本发明涉及3d打印领域，尤其涉及一种用于激光选区熔化3d打印的粉末定量供给装置。
背景技术：
随着科学技术的发展，用于金属零件3d打印的方法多种多样，其中激光选区熔化是比较常用的一种3d打印方法。激光选区熔化技术需要在成型过程中将选区内金属粉末完全熔化，因此需要在高功率密度激光器激光束开始扫描前，先把金属粉末平铺到成型升降台上的打印基板上，接着激光束将按当前层的轮廓信息选择性地熔化基板上的粉末，加工出当前层的轮廓，然后成型升降台下降一个图层厚度的距离，再在已加工好的当前层上铺金属粉末，设备调入下一图层进行加工，如此层层加工，直到整个零件加工完毕。整个加工过程在抽真空或通有保护气体的成型室中进行，以避免金属在高温下与其他气体发生反应。
现有技术中的供粉装置通常通过一在泄粉箱体内转动的花键轴来实现粉末供应，该花键轴的圆周面上分布有多个键槽，但这种花键轴的外形复杂，制造要求和制造成本较高；第二，这种多槽的花键轴难以精确控制其粉末供应量，也不能对粉末供应量进行精确调整；第三，若花键轴与泄粉箱体内壁的配合过紧，则花键轴容易被卡死，无法顺畅转动，如果花键轴与漏斗配合间隙过大，则粉末容易发生泄漏，导致花键轴与泄粉箱体间的配合间隙设计特别困难，增加了设计及制造的难度；此外，传统定量供粉装置要求供给的粉末必须保持特别好的流动性，不然粉末很容易团聚无法在重力作用下下泄，这限制了金属零件3d打印粉末种类的选择。
技术实现要素：
基于此，本发明的目的在于，提供一种制造要求和制造成本较低的用于激光选区熔化3d打印的粉末定量供给装置。
本发明所采用的技术方案是：
一种用于激光选区熔化3d打印的粉末定量供给装置，包括供粉机构、固定在所述供粉机构下方的泄粉机构、以及控制系统；所述泄粉机构包括泄粉箱体、泄粉轴、泄粉电机；所述泄粉箱体包括第一箱体，所述第一箱体的顶部设有与所述供粉机构连通的进粉口，其底部设有出粉口；所述泄粉轴包括泄粉轴主体和泄粉轴端部，所述泄粉轴主体上设有单一一个轴向的拾粉凹槽；所述泄粉轴主体可旋转地安装在所述第一箱体内，并将所述第一箱体分隔为互不相通的顶部空间和底部空间；所述泄粉电机安装在所述泄粉箱体的一端，其输出轴与所述泄粉轴端部驱动连接；所述控制系统与所述泄粉电机电连接。
本发明的粉末定量供给装置，采用单槽的泄粉轴，比起现有技术中的花键轴，其外形简单，制造要求较低，能够有效实现粉末的定量供给。
进一步地，所述泄粉箱体还包括第二箱体，其固定在所述第一箱体与泄粉电机之间，所述泄粉轴端部从所述泄粉轴主体的一端伸出至第二箱体内，与所述泄粉电机的输出轴驱动连接；所述第二箱体的两侧分别设有第一接近开关和第二接近开关，所述第一接近开关和第二接近开关同轴固定，其中心轴经过所述泄粉轴的中心轴并与之垂直，所述泄粉轴端部的外壁上固定有感应片，当所述泄粉轴转过180°时，所述感应片从所述第一接近开关的感应范围处旋转至所述第二接近开关的感应范围处；所述第一接近开关和第二接近开关分别与所述控制系统电连接。
进一步地，所述泄粉机构还包括至少一片可拆卸的容积调节片，所述容积调节片可固定在所述拾粉凹槽内，使所示拾粉凹槽的内腔容积减小；所述拾粉凹槽所形成的内腔为长方体形状，所述容积调节片的横截面与所述拾粉凹槽的横截面的形状大小相同，其厚度小于所述拾粉凹槽的深度；所述拾粉凹槽的底面设有螺纹孔，所述容积调节片上设有与其相应的螺纹孔，所述容积调节片可通过螺钉可拆卸地固定在所述拾粉凹槽内。
通过可拆卸的容积调节片，可以方便地调整拾粉凹槽的容积，进而调整粉末供应量，操作简单方便，调整较为精确，提高粉末利用率。
进一步地，所述泄粉轴还包括柔性轴套，其套设并固定在所述泄粉轴主体的外壁上，不覆盖所述拾粉凹槽；所述柔性轴套与所述第一箱体的内壁之间存在贴合处，使所述第一箱体的顶部空间和底部空间保持分隔；所述柔性轴套可随所述泄粉轴同步旋转，其可相对所述第一箱体的内壁旋转。
通过柔性轴套来实现泄粉轴与泄粉箱体间的紧密配合，防止粉末泄漏，同时可对进入柔性轴套与泄粉箱体内壁的金属粉末进行缓冲，防止泄粉轴卡死。
进一步地，所述第一箱体内设有位于顶部的v型槽以及连通于v型槽下方的封粉槽，所述封粉槽的上部为半圆形，其底部向下贯穿所述第一箱体；所述泄粉轴安装在所述封粉槽的顶部，并通过所述柔性轴套与所述封粉槽的顶部内壁形成局部贴合，所述v型槽形成所述第一箱体的顶部空间，所述封粉槽的底部形成所述第一箱体的底部空间。
进一步地，所述供粉机构包括供粉箱体和扰动机构，所述扰动机构包括固定在所述供粉箱体顶部的至少一个扰动电机，以及安装在供粉箱体内部并与所述扰动电机的输出轴驱动连接的扰动杆。
增加扰动机构对流动性较差的金属粉末进行扰动，促使其下落。
进一步地，所述供粉箱体顶部设有第一通气孔以及固定在其上的第一通气法兰，所述泄粉箱体还包括固定在所述第一箱体底部并与第一箱体的出粉口相通的第三箱体，所述第三箱体的侧壁设有第二通气孔以及固定在其上的第二通气法兰；还包括一气压平衡管，其两端分别与所述第一通气法兰和第二通气法兰固定，使所述第一通气孔与第二通气孔连通。
增加气压平衡管，防止供粉过程中由于供粉箱体和第三箱体间的气压差引起粉末无法下落的问题。
进一步地，所述供粉箱体为漏斗状，其顶部设有一可打开的供粉箱体盖，其底部与所述第一箱体顶部的进粉口相通；所述扰动杆为波浪形状或螺旋形状，其竖直安装在所述供粉箱体内部。
进一步地，还包括成型机构以及安装在成型机构内的铺粉机构；所述成型机构包括成型室和安装在成型室中的成型升降台，所述成型升降台包括具有中空内腔的台架，以及安装在台架中空内腔中的升降台，所述升降台与所述控制系统电连接；所述升降台的顶面为承托面，可随所述升降台逐层下降；所述台架的顶面为工作面，所述铺粉机构可活动地设置在所述工作面上；所述第三箱体的底部与所述成型室的顶面固定，所述第三箱体与所述成型室连通并位于所述工作面的第一侧的上方。
进一步地，所述铺粉机构包括一铺粉刮板，所述铺粉刮板可由所述控制系统控制，从所述工作面的第一侧匀速运动到其第二侧，并复位；
或者，所述铺粉机构包括铺粉盒以及分别固定在铺粉盒两侧的第一铺粉刮板和第二铺粉刮板；所述铺粉盒底部设有铺粉口，所述铺粉盒可由所述控制系统控制，从所述工作面的第一侧匀速运动到其第二侧，从所述工作面的第二侧匀速运动到第一侧。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为本发明实施例一的粉末定量供应装置的立体图；
图2为本发明实施例一的粉末定量供应装置的透视图；
图3为本发明实施例一的泄粉机构的俯视图；
图4为本发明实施例一的泄粉轴的立体图；
图5为图3中c-c的剖面图；
图6为本发明实施例一的成型机构和铺粉机构的结构示意图；
图7为本发明实施例二的成型机构和铺粉机构的结构示意图。
具体实施方式
实施例一
本发明的用于激光选区熔化3d打印的粉末定量供给装置，包括供粉机构、气压平衡管、泄粉机构、成型机构、铺粉机构以及控制系统。
请参阅图1和2，所述供粉机构包括供粉箱体11和扰动机构。所述供粉箱体11为漏斗状，其顶部设有一可打开的供粉箱体盖111，其底部与所述泄粉机构的第一箱体顶部的进粉口3112相通。所述供粉箱体11顶部设有第一通气孔以及固定在其上的第一通气法兰112。所述扰动机构包括固定在所述供粉箱体11顶部的至少一个扰动电机121，以及安装在供粉箱体11内部并与所述扰动电机121的输出轴通过第一联轴器122驱动连接的三个扰动杆123。本实施例中优选三个扰动电机，其可采用直流减速电机。所述扰动杆123为波浪形状或螺旋形状，其竖直安装在所述供粉箱体11内部。开启扰动电机121后，扰动杆123旋转，对供粉箱体11内的粉末进行搅动，使其顺利下泄，防止流动性差的粉末卡在供粉箱体11内，若所采用粉末流动性较好，也可不使用扰动机构。
请参阅图3，所述泄粉机构固定在所述供粉机构的下方。所述泄粉机构包括泄粉箱体、泄粉轴32、泄粉电机33和容积调节片。所述泄粉箱体包括第一箱体311、第二箱体312和第三箱体313，所述第一箱体311的顶部设有与所述供粉机构连通的进粉口3112，其底部设有出粉口3114。所述泄粉轴32包括泄粉轴主体321和泄粉轴端部322。所述泄粉轴主体321的两端通过滚动轴承可旋转地安装在所述第一箱体311内，其两端靠紧第一箱体311的两个侧壁，使泄粉轴主体321的两端与第一箱体311的侧壁之间贴合而不留有空隙，防止粉末从该处向下泄露。所述第二箱体312固定在所述第一箱体311的一端，所述泄粉电机33安装在所述第二箱体312的一端，所述泄粉轴端部322从所述泄粉轴主体的一端伸出至第二箱体312内，通过第二联轴器34与所述泄粉电机33的输出轴驱动连接。所述第二箱体312的两侧分别设有第一接近开关3121和第二接近开关3122，所述第一接近开关3121和第二接近开关3122同轴固定，其中心轴经过所述泄粉轴的中心轴并与之垂直，所述泄粉轴端部322的外壁上固定有感应片3221，当所述泄粉轴转过180°时，所述感应片3221从所述第一接近开关3121的感应范围处旋转至所述第二接近开关3122的感应范围处，泄粉轴再转过180°时，所述感应片3221从所述第二接近开关3122的感应范围处旋转至所述第一接近开关3121的感应范围处。所述控制系统分别与所述泄粉电机33、第一接近开关3121和第二接近开关3122电连接。
请参阅图4和5，所述泄粉轴主体321上设有单一一个轴向的拾粉凹槽3211。所述泄粉轴还包括柔性轴套323，所述柔性轴套323套设并固定在所述泄粉轴主体321的外壁上，不覆盖所述拾粉凹槽3211。柔性具体指可弯曲、可形变的特质，具体可以是柔性胶套。所述柔性轴套323与所述第一箱体311的内壁之间存在贴合处，该贴合处紧密配合，将所述第一箱体311分隔为互不相通的顶部空间和底部空间，即位于顶部空间的粉末不能通过缝隙落入到底部空间去。当所述柔性轴套323随所述泄粉轴同步旋转时，其相对所述第一箱体311的内壁旋转，使所述第一箱体311的顶部空间和底部空间保持分隔，防止粉末从顶部空间向下泄露至底部空间。同时，虽然粉末不会直接向下泄露，但不可避免地会有少量粉末颗粒进入泄粉轴与第一箱体311内壁之间，而柔性轴套323可产生形变，可对粉末颗粒进行缓冲，防止粉末卡在泄粉轴与第一箱体311内壁之间，导致泄粉轴主体321卡死在第一箱体311内。具体地，该第一箱体311内设有位于顶部的v型槽3111以及连通于v型槽下方的封粉槽3113，该v型槽3111的的顶部开口形成进粉口3112，所述封粉槽3113的上部为半圆形，其底部向下贯穿所述第一箱体311，形成出粉口3114；所述泄粉轴安装在所述封粉槽3113的顶部，并通过所述柔性轴套323与所述封粉槽3113的半圆形的上部内壁形成局部贴合(v型槽3111的底部留空，因而不贴合)，所述v型槽3111形成所述第一箱体311的顶部空间，所述封粉槽3113的底部形成所述第一箱体311的底部空间，所述泄粉轴通过所述柔性轴套323将所述v型槽3111形成的顶部空间与所述封粉槽3113底部形成的底部空间隔离开来，使粉末不能从v型槽3111通过第一箱体311的内壁缝隙向下泄露至封粉槽3113底部。在原始位置时，该拾粉凹槽3211连通于v型槽3111的下方，粉末从v型槽3111进入拾粉凹槽3211，拾粉凹槽3211经旋转180°后，将粉末倾倒至封粉槽3113底部。v型槽3111与封粉槽3113的底部的空间之间的隔离，保证了粉末仅通过拾粉凹槽3211的旋转进行传送，防止粉末经由缝隙掉落。在其他实施方式中，第一箱体的内壁也可以是其他形状，柔性轴套与第一箱体内壁可以在其他位置贴合，该v型槽可以替换成u型槽，该封粉槽也可以采用其他形状。
具体地，所述拾粉凹槽3211所形成的内腔为长方体形状，所述容积调节片的横截面与所述拾粉凹槽3211的横截面的形状大小相同，其厚度小于所述拾粉凹槽3211的深度；所述拾粉凹槽3211的底面设有螺纹孔，所述容积调节片上设有与其相应的螺纹孔，所述容积调节片可通过螺钉可拆卸地固定在所述拾粉凹槽3211内，使所述拾粉凹槽的内腔容积减小。
所述第三箱体313固定在所述第一箱体311底部并与第一箱体311的出粉口3114相通，所述第三箱体313的侧壁设有第二通气孔以及固定在其上的第二通气法兰3131。所述气压平衡管2的两端分别与所述第一通气法兰112和第二通气法兰3131固定，使所述第一通气孔与第二通气孔连通，防止供粉箱体11和第三箱体313间的气压差引起粉末无法下落的问题。
请参阅图6，所述成型机构包括成型室41和安装在成型室41中的成型升降台，所述成型升降台包括具有中空内腔的t型台架421，以及安装在台架421中空内腔中的升降台422，所述升降台422与所述控制系统电连接；所述升降台422的顶面为承托面4221，可随所述升降台逐层下降，所述台架421的顶面为工作面4211，所述承托面4221、工作面4211以及台架421的中空内腔壁形成一成型空间423，零件在此成型空间423内加工形成，成型空间423的顶面为有效工作面42111，粉末平铺到该面上以进行激光选区熔化。
所述铺粉机构安装在成型室41中，并可活动地设置在所述工作面4211上；所述第三箱体313的底部与所述成型室41的顶面固定，所述第三箱体313与所述成型室41连通并位于所述工作面4211的第一侧的上方，使得从第一箱体311落下的粉末经过第三箱体313后直接落到工作面4211的第一侧处。所述铺粉机构包括一铺粉刮板51，所述铺粉刮板51可由所述控制系统发出的指令控制，从所述工作面4211的第一侧匀速运动到其第二侧，以将粉末平铺至所述有效工作面42111上，并迅速复位，实现单向铺粉。具体地，该铺粉刮板51可通过传送带由铺粉电机带动，由接近开关来检测其所在位置并反馈至控制系统，控制系统控制铺粉电机正转或反转来实现往复运动。
本发明的粉末定量供给装置可以与激光器，以及其他激光选区熔化3d打印机的相应设备，共同组成激光选区熔化3d打印机。该激光器以及其他相应设备可采用现有技术，在此不赘述。
在本实施例中，铺粉盒一次所装载的粉末量仅用于零件单个层片的3d打印。本实施例一的粉末定量供给装置的工作过程如下：
步骤1：安装容积调节片，调节拾粉凹槽3211的有效容积。
假设需要3d打印一个316l不锈钢零件，粉末的为球形气雾化316l不锈钢粉，粒径大小为15-53um，粉末流动性良好。设打印的层厚为30um，成型升降台的工作面4211的面积为100mm*100mm，拾粉凹槽3211的容积为100mm*10mm*10mm，容积调节片为长方形，优选不锈钢片制成，其规格有100mm*10mm*1mm、100mm*10mm*0.1mm、100mm*10mm*0.05mm三种规格。因零件的层厚为30um，每层所需的粉末供应量理论上只需100mm*100mm*0.03mm即可，但考虑到铺粉过程中，工作面4211上会有残留，实际需将每层粉末的供应量适当加大，采用9片100mm*10mm*1mm规格、9片100mm*10mm*0.1mm规格的容积调节片叠加安装到拾粉槽中，这样，每次粉末供应量为100mm*100mm*0.05mm。
步骤2：完成单层金属粉末的定量供应。
拆下气压平衡管2，将不锈钢粉从第一通气法兰112装入到供粉箱体11中，或直接拆开供粉箱体盖111，倒入不锈钢粉。因所采用的316l不锈钢金属粉末的流动性良好，扰动机构可选择关闭，这时供粉过程中，粉末的流动仅由重力驱动。设置泄粉机构的泄粉轴的原始位置为拾粉凹槽3211正对上方的位置，粉末下落填充进拾粉凹槽3211，感应片3221对准第一接近开关3121，供粉电机带动泄粉轴转动180°后，感应片3221对准第二接近开关3122，控制系统收到第二接近开关3122的反馈，控制供粉电机停下，使拾粉凹槽3211朝向正下方，不锈钢粉由于重力作用作用，下落到成型升降台的工作面4211上，实现了单层定量粉末供应，粉末供应量为拾粉凹槽3211的容积。粉末下泄完成，在预设的间隔时间后，泄粉电机33再次旋转，在感应片3221再次对准第一接近开关3121时停止工作，使泄粉轴回到原始位置，重新填充粉末。在其他实施方式中，若单层粉末供应量较大，则控制系统根据层厚信息，计算并控制泄粉轴往复工作，多次泄粉，粉末供应量为拾粉凹槽3211的容积与泄粉轴转动周数的乘积。
步骤3：铺粉刮板51从所述工作面4211的第一侧匀速运动到其第二侧，将位于工作面4211一侧的粉末平刮到有效工作面42111上，然后迅速复位，实现单向铺粉。
步骤4：控制系统控制激光器发射激光将选区内的粉末熔化，形成一个零件层片，然后控制成型升降台下降一个层厚。
步骤5：重复步骤2-4，直至完成整个零件的3d打印。
实施例二
本实施例二的粉末定量供给装置与实施例一的粉末定量供给装置的结构大致相同，主要区别在于铺粉机构：请参阅图7，所述铺粉机构包括铺粉盒52以及分别固定在铺粉盒52两侧的第一铺粉刮板53和第二铺粉刮板54；所述铺粉盒52底部设有铺粉口，所述铺粉盒52可由所述控制系统发出的指令控制，从所述工作面4211的第一侧匀速运动到其第二侧，第一铺粉刮板53同步移动，以将粉末平铺至所述有效工作面42111上，完成一个层的加工后，所述铺粉盒52从所述工作面4211的第二侧匀速运动到第一侧，第二铺粉刮板54同步移动，以将粉末平铺至所述有效工作面42111上，实现双向铺粉。
在本实施例中，铺粉盒一次所装载的粉末量可用于零件多个层片的3d打印。本实施例二的粉末定量供给装置的工作过程如下：
步骤1：安装容积调节片，调节拾粉凹槽3211的有效容积。
假设需要3d打印一个alsi10mg铝合金零件，粉末的为球形气雾化alsi10mg粉，粒径大小为15-53um，粉末流动性较差。设打印的层厚为30um，成型升降台的工作面4211的面积为100mm*100mm，拾粉凹槽3211的容积为100mm*10mm*10mm，容积调节片为长方形，优选不锈钢片制成，其规格有100mm*10mm*1mm、100mm*10mm*0.1mm、100mm*10mm*0.05mm三种规格。设该零件需要打印150层，而一次所装载的粉末量可用于50层的打印，因零件的层厚为30um，50层所需的粉末供应量理论上只需100mm*100mm*1.5mm即可，但考虑到铺粉过程中，工作面4211上会有残留，实际需将每层粉末的供应量适当加大，采用8片100mm*10mm*1mm规格的容积调节片叠加安装到拾粉槽中，这样，每次粉末供应量为100mm*100mm*2mm。
步骤2：完成多层(50层)金属粉末的定量供应。
拆下气压平衡管2，将铝合金粉从第一通气法兰112装入到供粉箱体11中，或直接拆开供粉箱体盖111，倒入铝合金粉。因所采用的alsi10mg铝合金粉的流动性较差，扰动机构在供粉过程中选择开启，这时供粉过程中，粉末的流动受重力及扰动联合作用。设置泄粉机构的泄粉轴的原始位置为拾粉凹槽3211正对上方的位置，粉末下落填充进拾粉凹槽3211，感应片3221对准第一接近开关3121，供粉电机带动泄粉轴转动180°后，感应片3221对准第二接近开关3122，控制系统收到第二接近开关3122的反馈，控制供粉电机停下，使拾粉凹槽3211朝向正下方，不锈钢粉由于重力作用作用，下落到工作面4211上的铺粉盒52内，实现了多层定量粉末供应，粉末供应量为拾粉凹槽3211的容积。粉末下泄完成，在预设的间隔时间后，泄粉电机33再次旋转，在感应片3221再次对准第一接近开关3121时停止工作，使泄粉轴回到原始位置，重新填充粉末。
步骤3：铺粉盒52从所述工作面4211的第一侧匀速运动到其第二侧，并通过铺粉口将粉末不断洒落至工作面4211上，第一铺粉刮板53同步移动，以将粉末平铺至所述有效工作面42111上。
步骤4：控制系统控制激光器发射激光将选区内的粉末熔化，形成一个零件层片，然后控制成型升降台下降一个层厚。
步骤5：铺粉盒52从所述工作面4211的第二侧匀速运动到其第一侧，并通过铺粉口将粉末不断洒落至工作面4211上，第二铺粉刮板54同步移动，以将粉末平铺至所述有效工作面42111上。
步骤6：控制系统控制激光器发射激光将选区内的粉末熔化，形成一个零件层片，然后控制成型升降台下降一个层厚。
步骤7：重复步骤3-6，连续完成50层的3d打印。
步骤8：重复步骤2-7，直至完成共150层的3d打印。
在粉末泄入铺粉盒52时，可能在铺粉盒52中有剩余粉末，使得粉末泄入铺粉盒52后，总粉末量超过铺粉盒52所需装载的粉末量，这种情况可通过控制铺粉盒52停留在工作面4211第一侧的位置，使铺粉盒52的第一铺粉刮板53与工作面4211第一侧边缘形成一溢粉口来实现多余粉末的溢出来解决。
本发明的粉末定量供给装置，采用单槽的泄粉轴，比起现有技术中的花键轴，其外形简单，制造要求较低，能够有效实现粉末的定量供给；进一步地，通过可拆卸的容积调节片，可以方便地调整拾粉凹槽的容积，进而调整粉末供应量，操作简单方便，调整较为精确，提高粉末利用率；进一步地，通过柔性轴套来实现泄粉轴与泄粉箱体间的紧密配合，防止粉末泄漏，同时可对进入柔性轴套与泄粉箱体内壁的金属粉末进行缓冲，防止泄粉轴卡死；进一步地，增加扰动机构对流动性较差的金属粉末进行扰动，促使其下落；增加气压平衡管，防止供粉过程中由于供粉箱体和第三箱体间的气压差引起粉末无法下落的问题。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。