用于增材加工的供粉装置和供粉方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体而言涉及用于增材加工的供粉装置和供粉方法。

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。

在一些大尺寸工件且对加工精度要求高的增材加工中，一般采用激光选区熔化的3D打印技术进行加工，由于层层的铺粉打印，所需要的粉末量较多，因此造成了制造成本的增加，因此，对于大尺寸铺粉加工来说，如何降低打印粉末的使用量成为人们希望解决的问题。

发明内容

根据本发明第一方面，提出一种用于增材加工的供粉装置，包括：

打印粉仓，用于容纳打印粉末；

填充粉仓，用于容纳填充粉末；

筛粉部件，包括筛板以及处于筛板下层的第一排粉口和处于筛板上层的第二排粉口；

成型缸，设置在所述筛粉部件的上方；

刮刀部件，用于将打印粉仓中的打印粉末和填充粉仓中的填充粉末刮到所述成型缸表面，使粉末平整；

变位机，设置在所述成型缸的底部，并能驱动所述成型缸翻转，使成型缸内的粉末倾倒至所述筛粉部件表面，且所述筛粉部件；

第一接粉筒，连接到所述第一排粉口；

第二接粉筒，连接到所述第二排粉口；

其中，所述筛粉部件、成型缸、刮刀部件和变位机设置在密封箱内，所述密封箱内具有惰性保护气体，所述第一接粉筒用于向所述打印粉仓供粉，所述第二接粉筒用于向填充粉仓供粉。

优选的，所述筛板倾斜于水平面布置，所述第二排粉口处于所述筛板的低位位置，所述筛板的下方设有收集斗，所述第一排粉口设置在所述收集斗的底部。

优选的，所述筛板上设有振动电机。

优选的，所述第一排粉口和第二排粉口均设有阀门，所述阀门用于控制第一排粉口或第二排粉口的通断。

优选的，所述第一接粉筒和打印粉仓之间设有第一抽粉管道，所述第一抽粉管道上设有第一吸粉器，所述第一吸粉器用于将所述第一接粉筒中的打印粉末吸入到所述打印粉仓中；所述第二接粉筒和填充粉仓之间设有第二抽粉管道，所述第二抽粉管道上设有第二吸粉器，所述第二吸粉器用于将所述第二接粉筒内的填充粉末吸入到填充粉仓中。

优选的，所述第一接粉筒和第二接粉筒均包括过渡料仓和供粉料仓，所述过渡料仓位于所述供粉料仓的上方，所述过渡料仓和供粉料仓之间设有隔离阀，所述过渡料仓上设有洗气阀，用于对所述过渡料仓换气，使过渡料仓和供粉料仓具有相同的气氛环境。

优选的，所述吸粉器包括集粉箱、吸粉入口、粉末出口和气流出口，所述集粉箱内设有集粉腔，所述吸粉入口的第一端连接抽粉管道，第二端连接集粉腔，所述粉末出口位于所述集粉腔的底部，所述气流出口的第一端连接到集粉腔的上部，所述气流出口的第二端连接到所述密封箱内。

优选的，所述变位机包括第一支撑架和第二支撑架，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，所述成型缸连接到所述第二支撑架，使所述成型缸沿Y轴方向翻转。

优选的，所述成型缸和第二支撑架可拆卸连接。

本发明第二方面提出一种技术方案，一种用于增材加工的供粉方法，包括以下步骤：

步骤1、定义预备的打印粉末的量为Q，填充粉末的量为E，成型缸的最大体积是W，其中，Q小于W，Q+E>W，每当增材高度H1时(成型缸的容积变化是W1)，翻转成型缸，使成型缸内的粉末倾倒至筛粉部件，其中，Q小于W1；

步骤2、收集被筛粉部件筛分后的打印粉末，并将打印粉末重新填充到打印粉仓内，收集被筛粉部件筛分后的填充粉末，并将填充粉末填充到填充粉仓内；

步骤3、使用填充粉仓内的填充粉末回填到成型缸内，其中，回填的填充粉末小于W1；

步骤4、再使用打印粉仓内回收的打印粉末继续增材，并重复步骤1-3直至完成打印。

优选的，在步骤2中，打印粉末重新填充到打印粉仓内包括以下方法：

方法a，使用接粉筒收集被筛粉部件筛分后的打印粉末和填充粉末，采用抽吸的方式将接粉筒内收集的打印粉末回收到打印粉仓，将接粉筒内收集的填充粉末回收到填充粉仓；

方法b，使用接粉筒收集被筛粉部件筛分后的打印粉末和填充粉末，使用机械举升输送的方式将接粉筒内收集的打印粉末回收到打印粉仓，将接粉筒内收集的填充粉末回收到填充粉仓。

优选的，在方法a中，抽气的气流排放到密封箱之外，接粉筒包括过渡料仓和供粉料仓，当粉末从接粉筒抽吸到过渡料仓时，过渡料仓和供粉料仓处于隔离状态，当抽吸动作停止后，对过渡料仓进行洗气，使过渡料仓和供粉料仓具有相同的气氛环境，然后使过渡料仓和供粉料仓连通，过渡料仓内的粉料进入到供粉料仓中。

与现有技术相比，本发明的用于增材加工的供粉装置和供粉方法的显著优点在于：

本发明的用于增材加工的供粉装置中，在打印过程中，倾倒成型缸中的打印粉末，并通过筛分再回收添加到打印粉仓内，在此过程中，使用填充料仓中的填充粉末回填至预定高度，使打印粉末始终处于打印层附近的高度层，参与到粉末烧结的过程中，在保持打印粉末持续的供粉的同时，降低总的打印粉末的使用量，以节省加工成本。

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是本发明所示的用于增材加工的供粉装置的结构示意图；

图2是本发明所示的成型缸的结构示意图；

图3是本发明所示的成型缸与筛板俯视位置关系的示意图；

图4是本发明所示的成型缸与筛板侧视位置关系的示意图；

图5是本发明所示的成型缸翻转状态的示意图；

图6是本发明所示的集粉腔的结构示意图；

图7是本发明所示的用于增材加工的供粉装置的另一种结构示意图；

图8是本发明所示的打印粉仓的结构示意图。

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。

铺粉增材打印的加工方式决定了工件的外轮廓体积越大则需要的粉末量就越大，而当工件壁厚较薄时，实际烧结需要的粉末量占比很少，因此，大粉量粉末被用来填充，使粉末的利用率很低，因此，如何使用少的粉末量保证铺粉打印过程中的持续供给是本发明所要解决的技术问题。

针对于铺粉打印的逐层烧结成型的加工方式，可以理解的，仅上层的粉末起到烧结形成工件的作用，底层的大部分粉末并不起到烧结作用，本发明旨在降低打印粉末的总使用量，通过多次倾倒成型缸内的粉末，回收打印粉末-回填填充粉末的方式，使打印粉末逐渐的全部被烧结形成工件本体，其余的空间为填充粉末，如此，降低打印粉末的使用量，并保持打印过程中持续的供粉。

【用于增材加工的供粉装置】

本发明第一方面提出一种技术方案，一种用于增材加工的供粉装置，结合图1所示，筛粉部件50、成型缸30、刮刀部件61和变位机40设置在密封箱100内，密封箱100内的增材空间101具有惰性保护气体，在铺粉增材过程中，粉末不会被氧化，变位机40设置在承载座20上，成型缸30安装在变位机40上，成型缸30由粉仓和刮刀部件61供粉。

其中，粉仓包括打印粉仓52和填充粉仓53，打印粉仓52用于容纳打印粉末，填充粉仓53用于容纳填充粉末，打印粉仓52在铺粉打印中向刮刀部件61提供打印粉末，并由刮刀部件61在成型缸30的表面刮平，填充粉仓53在铺粉打印中向刮刀部件61提供填充粉末，并由刮刀部件61在成型缸30的表面刮平。

为了能及时的回收粉末，成型缸30设置在筛粉部件50的上方，变位机40可以驱动成型缸30翻转，使成型缸30内的粉末倾倒出来，再由筛粉部件50对倾倒的粉末进行筛分，使打印粉末重新填入到打印粉仓52内，并继续参与后续的铺粉打印工作中。

筛粉部件50包括筛板51以及处于筛板51下层的第一排粉口512和处于筛板51上层的第二排粉口511，其中，筛粉部件50将打印粉末筛分至第一排粉口512，将填充粉末筛分至第二排粉口511。

进一步的，在第一排粉口512连接第一接粉筒57，在第二排粉口511连接第二接粉筒58，其中，第一接粉筒57用于向打印粉仓52供粉，第二接粉筒58用于向填充粉仓53供粉。

结合图2-5所示，变位机40包括第一支撑架41和第二支撑架42，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，成型缸30连接到第二支撑架42，使成型缸30沿Y轴方向翻转。

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，成型缸30安装到第二支撑架42的中间位置。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。

其中，翻转驱动器43可选为带有变速箱的伺服电机，可准确的控制成型缸30的翻转角度。

优选的，成型缸30和第二支撑架42可拆卸连接。如此，可根据打印零件的大小尺寸更换不同尺寸的成型缸30。

结合图3所示，成型缸30包括缸体31和基板32，缸体31的内部设有容腔，基板32可在容腔内上下移动，以完成层层铺粉，刮刀部件61在缸体31的上端面311往复移动，将粉末均匀的在缸体31的上端面311刮平，激光器13在平面上以预定的路径将粉末烧结，形成固型的结构。

进一步的，由于基板32被底部的电动缸驱动，因此，为了满足在转动状态下对基板32底部的电动缸供电，在第一支撑架41、第二支撑架42之间预埋供电线路，并在第一支撑架41、第二支撑架42的转轴421处设置导电滑环，以保证在转动的状态下对电动缸供电。

优选的，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供电。

进一步的，倾倒粉末后，需要对粉末进行筛分，以区分出打印粉末和填充粉末，其中，打印粉末和填充粉末的粒径不同，填充粉末的粒径大于打印粉末的粒径，并且填充粉末作为不消耗产品，可保持循环使用，其需要的体积根据工件的大小决定，打印粉末作为消耗品，预备量应大于产品的体积。

结合图2、图4-5所示，筛板51倾斜于水平面布置，第二排粉口511处于筛板51的低位位置，筛板51的下方设有收集斗513，第一排粉口512设置在收集斗513的底部。

当粉末倾倒到筛板51上时，大于筛板51筛孔的粉末留在筛网51表面，小于筛网51筛孔的粉末掉落至收集斗513内，如此，大于筛网51筛孔的粉末被从第一排粉口512分离，小于筛网51筛孔的粉末被从第二排粉口511分离。

在优选的实施例中，筛板51上设有振动电机，通过振动电机的振动作用，使筛板51上的粉末充分分离。

进一步的，第一排粉口512和第二排粉口511均设有阀门，阀门用于控制第一排粉口512或第二排粉口511的通断。即，当筛分时，将阀门关闭，当筛粉完毕后，将阀门打开，使填充粉末从第二排粉口511排出，打印粉末从第一排粉口512排出。

可选的，在第一排粉口512连接第一接粉筒57，在第二排粉口511连接第二接粉筒58，其中，第一接粉筒57用于向打印粉仓52供粉，第二接粉筒58用于向填充粉仓53供粉。

在进一步可选的实施例中，第一接粉筒57和打印粉仓52之间设有第一抽粉管道501，第一抽粉管道上设有第一吸粉器54，第一吸粉器54用于将第一接粉筒57中的打印粉末吸入到打印粉仓52中；第二接粉筒58和填充粉仓53之间设有第二抽粉管道，第二抽粉管道上设有第二吸粉器55，第二吸粉器55用于将第二接粉筒58内的填充粉末吸入到填充粉仓53中。

如此，通过使用吸粉器抽吸的方式使接粉筒中的粉末回收到分料仓中。

吸粉的第一种方式

在可选的实施例中，结合图7和图8所示，第一接粉筒57和第二接粉筒58均包括过渡料仓521和供粉料仓522，过渡料仓521位于供粉料仓522的上方，过渡料仓521和供粉料仓522之间设有隔离阀523，过渡料仓521上设有洗气阀，用于对过渡料仓521换气，使过渡料仓521和供粉料仓522具有相同的气氛环境。

具体的，第一接粉筒57的打印粉末被第一吸粉器54抽吸并排入到打印粉仓52的过渡料仓521，其中，第一吸粉器54抽吸的气体排放到密封箱100以外，由于抽吸到过渡料仓521中的打印粉末包含空气，与密封箱100内的气氛不同，因此，需要先对过渡料仓521进行洗气。

在具体的实施例中，洗气阀是三通阀，其中，第一端连接过渡料仓521，第二端连接抽真空设备，第三端连接保护气充气设备，第一步，保持第一端和第二端连通，进行抽真空，再保持第一端和第三端连通，充入惰性气体，使过渡料仓521和供粉料仓522的气氛环境相同。

其中，填充粉仓的回收和洗气步骤与打印粉仓相同。

吸粉的第二种方式

进一步的，在优选的实施例中，将吸粉器的排气端通过排风管道503直接引入到密封箱100内，并设置匀风盒504，以避免造成内部的风场较大的扰动。

具体的，吸粉器包括集粉箱、吸粉入口541、粉末出口543和气流出口542，集粉箱内设有集粉腔540，吸粉入口541的第一端连接抽粉管道，第二端连接集粉腔540，粉末出口543位于集粉腔540的底部，气流出口542的第一端连接到集粉腔540的上部，气流出口542的第二端连接到密封箱100内。

如此，当气流和粉末的混合物从吸粉入口541进入后，经过导向管544向下的导向作用，使粉末落入到集粉腔540内，而负压端(气流出口542)将气体吸引出去，由于集粉腔540的空间大，粉末无法被同时吸出，因此，粉末在粉末出口543聚集，并通过排粉管道502排到对应的粉仓内。

进一步的，气体在集粉腔540内由气流筒到545流到气流出口542，在由气流出口542流出，从排风管道503引入到密封箱100内，如此，密封箱100内的气体形成循环，不会破坏密封箱100的气氛环境。

其中，吸粉器为可以在气流出口542处形成负压的抽气装置。

结合以上实施例，打印粉仓52和填充粉仓53通过倾倒成型缸30-筛分粉末-抽吸回收粉末的方式保持持续的粉量，以实现少量的打印粉末完成整个工件的打印。

结合图8所示，本实施例所示的一种刮粉方式如下：刮刀部件61包括第一刮粉刀61a和双向阀62，第一刮粉刀61a通过输粉管连接到供粉料仓522，且第一刮粉刀61a和输粉管之间设有双向阀62，双向阀62为三通阀，第一端连接输粉管，第二端位于第一刮粉刀61a的左侧，第三端位于第一刮粉刀61a的右侧，并且双向阀62被设置成与第一刮粉刀61a联动。

具体的，当第一刮粉刀61a处于成型缸左侧，并从左侧向右侧移动时，双向阀62的第一端和第三端导通，粉末落到第一刮粉刀61a的右侧，第一刮粉刀61a从左向右将落下的粉末在成型缸30的上端面311刮平，当第一刮粉刀61a处于成型缸右侧，并从右向左侧移动时，双向阀62的第一端和第二端导通，粉末落到第一刮粉刀61a的左侧，第一刮粉刀61a从右向左将落下的粉末在成型缸30的上端面311刮平。

其中，填充粉末的刮粉方式和打印粉末的刮粉方式相同。

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3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。

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，并顺着导向板514滑落到筛网51。

【用于增材加工的供粉方法】

本发明第二方面提出一种技术方案，一种用于增材加工的供粉方法，包括以下步骤：

步骤1、定义预备的打印粉末的量为Q，填充粉末的量为E，成型缸30的最大体积是W，其中，Q小于W，Q+E>W，每当增材高度H1时成型缸30的容积变化是W1，翻转成型缸30，使成型缸30内的粉末倾倒至筛粉部件，其中，Q小于W1；

步骤2、收集被筛粉部件50筛分后的打印粉末，并将打印粉末重新填充到打印粉仓52内，收集被筛粉部件50筛分后的填充粉末，并将填充粉末填充到填充粉仓53内；

步骤3、使用填充粉仓53内的填充粉末回填到成型缸30内，其中，回填的填充粉末小于W1；

步骤4、再使用打印粉仓52内回收的打印粉末继续增材，并重复步骤1-3直至完成打印。

针对于铺粉打印的逐层烧结成型的加工方式，可以理解的，仅上层的粉末起到烧结形成工件的作用，底层的大部分粉末并不起到烧结作用，结合以上步骤，本发明旨在降低打印粉末的总使用量，通过多次倾倒成型缸内的粉末，回收打印粉末-回填填充粉末的方式，使打印粉末逐渐的全部被烧结形成工件本体，其余的空间为填充粉末，如此，降低打印粉末的使用量，并保持打印过程中持续的供粉。

优选的，在步骤2中，打印粉末重新填充到打印粉仓52内包括以下方法：

方法a，使用接粉筒收集被筛粉部件50筛分后的打印粉末和填充粉末，采用抽吸的方式将接粉筒内收集的打印粉末回收到打印粉仓52，将接粉筒内收集的填充粉末回收到填充粉仓53；

方法b，使用接粉筒收集被筛粉部件50筛分后的打印粉末和填充粉末，使用机械举升输送的方式将接粉筒内收集的打印粉末回收到打印粉仓52，将接粉筒内收集的填充粉末回收到填充粉仓53。

可选的，机械举升输送的方式包括在闭合的圆筒内，使用绞龙输送的方式，将粉末提升至预定高度。

优选的，在方法a中，抽气的气流排放到密封箱100之外，接粉筒包括过渡料仓和供粉料仓，当粉末从接粉筒抽吸到过渡料仓时，过渡料仓和供粉料仓处于隔离状态，当抽吸动作停止后，对过渡料仓进行洗气，使过渡料仓和供粉料仓具有相同的气氛环境，然后使过渡料仓和供粉料仓连通，过渡料仓内的粉料进入到供粉料仓中。

在一个具体的实施例中，在第一排粉口511和第二排粉口512分别设置接粉筒，第一接粉筒57和第二接粉筒58，当接粉筒内的粉末满后，通过吸粉器吸粉的方式吸入到对应的料仓中。

其中，当粉末加入到对应的料仓中时，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，保持洗气阀的第一端和第二端连通，进行抽真空，再保持洗气阀的第一端和第三端连通，充入惰性气体，使过渡料仓521和供粉料仓522的气氛环境相同，此时，可以打开隔离阀523，使过渡料仓521的粉末落入供粉料仓522。

结合以上实施例，本发明在打印中倾倒成型缸中的打印粉末，并通过筛分再回收添加到打印粉仓内，在此过程中，使用填充料仓中的填充粉末回填至预定高度，使打印粉末始终处于打印层附近的高度层，参与到粉末烧结的过程中，在保持打印粉末持续的供粉的同时，降低总的打印粉末的使用量，以节省加工成本。

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。