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CN108248027A - 一种基于激光烧结成型的3d打印装置及其着色的方法 - Google Patents

一种基于激光烧结成型的3d打印装置及其着色的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光烧结成型的3D打印装置及其着色方法，其技术方案的要点是包括有工作平台，工作平台上设有导轨、可沿导轨横向移动的刮粉机构，所述刮粉机构包括有漏粉槽、将从漏粉槽中漏下的粉体刮平的刮刀，所述刮刀设于所述漏粉槽的两侧，在刮刀的两侧设有随刮刀一同运动对刮平的粉层上色的阵列打印头。铺粉与彩色上色能同时进行，当刮板由一边运动到另一边的时候，已经同时完成铺粉和特定区域彩色上色的工作，不会增加额外的工作时间。

Description

一种基于激光烧结成型的3D打印装置及其着色的方法
【技术领域】
本发明涉及一种基于激光烧结成型的3D打印装置及其着色的方法。
【背景技术】
现在激光粉末烧结的3D打印技术，由于材料和工艺的限制，只能针对单色的材料进行打印。这样就严限制了整个3D打印工艺的推广，例如针对建筑模型和人体器官模型等方面的用途。
本发明就是基于这种情况作出的。
【发明内容】
本发明目的是克服了现有技术的不足，提供一种结构简单、打印效率高的基于激光烧结成型的3D打印装置及其对粉体着色的方法，该装置和方法解决了在传统的激光粉末烧结工艺无法进行彩色打印的问题，拓宽了粉末激光烧结的应用。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于激光烧结成型的3D打印装置，包括有工作平台1，工作平台1上设有导轨2、可沿导轨2横向移动的刮粉机构，所述刮粉机构包括有漏粉槽3、将从漏粉槽3中漏下的粉体刮平的刮刀4，所述刮刀4设于所述漏粉槽3的两侧，其特征在于：在刮刀4的两侧设有随刮刀4一同运动对刮平的粉层上色的阵列打印头14。
如上所述的基于激光烧结成型的3D打印装置，其特征在于：在所述刮刀4的两侧设有阵列墨盒5，所述阵列墨盒5装有对刮平的粉层上色的油墨，所述阵列打印头14设于所述阵列墨盒5的底部。
如上所述的基于激光烧结成型的3D打印装置，其特征在于：所述阵列打印头14的长度与所述漏粉槽3的长度相同，所述阵列墨盒5的长度也与所述漏粉槽3的长度相同。
如上所述的基于激光烧结成型的3D打印装置，其特征在于：所述阵列打印头14和所述阵列墨盒5耐350度高温。
如上所述的基于激光烧结成型的3D打印装置，其特征在于：在所述工作平台1的两侧设有清洁所述阵列打印头14的自动清粉装置，所述自动清粉装置包括设于工作平台1上的下粉口7、设于下粉口7上且顶端凸出于工作平台1的清粉件8、将清粉件8固定于工作平台1上的固定板9。
如上所述的基于激光烧结成型的3D打印装置，其特征在于：所述清粉件8为氟胶条，在所述固定板9的一侧设有多个用于固定连接氟胶条与固定板9的第一连接孔901、在所述固定板9的另一侧设有多个将固定板9固定在所述工作平台1底部的第二连接孔902。
如上所述的基于激光烧结成型的3D打印装置，其特征在于：所述刮粉机构包括有设在所述刮刀4两端的第一挡粉板10和第二挡粉板11、与刮刀4固定连接的导轨座12，所述第一挡粉板10竖直设置在刮刀4上远离导轨座12的那端且设于刮刀4的下部，所述第二挡粉板11水平设置在刮刀4上靠近导轨座12的那端且设于刮刀4的上方。
如上所述的基于激光烧结成型的3D打印装置，其特征在于：所述导轨座12的两侧分别设有行程开关顶块13。
如上所述的基于激光烧结成型的3D打印装置，其特征在于：在所述工作平台1的下方设有粉桶，粉桶内设有可升降的活动桶底，在工作平台1上设有打印区域，所述打印区域上设有供活动桶底伸上来的开口6，从开口6下方升出的活动桶底上表面与所述工作平台1上表面齐平。
一种如上所述基于激光烧结成型的3D打印装置着色的方法，其特征在于包括如下步骤：
A.刮粉机构沿导轨2在所述工作平台1上横向移动，刮粉机构中的粉体通过漏粉槽3落入工作平台1的打印区域，位于刮粉机构运动方向后方的那个刮刀4将落下的粉体均匀的刮平成一个薄层，位于刮粉机构运动方向后方的那个阵列打印头14同步对刮平的薄层喷上油墨着色；
B.所述刮刀4离开所述打印区域时，漏粉槽3关闭，刮刀4运动经过下粉口7上的清粉件8时，刮刀4底部和阵列打印头14底部会先后碰到清粉件8，将清粉件8刮刀4底部和阵列打印头14底部残留的粉体清除，清除的粉体通过下粉口7落入下方的粉桶中。
与现有技术相比，本发明有如下优点：
1、本发明阵列打印头打印的时候，不需要纵向运动，只需要和刮板一起沿着机器成型面积横向移动就可以完成打印的工作，大大减少了打印的时间，提高了彩色打印的效率。
2、本发明铺粉与彩色上色能同时进行，当刮板由一边运动到另一边的时候，已经同时完成铺粉和特定区域彩色上色的工作，不会增加额外的工作时间。
3、本发明自动清粉装置能对打印头定期进行清洁清粉工作，令打印能持续不断的进行。
【附图说明】
图1是本发明立体图；
图2是刮粉机构的立体图；
图3是本发明自动清粉装置的立体图；
图4为本发明结构示意图。
图中：1为工作平台；2为导轨；3为漏粉槽；4为刮刀；5为阵列墨盒；6为开口；7为下粉口；8为清粉件；9为固定板；901为第一连接孔；902为第二连接孔；10为第一挡粉板；11为第二挡粉板；12为导轨座；13为行程开关顶块；14为阵列打印头。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明技术特征作进一步详细说明以便于所述领域技术人员能够理解。
一种基于激光烧结成型的3D打印装置，尤其是彩色3D打印装置，如图1至图3所示，包括有工作平台1，工作平台1上设有导轨2、沿导轨2横向移动的刮粉机构，所述刮粉机构包括有漏粉槽3、将从漏粉槽3中漏下的粉体刮平的刮刀4，所述刮刀4设于所述漏粉槽3的两侧，在刮刀4的两侧设有随刮刀4一同运动对刮平的粉层上色的阵列打印头14。
刮粉机构中的粉体是通过激光烧结机两侧的加粉筒加入的，加粉的具体过程可以参考申请人之前申请的中国实用新型专利，该专利名称为《一种具有加粉功能的新型激光粉末烧结成型机》，专利号为ZL201520293000.5。
刮粉机构中的粉体通过漏粉槽3均匀落下并被刮刀4刮平成一薄层，刮粉的具体过程可以参考申请人之前申请的中国实用新型专利，该专利名称为《一种具有刮粉功能的激光粉末烧结成型机》，专利号为ZL 201520294964.1。另一个具有加热功能的刮刀专利，专利名称为《一种带加热刮刀的刮刀装置》，专利号为ZL 201621353931.0。
本发明的创新点是在刮刀4的两侧设置随刮刀4一同运动的打印头。该打印头是专门针对SLS工艺打印的阵列打印头14，而不是一般打印机的打印头，一般打印机的打印头除了纵向移动，还需要横向移动，打印的效率很低。在所述刮刀4的两侧设有阵列墨盒5，所述阵列墨盒5装有对粉体着色的油墨，所述阵列打印头14设于所述阵列墨盒5的底部。
阵列打印的原理，就是把许多打印头并列排列在一起，然后通过软件控制，一个打印头负责打印一定的宽度，然后许多打印头并列成激光打印的宽度，申请人设计的阵列打印头，其特点如下：
1.阵列打印头的宽度与机器的成型宽度一致，即所述阵列打印头的长度与所述漏粉槽3的长度相同，就是阵列打印头打印的时候，不需要纵向运动，只需要和刮板4一起沿着机器成型面积横向移动就可以完成打印的工作，大大减少了打印的时间，提高了打印的效率。
2.专门设计的双向打印设计，就是在刮刀4的左右两侧都设计有阵列打印头，因为打印的时机必须在刮刀4完成铺粉之后，所以单边的阵列打印头无法完成每次刮粉一次完成刮粉和打印的设计，所以设计有双向的打印头，保持在刮板运动方向的后方都有一组打印头工作，即刮粉机构反向移动铺粉时打印头也照样可以对粉体同步着色，而不是铺完一层粉之后再对粉层着色，不增加额外的彩色上色时间，不占用机器的额外时间，大大提高了打印的效率。
3.打印头是专门基于SLS工艺设计，SLS工艺需要基于材料的特性把结晶性材料加热到熔点左右的温度，决定的SLS工艺工作平台的温度在80-350度的范围，打印头的设计和材料与常温的纸张打印机很大的不同，需要长时间经受高温和震动，所以必须要特别设计的打印头才能胜任在SLS激光烧结的环境下使用，即所述阵列打印头和所述阵列墨盒5要能耐350度高温。
4.油墨的设计是基于SLS工艺的着色特性要求专门设计。由于SLS材料的工作物质是高分子材料，特别常用的是塑胶粉末，一般的油墨是不能在高温下对塑胶粉末进行着色，所以专门设计的油墨，针对塑胶粉末的特性设计的专门油墨，能在高温条件下对塑胶粉末进行彩色的着色，令到SLS工艺上进行彩色打印成为现实。
所述阵列墨盒5的长度也与所述漏粉槽3的长度相同。在墨盒5里面是黑、红、黄、蓝等四种颜色且是特制的耐高温油墨，是专门用来对塑胶粉末进行着色的。墨盒的阵列打印头由计算机控制，可以根据客户数据设定的颜色进行自动调配，在相应的地方喷出适当的墨水来对相应区域的粉末进行着色。原理与普通的彩色喷墨打印机基本相同。
由于SLS工艺的工作物质是高分子材料粉末，所以在工作环境中充满了高温的粉尘，导致一般的打印头出现堵塞，影响打印的持续工作。我们专门设计有自动清洁的结构，能对打印头定期进行清洁清粉工作，令打印能持续不断的进行。
具体地，在所述工作平台1的两侧对称设有清洁所述阵列打印头14的自动清粉装置，所述自动清粉装置包括设于工作平台1上的下粉口7、设于下粉口7上且凸出于工作平台1的清粉件8、将清粉件8固定于工作平台1上的固定板9，清粉件8的顶端稍微凸出于工作平台1。
如上所述的基于激光烧结成型的3D打印装置，所述清粉件8为氟胶条，在所述固定板9的一侧设有多个用于固定连接氟胶条与固定板9的第一连接孔901、在所述固定板9的另一侧设有多个将固定板9固定在所述工作平台1底部的第二连接孔902，如图3所示，运动过程中刮板4底部和阵列打印是会碰到氟胶条，氟胶条清洁粉体的原理与软毛刷除灰的原理相同，氟胶条也可以用软毛刷代替，清除的粉体通过下粉口7落入下方的粉桶中。
如图2所示，所述刮粉机构包括有设在所述刮刀4两端的第一挡粉板10和第二挡粉板11、与刮刀4固定连接的导轨座12，所述第一挡粉板10竖直设置在刮刀4上远离导轨座12的那端且设于刮刀4的下部，所述第二挡粉板11水平设置在刮刀4上靠近导轨座12的那端且设于刮刀4的上方。
两个挡粉板的作用是防止粉体堆积在刮刀4顶部，然后在运动过程中掉下来，特别是掉在打印区域，影响激光烧结的工作。
如上所述的基于激光烧结成型的3D打印装置，所述导轨座12的两侧分别设有行程开关顶块13。行程开关挡板13是用来控制刮板4的极限行程，防止刮板4超行程工作，损坏导轨2。
如上所述的基于激光烧结成型的3D打印装置，在所述工作平台1的下方设有粉桶，粉桶内设有可升降的活动桶底，在工作平台1上设有打印区域，所述打印区域上设有供活动桶底伸上来的开口6。
准确的说，打印区域就是该开口6，最初从开口6下方升上来的活动桶底上表面与所述工作平台1上表面齐平，铺完并着色一层粉体后要对该粉层进行烧结，之后活动桶底要下降一个层厚的距离，再在固化好的薄层表面再铺上一层新的粉末原料，进行下一层着色好的粉层扫描烧结加工，如此反复，直到整个原型制造完毕。
活动桶底升降的结构及原理可以参考申请人之前申请的中国实用新型专利，该专利名称为《一种具有可升降桶底的激光粉末烧结成型机》，专利号为ZL 201520294968.X。
申请人还请求保护一种如上所述基于激光烧结成型的3D打印装置对粉体着色的方法，包括如下步骤：
A.刮粉机构沿导轨2在所述工作平台1上横向移动，刮粉机构中的粉体通过漏粉槽3落入工作平台1的打印区域，刮刀4将落下的粉体均匀的刮平成一个薄层，位于刮刀4运动方向后方的那个阵列打印头14同步对刮平的薄层喷上彩色油墨；
当刮板4由一边运动到另外一边的时候，处在在运行方向后方的阵列打印头14会在刮板4铺粉的同时，马上会根据电脑的数据在指定的区域进行打印工作，由于墨盒安装在刮板4上，所以铺粉与彩色上色能同时进行，不会增加额外的工作时间。当刮板4由一边运动到一边的时候，已经同时完成铺粉和特定区域彩色上色的工作，然后，再按照原来的激光粉末烧结工艺进行激光扫描，对选定的区域进行烧结的工序。同理，在刮板向另外一个方向运动的时候，处在在运行方向后方的另外一侧喷头会在刮板4铺粉的同时，马上会根据电脑的数据在指定的区域进行打印工作，然后在选定的区域进行激光扫描工序。这种设计大大提高打印的效率而不增加额外的彩色上色时间。
B.所述刮刀4离开所述打印区域时，漏粉槽3关闭，刮刀4运动经过下粉口7上的清粉件8时，刮刀4底部和阵列打印头14底部会先后碰到清粉件8，将清粉件8刮刀4底部和阵列打印头14底部残留的粉体清除，清除的粉体通过下粉口7落入下方的粉桶中。
3D打印机单色3D打印的工艺可以参考申请人之前申请的中国发明新型专利，该专利名称为《一种3D打印机激光粉末烧结方法》，专利号为ZL 201310514029.7，该专利记录了完整的单色3D打印方法，本申请的方法只是对其中一部分步骤进行了改进。
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于激光烧结成型的3D打印装置，包括有工作平台(1)，工作平台(1)上设有导轨(2)、可沿导轨(2)横向移动的刮粉机构，所述刮粉机构包括有漏粉槽(3)、将从漏粉槽(3)中漏下的粉体刮平的刮刀(4)，所述刮刀(4)设于所述漏粉槽(3)的两侧，其特征在于：在刮刀(4)的两侧设有随刮刀(4)一同运动对刮平的粉层上色的阵列打印头(14)。
2.根据权利要求1所述的基于激光烧结成型的3D打印装置，其特征在于：在所述刮刀(4)的两侧设有阵列墨盒(5)，所述阵列墨盒(5)装有对刮平的粉层上色的油墨，所述阵列打印头(14)设于所述阵列墨盒(5)的底部。
3.根据权利要求2所述的基于激光烧结成型的3D打印装置，其特征在于：所述阵列打印头(14)的长度与所述漏粉槽(3)的长度相同，所述阵列墨盒(5)的长度也与所述漏粉槽(3)的长度相同。
4.根据权利要求2所述的基于激光烧结成型的3D打印装置，其特征在于：所述阵列打印头(14)和所述阵列墨盒(5)耐350度高温。
5.根据权利要求1至4任一项所述的基于激光烧结成型的3D打印装置，其特征在于：在所述工作平台(1)的两侧设有清洁所述阵列打印头(14)的自动清粉装置，所述自动清粉装置包括设于工作平台(1)上的下粉口(7)、设于下粉口(7)上且顶端凸出于工作平台(1)的清粉件(8)、将清粉件(8)固定于工作平台(1)上的固定板(9)。
6.根据权利要求5所述的基于激光烧结成型的3D打印装置，其特征在于：所述清粉件(8)为氟胶条，在所述固定板(9)的一侧设有多个用于固定连接氟胶条与固定板(9)的第一连接孔(901)、在所述固定板(9)的另一侧设有多个将固定板(9)固定在所述工作平台(1)底部的第二连接孔(902)。
7.根据权利要求1至4任一项所述的基于激光烧结成型的3D打印装置，其特征在于：所述刮粉机构包括有设在所述刮刀(4)两端的第一挡粉板(10)和第二挡粉板(11)、与刮刀(4)固定连接的导轨座(12)，所述第一挡粉板(10)竖直设置在刮刀(4)上远离导轨座(12)的那端且设于刮刀(4)的下部，所述第二挡粉板(11)水平设置在刮刀(4)上靠近导轨座(12)的那端且设于刮刀(4)的上方。
8.根据权利要求6所述的基于激光烧结成型的3D打印装置，其特征在于：所述导轨座(12)的两侧分别设有行程开关顶块(13)。
9.根据权利要求1至4任一项所述的基于激光烧结成型的3D打印装置，其特征在于：在所述工作平台(1)的下方设有粉桶，粉桶内设有可升降的活动桶底，在工作平台(1)上设有打印区域，所述打印区域上设有供活动桶底伸上来的开口(6)，从开口(6)下方升出的活动桶底上表面与所述工作平台(1)上表面齐平。
10.一种根据权利要求5所述基于激光烧结成型的3D打印装置着色的方法，其特征在于包括如下步骤：
A.刮粉机构沿导轨(2)在所述工作平台(1)上横向移动，刮粉机构中的粉体通过漏粉槽(3)落入工作平台(1)的打印区域，位于刮粉机构运动方向后方的那个刮刀(4)将落下的粉体均匀的刮平成一个薄层，位于刮粉机构运动方向后方的那个阵列打印头(14)同步对刮平的薄层喷上油墨着色；
B.所述刮刀(4)离开所述打印区域时，漏粉槽(3)关闭，刮刀(4)运动经过下粉口(7)上的清粉件(8)时，刮刀(4)底部和阵列打印头(14)底部会先后碰到清粉件(8)，将清粉件(8)刮刀(4)底部和阵列打印头(14)底部残留的粉体清除，清除的粉体通过下粉口(7)落入下方的粉桶中。
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