粘结剂喷射成型设备和成型方法专利检索-铸造粉末冶金专利检索查询-专利查询网

粘结剂喷射成型设备和成型方法
申请号	CN202410145930.X	申请日	2024-02-02	公开(公告)号	CN118024569A	公开(公告)日	2024-05-14
申请人	上海交通大学;			发明人	李飞; 崔晓涵; 张耀中; 孙宝德;
摘要	本发明提供一种粘结剂喷射成型设备和成型方法，设备包括：平台，其上设有X轴横梁和Y轴横梁，X轴横梁的一端连接于Y轴横梁上；供粉仓，设于平台上，供粉仓用于提供打印粉材；多喷头搭载台，安装于X轴横梁上，多喷头搭载台上沿X轴方向并列安装有若干喷头，每个喷头用于喷射预设种类的粘结剂；成型仓，设于平台上，X轴横梁上连接有铺粉辊，供粉仓中打印粉材通过铺粉辊推至成型仓并铺平；搭载台移动装置，设于X轴横梁的一端，搭载台移动装置驱动多喷头搭载台沿X轴横梁移动；驱动装置，设于Y轴横梁的一端，驱动装置驱动X轴横梁沿Y轴横梁移动。本发明能够实现多材料粘结剂喷射成型，实现多材料零件、梯度结构功能材料零件的制备。
权利要求	1.一种粘结剂喷射成型设备，其特征在于，包括：平台，其上设有X轴横梁和Y轴横梁，所述X轴横梁的一端连接于所述Y轴横梁上；供粉仓，设于所述平台上，所述供粉仓用于提供打印粉材；多喷头搭载台，安装于所述X轴横梁，所述多喷头搭载台上沿X轴方向并列安装有若干喷头，每个所述喷头用于喷射预设种类的粘结剂；成型仓，设于所述平台上，所述供粉仓位于所述成型仓沿Y轴方向的前端，所述供粉仓和所述成型仓的顶端与所述平台相持平，所述X轴横梁上连接有铺粉辊，在铺粉过程所述X轴横梁带动所述铺粉辊沿Y轴运动，所述供粉仓中打印粉材通过所述铺粉辊推至所述成型仓并铺平；搭载台移动装置，设于所述X轴横梁的一端，所述搭载台移动装置驱动所述多喷头搭载台沿所述X轴横梁移动；驱动装置，设于所述Y轴横梁的一端，所述驱动装置驱动所述X轴横梁沿所述Y轴横梁移动。 2.根据权利要求1所述的粘结剂喷射成型设备，其特征在于，所述多喷头搭载台包括喷头卡槽，所述喷头卡槽沿X轴方向设于所述多喷头搭载台上，所述喷头通过喷头连供装置固定在所述喷头卡槽中。 3.根据权利要求1所述的粘结剂喷射成型设备，其特征在于，所述X轴横梁上沿X轴方向设有第一导轨，所述第一导轨通过第一滑块与所述多喷头搭载台连接。 4.根据权利要求1所述的粘结剂喷射成型设备，其特征在于，所述Y轴横梁上沿Y轴方向设有第二导轨，所述第二导轨通过第二滑块与所述X轴横梁的一端连接，所述驱动装置为步进电机，所述步进电机以同步带形式驱动所述X轴横梁沿所述Y轴横梁平动。 5.根据权利要求1所述的粘结剂喷射成型设备，其特征在于，所述成型仓和所述供粉仓的底部均设有螺杆步进电机升降机构，所述螺杆步进电机升降机构驱动所述成型平台和所述供粉平台沿Z轴方向垂直运动。 6.根据权利要求5所述的粘结剂喷射成型设备，其特征在于，所述设备还包括光杆导向机构，所述光杆导向机构对所述成型平台和所述供粉平台的Z轴方向垂直运动进行导向。 7.一种粘结剂喷射成型方法，其特征在于，所述方法利用权利要求1‑6任一项所述的粘结剂喷射成型设备实现，包括：将预混好的打印粉材置于供粉仓中；将成型仓的成型平台预上升至指定高度，通过铺粉辊将打印粉材带动至成型平台上，并铺平至可打印的状态；驱动装置驱动X轴横梁至打印指定位置，搭载台移动装置驱动多喷头搭载台，使其搭载的多个喷头中的第一个喷头进行第一种材料的粘结剂喷射工作，喷射完成后，驱动装置带动X轴横梁、搭载台移动装置带动多喷头搭载台分别回到初始位置；重复上述步骤，直到多喷头搭载台的多个喷头分别完成粘结剂粉末的喷射，实现多材料的粘结剂喷射过程；通过铺粉辊将打印粉材带动至成型平台上，形成打印平面。 8.根据权利要求7所述的粘结剂喷射成型方法，其特征在于，所述打印粉材包括陶瓷粉末、金属粉末和有机高分子材料粉末中的任意一种，所述打印粉材的粒径为70‑140目、140‑ 200目、200‑400目和400‑1000目中的任意一种或多种。 9.根据权利要求7所述的粘结剂喷射成型方法，其特征在于，所述粘结剂粉末为树脂及其固化剂粘结剂体系。 10.根据权利要求7所述的粘结剂喷射成型方法，其特征在于，所述粘结剂粉末为变梯度纳米粉末粘结剂体系。
说明书全文	粘结剂喷射成型设备和成型方法技术领域 [0001] 本发明涉及3D打印技术领域，具体地，涉及一种粘结剂喷射成型设备和成型方法。背景技术 [0002] 粘结剂喷射成型(Binder Jetting，BJ)是一种高效率、高精度的“线扫描”3D打印技术，其沿用传统粉末冶金行业的材料体系和烧结工艺，成本低廉，材料标准化程度高，能够实现高效率、高质量、低成本的3D打印，解决其他3D打印工艺存在的“既慢又贵”的问题，是3D打印走向批量化、产业化的重要技术路径。近年来，随着材料体系的丰富和技术工艺的突破，粘结剂喷射成型技术已成为水平提升最快的技术之一。 [0003] BJ技术可以打印高分子、陶瓷和金属粉体，然而已有的设备均为单阵列喷头，只能喷射一种粘结剂。随着对构件要求越来越高，亟待需要在同一零件中使用不同的粘结剂，实现其组织与功能的调控，即在同一构件中引入不同的材料体系。由于不同的材料体系有不同的强度、导热性、导电性等物理化学性质，使得构件在不同区域可以表现出不同的物理性质，最终实现针对构件不同位置不同性能的针对性制造。 [0004] 然而，多材料粘结剂喷射技术由于硬件设备难以设计、材料体系选择困难等问题，仍难以在行业中实现。因此设计出可靠的多材料粘结剂喷射成型设备以及多材料粘结剂喷射成型方法，是本领域技术人员亟待解决的问题。发明内容 [0005] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种粘结剂喷射成型设备和成型方法。 [0006] 根据本发明的一个方面，提供一种粘结剂喷射成型设备，包括： [0007] 平台，其上设有X轴横梁和Y轴横梁，所述X轴横梁的一端连接于所述Y轴横梁上； [0008] 供粉仓，设于所述平台上，所述供粉仓用于提供打印粉材； [0009] 多喷头搭载台，安装于所述X轴横梁，所述多喷头搭载台上沿X轴方向并列安装有若干喷头，每个所述喷头用于喷射预设种类的粘结剂； [0010] 成型仓，设于所述平台上，所述供粉仓位于所述成型仓沿Y轴方向的前端，所述供粉仓和所述成型仓的顶端与所述平台相持平，所述X轴横梁上连接有铺粉辊，在铺粉过程所述X轴横梁带动所述铺粉辊沿Y轴运动，所述供粉仓中打印粉材通过所述铺粉辊推至所述成型仓并铺平； [0011] 搭载台移动装置，设于所述X轴横梁的一端，所述搭载台移动装置驱动所述多喷头搭载台沿所述X轴横梁移动； [0012] 驱动装置，设于所述Y轴横梁的一端，所述驱动装置驱动所述X轴横梁沿所述Y轴横梁移动。 [0013] 可选的，所述多喷头搭载台包括喷头卡槽，所述喷头卡槽沿X轴方向设于所述多喷头搭载台上，所述喷头通过喷头连供装置固定在所述喷头卡槽中。 [0014] 可选的，所述X轴横梁上沿X轴方向设有第一导轨，所述第一导轨通过第一滑块与所述多喷头搭载台连接。 [0015] 可选的，所述Y轴横梁上沿Y轴方向设有第二导轨，所述第二导轨通过第二滑块与所述X轴横梁的一端连接，所述驱动装置为步进电机，所述步进电机以同步带形式驱动所述X轴横梁沿所述Y轴横梁平动。 [0016] 可选的，所述成型仓和所述供粉仓的底部均设有螺杆步进电机升降机构，所述螺杆步进电机升降机构驱动所述成型平台和所述供粉平台沿Z轴方向垂直运动。 [0017] 可选的，所述设备还包括光杆导向机构，所述光杆导向机构对所述成型平台和所述供粉平台的Z轴方向垂直运动进行导向。 [0018] 根据本发明的另一方面，提供一种粘结剂喷射成型方法，所述方法利用上述的粘结剂喷射成型设备实现，包括： [0019] 将预混好的打印粉材置于供粉仓中； [0020] 将成型仓的成型平台预上升至指定高度，通过铺粉辊将打印粉材带动至成型平台上，并铺平至可打印的状态； [0021] 驱动装置驱动X轴横梁至打印指定位置，搭载台移动装置驱动多喷头搭载台，使其搭载的多个喷头中的第一个喷头进行第一种材料的粘结剂喷射工作，喷射完成后，驱动装置带动X轴横梁、搭载台移动装置带动多喷头搭载台分别回到初始位置； [0022] 重复上述步骤，直到多喷头搭载台的多个喷头分别完成粘结剂粉末的喷射，实现多材料的粘结剂喷射过程； [0023] 通过铺粉辊将打印粉材带动至成型平台上，形成打印平面。 [0024] 可选的，所述打印粉材包括陶瓷粉末、金属粉末和有机高分子材料粉末中的任意一种，所述打印粉材的粒径为70‑140目、140‑200目、200‑400目和400‑1000目中的任意一种或多种。 [0025] 可选的，所述粘结剂粉末为树脂及其固化剂粘结剂体系。 [0026] 可选的，所述粘结剂粉末为变梯度纳米粉末粘结剂体系。 [0027] 与现有技术相比，本发明具有如下至少之一的有益效果： [0028] 本发明通过设置多喷头搭载台以及多个喷头，并通过与搭载台移动装置、驱动装置等相互配合，分别向粉末床上喷射不同种类的粘结剂，解决传统粘结剂喷射打印方法仅能喷射单种粘结剂而无法实现多材料零件制备的问题，能够实现多材料粘结剂喷射成型，从而实现多材料零件、梯度结构功能材料零件的制备。 [0029] 本发明通过分别驱动多喷头搭载台上的装有不同粘结剂的喷头，实现了在同一打印层上分别进行不同粘结剂材料的打印，保证了多材料粘结剂喷射的可行性，不会出现打印过程多材料分层问题。附图说明 [0030] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显： [0031] 图1为本发明一实施例中粘结剂喷射成型设备的结构示意图； [0032] 图2为本发明一实施例中粘结剂喷射成型设备的俯视示意图； [0033] 图3为本发明一实施例中成型仓与供粉仓的位置示意图； [0034] 图4为本发明一实施例中螺杆步进电机升降机构和光杆导向机构的结构示意图； [0035] 图中：1为多喷头搭载台，2为供粉仓，3为成型仓，4为铺粉辊，5为X轴横梁，6为搭载台移动装置，7为喷头连供装置，8为成型平台，9为螺杆步进电机升降机构，10为光杆导向机构，11为Y轴横梁，13为供粉平台。具体实施方式 [0036] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。 [0037] 参照图1和图2，本发明一实施例提供的粘结剂喷射成型设备，用以实现多材料粘结剂喷射成型零件制备。该设备包括平台、供粉仓2、多喷头搭载台1、成型仓3、搭载台移动装置6和驱动装置，其中：平台提供整个设备的安装基础和支撑，平台上设有X轴横梁5和Y轴横梁，X轴横梁5的一端连接于Y轴横梁上；供粉仓2设于平台上，供粉仓2用于提供打印粉材；多喷头搭载台1安装于X轴横梁5，多喷头搭载台1工作时的平面与平台相平行，多喷头搭载台1上沿X轴方向并列安装有若干喷头，每个喷头用于喷射预设种类的粘结剂，每个喷头喷射的粘结剂种类根据制备的目标零件确定；成型仓3设于平台上，如图3所示，供粉仓2位于成型仓3沿Y轴方向的前端，在打印过程中起到为成型仓3补充粉料作用；供粉仓2与成型仓3均与平台相连接，供粉仓2与成型仓3顶端与平台相持平；X轴横梁5上连接有铺粉辊4，在铺粉过程中X轴横梁5带动铺粉辊4一起沿Y轴运动，供粉仓2和成型仓3位于铺粉辊4移动的直线轨迹上，供粉仓2中打印粉材通过铺粉辊4推至成型仓3，将粉末铺平；具体地，供粉仓2设有可升降的供粉平台13，成型仓3设有可升降的成型平台8，打印粉材自供粉平台13推出，在成型平台8上铺平；搭载台移动装置6设于X轴横梁5的一端，搭载台移动装置6驱动多喷头搭载台1沿X轴横梁5移动；驱动装置设于Y轴横梁的一端，驱动装置驱动X轴横梁5沿Y轴横梁移动。 [0038] 为实现将若干喷头安装在X轴横梁5，在一些实施方式中，多喷头搭载台1包括喷头连供装置7和喷头卡槽，喷头连供装置7与喷头直接相连，并同时与喷头固定于喷头卡槽中，用于向喷头提供粘接剂以供喷头喷射，喷头连供装置7可以采用现有技术中的结构实现；喷头卡槽沿X轴方向设于多喷头搭载台1上，多个喷头卡槽并列设置，喷头卡槽与喷头的数量相同，喷头固定在喷头卡槽中，多个喷头沿X轴方向阵列排列。喷头在打印过程中在平台上对应成型仓3范围内进行打印。 [0039] 在一些实施方式中，X轴横梁5上沿X轴方向设有第一导轨，第一导轨为线性导轨，第一导轨通过第一滑块与多喷头搭载台1连接，多喷头搭载台1与X轴横梁5以滑块滑轨形式连接，由X轴横梁5端部的搭载台移动装置6驱动，在X轴方向上进行移动。成型过程中由搭载台移动装置6将对应喷头移动至指定位置，并驱动喷头进行粘结剂喷射。示例性的，搭载台移动装置6包括电机，通过电机驱动多喷头搭载平台。 [0040] 在一些实施方式中，Y轴横梁上沿Y轴方向设有第二导轨，第二导轨为线性导轨，第二导轨通过第二滑块与X轴横梁5的一端连接，具体地，X轴支架与X轴横梁5相连，第二导轨与X轴支架以线性滑块形式连接，实现将X轴横梁5固定于Y轴横梁上。驱动装置为步进电机，步进电机以同步带形式驱动X轴支架，进而驱动X轴横梁5沿Y轴横梁平动。 [0041] 参照图4，在一些实施方式中，成型仓3与供粉仓2为结构相同的两个仓体，成型仓3与供粉仓2底部均设有螺杆步进电机升降机构9，螺杆步进电机升降机构9驱动成型仓3的成型平台8和供粉仓2的供粉平台13沿Z轴方向垂直运动，从而实现成型平台8以及供粉平台13的升降。 [0042] 为保证成型平台8运行的平稳性，在一些实施方式中，设备还包括光杆导向机构10，光杆导向机构10对成型平台8和供粉平台13的Z轴方向垂直运动进行导向，防止在升降过程中成型平台8和供粉平台13发生旋转。 [0043] 本发明上述实施例，通过设置多喷头搭载台1以及多个喷头，并通过与搭载台移动装置6、驱动装置等相互配合，可以分别向粉末床上喷射不同种类的粘结剂，解决传统粘结剂喷射打印方法仅能喷射单种粘结剂而无法实现多材料零件制备的问题，能够实现多材料粘结剂喷射成型，从而实现多材料零件、梯度结构功能材料零件的制备。 [0044] 本发明上述实施例通过分别驱动多喷头搭载台1上的装有不同粘结剂的喷头，实现了在同一打印层上分别进行不同粘结剂材料的打印，保证了多材料粘结剂喷射的可行性，不会出现打印过程多材料分层问题。 [0045] 本发明另一实施例提供一种粘结剂喷射成型方法，该方法利用上述的粘结剂喷射成型设备实现，继续参照图1‑图4，该方法包括： [0046] S1、将打印粉材进行预混合，将供粉平台13预下降至供粉仓2底部；将预混好的打印粉材置于供粉仓2中； [0047] S2、将成型仓3顶部的成型平台8预上升至指定高度，通过铺粉辊4将打印粉材带动至成型平台8上，并铺平至可打印的状态；具体地，铺粉过程中，供粉平台13上升，将粉料推出，由铺粉辊4带动至成型平台8上，并进行铺平，经过多次铺粉过程，最终铺平至可打印的状态，形成打印平面； [0048] S3、驱动装置驱动X轴横梁5至打印指定位置，多个喷头中储存有多种粘接剂，搭载台移动装置6驱动多喷头搭载台1，使其搭载的多个喷头中的第一个喷头进行第一种材料的粘结剂喷射工作，喷射完成后，驱动装置带动X轴横梁5、搭载台移动装置6带动多喷头搭载台1分别回到初始位置； [0049] 具体地，步进电机驱动X轴横梁5至打印指定位置，搭载台移动装置6的电机驱动多喷头搭载台1，使其搭载的多个喷头中的第一个喷头进行第一种材料的粘结剂喷射工作，喷射完成后，步进电机及搭载台移动装置6的电机带动多喷头搭载台1及X轴横梁5回到初始位置。 [0050] S4、重复上述步骤，直到多喷头搭载台1的多个喷头分别完成粘结剂粉末的喷射，实现多材料的粘结剂喷射过程； [0051] 在喷射第二种材料的粘结剂时，重复上述步骤，将X轴横梁5驱动至指定位置，搭载台移动装置6的电机驱动多喷头搭载台1，使其搭载的多个喷头中的第二个喷头进行第二种材料的粘结剂喷射工作；直至所有材料的粘结剂均喷射完成。 [0052] S5、通过铺粉辊4将打印粉材带动至成型平台8上，形成打印平面。 [0053] 具体地，多材料粘接剂喷射完成后进行铺粉工作，步进电机驱动X轴横梁5移动，并使铺粉辊4开始逆Y轴运动方向转动，供粉仓2的供粉平台13上升，将打印粉材进行推出，并由铺粉辊4推至成型仓3上，形成打印平面，结束铺粉过程。 [0054] 上述实施例中，打印粉材包括陶瓷粉末、金属粉末和有机高分子材料粉末中的任意一种，适用范围较广，打印粉材的粒径为70‑140目、140‑200目、200‑400目和400‑1000目中的任意一种及多种混合，其中70‑140目、140‑200目为粉材提供主要支撑，而200‑400目及400‑1000目粉材为打印材料提供强化相，有助于提升成品的强度，改善尺寸精度。 [0055] 本发明实施例中，由于设备包括多喷头搭载台以及多个喷头，通过与搭载台移动装置、驱动装置等相互配合，并通过不同材料的粘结剂组合，可以实现如变强度、变孔隙率、变导热系数等功能，选择适合于对应金属、塑料、陶瓷材料的粘结剂体系，实现针对构件不同位置不同性能的成品制造。 [0056] 为实现高精度、高强度的多材料零件的制备，在一些实施方式中，粘结剂粉末为树脂及其固化剂粘结剂体系。优选地，树脂及其固化剂粘结剂体系包括弱溶剂基呋喃树脂与苯磺酸酒精溶液、弱溶剂基酚醛树脂及氰酸酯酒精溶液固化剂、PVA酒精溶液树脂及醋酸固化剂。树脂粘接剂体系具有反应快、素胚强度高的特点，通过多喷头喷射上述树脂及其固化剂粘结剂体系，实现高精度、高强度的零件制备。 [0057] 在一些实施方式中，粘结剂粉末为变梯度纳米粉末粘结剂体系。优选地，变梯度纳米粉末粘结剂体系包括铝溶胶稀释溶液及硅溶胶稀释溶液体系、铝溶胶稀释溶液与纳米金属树脂酒精溶液体系、硅溶胶及纳米金属氧化物树脂酒精溶液体系等，通过多喷头喷射上述变梯度纳米粉末粘结剂体系，从而制备出梯度结构功能材料零件。 [0058] 本发明实施例将多种材料体系引入粘结剂喷射制造过程，其优势在于，通过在同一打印平面内对于不同位置选择性地喷射不同粘结剂，可以使构件在不同区域位置的材料成分不同。如引入光促发树脂粘结剂及呋喃树脂粘结剂材料体系：喷射光促发树脂粘结剂的区域可以在紫外光照射下实现粘结剂快速固化，而喷射呋喃树脂粘结剂区域则可以实现高孔隙率构件制备，两者相结合从而实现同时具有高表面精度与高内部孔隙率的功能零件制备。 [0059] 本发明上述实施例，采用两种及以上的多材料体系作为粘结剂，分别置入不同的打印喷头中进行粘结剂喷射成型，最终获得所需要的多材料粘结剂喷射成型零件。多材料粘结剂体系与打印粉体相匹配，涵盖了包括光敏树脂、有机树脂及固化剂、热固化树脂以及无机增强改性粘结剂等体系，从而实现高精度、高强度、梯度结构多材料粘结剂喷射成型。 [0060] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。

意见反馈