振镜6的一侧设置有激光器7，所述保温腔 体5的一侧设置有储料斗8，且所述储料斗8的底部设置有电控卸料阀9， 所述保温腔体5的内顶部设置有加热系统10，所述保温腔体5的内底部前 后对称穿插设置有两组无杆气缸11，且所述无杆气缸11的一端均通过导 管回路12分别与所述气动控制系统4和所述动力气源3连接，所述无杆气 缸11之间设置有铺粉槽13，所述铺粉槽13的上方设置有导料管14，且所 述导料管14的顶端贯穿所述保温腔体5并与所述储料斗8的底端固定连 接，所述铺粉槽13的底部设置有粉床15，所述粉床15的底部设置有活塞 16，且所述活塞16位于所述工作缸体1的内顶部，所述活塞16的底部设 置有垂直运动装置17，且所述垂直运动装置17的底端贯穿所述工作缸体1 并延伸至所述工作缸体1的底部。具体应用时，所述电控卸料阀9在需要 卸料时打开，物料在重力作用下沿着所述储料斗8尾部的所述导料管14落 到所述铺粉槽13里，一段时间后关闭，且可以按照时间长短粗略控制进入 铺粉槽13内的落粉量；所述垂直运动装置17通常带有丝杠，轴承，电机 等作用将丝杠旋转运动转换为活塞的垂直运动。

在一个实施例中，所述动力气源3采用液化氮气提供动力。通过液化 氮气的使用，使得其不仅可以起到提供动力的效果，而且还能够起到冷却 无杆气缸11的效果，从而使得其可以保证暴露在保温腔体5内部分温度在 额定工作范围内。

在一个实施例中，所述加热系统10采用四组或八组红外灯管进行加 热，且所述加热系统10内设置有温控系统。通过这样设置，使得其可以起 到保证温度场稳定的效果。

在一个实施例中，所述铺粉槽13的下端设置为V形结构，所述铺粉槽 13的底部设置有开口刮刀，且所述铺粉槽13的两端均通过螺丝与所述无 杆气缸11内的气缸活塞18固定连接。通过这样设置，不仅便于实现粉末 的下料，而且还可以使得铺粉槽13可以随着气缸活塞18的运动沿着工作 缸体1上端粉床15将粉末铺平。

在一个实施例中，所述活塞16的四周与所述工作缸体1之间设置有密 封毛毡19，且所述密封毛毡19的一侧与所述活塞16固定连接。通过这样 设置，使得活塞16可以在工作缸体1内壁垂直上下运动时起到防止粉末从 活塞16与工作缸体1内壁的间隙泄露的效果。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图4所示，根据本发 明的另一个方面，提供了一种带冷却铺粉装置的3D打印机的打印方法，包 括以下步骤：

步骤S1、根据产品的结构特性使用计算机中的3D建模软件设计出产 品的三维实体模型，利用切片程序将三维模型进行切片处理，并将截面信 息储存与计算机中；

步骤S2、计算机控制所述垂直运动装置17将所述活塞16移动至所述 工作缸体1的内顶部，使得铺粉机构位于所述导料管14的下方；

步骤S3、计算机控制所述储料斗8上的所述电控卸料阀9开启，粉末 沿着所述导料管14落入所述铺粉槽13内；

步骤S4、当所述铺粉槽13内的粉末积聚到预先设定的参数后，计算 机控制所述电控卸料阀9关闭；

步骤S5、计算机控制所述无杆气缸11带动所述铺粉槽13向左水平运 动，开始水平铺设一个层厚的粉末；

步骤S6、计算机控制所述振镜6按照预选获取的切片截面数据控制所 述激光器7对铺设好粉末的所述粉床15进行照射，使得当前层厚粉末有选 择的熔融固化；

步骤S7、计算机控制所述垂直运动装置17下降一个层厚距离，带动 所述粉床15下降一个层厚的距离；

步骤S8、计算机控制所述无杆气缸11带动所述铺粉槽13反向朝右运 动，在所述粉床15上再铺设一个层厚的粉末；

步骤S9、计算机再次控制所述振镜6按照预选获取的切片截面数据控 制所述激光器7对当前铺设好粉末的所述粉床15进行照射，使得当前层厚 粉末有选择的熔融固化；

步骤S10、计算机控制所述无杆气缸11带动所述铺粉槽13水平运动 至所述导料管14的下方准备接料；

步骤S11、重复步骤S3-S10，按照预选获取的截面信息逐层叠加打印 出立体产品。

在一个实施例中，所述切片程序包括以下步骤：

通过分层软件调整分层方向与分层厚度，将目标三维模型分层离散为 一组有序的二维轮廓集合，每一层的二维轮廓即为一个切片；

根据实际需求以及获取到的切片二维轮廓信息，设定技术参数以得出 可供3D打印机识别并扫描的数据代码，并根据所述扫描数据代码生成3D 打印控制指令。

在一个实施例中，所述切片处理之前还包括以下步骤：

分析产品三维模型图的结构特性，得出分析结果，并根据分析结果找 出在3D打印中需要在产品中增加支撑的位置；

根据增加支撑的位置在产品的三维模型图中增加支撑，并得到带有支 撑的三维模型图；

根据带有支撑的三维模型图确定增加的支撑与产品之间的位置关系， 并获得包含支撑位置关系的产品三维模型图。

在一个实施例中，步骤S5中的所述铺粉槽13运动至最左端停止，此 时，所述铺粉槽13内至少还有一个层厚的粉末。

在一个实施例中，步骤S8中当所述铺粉槽13铺设完一个厚度的粉末 后，计算机可以继续控制所述无杆气缸11带动所述铺粉槽13向右运动， 使得多余的粉末落入所述回收粉桶2内。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过本发明的使用，使得其一 次落粉可以实现双向铺粉，从而节省了铺粉时间，提高了激光打印的效率；本 发明采用的气缸本身可以采用普通无杆气缸，结构简单可靠，且该气缸可以直 接安放在保温腔内部，靠近铺粉平台，不需要其他传动部件，整机的铺粉结构 相对简单，从而精度高，工作可靠，成本低廉；本发明由于工作保温腔内一般 有一点温度需求，所以气缸工作气体采用低温气体，一般为氮气，对气缸有冷 却作用，防止气缸部分暴露于保温腔体中，因为热胀冷缩太剧烈而失效，保证 打印顺利进行；此外，本发明所采用气缸本身带有导向装置，省略了传统3D 打印机中需要的导轨，结构简单，工作可靠，成本低廉；本发明采用气缸驱动 执行活塞位于气缸导管内部，与高粉尘工况不接触，工作可靠，维护少，节约 成本；本发明采用气缸控制为普通左右双位置电磁阀，控制简单，工作可靠； 本发明为单缸体打印结构，相比较于传统铺粉缸，工作缸，回收缸这种三缸结 构，保温腔体体积明显减小，有利于温度场的稳定控制，不仅有效地保证了打 印机的打印质量，而且还有效地降低了缸体的制造成本。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、 “连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定 连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连 接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内 部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域 的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体 含义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。