一种用于三维打印的刮平装置及具有其的三维打印机制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于三维打印的刮平装置及具有其的三维打印机，在三维打印过程中对工件表面尚未完全凝固的区域进行刮平，属于增材制造技术领域。设置有用于在三维打印过程中与工件的尚未完全凝固的区域进行接触的接触部件，接触部件有供打印原料通过的通道；在接触部件对工件的尚未完全凝固的区域进行形貌调控过程中，所述的通道的出口端所在的面与工件表面的当前成型面不平行，即两者之间存在锐角夹角，夹角开口的朝向可随着打印原料在工件表面沉积方向的改变而改变，从而使得所述接触部件能够在不平行于工件表面的当前成型面的方向上相对所述的工件活动。本发明专利技术支持在高速三维打印过程中实时刮平和原位微型机械锻造，可降低工件应力，且震动小。且震动小。且震动小。

【技术实现步骤摘要】
一种用于三维打印的刮平装置及具有其的三维打印机


[0001]本专利技术涉及一种用于在三维打印过程中对工件表面尚未完全凝固的区域进行刮平的装置，尤其是涉及一种具有该刮平装置的三维打印机，属于增材制造


技术介绍

[0002]三维打印技术最早起源于美国。现在常见的主流三维打印技术，例如立体光固化成型法(Stereo Lithography Apparatus,SLA)、熔融沉积制造(Fused Deposition Modeling，FDM)、选择性激光烧结(Selecting Laser Sintering，SLS)、三维粉末粘接(Three Dimensional Printing and Gluing，3DP)，于20世纪八九十年代在美国和欧洲实现商业化。在以金属为打印原料的金属三维打印技术中，常见的有选择性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)、激光近成形(Laser Engineered Net Shaping,LENS)、电子束熔化(Electron Beam Melting,EBM)、金属丝电弧熔化成型(Wire and Arc Additive Manufacture,WAAM)，都需要在三维成型过程中将固态的金属原料熔化，并且同时需要对打印体的正在沉积熔融金属原料的区域加热熔化(打印体是由熔融原料在沉积后冷却形成，打印体也称为工件)，以使打印体与熔融原料之间以冶金融合方式结合在一起。FDM塑料三维打印是低成本技术，桌面型FDM打印机是最广泛应用的塑料三维打印机；FDM打印机的打印头在将塑料原料加热熔化之后，熔融的塑料经过硬质挤出头(例如用黄铜、不锈钢等材料制造的带有输出孔的原料输出头)输出到成型台上；熔融塑料从硬质挤出头前端的孔流出后，被硬质挤出头的前端面抹平；因此，桌面型FDM塑料三维打印机打印的零件的上平面一般是平整和光滑的。塑料的熔点一般较低(多数三维打印用塑料原料熔点低于200℃)，并且常用塑料的硬度远低于黄铜和不锈钢，也不存在熔融塑料明显地熔蚀黄铜和不锈钢的问题，所以FDM塑料三维打印机的打印头可以使用金属挤出头可靠地、长时间地工作，而不用担心挤出头被熔蚀、氧化及磨损等问题。关于FDM塑料三维打印技术，可参考申请号为201621370582.3和申请号为201621251883.4的中国专利申请。然而，金属三维打印所面对的环境与塑料三维打印存在极大差异，例如直接能量沉积技术(Directed Energy Deposition，DED)是将固态金属原料加热熔化之后沉积在打印体的熔池上(现有的基于激光加热的同轴送丝和旁轴送丝三维打印技术、基于电弧加热的旁轴送丝三维打印技术、基于激光加热的同轴送粉和旁轴送粉三维打印技术、基于电子束加热的旁轴送丝三维打印技术等，都属于DED这一大类的技术)，面临温度远高于FDM打印工作温度的环境。如果仿照FDM塑料三维打印的打印头，通过挤出头将熔融金属挤出这种方式也用于金属三维打印，尤其是高熔点金属的三维打印，例如打印不锈钢，那么，即使使用常见的超高熔点的金属(例如钨)制作挤出头，在有惰性气体保护的前提下也会因为发生熔蚀而快速损坏(例如挤出头的输出孔的口径快速变大)；如果使用高温陶瓷材料制作挤出头，虽然高温陶瓷的熔点可能比熔融金属高(例如高纯氧化铝陶瓷、氧化镁陶瓷)，但是在高温环境下(例如1400℃以上)，陶瓷的机械强度低(例如极易碎裂、耐磨性下降)，极易损坏，也无法作为挤出头的材料。如果对挤出头进行冷却(例如水冷)以保护挤出头，那么，挤出头会降低通过其内部输出孔的熔
融金属的温度，将导致挤出头的输出孔堵塞，进而打印失败。还有，熔融金属原料需要沉积在熔池上，才能实现冶金融合，如果使用挤出头将熔融金属原料涂布在打印体上，挤出头的前端的体积会阻碍加热打印体以产生熔池所需的加热能量的传播，例如电弧、电子束、激光束会被挤出头的前端遮挡。因此，到目前为止，虽然有大量的金属三维打印方面的专利申请和论文的技术方案仿照FDM塑料三维打印机的打印头的熔融原料挤出方式，例如申请公布号为CN104338933A(申请号201410513433.7)的中国专利申请，但是一直没有可商用化的这类技术出现，尤其是可打印不锈钢、钛等金属材料的技术。在打印头上设置微型熔炉，通过微型熔炉将固态金属原料熔化，然后经过喷嘴将熔融金属液滴喷射到打印平台或打印体上，但喷嘴不对已经沉积的熔融金属或尚未凝固的金属进行“抹平”，无需考虑“抹平”动作产生的机械作用对喷嘴的损害，这样可以使用石英、高温陶瓷材料制作喷嘴，喷射铝等较低熔点金属材料的熔融液滴，喷嘴可以较长时间地工作，例如出版公布号为US2015/0273577A1(申请号为14/228,681)的美国专利公开的技术方案。目前常见的金属三维打印技术中，只要是需要在三维打印过程中将金属熔化的，除了基于粉床方式的(例如SLM)，都面临熔融金属原料在沉积之后的表面形貌差的问题，尤其是DED这一大类的技术：金属液滴在沉积之后，表面会呈现凹凸不平的形貌，尤其是如果金属液滴在沉积过程中发生飞溅，凹凸不平的形貌会更显著；除了会出现局部的凹凸不平，还会出现呈条带状的沟槽结构。表面形貌缺陷在金属丝电弧熔化成型(Wire and Arc Additive Manufacture,WAAM)技术中尤其突出。表面形貌的缺陷会逐层传递和累积，甚至逐层放大，可能导致最终打印出来的零件无法使用，或者可能导致打印失败。现在也有将DED技术与机械加工整合的增减材技术，通过使用传统的机械切削方法在三维打印过程中逐层修整打印体的表面形貌，或者在打印结束后原位修整零件的表面形貌。如果能在熔融原料沉积后迅速修整其表面形貌，那么将极大提高DED技术的打印质量。
[0003]在现有金属三维打印技术中，金属材料尤其是合金材料在三维成型之后，材料性能往往达不到传统金属材料加工技术中的经过锻造的合金材料的性能，因此，出现多种辅助技术用于在三维成型过程中对金属材料进行调控以获得锻造或类似锻造的性能，例如申请号201010147632.2、名称“零件与模具的熔积成形复合制造方法及其辅助装置”的中国专利申请和申请号201610183468.8、名称“非接触控制增材制造金属零件凝固组织的方法及磁控金属3D打印装置”的中国专利申请，又如公布号WO2019002563A2、名称“SOLIDIFICATION REFINEMENT AND GENERAL PHASE TRANSFORMATION CONTROL THROUGH APPLICATION OF IN SITU GAS JET IMPINGEMENT IN METAL ADDITIVE MANUFACTURING”的PCT国际专利申请。对三维打印零件的材料调控方式，除了上述的在三维成型过程中对金属材料进行调控，还有在三维打印结束后对零件进行调制的方式，例如：将打印出来的零件整体进行热等静压处理(Hot Isostatic Pressing)，以将未充分融合的材料颗粒(例如SLM技术在成型过程中产生的被裹挟但未充分熔化的金属粉末)与临近材料融合和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于三维打印的刮平装置，设置有用于在三维打印过程中与工件的尚未完全凝固的区域进行接触的接触部件；通过所述的接触部件与工件的尚未完全凝固的区域接触，对工件的尚未完全凝固区域进行形貌调控；所述的工件是指三维打印过程中打印原料沉积后形成的物体；其特征在于：所述的接触部件设置有供打印原料通过的通道，通道有入口端和出口端；在三维打印过程中，打印原料从入口端进入通道、从出口端离开通道，所述的接触部件靠近工件的一侧具有围绕在通道的出口端之外的接触区域，所述的接触区域与工件的尚未完全凝固的区域接触；在所述的接触部件对工件的尚未完全凝固的区域进行形貌调控过程中，所述的通道的出口端所在的面与工件表面的当前成型面不平行，即两者之间存在锐角夹角，夹角开口的朝向可随着打印原料在工件表面沉积方向的改变而改变，从而使得所述接触部件能够在不平行于工件表面的当前成型面的方向上相对所述的工件活动；所述的工件表面的当前成型面，是三维打印按层成型过程中的当前成型层的当前成型区所基于的面。2.根据权利要求1所述的用于三维打印的刮平装置，其特征在于：所述接触区域为平面或曲面；所述的夹角，其角度可变。3.根据权利要求1所述的用于三维打印的刮平装置，其特征在于：所述的夹角，夹角的开口朝向打印原料在工件表面沉积时的沉积路径的前进方向。4.根据权利要求1所述的用于三维打印的刮平装置，其特征在于：还包括与三维打印机的打印头进行连接的连接支架，所述的接触部件可相对所述的连接支架转动，或者所述的接触部件可相对所述的连接支架转动和移动。5.根据权利要求4所述的用于三维打印的刮平装置，其特征在于：设置有驱动所述的接触部件转动的驱动装置，或者设置有驱动所述的接触部件转动和移动的驱动装置；所述的驱动装置采用磁力驱动、机械弹力驱动、流体驱动、热致形变驱动、磁致形变驱动、电致形变驱动、机械螺杆驱动这些驱动方式当中的一种或者几种的组合；其中的磁力驱动，其动力来源于磁力；所述的驱动装置控制所述的夹角开口的朝向，使所述的夹角开口的朝向随着打印原料在工件表面沉积方向的改变而改变，或者使所述的夹角开口的朝向不随着打印原料在工件表面沉积方向的改变而改变。6.根据权利要求4所述的用于三维打印的刮平装置，其特征在于：设置限制所述的接触部件的转动范围和/或移动范围的限位结构；所述的移动包含这种移动：在三维打印过程中，所述的接触部件远离或抵近工件表面的当前成型面。7.根据权利要求4所述的用于三维打印的刮平装置，其特征在于：设置有用于安装所述的接触部件的支撑体，所述的接触部件通过所述的支撑体与所述的连接支架可相对转动和相对移动地连接；
所述的支撑体与所述的连接支架可相对移动；设置有球面轴承，所述的球面轴承包括设于所述的支撑体上的球面轴承定子和设于所述的接触部件上的球面轴承转子，所述的接触部件相对所述的支撑体的转动受到球面轴承的引导。8.根据权利要求4所述的用于三维打印的刮平装置，其特征在于：在所述的接触部件与所述的连接支架之间的直接接触面或间接接触面设置高导热率的润滑剂或导热剂；所述的接触部件整体为旋转体或接触部件的用于与工件的尚未完全凝固区域进行接触的接触区域为旋转体。9.根据权利要求1所述的用于三维打印的刮平装置，其特征在于：设置有用于产生不垂直于工件表面的当前成型面的气流的通道，气流至少流经所述的接触部件的通道的入口端处或出口端处；所述的气流通过喷射和/或吸引的方式产生。10.根据权利要求1所述的用于三维打印的刮平装置，其特征在于：所述的接触部件可拆卸。11.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁福鹏，赵海鹏，蔡艳，
申请(专利权)人：南京钛陶智能系统有限责任公司，
类型：发明
国别省市：