一种用于高温打印系统的刮粉装置
阅读说明：本技术 一种用于高温打印系统的刮粉装置 (Powder scraping device for high-temperature printing system ) 是由 王志翔 卢秉恒 王红宇 赵纪元 于 2020-12-11 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种用于高温打印系统的刮粉装置,解决现有刮粉装置在高温环境中存在不能均匀刮粉、存在热变形以及刮粉精度较低的问题。该刮粉装置,包括支撑架和刮刀组件；支撑架的内部设置有冷却腔,用于对刮刀组件进行冷却；刮刀组件设置在支撑架的底端,包括刮刀座、压实刀和n个刮刀；刮刀座设置在支撑架的底端,设定刮刀座的长度方向为X方向,宽度方向为Y方向,高度方向为Z方向；刮刀和压实刀沿Y方向依次设置在刮刀座的底端；刮刀为梳齿形结构,包括沿X方向设置的多个刮条；压实刀为U形板结构,U形板上设置有沿X方向排布的多个U形狭缝,使得压实刀形成U形梳齿结构；压实刀的压粉弧面在Z方向低于刮刀的刮粉端面。(The invention provides a powder scraping device for a high-temperature printing system, which solves the problems that the existing powder scraping device can not uniformly scrape powder in a high-temperature environment, has thermal deformation and is low in powder scraping precision. The powder scraping device comprises a support frame and a scraper component; a cooling cavity is arranged in the support frame and used for cooling the scraper component; the scraper component is arranged at the bottom end of the support frame and comprises a scraper seat, a compaction cutter and n scrapers; the scraper seat is arranged at the bottom end of the support frame, the length direction of the scraper seat is set to be the X direction, the width direction is the Y direction, and the height direction is the Z direction; the scraper and the compaction knife are sequentially arranged at the bottom end of the scraper seat along the Y direction; the scraper is of a comb-tooth-shaped structure and comprises a plurality of scraping strips arranged along the X direction; the compaction knife is in a U-shaped plate structure, and a plurality of U-shaped slits distributed along the X direction are arranged on the U-shaped plate, so that the compaction knife forms a U-shaped comb tooth structure; the powder pressing cambered surface of the compacting knife is lower than the powder scraping end surface of the scraper in the Z direction.)
技术领域
本发明属于增材制造领域，具体涉及一种用于高温打印系统的刮粉装置。
背景技术
电子束选区熔化(EBSM)金属3D打印采用电子束作为能量源，在高真空环境下通过逐层熔化金属粉末的方式制造实体部件。由于电子束的功率高、材料对电子束能量吸收率高，EBSM技术具有制件致密度高、氧含量少、热应力低、不易变形开裂、粉末耗材价格低、未成型的粉末可回收利用、打印效率高等特点，在金属材料特别是难熔难加工金属材料的3D打印方面具备独特优势和应用价值，在骨科医疗、航空航天等领域应用广泛。
电子束选区熔化(EBSM)金属增材制造的工艺过程为：首先，在粉床表面铺展一层粉末，电子束对粉末进行预热保温，使其满足打印工艺参数需求；其次，电子束在计算机的控制下按照截面轮廓信息进行有选择的熔化，金属粉末在电子束的轰击下熔化，并与下面已成形部分粘接，实现层层堆积，直至整个零件全部熔化完成；最后，去除多余的粉末即可得到所需的三维产品。
在金属3D打印过程中，粉末的致密度和是否铺展平整直接决定了成型件的致密度、强度、精度和质量，所以，提高粉末的致密度是急需解决的问题。但是，现有的刮粉装置存在以下缺陷：(1)采用硬刮板刮粉，此种方式效率较低；(2)铺粉辊将粉末材料铺展到成型缸的过程中，会在铺粉辊前端造成大量粉末堆积，当堆积量较大时，粉末会溢满到铺粉辊后方，造成已铺粉末的破坏，增加铺粉阻力，使得刮粉精度较低；(3)只采用硬刮板刮粉时，由于未对已铺平粉末进行压实，降低了粉末密度，从而降低了成型件的致密度，提高了成型的孔隙率；(4)采用平行往复方式刮粉压实时，存在刮粉不连续、不能实现均匀刮粉的问题，使得刮粉精度较低；(5)现有螺旋刮粉压实方式只设置有一套刮粉装置，刮粉效率较低，且仅用于激光打印中；(6)现有螺旋刮粉压实机构需上下移动，使得刮粉装置结构复杂，占用空间较大；7)EBSM设备时打印时，EBSM设备需保持持续高温环境，现有刮粉压实装置在高温环境中存在热变形问题，导致刮粉精度较低。
发明内容
本发明的目的是解决现有刮粉装置在高温环境中存在不能均匀刮粉、存在热变形以及刮粉精度较低的问题，从而提供一种用于高温打印系统的刮粉装置。
为实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
一种用于高温打印系统的刮粉装置，包括支撑架和刮刀组件；所述支撑架的内部设置有冷却腔，用于对刮刀组件进行冷却；所述刮刀组件设置在支撑架的底端，包括刮刀座、压实刀和n个刮刀，n为大于等于2的整数；所述刮刀座设置在支撑架的底端，设定刮刀座的长度方向为X方向，宽度方向为Y方向，高度方向为Z方向；所述n个刮刀和压实刀沿Y方向依次设置在刮刀座的底端；所述刮刀为梳齿形结构，包括沿X方向设置的多个刮条；所述压实刀为U形板结构，U形板上设置有沿X方向排布的多个U形狭缝，使得压实刀形成U形梳齿结构；所述压实刀的压粉弧面在Z方向低于刮刀的刮粉端面。
进一步地，所述U形板包括两块立板和设置在两块立板之间的弧形板；所述刮刀组件还包括第一夹板和第二夹板，所述第一夹板设置在刮刀座的底端，且位于刮刀两侧，用于对刮刀进行支撑；所述第二夹板设置在刮刀座的底端，且位于立板两侧，用于对立板进行支撑。
进一步地，所述第一夹板、第二夹板上设置有沿X方向排布沿Z方向延伸的多个条形孔，同时，所述第一夹板、第二夹板的底端设置有沿X方向排布沿Z方向延伸，且与条形孔连通的多个凹槽，使得第一夹板、第二夹板形成柔性变形区域。
进一步地，所述刮刀组件还包括隔板和压板，所述刮刀、压实刀、第一夹板和第二夹板的顶端通过隔板和压板压紧在刮刀座的底端，并通过连接件固连。
进一步地，所述刮刀、立板、第一夹板、第二夹板、隔板和压板上均设置有定位孔，用于实现与刮刀座的快速准确安装。
进一步地，所述刮刀、压实刀、第一夹板、第二夹板均由耐高温材料制作。
进一步地，相邻两个刮刀之间的距离t为2.5mm，所述压粉弧面的圆弧面半径为10mm。
进一步地，所述刮刀和压实刀的厚度为0.1mm，梳齿宽a为0.85mm，梳齿间距b为0.15mm。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果为：
1.本发明刮粉压实装置的压实刀由带缝隙的薄板弯曲成半圆弧状，用该圆弧面作为压实面实现粉床上粉末的压实，从而能够有效释放热应力，避免压实板产生热变形影响压实精度。
2.本发明刮粉压实装置的刮刀采用双层梳状结构，梳状结构能有效释放热应力，不会使刮刀产生热变形，从而提高刮粉精度；同时，双层刀能起到补充刮平作用，使粉末在旋转工作台的粉床上更有效均匀铺展，此外，双层刮刀之间的距离可根据实际情况调整，把多余粉推到旋转粉床边，最后推出粉床，使得刮粉效率大幅提升。
3.本发明刮粉压实装置可配合连续不间断打印，实现高效生产，使实现大尺寸复杂件的快速打印成为可能。同时，该装置用于大尺寸电子束选区熔化(EBSM)设备中时，结构紧凑、占用空间小，节省真空打印室空间，从而节省设备造价及抽真空时间。
附图说明
图1为本发明用于高温打印系统的刮粉装置的结构示意图；
图2为本发明刮刀组件的结构示意图；
图3为本发明刮刀组件的局部结构放大示意图；
图4为图3的局部放大示意图；
图5为本发明刮刀的结构示意图；
图6为本发明刮刀的局部放大示意图；
图7为本发明压实刀的结构示意图；
图8为本发明压实刀的局部放大示意图。
附图标记：1-支撑架，2-刮刀组件，11-冷却腔，12-侧板，21-刮刀座，22-压实刀，23-刮刀，24-第一夹板，25-第二夹板，26-隔板，27-压板，221-立板，222-弧形板，223-U形狭缝，224-压粉弧面，231-刮条，232-刮粉端面，233-定位孔，234-条形安装孔，241-条形孔，242-凹槽。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
本发明提供一种用于高温打印系统的刮粉装置，该装置用于大尺寸电子束选区熔化(EBSM)设备中，用于将金属粉高效、均匀、精确的铺在粉床上并压实，为打印做好基础。本发明刮粉压实装置可配合连续不间断打印，实现高效生产，使实现大尺寸复杂件的快速打印成为可能。同时，该装置用于大尺寸电子束选区熔化(EBSM)设备中时，结构紧凑，占用空间小，节省真空打印室空间，从而节省设备造价及抽真空时间。
如图1所示，本发明用于高温打印系统的刮粉装置包括支撑架1和刮刀组件2。EBSM技术生产大尺寸件时，为了提高效率，一般均处于连续工作状态，此时，各部件就处于持续高温环境中，温度可高达1000°度，基于此，本发明装置在支撑架1的内部设置有冷却腔11，用于对刮刀组件2进行冷却，使得该装置可用于持续高温环境中，保证刮粉压实精度。本发明支撑架1设置有冷却腔11，冷却腔11两侧的侧板12有一定厚度，起到支撑刮刀组件2作用，保证刮刀组件2的刚度，从而实现精确刮粉压实。本发明实施例中，支撑架1的材质为不锈钢，结构为中空箱体，内腔通入冷却水，起到给刮刀组件2冷却的作用，保证刮刀组件2的刀座上表面温度为60℃，下表面为80℃。
如图2和图3所示，本发明刮刀组件2设置在支撑架1的底端，包括刮刀座21、压实刀22、隔板26、压板27和n个刮刀23，n为大于等于2的整数；刮刀座21设置在支撑架1的底端，对压实刀22和刮刀23进行支撑和安装，此时，设定刮刀座21的长度方向为X方向，宽度方向为Y方向，高度方向为Z方向，根据此设定对刮刀23和压实刀22的安装进行详细描述。
如图4、图5和图6所示，本发明n个刮刀23和压实刀22沿Y方向依次设置在刮刀座21的底端。刮刀23为梳齿形结构，包括沿X方向设置的多个刮条231；本发明实施例中，刮刀23数量优选为两个，刮刀23对粉末有推均匀的作用，当阻力较大时，个别梳齿会弯曲释放压力，然后会回弹为原状，不会对其本身造成破坏，采用双刮刀23是为了更好的推匀粉末，前面的刮刀23起预刮的作用，经过预刮后，后面的刮刀23受力相对减小，使得刮粉精度较高。
如图7和图8所示，本发明压实刀22为U形板结构，U形板上设置有沿X方向排布的多个U形狭缝223，使得压实刀22形成U形梳齿结构。U形板具体可包括两块立板221和设置在两块立板221之间的弧形板222，可由厚度为h并沿纵向开出许多缝的的板弯曲成形。压实刀22的压粉弧面224在在Z方向低于刮刀23的刮粉端面232，即刮刀23与压实刀22的最低点有高度差，差值即为粉末的压实量。压实刀22的压实圆弧面半径为R，此值根据金属颗粒大小及压实量确定。
如图4所述，为实现压实刀22和刮刀23的稳固安装，同时又不影响其性能，本发明刮刀组件2设置有第一夹板24、第二夹板25，第一夹板24固定设置在刮刀座21的底端，且位于刮刀23两侧，用于对刮刀23上部进行支撑；第二夹板25固定设置在刮刀座21的底端，且位于立板221两侧，用于对立板221上部进行支撑。第一夹板24、第二夹板25上设置有沿X方向排布沿Z方向延伸的多个条形孔241，同时，第一夹板24、第二夹板25的底端设置有沿X方向排布沿Z方向延伸，且与条形孔241连通的多个凹槽242，使得第一夹板24、第二夹板25形成柔性变形区域。柔性变形区域随着压实刀22和刮刀23的梳齿状结构进行弯曲，不仅实现对压实刀22和刮刀23的支撑，还能够有效释放热应力，避免压实板产生热变形影响压实精度。
本发明刮粉压实装置的刮刀23采用双层梳状结构，梳状结构能有效释放热应力，不会使刮刀23产生热变形，从而提高刮粉精度；双层刀能起到补充刮平作用，双层刮刀23之间的距离可根据实际情况调整，能使粉在旋转工作台的粉床上更有效均匀铺展、把及少的多余粉推到旋转粉床边，最后推出粉床，使得刮粉效率大幅提升。
本发明刮粉压实装置的压实刀22由带缝隙的薄板弯曲成半圆弧状，通过隔板26夹住后固定到刀座上，用该圆弧面作为压实面实现粉床上粉末的压实，该结构也能有效释放热应力，不会使压实板产生热变形，而影响压实精度。同时，刮刀23、压实刀22、夹板均由耐高温材料制作，例如GH5188。
本发明刮刀组件2安装时，刮刀23、压实刀22、第一夹板24和第二夹板25的顶端通过隔板26和压板27压紧在刮刀座21的底端，并通过连接件固连。与此同时，本发明刮刀23、立板221、第一夹板24、第二夹板25、隔板26和压板27上两端均设置有定圆孔和长条安装孔，用于实现与刮刀座21的快速准确安装。该刮粉装置安装后固定不动，布置在圆环工作台半径上，工作台旋转与其有相对运动，刮刀23与压实刀22相互平行并有一定距离，依次排在落粉口后，实现连续刮粉压实。
本发明刮粉压实装置中，相邻两个刮刀23之间的距离t根据实际情况确定，该距离原则上越大越好，但受空间结构限制不能太大。该装置的刮刀23、压实刀22厚度设置较小，传热小，遇到特殊的硬点有一定退让性，利于铺粉、打印连续不间断，而且不破坏刀体。在本发明实施例中，t为2.5mm，刮刀23和压实刀22的板厚为0.1mm，刮刀23和压实刀22的梳齿宽a为0.85mm，梳齿间距b为0.15mm，压实刀22的压实圆弧面半径为R＝9.9mm。实际操作中可根据不同种粉末调节刮刀23、压实刀22高度差的大小，t、a、b值也根据实际需要设计。压实圆弧面半径是根据粉末粒度、粉末材料的松散密度和压实密度、铺粉厚度、压下量、粉末颗粒的动摩擦系数等参数计算所得，当粉末粒度45μm～105μm时，计算出的圆弧面半径为10mm。
本发明用于高温打印系统的刮粉装置重点解决刮粉压实装置在持续高温环境中工作易产生变形影响刮粉压实精度的问题，该装置的最大外形尺寸为65mm×615mm×555mm，刮刀23长615mm，压实刀22长615mm，该长度满足圆环工作台铺粉半径范围。(圆环工作台的内径350mm，外径1500mm，铺粉半径范围(1500-350)/2＝575mm)，使EBSM设备的最大可成形的尺寸可为Φ1500mm×1500mm。该装置还可在环形粉床360度内均布多个，以配合多螺旋打印，使效率更高。
基于上述结构，本发明用于高温打印系统的刮粉装置具有以下特点：
(1)可在持续高温环境下实现连续不间断刮粉压实工作，提高工作效率；(2)提供一种带有缝隙的压实刀22结构形式，有效释放热量，减少刀的热变形；(3)刮刀23选用双刀片，并且厚度薄，遇到特殊的硬点有一定退让性，利于刮粉、压实、打印连续不间断；(4)压实刀22前设置刮刀23，对粉进行预推匀，从而减轻了压实刀22的受力；(5)刮刀23、压实板等件重量体积都不大，方便安装、调整、更换和改进；(6)压实刀22厚度薄，薄壁圆弧面设计有推让性，遇到特殊的硬点可以退让，利于压实连续不间断进行，且合理的圆弧半径形成一定的咬入角，使压实效果好。(7)本发明结构简单，方便拆装和更换，同时，其体积较小、节省了真空室空间，从而节省抽真空时间，真空系统无需很大，设备造价可以大幅降低；(8)由于本发明采取了较为特殊刮粉压实方式，保证了刮粉质量，压实效果好，有助于增加成型件的质量。
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