一种大尺寸电子束3d打印的铺粉装置及打印设备的制作方法

1.本实用新型属于增材制造领域，具体涉及一种大尺寸电子束3d打印的铺粉装置及打印设备，该铺粉装置用于将金属粉末高效均匀的铺设在粉床上并压实，为后续打印做好准备。


背景技术：

2.电子束选区熔化(ebsm)金属增材制造技术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，使得其制件具有致密度高、氧含量少、热应力低、不易变形开裂、打印效率高、材料利用率高等特点，在医疗、航空航天等领域得到应用广泛。
3.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。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。
4.现有的ebsm铺粉有平行和螺旋两种方式。平行铺粉方式如下，平行布置成型缸和送粉缸，成型缸下降一层烧结层厚度，供粉缸上升提供一定量的粉末，铺粉辊将粉末平铺到成型缸，开始烧结或熔融，待该层横截面全部烧结后，再次使成型缸下降一层烧结厚度，之后再供粉、铺粉，循环往复此过程，最终完成零部件的增材制造。螺旋铺刮粉方式如图1所示，可升降的铺刮粉装置安装于圆环形成型缸半径位置上，配合固定打印区(激光器装于铺粉装置3 上，与其相对位置固定，可同其一起升降)和旋转环形粉床工作，形成连续不间断的铺粉、打印。
5.以上两种铺刮粉方式均能实现有效的铺粉和刮粉，但是，均存在以下问题：1)采用滚筒铺粉或刮板刮粉的方式，铺粉方式效率较低；2)铺粉辊将粉末铺展到成型缸过程中，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，增加阻力；3)采用刮板刮粉时，由于未对已铺平粉末进行压实，降低了粉末的密度，从而降低了成型件的致密度，提高了孔隙率；4)现有螺旋铺粉机构需上下移动，机构复杂且占用空间大。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是解决现有铺粉装置存在效率低、粉末溢出、结构复杂、占用空间较大以及成型件孔隙率较高的问题，从而提供一种大尺寸电子束3d 打印的铺粉装置及打印设备。
7.为解决以上问题，本实用新型所采用的技术方案是：
8.一种大尺寸电子束3d打印的铺粉装置，包括落粉盒和刮粉组件，所述刮粉组件为
多组，均设置在落粉盒底部；设定落粉盒的长度方向为x方向，宽度方向为y方向，高度方向为z方向；所述落粉盒内设置有沿x方向排布的多个落粉腔，所述落粉腔内设置有多个打散板，用于将落入落粉腔内的粉末打散；所述落粉盒的顶部设置有与落粉腔连通的多个进粉口，底部设置有与落粉腔连通的多个出粉口；所述刮粉组件包括软刮板、硬刮板和压实板，且出粉口、软刮板、硬刮板和压实板沿y方向依次布置；所述软刮板为梳齿形结构，包括沿x方向设置的多个刮条；所述硬刮板的刮粉端面与软刮板的刮粉端面在z方向等高；所述压实板的压粉端面在z方向低于硬刮板的刮粉端面。
9.进一步地，所述打散板设置在落粉盒沿y方向相对的前侧板和后侧板上，且设置前侧板上的多个打散板和设置在后侧板上的多个打散板在x方向和z方向均错开布置。
10.进一步地，所述打散板为三角形平板，且三角形平板的斜侧边用于将落入落粉腔内的粉末打散。
11.进一步地，所述压实板的压粉端面为弧形面。
12.进一步地，所述硬刮板和压实板之间还设置有多个分隔板。
13.进一步地，所述软刮板的板厚为0.1mm，梳齿宽为0.85mm，梳齿间距为 0.15mm。
14.进一步地，所述软刮板、硬刮板和压实板均通过螺栓安装在落粉盒底部。
15.同时，本实用新型提供一种大尺寸电子束3d打印设备，包括打印室、工作台以及上述铺粉装置；所述工作台单元设置在打印室内，包括工作台及工作台支撑驱动组件；所述工作台支撑驱动组件能够驱动工作台在工作台台面所在平面即xy平面内旋转，并能沿z方向移动；所述铺粉装置为两组，分别沿x方向设置在工作台上。
16.进一步地，所述工作台内设置有预热电炉，预热电炉用于对粉末进行预热。
17.与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果是：
18.1.本实用新型铺粉装置依次在出粉口设置有软刮板、硬刮板和压实板，刮粉加压粉的方式保证了铺粉质量，压实效果好，有助于增加成型件的质量；同时，该铺粉装置可配合旋转工作台工作，实现连续不间断铺刮粉压实，提高了工作效率。
19.2.本实用新型铺粉装置的硬刮板前设置软刮板，软刮板对粉进行预推匀，从而减轻了硬刮板的受力，软刮板将多余粉推到旋转粉床边，最后推出粉床，避免了粉末会溢出的问题。
20.3.本实用新型铺粉装置内设置有打散板，用于将落入落粉腔内的粉末打散，从而实现均匀落粉。
21.4.本实用新型铺粉装置无需升降装置，也无需设置送粉缸、粉末回收缸等装置，节省了真空室空间，通过较小的真空室即可实现加工。同时，铺粉装置的重量体积均较小，大幅降低了制作成本，方便安装、调整、更换和改进。
22.5.本实用新型打印设备的工作台内设置有预热电炉，在保证成型精度的前提下，预热电炉对粉末进行预热，使铺好压实的粉末减少流动性，避免打印时产生吹粉、粉末团聚现象。
附图说明
23.图1为现有电子束金属增材制造设备结构图；
24.图2为本实用新型大尺寸电子束3d打印的铺粉装置的结构示意图；
25.图3为图2的a
‑
a剖视图；
26.图4为图3的局部放大图；
27.图5为本实用新型软刮板的结构示意图；
28.图6为本实用新型压实板压粉端面的结构示意图；
29.图7为本实用新型大尺寸电子束3d打印设备的结构示意图；
30.图8为本实用新型铺粉装置的安装示意图；
31.图9为本实用新型工作台与铺粉装置的位置关系示意图；
32.图10为本实用新型工作台与扫描区的位置关系示意图。
33.附图标记：1
‑
落粉盒，2
‑
刮粉组件，3
‑
铺粉装置，4
‑
打印室，5
‑
工作台， 6
‑
电子枪，7
‑
工件，8
‑
随动粉缸，11
‑
落粉腔，12
‑
打散板，13
‑
进粉口，14
‑
出粉口，21
‑
软刮板，22
‑
硬刮板，23
‑
压实板，24
‑
分隔板，211
‑
刮条，212
‑
刮粉端面，231
‑
压粉端面。
具体实施方式
34.下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
35.本实用新型提供了一种大尺寸电子束3d打印的铺粉装置以及包含该铺粉装置的3d打印设备。该铺粉装置与旋转工作台配合工作，可实现连续、不间断铺粉工作，从而实现大尺寸复杂件的高效打印。同时，该装置结构紧凑，占用空间小，减小了打印室空间，节省了设备成本及抽真空时间。
36.如图2、图3和图4所示，本实用新型提供的大尺寸电子束3d打印的铺粉装置包括落粉盒1和刮粉组件2，刮粉组件2为多组，均通过螺栓固定在落粉盒1 底部；设定落粉盒1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；落粉盒1内设置有多个沿x方向排布的落粉腔11，每个落粉腔11内设置有多个打散板12，用于将落入落粉腔11内的粉末打散；落粉盒1的顶部设置有与落粉腔11连通的多个进粉口13，底部设置有与落粉腔11连通，且沿x方向排成一排的出粉口14；每个进粉口13与精准送粉装置(设在该装置的上方、成型室的外面)的出口一一对应连通，承接其送来的金属粉末，精准量的金属粉末从进粉口13下落，通过各打散板12的撞击而变得分散均匀，然后从出粉口均匀落出到环形工作台5的粉床上。
37.在本实用新型实施例中，打散板12设置在落粉盒1沿y方向相对的前侧板和后侧板上，且设置前侧板上的多个打散板12和设置在后侧板上的多个打散板12在x方向和z方向均错开布置，从而对落入的粉末实现无死角打散，使金属粉末散落均匀。打散板12具体可为三角形平板，此时，三角形平板的斜侧边用于将落入落粉腔11内的粉末打散。
38.如图4、图5和图6所示，本实用新型刮粉组件2包括软刮板21、硬刮板22 和压实板23，且出粉口14、软刮板21、硬刮板22和压实板23沿y方向依次布置；软刮板21为梳齿形结构，包括沿x方向设置的多个刮条211；硬刮板22的刮粉端面与软刮板21的刮粉端面212在z轴方向等高；压实板23的压粉端面231在z 轴方向低于硬刮板22的刮粉端面，即软刮板21、硬刮板22的最低点等高度，硬刮板22和压实板23的最低点有高度差，差值即为粉末的压实量。硬刮板22 和压实板23之间还设置有多个分隔板24，使得软刮板21、硬刮板22、压实板 23相互平行并有一定距离。
39.如图4所示，软刮板21的结构类似板型梳子，板厚0.1mm，梳齿宽0.85mm，梳齿间距0.15mm，对粉末有预推均匀的作用，当粉末阻力较大时，个别梳齿会弯曲释放压力，然后回
弹为原状，不会对软刮板21本身造成破坏。软刮板 21预刮后，硬刮板22的受力相对减小，硬刮板22作用是推匀粉末。压实板23 在x轴上(即圆环半径上)只起到压实粉末的作用，而不起推粉作用，压实板 23的压粉端面231可设置为弧形面，弧形面的设计使其有一定的压入角，并且压入角平滑过渡。弧形面的尺寸要保证其强度外，要使最高点与最低点的固定差大于粉末颗粒直径，保证不把颗粒刮出。
40.本实用新型铺粉装置3的软刮板21、硬刮板22与旋转工作台5的半径平行并有一定距离t，该距离能使粉末在旋转工作台5的粉床上有效均匀铺展，软刮板21预推粉末，减少了硬刮板22的受力，软刮板21将多余粉末推至旋转粉床边，最后推出粉床，压实板23对粉末有径向侧压作用，使粉的致密度更高。
41.本实用新型铺粉装置3在真空室中的高度位置是固定的，无需升降装置，其与旋转工作台5的相对位置由工作台5的旋转、升降决定，同时，该铺粉装置3结构简单，无需送粉缸、粉末回收缸(由于前道送粉工序送粉精准，基本没有多余粉需要回收)，节省了真空室空间。
42.如图7所示，本实用新型提供的大尺寸电子束3d打印设备包括打印室4、电子枪6、工作台5和上述铺粉装置3；电子枪6设置在打印室4外，用于提供打印的电子束，工作台5单元设置在打印室4内，包括工作台5及工作台支撑驱动组件；工作台支撑驱动组件能够驱动工作台5在工作台5台面所在平面内旋转，并能沿z方向移动。铺粉装置3为两组，分别沿x方向设置在工作台5上，从而实现双螺旋铺粉。两组铺粉装置3安装在旋转工作台5上方，分列于环形工作台5一直径(x轴上)的两半径上，以圆心对称。压实板23位于x轴上，软刮板 21与x轴有一定距离t(该距离与工作台旋转速度及每个下粉点负责的铺粉区域有关，本实用新型实施例中为40mm)，距离t可使软刮板21对粉末的正推力不沿圆周切向，有沿径向向外的分量，对粉末在局部扇形区铺展均匀起一定作用。同理，硬刮板22与x轴也有一定距离(该距离与工作台旋转速度及每个下粉点负责的铺粉区域有关，本实用新型实施例中为36mm)，距离可使硬刮板22对粉末的正推力不沿圆周切向，有沿径向向外的分量，对粉末在局部扇形区铺展均匀起一定作用。
43.如图8、图9和图10所示，本实用新型大尺寸电子束3d打印设备的打印区 (也称电子束扫描区)共有两处，分别位于环形工作台5y轴的两半径上，以x 轴对称布置。图8中，a面为打印水平面，b面为工作台5台面。随动粉缸8的下面(b面)坐在工作台5台面。工作台5通过丝杆机构可沿滑台立柱上的导轨上下移动，滑台下部连接有电动水平移动机构，可使其水平移动。圆环工作台5可通过电动回转装置实现绕圆环中心的旋转。上述工作台5内设置有预热电炉，预热电炉能对粉末进行预热，使铺好压实的粉减少流动性，避免打印时产生吹粉现象。软刮板21、硬刮板22、压实板23依次安装在出粉口14侧面，随着工作台5的旋转下降，使其随动粉缸8上表面的粉末完成连续不断的螺旋铺粉、压实。
44.本实用新型提供的大尺寸电子束3d打印设备的具体工作过程如下：
45.1)设备回零，同时启动自动送粉装置、旋转工作台5及工作台5内的电炉，自动送粉装置给铺粉装置3(位于x轴)定量送粉，铺粉装置3将粉末落向工作台5，将其铺设均匀、压实；打开大功率电子枪6(最大功率达3kw)，按照计算机输入的扫描路径进行扫描下，熔化模型截面内的粉末，使之凝固、沉积形成零件截面同时形成随动粉缸8截面；
46.2)工作台5从0位转一周时工作台5在电动升降机构作用下降低一个层厚的高度；
47.3)进行第二层螺旋铺粉打印；
48.4)重复步骤1)、步骤2)、步骤3)，直至完成工件7及随动粉缸8，实际操作中可根据不同种粉末调节软刮板21、硬刮板22和压实板23高度差的大小。