3D 打印设备及3D 打印生产系统

杨建国，田永刚，王志刚

（共享智能装备有限公司，宁夏银川 750021）

1 背景

3D 打印（3D Printing）是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术[1]。相关技术提供的3D 打印设备的具体打印过程为：先在平台上均匀的铺一层粉末，打印头扫描并在特定区域内喷射一种液料，使得喷射部位的粉末粘结在一起，此时平台下降一定的层厚距离，重复上述步骤，直至完成所有层的铺粉打印工作[2]。基于上述步骤的普遍特征在于，铺粉和打印是分步骤依次完成的，存在等待时间，使得设备打印效率大大受限。如想提高效率，只能通过增大打印面积、提高铺粉与打印速度、增加打印头的宽度等方法来实现，但上述方法中增加打印面积会增加整个设备的制造难度，甚至无法实现；铺粉与打印速度在达到特定的值后很难再提升[3]。上述方法只能小幅度的提升设备打印效率，远远不能满足粉末3D 打印技术产业化推广应用的要求。

2 系统解决方案

本文提供的3D 打印设备及3D 打印生产系统，缓解了现有技术中存在的铺粉和打印是分步骤依次完成的，存在等待时间，使得单层铺粉再打印周期较长，导致3D 设备打印效率大大受限的技术问题。

2.1 技术方案实施

本文提供的3D 打印设备，包括：框架，在所述的框架内形成工作区域；在所述的工作区域内设置有铺粉装置、打印装置和运动装置；所述的运动装置同时驱动铺粉装置和打印装置沿不同的运动路径交错运动，以实现铺粉装置与打印装置同时进行铺粉和打印[4]。所述的运动装置包括：导向机构、驱动机构和检测感应元件；驱动机构与导向机构连接，感应元件设置在导向机构上，用于检测铺粉装置和打印装置的位置。所述3D 打印设备还包括：构建平台；铺粉装置的长度大于等于所述构建平台的宽度。

2.2 实施过程

参照图1，通过均匀铺设一层粉末材料，同时喷射一层粘结剂的方式，逐层叠加，实现3D 实体构建，本文所述的3D 打印设备实现至少一组铺粉装置200 及至少一组打印装置300 同时作业，且同一组内的铺粉装置200 与打印装置300 可以同时工作，有效消除作业过程中的等待时间，实现不间断铺粉与打印，从而大幅提高打印效率，降低打印成本，为推进粉末3D 打印在各领域的产业化应用提供保障。

图1 设备图

铺粉与打印工作可同时进行，不再有等待时间，可明显提高打印效率；另一方面可以通过多个铺粉装置200 与多个打印装置300 同时进行在工作区域内不同的构建平台500 上打印工作，且每个构建平台500 所打印的模型与布局方式都可按需个性化布置。

这里具体是通过需要在控制器内设定好预定的程序，至于控制器的选择则为现有技术，主要是根据不同的需求对其控制器内的程序进行编程和调试，使得运动装置400 可独立驱动构建平台500、铺粉装置200、打印装置300 分别沿固定的方向与路径动作，运动装置400 可实现铺粉装置200 与打印装置300 同时动作，且在特定的位置时，运动装置400 可驱动铺粉装置200 与打印装置300 错开，并开始往复铺粉与打印作业，且互不干扰。

当打印作业开始时，输送装置800 带动至少一个构建平台500 进入到各自独立的至少一个工作区域内，铺粉装置200 先开始工作，沿第一方向正向（Y+方向）在构建平台500 上方均匀铺设一层可设定厚度的粉末，当铺粉装置200 完成一个打印装置300 宽度的铺粉行程时，与铺粉装置200 布置于同一工作区域的打印装置300 开始沿着与铺粉方向相垂直的方向第二方向正向（X+方向）在粉末层上方均匀喷射第一道粘结剂，打印装置300 喷射粘结剂的过程中铺粉装置200 不间断的正常进行铺粉作业，当铺粉装置200 完成第二个打印装置300 宽度的铺粉行程时，打印装置300 先沿铺粉方向第一方向正向（Y+方向）移动一个打印装置300 宽度的行程，再沿与喷射第一道粘结剂时打印装置300 运动方向相反的反向即第二方向反向（X－方向）喷射第二道粘结剂，如此往复，直至铺粉装置200 与打印装置300 完成第一层全部铺粉与打印作业；此时，打印装置300 沿与铺粉装置200 移动方向相垂直的方向移动至错开铺粉装置200 长度的位置，以确保铺粉装置200 反向即第二方向反向（Y－方向）进行铺粉作业时，不会与打印装置300 相互干涉。同理，铺粉装置200 沿第一方向反向（Y－方向）完成一个打印装置300 宽度的铺粉行程时，与铺粉装置200布置于同一工作区域的打印装置300 开始沿着与铺粉方向相垂直的第一方向（X 向）在粉末层上方均匀喷射第一道粘结剂，当铺粉装置200 完成第二个打印装置300 宽度的铺粉行程时，所述打印装置300 先沿铺粉第一方向反向（Y－方向）移动一个打印装置300 宽度的行程，再沿与喷射第一道粘结剂时打印装置300 运动方向相反的反向喷射第二道粘结剂。如此往复，直至逐层完成后续所有层的铺粉与打印，打印工作完成。该实施例的特征在于，所述铺粉装置200 与所述打印装置300的错开方式为竖直方向错开。

2.3 试验数据

表1 更改后与更改前效率对比

3 结束语

经实际验证：使用本文所述的打印过程，可以有效的减少打印装置与铺粉装置之间的等待时间，实现铺粉装置和打印装置沿不同的运动路径交错运动；打印效率约提升40%左右。