本發(fā)明屬于增材制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可進(jìn)行復(fù)合材料打印的一體化3d打印裝置及打印方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著產(chǎn)品復(fù)雜度不斷增加，對輕量化零件的需求越來越大，工業(yè)界中各種有關(guān)金屬增材的制造技術(shù)受到的重視程度也日漸提高。目前常用的金屬增材制造技術(shù)為直接金屬燒結(jié)技術(shù)及激光金屬沉積技術(shù)，此兩種技術(shù)都采用了激光打印技術(shù)，有著各自的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，很大程度上實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品定制化，也可以靈活小批量的生產(chǎn)復(fù)雜零件以及實(shí)現(xiàn)免組裝設(shè)計(jì)。

直接金屬燒結(jié)技術(shù)是一種基于電腦3d模型并利用高功率激光，通過激光光束熔化在粉床上鋪設(shè)的金屬粉末，一層一層的建立零件結(jié)構(gòu)的技術(shù)。由于直接金屬燒結(jié)技術(shù)是根據(jù)3d模型分層建造的，因此該技術(shù)可以加工零件內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。隨著整體工業(yè)界趨向輕量化浪潮，直接金屬燒結(jié)技術(shù)亦可制造一些特別的超輕量結(jié)構(gòu)，但該技術(shù)亦存在以下限制：

由于此技術(shù)是基于分層建造的，在建造一些復(fù)雜的懸垂結(jié)構(gòu)時(shí)，需要額外建造一些支撐結(jié)構(gòu)，這不但會(huì)導(dǎo)致較復(fù)雜的后加工，而且還會(huì)造成額外的材料消耗；同時(shí)，直接金屬燒結(jié)技術(shù)的整體工件大小(主體結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)大小之和)亦會(huì)受到激光可照射范圍以及工作平臺(tái)的容量限制，即便是主體結(jié)構(gòu)不大但附屬結(jié)構(gòu)較大時(shí)其也不能整體打??；另外，更換制造原料時(shí)，必先把整個(gè)粉缸中及粉床上的原料徹底清除；而直接金屬燒結(jié)技術(shù)中所使用的粉材的特性(細(xì)度十分高)則會(huì)導(dǎo)致其難以清除干凈，從而容易導(dǎo)致材料污染而在后續(xù)燒結(jié)時(shí)產(chǎn)生質(zhì)量問題，因此在此技術(shù)中，難以制造復(fù)合材料的工件。

激光金屬熔覆技術(shù)中會(huì)有一個(gè)多軸噴嘴，可噴射出金屬粉末材料并同時(shí)射出激光束，利用激光能量讓噴射出的金屬粉末材料熔化，打印出3d工件結(jié)構(gòu)。與直接金屬燒結(jié)技術(shù)相比，激光金屬熔覆技術(shù)并不局限于平面，也可以于3d面上打印出所需的結(jié)構(gòu)形狀。此技術(shù)對于材料的限制也較少，同時(shí)可使用不同的粉材來加工同一工件；但同樣激光金屬熔覆技術(shù)亦有其限制，與直接金屬燒結(jié)技術(shù)不同，激光金屬熔覆技術(shù)所制成的工件會(huì)較為粗糙，不但表面的光潔度較低而且一些特殊結(jié)構(gòu)(例如，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)及低密度梳氣結(jié)構(gòu)等)亦不能實(shí)現(xiàn)。

因受到兩項(xiàng)技術(shù)的自身缺陷的限制，一些擁有復(fù)雜幾何形狀的工件需要一個(gè)較長的后加工時(shí)間才能完成，而不能通過單獨(dú)的3d金屬打印工藝來實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種可進(jìn)行復(fù)合材料打印、能打印特定結(jié)構(gòu)并且后續(xù)處理時(shí)間短的自動(dòng)化的3d打印裝置和方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的方案為：

一種3d打印裝置，其包括機(jī)體、粉料收集器和控制裝置，所述機(jī)體底部設(shè)有若干開口、孔洞或狹縫，或者使用三者中至少一種的組合，以供粉料漏出；用于收集機(jī)休內(nèi)漏出的粉料的漏斗形狀的粉料收集器設(shè)置于機(jī)體下方，控制裝置為計(jì)算機(jī)；

所述機(jī)體內(nèi)設(shè)有相鄰地設(shè)置的直接金屬燒結(jié)區(qū)和激光熔覆區(qū)，兩者之間設(shè)有可向上打開的中間隔板；

所述直接金屬燒結(jié)區(qū)中設(shè)有直接金屬燒結(jié)裝置，所述直接金屬燒結(jié)裝置由粉料室、燒結(jié)室、粉料刮板和激光發(fā)射裝置組成，所述粉料室和燒結(jié)室均具有若干豎直設(shè)置的側(cè)壁；所述粉料室和燒結(jié)室之間設(shè)有分隔板，粉料室和燒結(jié)室的其他側(cè)壁的高度高于分隔板的高度，所述粉料刮板設(shè)置于分隔板頂部所在的平面上，其底部是平直的；具體來說，分隔板可以具有以下三種結(jié)構(gòu)之一或者類似結(jié)構(gòu)：1)其是由粉料室和燒結(jié)室共同的一部分側(cè)壁形成的，2)其是由分屬于粉料室和燒結(jié)室但一部分完全貼合在一起的側(cè)壁形成的，3)其是由分屬于粉料室和燒結(jié)室且間隔一定距離的側(cè)壁和設(shè)置于兩側(cè)壁頂部的連接塊共同形成的；當(dāng)然也可以是現(xiàn)有技術(shù)中其他可以實(shí)現(xiàn)上述粉料室和燒結(jié)室功能的其他方式。為實(shí)現(xiàn)該功能，對粉料室和燒結(jié)室的結(jié)構(gòu)要求是：粉料室和燒結(jié)室是鄰近設(shè)置的，各自由若干側(cè)壁圍成一個(gè)空間，兩室之間部分的側(cè)壁較其他部分要低、而在該中間部分設(shè)有刮板；從而可以將粉料室中的粉料刮到燒結(jié)室中而不會(huì)外溢(因?yàn)閮墒蚁噜彽牟糠值投渌糠指?。

所述粉料室除各側(cè)壁外還具有底板和升降裝置，所述底板設(shè)置于各側(cè)壁組成的空間內(nèi)且與側(cè)壁完全貼合，升降裝置設(shè)置于底板下方并與之固定相連；所述燒結(jié)室除側(cè)壁外還具有從上至下依次設(shè)置的底板、托盤、承載底座和升降裝置，托盤可拆卸地配合于承載底座，承載底座與升降裝置固定連接；所述激光發(fā)射裝置設(shè)置于燒結(jié)室上部；上述粉料室和燒結(jié)室的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和其側(cè)壁組成了完整的粉料室和燒結(jié)室。

所述中間隔板是由燒結(jié)室的一部分側(cè)壁形成的，其向上打開后可以使燒結(jié)室與激光熔覆區(qū)相連通；中間隔板在需要時(shí)開啟，其他時(shí)間下降后作為燒結(jié)室側(cè)壁使用；并且中間隔板打開的操作可與機(jī)械手的抓取和移動(dòng)操作相匹配。

所述激光熔覆區(qū)為一空置作業(yè)空間，所述作業(yè)空間內(nèi)設(shè)有一機(jī)械手和一激光熔覆裝置；所述機(jī)械手可與燒結(jié)室的托盤上設(shè)置的抓取機(jī)構(gòu)相配合而將其牢固地抓取，激光熔覆裝置由粉料噴射頭、激光發(fā)射器和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，粉料噴射頭和激光發(fā)射器均安裝于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上；所述運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可在至少三個(gè)軸向上運(yùn)動(dòng)，以使粉料噴射頭和激光發(fā)射器可以完成各種形狀的打印工作和粉料更換操作。

所述打印裝置還設(shè)有兩個(gè)風(fēng)槍，其中第一風(fēng)槍設(shè)置于金屬燒結(jié)區(qū)內(nèi)并且朝向燒結(jié)室中，第二風(fēng)槍設(shè)置于激光熔覆區(qū)內(nèi)的激光熔覆裝置上。

工作時(shí)，首先向計(jì)算機(jī)中輸入待打印的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，并將其分割為主體結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)后得到各部分的具體結(jié)構(gòu)并設(shè)定各部分打印所使用的粉料；計(jì)算機(jī)準(zhǔn)備打印裝置，將粉料室底板降低并通過設(shè)置于粉料室中的粉料上料裝置向其中灌裝指定的粉料，燒結(jié)室底板上升至指定位置，待粉料灌裝完成后刮板刮動(dòng)若干次將粉料室和燒結(jié)室頂部的粉料刮平；計(jì)算機(jī)向直接金屬燒結(jié)區(qū)傳送主體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)開始打印，打印時(shí)激光發(fā)射裝置按圖紙?jiān)O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)向燒結(jié)室發(fā)射激光燒結(jié)粉料，單層打印完成后燒結(jié)室底板向下運(yùn)動(dòng)一定距離同時(shí)粉料室底板向上運(yùn)動(dòng)一定距離，刮板往復(fù)刮動(dòng)使兩室的粉料平整，激光發(fā)射裝置發(fā)射激光開始下一層打??；需要更換粉料打印主體結(jié)構(gòu)時(shí)，中間隔板向上打開一定距離至只露出托盤的抓取機(jī)構(gòu)，待機(jī)械手抓牢托盤后，中間隔板繼續(xù)向上打開直至機(jī)械手可以將托盤以及底板上的附著的主體結(jié)構(gòu)取出；當(dāng)空間足夠之后，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)使托盤離開承載底座，并將其直接移出直接金屬燒結(jié)區(qū)；同時(shí)，第一風(fēng)槍啟動(dòng)以對燒結(jié)室內(nèi)的粉料進(jìn)行吹掃使其掉落干凈，而粉料室的底板亦向上運(yùn)動(dòng)直至最頂端同時(shí)刮板配合刮除粉料，以使粉料室內(nèi)原有的粉料排除干凈；吹掃操作完成后，機(jī)械手將初步打印完成的主體結(jié)構(gòu)重新放置于承載托盤上，中間隔離板下降以恢復(fù)燒結(jié)室功能；并向粉料室中灌裝下一次打印所需的粉料，燒結(jié)室底板上升至使前次打印的主體結(jié)構(gòu)的頂部與刮板底部處于同一平面的位置，刮板往復(fù)刮動(dòng)若干次以使前次打印好的主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部以及燒結(jié)室內(nèi)部充滿新的粉料；最后，燒結(jié)室底板向下運(yùn)動(dòng)一定距離同時(shí)粉料室底板向上運(yùn)動(dòng)一定距離，刮板往復(fù)刮動(dòng)使兩室的粉料表面平整后繼續(xù)打印操作，不斷重復(fù)上述操作直至主體結(jié)構(gòu)的打印完全完成。待主體結(jié)構(gòu)打印完成后，中間隔板向上運(yùn)動(dòng)至機(jī)械手完成抓取操作，抓取時(shí)第一風(fēng)槍啟動(dòng)以將燒結(jié)室內(nèi)的粉料吹掃干凈；機(jī)械手夾持著主體結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)至激光熔覆裝置下方并倒置，第二風(fēng)槍啟動(dòng)以對主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘留的粉料進(jìn)行補(bǔ)充吹掃，待吹掃完成后激光熔覆裝置啟動(dòng)，在主體結(jié)構(gòu)上打印附屬結(jié)構(gòu)，待全部打印完成后取出產(chǎn)品；如有需要，再對打印完成的產(chǎn)品進(jìn)行補(bǔ)充整形加工。

該裝置對傳統(tǒng)的3d打印裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行大膽地創(chuàng)新，將打印分為主體結(jié)構(gòu)打印和附屬結(jié)構(gòu)打印這兩個(gè)階段進(jìn)行，兩個(gè)階段分別使用不同的打印方法，通過機(jī)械手抓取被打印的部件在兩區(qū)域間的轉(zhuǎn)移，從而一定程度上克服了傳統(tǒng)打印方法中整體結(jié)構(gòu)大小受限于打印裝置尺寸這一問題(因?yàn)橛行└綄俳Y(jié)構(gòu)分開打印了)；該裝置和方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、不用單純使用一種方法加工，工件的幾何形狀范圍得到提升；

2、更容易采用復(fù)合材料；

3、方便打印特定的結(jié)構(gòu)，比如懸垂結(jié)構(gòu)；

4、縮短零件的后處理時(shí)間；

5、優(yōu)化空間配置，設(shè)備一體化。

優(yōu)選地，所述3d打印裝置還包括粉料上料裝置，所述粉料上料裝置具有兩套并分別設(shè)置于直接金屬燒結(jié)區(qū)和激光熔覆區(qū)內(nèi)，每套粉料上料裝置由若干個(gè)粉料上料管路組成，每個(gè)粉料上料管路由依次相連的粉料儲(chǔ)存容器、粉料輸送泵、輸送管和設(shè)置于輸送管上的閥門組成。同一套粉料上料裝置內(nèi)的各粉料上料管路并聯(lián)地連接，用于向粉料室或粉料噴射頭中輸送粉料，正常工作時(shí)其中的一條粉料上料管路開啟而其他管路關(guān)閉；當(dāng)需要更換粉料時(shí)，前一粉料上料管路關(guān)閉而后一粉料上料管路開啟，通過后一粉料上料管路中的粉料的輸送來實(shí)現(xiàn)對于相關(guān)管路和部件中殘存的前一批次粉料進(jìn)行置換，從而保證不同粉料間不會(huì)有不良的影響。

優(yōu)選地，所述3d打印裝置還包括廢料收集裝置，所述廢料收集裝置由依次連接的收集管道和儲(chǔ)存裝置組成，收集管道與收集裝置相連接。漏斗形狀的收集裝置收集粉料后通過收集管道進(jìn)入儲(chǔ)存裝置，儲(chǔ)存裝置中收集到的粉料可以進(jìn)行無害化處理或是分離后重復(fù)利用。

優(yōu)選地，所述3d打印裝置還包括三維掃描裝置，所述三維掃描裝置為超聲掃描裝置，其設(shè)置于燒結(jié)室上方和/或激光熔覆區(qū)內(nèi)，所述超聲掃描裝置掃描燒結(jié)室內(nèi)實(shí)時(shí)燒結(jié)產(chǎn)生的主體結(jié)構(gòu)形狀和/或是掃描最終產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形狀并將掃描結(jié)構(gòu)傳輸至控制裝置。

進(jìn)一步地，所述3d打印裝置還包括一組設(shè)置于直接金屬燒結(jié)區(qū)和/或激光熔覆區(qū)內(nèi)的銑刀工具，其可以在主體結(jié)構(gòu)打印過程中同時(shí)進(jìn)行切削加工來修正形狀，和/或在打印完成后對最終產(chǎn)品的形狀進(jìn)行修整。

優(yōu)選地，所述機(jī)體上還設(shè)有觀察口或透明面板，以方便操作員在打印過程中實(shí)時(shí)查看打印情況。

一種3d打印方法，所述方法包括以下步驟；

分割的步驟：依據(jù)待打印的產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)將其分割為主體部分和附屬部分，并設(shè)定各部分打印所使用的粉料，從而將整體產(chǎn)品的打印劃分為主體結(jié)構(gòu)打印和附屬結(jié)構(gòu)打印的步驟；

所述主體結(jié)構(gòu)打印的步驟包括：

s11初始準(zhǔn)備：將權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的3d打印裝置的粉料室底板降至下部后通過粉料上料裝置向其中灌裝粉料，而燒結(jié)室底板上升至頂部位置，待粉料灌裝完成后刮板往復(fù)刮動(dòng)若干次而將粉料室和燒結(jié)室粉料頂部刮平；

s12單層打印：激光發(fā)射裝置向燒結(jié)室發(fā)射激光從而燒結(jié)粉料以完成單層打印，單層打印完成后燒結(jié)室底板向下運(yùn)動(dòng)一定距離，同時(shí)粉料室底板向上運(yùn)動(dòng)一定距離，刮板往復(fù)刮動(dòng)若干次以使兩室的粉料表面平整；不斷重復(fù)上述單層打印的操作步驟，直至完成由當(dāng)前材料打印的主體部分的打印；

s13換料準(zhǔn)備：當(dāng)主體結(jié)構(gòu)在不同層使用不同粉料打印而需要更換粉料時(shí)，中間隔板向上打開一定距離至只露出托盤的抓取機(jī)構(gòu)，待機(jī)械手抓牢托盤后，中間隔板繼續(xù)向上打開直至機(jī)械手可以將托盤以及底板上的附著的主體結(jié)構(gòu)取出；從而避免燒結(jié)室中的粉末掉在機(jī)械手的夾持部位而不會(huì)影響抓取精度，進(jìn)而提升后續(xù)加工的精度；當(dāng)空間足夠之后，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)使托盤離開承載底座，并將其直接移出直接金屬燒結(jié)區(qū)；同時(shí)，第一風(fēng)槍啟動(dòng)以對燒結(jié)室內(nèi)的粉料進(jìn)行吹掃使其掉落干凈，而粉料室的底板亦向上運(yùn)動(dòng)直至最頂端同時(shí)刮板配合刮除粉料，以使粉料室內(nèi)原有的粉料排除干凈；

上述吹掃操作完成后，機(jī)械手將初步打印完成的主體結(jié)構(gòu)重新放置于承載托盤上，中間隔離板下降以恢復(fù)燒結(jié)室功能；向粉料室中灌裝下一次打印所需的粉料，燒結(jié)室底板上升至使前次打印的主體結(jié)構(gòu)的頂部與刮板底部處于同一平面的位置，刮板往復(fù)刮動(dòng)若干次使前次打印好的主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部以及燒結(jié)室內(nèi)部充滿新的粉料；

最后，燒結(jié)室底板向下運(yùn)動(dòng)一定距離同時(shí)粉料室底板向上運(yùn)動(dòng)一定距離，刮板往復(fù)刮動(dòng)使兩室的粉料表面平整，然后轉(zhuǎn)至s12步驟執(zhí)行；

s14主體打印：不斷重復(fù)s12和s13的步驟直至主體結(jié)構(gòu)的打印完全完成；

所述附屬結(jié)構(gòu)打印的步驟包括：

s21吹掃：待主體結(jié)構(gòu)的打印完全完成后，機(jī)械手將連接有主體結(jié)構(gòu)的托盤轉(zhuǎn)移至激光熔覆裝置下方并倒置，設(shè)置于激光熔覆裝置上的第二風(fēng)槍向其噴射氣流，同時(shí)機(jī)械手和/或激光熔覆裝置發(fā)生運(yùn)動(dòng)而將主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘留的粉料吹掃干凈；

s22熔覆：吹掃完成后，激光熔覆裝置的粉料噴射頭向主體結(jié)構(gòu)的指定位置噴射粉料而激光發(fā)射器發(fā)射激光將噴射的粉料融化，同時(shí)機(jī)械手和運(yùn)動(dòng)機(jī)械根據(jù)附屬結(jié)構(gòu)打印的需要發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使激光熔覆裝置按設(shè)定的附屬結(jié)構(gòu)在主體結(jié)構(gòu)上完成附屬部分的熔覆操作；

s23換料：需要更換附屬結(jié)構(gòu)打印所需的粉料時(shí)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動(dòng)使粉料噴射頭下降至靠近機(jī)體底部，激光熔覆裝置上的粉料上料裝置切換到下次打印所需的粉料管路，粉料噴射頭開啟噴射粉料直至原有粉料被消耗完畢，激光熔覆裝置復(fù)位并準(zhǔn)備下一次打印操作；

s24附屬打印：重復(fù)s22和s23的步驟直至附屬結(jié)構(gòu)的打印全部完成。

優(yōu)選地，所述分割的步驟是由人工和/或計(jì)算機(jī)處理的。

優(yōu)選地，所述s13換料準(zhǔn)備的步驟中，在每次重復(fù)之前還增加對主體結(jié)構(gòu)補(bǔ)充吹掃的操作，機(jī)械手將連接有主體結(jié)構(gòu)的托盤轉(zhuǎn)移至激光熔覆裝置下方并倒置，設(shè)置于激光熔覆裝置上的第二風(fēng)槍噴射氣流，同時(shí)機(jī)械手和激光熔覆裝置相對運(yùn)動(dòng)將主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘留的粉料吹掃干凈。

優(yōu)選地，所述3d打印方法還包括三維掃描的步驟，通過設(shè)置于燒結(jié)室上方或激光熔覆區(qū)內(nèi)的超聲掃描裝置掃描產(chǎn)品結(jié)構(gòu)；當(dāng)打印的產(chǎn)品與設(shè)計(jì)圖紙有誤差時(shí)，設(shè)置于直接金屬燒結(jié)區(qū)或激光熔覆區(qū)中的銑刀工具啟動(dòng)以對產(chǎn)品進(jìn)行修整。

本發(fā)明的裝置和方法將打印分為主體結(jié)構(gòu)打印和附屬結(jié)構(gòu)打印這兩個(gè)階段進(jìn)行，兩個(gè)階段分別使用不同的打印方法，通過機(jī)械手抓取完成打印的部件在兩區(qū)域間的轉(zhuǎn)移，從而一定程度上克服了傳統(tǒng)打印方法中整體結(jié)構(gòu)大小受限于打印裝置尺寸這一問題；此外，對于需要采用復(fù)合材料(不同部位使用不同材料)的產(chǎn)品，該裝置也可以自動(dòng)完成換料操作，并且換料時(shí)徹底，不會(huì)出現(xiàn)不同粉料間相互影響以及新的激光參數(shù)不能匹配原粉料的情況，有效解決了目前的金屬增材零件制造難點(diǎn)。該裝置和方法是一種可適用于各種形狀和結(jié)構(gòu)、可采用多種復(fù)合材料進(jìn)行打印的自動(dòng)化3d打印設(shè)備和方法。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的一種設(shè)計(jì)產(chǎn)品示意圖；

圖2是本發(fā)明的裝置和方法打印圖1所示的產(chǎn)品燒結(jié)過程中某時(shí)刻的示意圖；

圖3是本發(fā)明的裝置和方法打印圖1所示的產(chǎn)品的吹掃示意圖；

圖4是本發(fā)明的裝置和方法打印圖1所示的產(chǎn)品激光熔覆過程中某時(shí)間的示意圖；

圖5是具有第3種分隔板結(jié)構(gòu)的直接金屬燒結(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1、直接金屬燒結(jié)區(qū)，2、激光熔覆區(qū)，3、中間隔板，11、粉料室，12、燒結(jié)室，13、粉料刮板，14、激光發(fā)射裝置，15、分隔板，111、粉料室底板，112、升降裝置，121、燒結(jié)室底板，122、托盤，123、承載底座，124、升降裝置，21、機(jī)械手，22、激光熔覆裝置，4、第一風(fēng)槍。

具體實(shí)施方式

為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員可以更好地理解本發(fā)明，從而對本發(fā)明的保護(hù)范圍作出更清楚地限定，下面以圖1所示的產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)為例對本發(fā)明的裝置的具體結(jié)構(gòu)及其工作方法進(jìn)行詳細(xì)描述；需要說明的是，以下關(guān)于本發(fā)明實(shí)施方式的描述僅是示例性說明，描述和附圖中所示的具體形狀、結(jié)構(gòu)和方位并不當(dāng)然、直接地限定本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍，在本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思的前提下，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明記載的內(nèi)容所作的常規(guī)的選擇和替換也應(yīng)當(dāng)落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

一種3d打印裝置，其由機(jī)體、粉料收集器和控制裝置組成，所述機(jī)體的底部設(shè)有若干開口、孔洞或狹縫(也可以是三者的組合)，以供機(jī)體內(nèi)的粉料在必要時(shí)掉落出；漏斗形狀的粉料收集器設(shè)置于機(jī)體下方，其用于收集從機(jī)體內(nèi)落出的粉料，收集的粉料轉(zhuǎn)移至特定盛裝容器中；控制裝置為計(jì)算機(jī)，其用于將設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)換成3d打印操作指令并控制機(jī)體內(nèi)的各部件工作，計(jì)算機(jī)相當(dāng)于裝置的大腦而機(jī)體及其內(nèi)的各零件相當(dāng)于手腳，兩者之間相互配合以完成自動(dòng)化的3d打印工作。在確定需打印的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以后，向計(jì)算機(jī)中輸入其三維圖紙(cad格式或其他計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的格式)，由人工和/或計(jì)算機(jī)將其劃分為主體結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)兩部分，計(jì)算機(jī)在收到主體結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)的圖紙信息后，將其轉(zhuǎn)化成3d打印的操作指令信息，轉(zhuǎn)化操作可以于開始前轉(zhuǎn)換好或是邊打印邊轉(zhuǎn)換。更佳地，所述機(jī)體上設(shè)有觀察口或透明面板；通過該觀察口或透明面板操作人員可以清楚直觀地看到打印裝置內(nèi)部的工作情況。

所述機(jī)體內(nèi)設(shè)有直接金屬燒結(jié)區(qū)1和激光熔覆區(qū)2，兩者相鄰地設(shè)置，兩者之間設(shè)有可向上打開的中間隔板3；中間隔板3的設(shè)置方式可以是現(xiàn)有技術(shù)中可以實(shí)現(xiàn)該功能的各種方式，例如導(dǎo)軌、滑槽等。一般情況下中間隔板3將兩區(qū)分隔開來，當(dāng)需要兩區(qū)協(xié)同工作時(shí)，中間隔板3可向上打開以使兩者連通。所述直接金屬燒結(jié)區(qū)1中設(shè)有直接金屬燒結(jié)裝置，所述直接金屬燒結(jié)裝置由粉料室11、燒結(jié)室12、粉料刮板13和激光發(fā)射裝置14組成，所述粉料室11和燒結(jié)室12均豎直地設(shè)置于機(jī)體內(nèi)，粉料室11和燒結(jié)室12均由若干側(cè)壁組成，側(cè)壁均豎直地設(shè)置(垂直于機(jī)體底面)，因此，粉料室11和燒結(jié)室12的水平截面形狀和尺寸完全相同的，其是類似圓筒狀的結(jié)構(gòu)，具體的截面形狀可以是圓形、正方形、矩形、橢圓形或其他任意形狀；其中，矩形是本發(fā)明的一種優(yōu)選水平截面形狀。圖2-圖5所示的為矩形的粉料室11和燒結(jié)室12的示意圖，但本發(fā)明的粉料室11和燒結(jié)室12的形狀并不限于矩形形狀。

所述粉料室11和燒結(jié)室12相鄰地設(shè)置并且兩者之間設(shè)有分隔板15，粉料室11和燒結(jié)室12的其他側(cè)壁高度高于分隔板15的高度，所述粉料刮板13的底部是平直的，其設(shè)置于分隔板15頂部所在的平面上，從而可以將粉料室11的粉料刮至燒結(jié)室12并形成平整的表面；分隔板15具體可以有三種結(jié)構(gòu)：1)其是由粉料室11和燒結(jié)室12共同的一部分側(cè)壁形成的(如圖2、3所示)，2)其是由分屬于粉料室11和燒結(jié)室12但一部分完全貼合在一起的側(cè)壁形成的(圖中未示出，但與圖2、3所示接近，可以參考圖2、3)，3)其是由分屬于粉料室11和燒結(jié)室12且間隔一定距離的側(cè)壁和設(shè)置于兩側(cè)壁頂部的連接塊共同形成的(如圖5所示)；或是現(xiàn)有技術(shù)中可以實(shí)現(xiàn)粉料室11和燒結(jié)室12功能的其他結(jié)構(gòu)。

粉料室11除各側(cè)壁外還具有粉料室底板111和升降裝置112，所述粉料室底板111設(shè)置于各側(cè)壁組成的空間內(nèi)且其尺寸與各側(cè)壁完全貼合，升降裝置112設(shè)置于底板下方并與之固定相連，從而驅(qū)動(dòng)粉料室底板111上下運(yùn)動(dòng)。燒結(jié)室12除側(cè)壁外還具有從上至下依次設(shè)置的燒結(jié)室底板121、托盤122、承載底座123和升降裝置124，所述燒結(jié)室底板121設(shè)置于托盤122上，托盤122可拆卸地配合于承載底座123，而承載底座123與升降裝置124固定連接；從而使燒結(jié)室底板121可以在升降裝置124的驅(qū)動(dòng)下上下運(yùn)動(dòng)；托盤122上設(shè)有供機(jī)械手21抓取時(shí)配合的抓取機(jī)構(gòu)，從而使燒結(jié)室12的托盤122和燒結(jié)室底板121可通過機(jī)械手21轉(zhuǎn)移。所述中間隔板3是燒結(jié)室12的一部分側(cè)壁形成的，其向上打開后可以使燒結(jié)室12與激光熔覆區(qū)2相連通；打開時(shí)燒結(jié)室12內(nèi)的粉料掉落而被收集，而打印有主體結(jié)構(gòu)的燒結(jié)室底板121則被激光熔覆區(qū)2的機(jī)械手21抓取轉(zhuǎn)移。所述激光發(fā)射裝置14設(shè)置于燒結(jié)室12上部適當(dāng)位置，從而可以在需要時(shí)發(fā)射激光對燒結(jié)室12內(nèi)的粉料進(jìn)行燒結(jié)。所述升降裝置(112、124)優(yōu)選為氣缸或步進(jìn)電機(jī)。

所述激光熔覆2區(qū)為一空置的作業(yè)空間，所述作業(yè)空間內(nèi)設(shè)有一機(jī)械手21和一激光熔覆裝置22；所述機(jī)械手21可與燒結(jié)室12的托盤上設(shè)置的抓取機(jī)構(gòu)配合而將托盤122連同燒結(jié)室底板121和附著于底板上的被打印的裝置一同抓取過來；激光熔覆裝置22由粉料噴射頭、激光發(fā)射器和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，粉料噴射頭和激光發(fā)射器均安裝于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上；運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了三軸設(shè)計(jì)，可以進(jìn)行x,y,z三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，以配合機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。在粉料清理完成后，機(jī)械手21開始配合激光熔覆裝置22進(jìn)行加工，并保持加工切面需要與激光垂直；當(dāng)兩者運(yùn)行到程序指定位置時(shí)，粉料噴射頭噴射金屬粉末(附屬裝置打印所需的材料，可能和主體結(jié)構(gòu)相同也可能不同)，激光發(fā)射器同時(shí)發(fā)射激光束，激光束融化粉料，使熔融粉料在主體結(jié)構(gòu)上積累，形成附屬結(jié)構(gòu)。由于機(jī)械手可以靈活運(yùn)動(dòng)至不同角度，因此此過程不需重新裝夾零件，全程可以滿足自動(dòng)化生產(chǎn)。

所述打印裝置還設(shè)有兩個(gè)風(fēng)槍，第一風(fēng)槍4設(shè)置于金屬燒結(jié)區(qū)內(nèi)并且朝向燒結(jié)室中，第二風(fēng)槍(圖中未示出)設(shè)置于激光熔覆區(qū)內(nèi)的激光熔覆裝置上，從而可以分別在抓取托盤時(shí)和激光熔覆前對打印好的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行吹掃除去殘留的粉料。

工作時(shí)，首先向計(jì)算機(jī)中輸入待打印的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，由人工和/或計(jì)算機(jī)將該設(shè)計(jì)圖紙分割為主體部分和附屬部分，并設(shè)定各部分打印所使用的粉料；計(jì)算機(jī)準(zhǔn)備打印裝置，將粉料室底板降低并向其中灌裝指定的粉料，燒結(jié)室底板上升至指定位置，待粉料灌裝完成后刮板運(yùn)動(dòng)若干次將粉料室和燒結(jié)室頂部刮平；計(jì)算機(jī)向直接金屬燒結(jié)區(qū)傳送主體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)開始打印，打印時(shí)激光發(fā)射裝置按圖紙?jiān)O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)向燒結(jié)室發(fā)射激光燒結(jié)粉料，單層打印完成后燒結(jié)室底板向下運(yùn)動(dòng)一定距離同時(shí)粉料室底板向上運(yùn)動(dòng)一定距離，刮板往復(fù)刮動(dòng)使兩室的粉料平整，激光發(fā)射裝置發(fā)射激光開始下一層打?。挥?jì)算機(jī)根據(jù)主體結(jié)構(gòu)形狀將劃分為若干步驟重復(fù)上述操作直至總體或部分主體結(jié)構(gòu)打印完成。待主體結(jié)構(gòu)打印完成后，中間隔板向上運(yùn)動(dòng)至機(jī)械手完成抓取操作，抓取時(shí)第一風(fēng)槍啟動(dòng)以將燒結(jié)室內(nèi)的粉料吹掃干凈；機(jī)械手夾持著主體結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)至激光熔覆裝置下方，第二風(fēng)槍啟動(dòng)以對主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘留的粉料進(jìn)行補(bǔ)充吹掃，待吹掃完成后激光熔覆裝置啟動(dòng)，在主體結(jié)構(gòu)上打印附屬結(jié)構(gòu)，待全部打印完成后取出產(chǎn)品；如有需要，再對打印完成的產(chǎn)品進(jìn)行補(bǔ)充整形加工。

在另一些實(shí)施例中，所述3d打印裝置還包括自動(dòng)化的粉料上料裝置和廢料收集裝置；所述粉料上料裝置具有兩套并分別設(shè)置于直接金屬燒結(jié)區(qū)和激光熔覆區(qū)內(nèi)，每套粉料上料裝置由若干個(gè)并聯(lián)設(shè)置的粉料上料管路組成，每個(gè)粉料上料管路其由依次相連的粉料儲(chǔ)存容器、粉料輸送泵、輸送管和設(shè)置于輸送管上的閥門組成；所述廢料收集裝置由依次連接的收集管道和儲(chǔ)存裝置組成，收集管道與收集裝置相連接。

在某些較佳實(shí)施例中，所述3d打印裝置還包括三維掃描裝置，所述三維掃描裝置為超聲掃描裝置，其設(shè)置于燒結(jié)室上方或激光熔覆區(qū)內(nèi)，可以掃描燒結(jié)室內(nèi)適時(shí)燒結(jié)產(chǎn)生的主體結(jié)構(gòu)形狀，或是在機(jī)械手抓取主體結(jié)構(gòu)以后結(jié)合機(jī)構(gòu)手的配合運(yùn)動(dòng)對打印好的產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面掃描，以確定打印的產(chǎn)品是否與設(shè)計(jì)圖紙一致。

更佳地，所述3d打印裝置還包括一組設(shè)置于直接金屬燒結(jié)區(qū)中的銑刀工具，其在掃描裝置掃描確認(rèn)打印的形狀與設(shè)計(jì)要求存在一定偏差時(shí)啟動(dòng)，在主體結(jié)構(gòu)打印過程中同時(shí)進(jìn)行切削加工來修正形狀，以使打印的形狀和設(shè)計(jì)要求完全一致。

一種3d打印方法，該方法包括以下步驟；

分割的步驟：依據(jù)待打印的產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)將其分割為主體部分和附屬部分，并設(shè)定各部分打印所使用的粉料，之后針對這兩部分分別進(jìn)行打印(主體結(jié)構(gòu)打印和附屬結(jié)構(gòu)打印)；分割的過程可以由人工處理，也可以由計(jì)算機(jī)處理，亦或是由計(jì)算機(jī)配合人工共同處理；

主體結(jié)構(gòu)打印的步驟包括：

s11初始準(zhǔn)備：根據(jù)待打印的主體結(jié)構(gòu)對材料的要求在上述的3d打印裝置的粉料室內(nèi)預(yù)先灌裝所需的粉料；灌裝前，將粉料室底板降低并向其中灌裝指定的粉料，燒結(jié)室底板上升至指定位置，待粉料灌裝完成后刮板刮動(dòng)若干次將粉料室和燒結(jié)室頂部刮平，從而完成第一次打印前的準(zhǔn)備工作；

s12單層打印：激光發(fā)射裝置按圖紙?jiān)O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)向燒結(jié)室發(fā)射激光燒結(jié)粉料，單層打印完成后燒結(jié)室底板向下運(yùn)動(dòng)一定距離同時(shí)粉料室底板向上運(yùn)動(dòng)一定距離，刮板往復(fù)刮動(dòng)若干次以使兩室的粉料表面平整，從而完成單層打?。徊粩嘀貜?fù)上述單層打印操作，直至完成由當(dāng)前材料打印的主體部分的打印；

s13換料準(zhǔn)備：當(dāng)主體結(jié)構(gòu)在不同層使用不同粉料打印而需要更換粉料時(shí)，中間隔板向上打開一定距離至只露出托盤的抓取機(jī)構(gòu)，當(dāng)機(jī)械手抓牢托盤后(這樣粉料不會(huì)提前泄露，機(jī)械手夾持部分不會(huì)沾到粉末，從而就不會(huì)影響抓取精度)，中間隔板繼續(xù)向上打開直至機(jī)械手可以將托盤以及底板上的附著的主體結(jié)構(gòu)取出；當(dāng)空間足夠之后，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)使托盤離開承載底座，并將其直接移出直接金屬燒結(jié)區(qū)；同時(shí)第一風(fēng)槍啟動(dòng)以對燒結(jié)室內(nèi)的粉料進(jìn)行吹掃使其掉落干凈，而粉料室的底板亦向上運(yùn)動(dòng)直至最頂端同時(shí)刮板配合刮除粉料，以使粉料室內(nèi)原有的粉料排除干凈。此過程中托盤上的粉末將會(huì)傾倒流入下部空間，中間隔板和機(jī)構(gòu)手的配合運(yùn)動(dòng)可以防止粉料泄露而附著在機(jī)械手上而影響抓取的精度。

更佳地，在每次重復(fù)之前還增加在主體結(jié)構(gòu)補(bǔ)充吹掃的操作，機(jī)械手將連接有主體結(jié)構(gòu)的托盤轉(zhuǎn)移至激光熔覆裝置下方，設(shè)置于激光熔覆裝置上的第二風(fēng)槍開始噴射氣流，同時(shí)機(jī)械手和/或激光熔覆裝置相對運(yùn)動(dòng)而將主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘留的粉料吹掃干凈；每次打印前均將粉料室、燒結(jié)室和主體結(jié)構(gòu)吹掃干凈可以消除不同粉料間的相互影響。

上述吹掃操作完成后，機(jī)械手將初步打印完成的主體結(jié)構(gòu)重新放置于承載托盤上，中間隔離板下降以恢復(fù)燒結(jié)室功能；通過設(shè)置于粉料室中的粉料上料裝置向粉料室中灌裝下一次打印所需的粉料，燒結(jié)室底板上升至使前次打印的主體結(jié)構(gòu)的頂部與刮板底部處于同一平面的位置，刮板往復(fù)刮動(dòng)若干次使前次打印好的主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部以及燒結(jié)室內(nèi)部充滿新的粉料；

最后，燒結(jié)室底板向下運(yùn)動(dòng)一定距離同時(shí)粉料室底板向上運(yùn)動(dòng)一定距離，刮板往復(fù)刮動(dòng)使兩室的粉料表面平整，然后轉(zhuǎn)至s12步驟執(zhí)行；

s14主體打印：不斷重復(fù)s12和s13的步驟直至主體結(jié)構(gòu)的打印完全完成。

附屬結(jié)構(gòu)打印的步驟包括：

s21吹掃：待主體結(jié)構(gòu)的打印完全完成后，機(jī)械手將連接有主體結(jié)構(gòu)的托盤轉(zhuǎn)移至激光熔覆裝置下方并且將主體結(jié)構(gòu)倒置，設(shè)置于激光熔覆裝置上的第二風(fēng)槍開始向其噴射氣流，同時(shí)機(jī)械手和/或激光熔覆裝置發(fā)生運(yùn)動(dòng)，將主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘留的粉料吹掃干凈；

s22熔覆：吹掃完成后，激光熔覆裝置的粉料噴射頭向主體結(jié)構(gòu)的指定位置噴射粉料而激光發(fā)射器發(fā)射激光將噴射的粉料融化，同時(shí)機(jī)械手和運(yùn)動(dòng)機(jī)械根據(jù)需要發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使激光熔覆裝置按設(shè)定的附屬結(jié)構(gòu)在主體結(jié)構(gòu)上完成附屬部分的熔覆操作。

s23換料：需要更換附屬結(jié)構(gòu)打印所需的粉料時(shí)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動(dòng)使粉料噴射頭下降至靠近機(jī)體底部，激光熔覆裝置上的粉料上料裝置切換到下次打印所需的粉料管路，粉料噴射頭開啟噴射粉料直至原有粉料被消耗完畢，激光熔覆裝置復(fù)位并準(zhǔn)備下一次打印操作；

s24附屬打印：重復(fù)s22和s23的步驟直至打印全部完成。

在某些較佳實(shí)施例中，所述3d打印方法還包括三維掃描的步驟，通過設(shè)置于燒結(jié)室上方或激光熔覆區(qū)內(nèi)超聲掃描裝置掃描燒結(jié)室內(nèi)實(shí)時(shí)燒結(jié)產(chǎn)生的主體結(jié)構(gòu)形狀，或是在機(jī)械手抓取主體結(jié)構(gòu)以后結(jié)合機(jī)構(gòu)手的配合運(yùn)動(dòng)對打印好的產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面掃描，以確定打印的產(chǎn)品是否與設(shè)計(jì)圖紙一致。更佳地，所述3d打印裝置還包括一組設(shè)置于直接金屬燒結(jié)區(qū)或激光熔覆區(qū)中的銑刀工具，其在掃描裝置掃描確認(rèn)打印的形狀與設(shè)計(jì)要求存在一定偏差時(shí)啟動(dòng)，在主體結(jié)構(gòu)打印過程中同時(shí)進(jìn)行切削加工來修正形狀或是在打印完成以后對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)，以使打印的形狀和設(shè)計(jì)要求完全一致。

在另一些實(shí)施例中，所述s13換料準(zhǔn)備的步驟中，在每次重復(fù)之前還增加對主體結(jié)構(gòu)補(bǔ)充吹掃的操作，機(jī)械手將連接有主體結(jié)構(gòu)的托盤轉(zhuǎn)移至激光熔覆裝置下方，設(shè)置于激光熔覆裝置上的第二風(fēng)槍噴射氣流，同時(shí)機(jī)械手和激光熔覆裝置相對運(yùn)動(dòng)而將主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘留的粉料吹掃干凈。