本發(fā)明屬于3D打印技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種3D打印設(shè)備及打印方法。

背景技術(shù)：

3D打印技術(shù)是快速成型技術(shù)的一種，它是一種以三維模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用金屬粉末或者塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層掃描，層層堆垛的方式來(lái)構(gòu)造出立體三維零件的技術(shù)。該技術(shù)結(jié)合了CAD/CAM、光學(xué)、數(shù)控及材料科學(xué)等各類學(xué)科，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，在珠寶、醫(yī)療、鞋類、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、航空航天、汽車、教育等都有應(yīng)用前景。

目前針對(duì)金屬材料3D打印工藝，SLM是主流工藝，SLM技術(shù)是在SLS基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，二者的基本原理類似。SLM技術(shù)需要使金屬粉末完全熔化，直接成型金屬件，因此需要高功率密度激光器激光束開(kāi)始掃描前，水平鋪粉輥先把金屬粉末平鋪到加工室的基板上，然后激光束將按當(dāng)前層的輪廓信息選擇性地熔化基板上的粉末，加工出當(dāng)前層的輪廓，然后可升降系統(tǒng)下降一個(gè)圖層厚度的距離，滾動(dòng)鋪粉輥再在已加工好的當(dāng)前層上鋪金屬粉末，設(shè)備調(diào)入下一圖層進(jìn)行加工，如此層層加工，直到整個(gè)零件加工完畢。

在SLM增材制造過(guò)程中，鋪粉過(guò)程是增材制造工藝的關(guān)鍵過(guò)程。金屬粉末材料的可鋪展性能對(duì)打印工藝及其重要。但目前對(duì)增材制造用金屬粉末的性能檢測(cè)仍然停留在傳統(tǒng)的參數(shù)檢測(cè)水平，利用傳統(tǒng)粉末材料的檢測(cè)手段進(jìn)行表征，準(zhǔn)確度不高，常導(dǎo)致實(shí)際打印出的制品的質(zhì)量達(dá)不到預(yù)想標(biāo)準(zhǔn)。

申請(qǐng)人在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在制品的打印過(guò)程中，每一層粉末的表面形貌對(duì)打印制品的性能影響巨大，某一層鋪粉時(shí)造成的不均勻、缺陷會(huì)造成一個(gè)產(chǎn)品缺陷，而缺陷會(huì)進(jìn)一步造成應(yīng)力集中等影響，進(jìn)而大幅度降低制品的性能。而現(xiàn)有的3D打印設(shè)備運(yùn)行時(shí)，當(dāng)某一層鋪粉出現(xiàn)缺陷時(shí)，由于無(wú)法判斷出鋪粉層質(zhì)量情況，一般會(huì)繼續(xù)打印，影響產(chǎn)品的性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可監(jiān)測(cè)打印過(guò)程中鋪粉層平整度情況的3D打印設(shè)備及打印方法，以提高打印制品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)更精細(xì)化的打印。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種3D打印設(shè)備打印方法，包括如下步驟：

（1）鋪一層粉末，獲得粉末層；

（2）用表面形貌測(cè)量裝置對(duì)步驟（1）中的粉末層進(jìn)行表征，獲取粉末層表面不平整度的表征參數(shù)H；

（3）將表征參數(shù)H與設(shè)定范圍值進(jìn)行比較；

（4）當(dāng)表征參數(shù)H符合設(shè)定范圍值要求時(shí)，進(jìn)行打??；當(dāng)參數(shù)H超出設(shè)定范圍值時(shí)，停止打印，并反饋信息。

進(jìn)一步地，反饋信息可以反饋給操作人員，操作人員根據(jù)需要采取進(jìn)一步的補(bǔ)救措施或者調(diào)整參數(shù)或者重新打印。也可以反饋給操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)定的處理方式進(jìn)行繼續(xù)處理。

進(jìn)一步地，所述的表面不平整度的表征參數(shù)H為可以表征不平整程度大小的參數(shù)，優(yōu)選為表征高度、深度、體積的參數(shù)，如其最大值、均值、方差。

進(jìn)一步地，所述的表征參數(shù)H為粉末層表面不平整處的最高處高度H_max和最低處深度H_min的絕對(duì)值，或者，所述的表征參數(shù)H為粉末層表面不平整處的總體積，或者，所述的表征參數(shù)H為最大單個(gè)凸起/凹陷的體積。

其中，所述的不平整度的表征參數(shù)H的第一種方案為：

通過(guò)常規(guī)的高分辨率測(cè)距裝置（如激光測(cè)距裝置、光纖測(cè)距裝置），激光測(cè)量裝置位于測(cè)量點(diǎn)位的正上方，測(cè)量鋪粉后鋪粉倉(cāng)表面N個(gè)位點(diǎn)，測(cè)得其相對(duì)于刮刀的刀鋒所過(guò)面的相對(duì)高度的絕對(duì)值。其中，相對(duì)高度的絕對(duì)值即表面不平整度的表征參數(shù)H。相應(yīng)的，操作人員可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定合適的設(shè)定范圍值，一般認(rèn)為，相對(duì)高度的絕對(duì)值過(guò)高，對(duì)應(yīng)處的缺陷體積越大，如果繼續(xù)打印則會(huì)在此處留下缺陷，影響品質(zhì)。操作人員可以根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)定一個(gè)合適的范圍值，如0～H₀（包含端點(diǎn)），當(dāng)H小于H₀時(shí)，則表明此處的缺陷的大小是可以接受的，造成制品中的缺陷大小也是可以接受的，繼續(xù)打印。反之，停止打印，并反饋。

其中，所述的不平整度的表征參數(shù)H的第二種方案為：

通過(guò)常規(guī)的高分辨率測(cè)距裝置（如激光測(cè)距裝置、光纖測(cè)距裝置），如激光測(cè)量裝置位于測(cè)量點(diǎn)位的正上方，測(cè)量鋪粉后鋪粉倉(cāng)表面N個(gè)位點(diǎn)，測(cè)得N個(gè)點(diǎn)位相對(duì)于激光發(fā)射平面的高度H₁，H₂...H_N，計(jì)算得到H₁，H₂...H_N的平均值H_A，計(jì)算|H₁-H_A|，...,|H_N-H_A|,并獲得計(jì)算出的一系列數(shù)據(jù)的最大值定為表征參數(shù)H。同樣，操作人員可以根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)定一個(gè)合適的范圍值，如0～H₀（包含端點(diǎn)），當(dāng)H小于H₀時(shí)，則表明此處的缺陷的大小是可以接受的，造成制品中的缺陷大小也是可以接受的，繼續(xù)打印。反之，停止打印，并反饋。

其中，所述的不平整度的表征參數(shù)H的第三種方案為：

通過(guò)常規(guī)的高分辨率測(cè)距裝置（如激光測(cè)距裝置、光纖測(cè)距裝置），如激光測(cè)量裝置位于測(cè)量點(diǎn)位的正上方，測(cè)量鋪粉后鋪粉倉(cāng)表面N個(gè)位點(diǎn)，測(cè)得N個(gè)點(diǎn)位相對(duì)于激光發(fā)射平面的高度H₁，H₂...H_N，計(jì)算得到H₁，H₂...H_N的平均值H_A，計(jì)算|H₁-H_A|，...,|H_N-H_A|，然后計(jì)算上述絕對(duì)值的平均值，并將之定為表征參數(shù)H。同樣，操作人員可以根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)定一個(gè)合適的范圍值，如0～H₀（包含端點(diǎn)），當(dāng)H小于H₀時(shí)，則表明此處的缺陷的大小是可以接受的，造成制品中的缺陷大小也是可以接受的，繼續(xù)打印。反之，停止打印，并反饋。

其中，所述的不平整度的表征參數(shù)H的第四種方案為：

所述表面形貌測(cè)量裝置為光學(xué)成像裝置、激光成像裝置或電子成像裝置及配套的處理軟件，所述的成像裝置可以形成三維圖像。并且可以通過(guò)相應(yīng)配套的處理軟件，計(jì)算三維圖像中相對(duì)于刮刀掛過(guò)平面的不平整處的最大垂直凸起高度絕對(duì)值H_max和最低凹陷處深度絕對(duì)值H_min，并將其定為表面不平整度的表征參數(shù)H。相應(yīng)的，操作人員可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定合適的設(shè)定范圍值，一般認(rèn)為，相對(duì)高度的絕對(duì)值或者凹陷處深度絕對(duì)值越大，對(duì)應(yīng)處的缺陷體積越大，如果繼續(xù)打印則會(huì)在此處留下缺陷，影響品質(zhì)。操作人員可以根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)定一個(gè)合適的范圍值，如0～H₀（包含端點(diǎn)），當(dāng)H小于H₀時(shí)，則表明此處的缺陷的大小是可以接受的，造成制品中的缺陷大小也是可以接受的，繼續(xù)打印。反之，停止打印，并反饋。

其中，所述的不平整度的表征參數(shù)H的第五種方案為：

所述表面形貌測(cè)量裝置為光學(xué)成像裝置、激光成像裝置或電子成像裝置及配套的處理軟件，所述的成像裝置可以形成三維圖像。并且可以通過(guò)相應(yīng)配套的處理軟件，計(jì)算三維圖像中相對(duì)于刮刀掛過(guò)平面的不平整處的最大垂直凸起大凹陷處的體積V_max，并將其定為表面不平整度的表征參數(shù)H。相應(yīng)的，操作人員可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定合適的設(shè)定范圍值，一般認(rèn)為，不平整處凸起/凹陷的體積越大，對(duì)應(yīng)處的缺陷體積越大，如果繼續(xù)打印則會(huì)在此處留下缺陷，影響品質(zhì)。操作人員可以根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)定一個(gè)合適的范圍值，如0～H₀（包含端點(diǎn)），當(dāng)H小于H₀時(shí)，則表明此處的缺陷的大小是可以接受的，造成制品中的缺陷大小也是可以接受的，繼續(xù)打印。反之，停止打印，并反饋。

進(jìn)一步地，步驟（3）中所述的設(shè)定范圍值是操作人員根據(jù)實(shí)際的使用需要設(shè)定的值，其設(shè)定范圍值與相應(yīng)的表面不平整度的表征參數(shù)H對(duì)應(yīng)，如表面不平整度的表征參數(shù)H為最大高度絕對(duì)值時(shí)，操作人員可以根據(jù)實(shí)際操作中獲得的性能與H的關(guān)系，設(shè)定范圍值（如0～最大值Ｈ_０），當(dāng)H大于Ｈ_０時(shí)，則認(rèn)為超出范圍。

進(jìn)一步地，步驟（4）中打印方法為SLS、SLM中的一種。

進(jìn)一步地，步驟（4）中反饋的信息在3D打印設(shè)備的操作界面上顯示，或者為聲和/或光報(bào)警信號(hào)。

采用這樣的打印方法，操作人員可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定H₀的值后，進(jìn)行打印，當(dāng)鋪粉層的平整度不符合要求時(shí)，停止打印，停止打印后可以進(jìn)行后續(xù)的補(bǔ)救措施，然后繼續(xù)打印，或者操作人員可以對(duì)打印工藝參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整后繼續(xù)打印，以獲得性能優(yōu)異的制品。

本發(fā)明還提供一種3D打印設(shè)備，包括密封的殼體，所述殼體內(nèi)設(shè)置有鋪粉裝置，所述殼體內(nèi)還設(shè)置有表面形貌測(cè)量裝置；

還包括數(shù)據(jù)處理裝置，用于對(duì)表面形貌測(cè)量裝置獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取粉末層表面不平整度的表征參數(shù)H，并將表征參數(shù)H與設(shè)定范圍值進(jìn)行比較；還包括數(shù)據(jù)反饋裝置，用于接收數(shù)據(jù)處理裝置的數(shù)據(jù)處理結(jié)果并反饋數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

優(yōu)選地，所述反饋裝置與數(shù)據(jù)處理裝置電連接。

進(jìn)一步地，所述鋪粉裝置為刮刀鋪粉裝置或輥鋪粉裝置。

進(jìn)一步地，所述表面形貌測(cè)量裝置為三維成像裝置或測(cè)距裝置，三維成像裝置可以獲得三維圖像中峰、谷的高度、深度、面積信息。

進(jìn)一步地，所述表面形貌測(cè)量裝置為光學(xué)成像裝置、激光成像裝置、電子成像裝置中的一種。

進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)處理裝置為單片機(jī)或計(jì)算機(jī)。

進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)反饋裝置為顯示裝置、聲和/或光報(bào)警裝置中的一種或多種。

其中，數(shù)據(jù)處理裝置可以為本領(lǐng)域常規(guī)的單片機(jī)、計(jì)算機(jī)等硬件及所包含的軟件，數(shù)據(jù)處理裝置對(duì)表面形貌表征數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，甄別數(shù)據(jù)，如粉末表面不平整處的最高處高度H_max和最低處深度H_min，并將數(shù)據(jù)通過(guò)反饋裝置反饋給操作人員，操作人員根據(jù)反饋結(jié)果可對(duì)打印設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，如控制啟閉、調(diào)整打印參數(shù)等等。操作人員可以根據(jù)需要，進(jìn)行設(shè)定表面的形貌的最大的高、深值（H₀），當(dāng)某一層的表面出現(xiàn)大于所述設(shè)定值H₀的不平整地時(shí)，數(shù)據(jù)處理裝置控制反饋裝置進(jìn)行反饋。

本發(fā)明的3D打印設(shè)備及打印方法可以對(duì)打印過(guò)程中鋪粉層的平整度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)反饋出來(lái)，方便操作人員對(duì)打印工藝參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整，避免鋪粉不均勻所導(dǎo)致的產(chǎn)品缺陷，進(jìn)而大幅度提高制品的性能。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明第一種實(shí)施方式的3D打印設(shè)備的俯視圖。

圖2是本發(fā)明第一種實(shí)施方式的3D打印設(shè)備的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。為敘述方便，下文中如出現(xiàn)“上”、“下”、“左”、“右”字樣，僅表示與附圖本身的上、下、左、右方向一致，并不對(duì)結(jié)構(gòu)起限定作用。

本實(shí)施方式的3D打印設(shè)備，包括密封的殼體1，殼體1內(nèi)設(shè)有與水平面平行的工作平臺(tái)2，所述殼體1內(nèi)設(shè)置有鋪粉裝置，所述鋪粉裝置的周圍設(shè)置有表面形貌測(cè)量裝置；還包括數(shù)據(jù)處理裝置，用于對(duì)表面形貌測(cè)量裝置獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得粉末層表面不平整處的最高處高度H_max和最低處深度H_min，并與設(shè)定值H₀比較，所述數(shù)據(jù)處理裝置與表面形貌測(cè)量裝置電連接；還包括數(shù)據(jù)反饋裝置，用于接收數(shù)據(jù)處理裝置的數(shù)據(jù)處理結(jié)果并將數(shù)據(jù)處理結(jié)果反饋給操作人員，所述反饋裝置與數(shù)據(jù)處理裝置電連接。

其中，鋪粉裝置為刮刀鋪粉裝置，所述刮刀鋪粉裝置包括供粉平臺(tái)301和鋪粉平臺(tái)303，供粉平臺(tái)301和鋪粉平臺(tái)303均與工作平臺(tái)2平行，所述供粉平臺(tái)301和鋪粉平臺(tái)303的下方分別設(shè)置有供粉倉(cāng)304和鋪粉倉(cāng)305，供粉倉(cāng)304和鋪粉倉(cāng)305的頂部均開(kāi)口，供粉倉(cāng)304和鋪粉倉(cāng)305均固定在工作平臺(tái)2上，供粉倉(cāng)304和鋪粉倉(cāng)305的頂端面與工作平臺(tái)2平齊，所述供粉平臺(tái)301可沿供粉倉(cāng)304上升，所述鋪粉平臺(tái)303可沿鋪粉倉(cāng)305上升或下降；所述供粉平臺(tái)301上設(shè)有可將粉末刮至鋪粉平臺(tái)303上的刮粉機(jī)構(gòu)302，所述刮粉機(jī)構(gòu)302完成一次刮刀后可上升并返回至供粉平臺(tái)301。工作平臺(tái)2處于惰性氣體保護(hù)狀態(tài)。

表面形貌測(cè)量裝置為激光成像裝置，該激光成像裝置包括激光器501和感應(yīng)器502，所述激光器501設(shè)置于鋪粉平臺(tái)303的左側(cè)，所述感應(yīng)器502設(shè)置于鋪粉平臺(tái)303的右側(cè)，且位于鋪粉平臺(tái)303與供粉平臺(tái)301之間，所述的成像裝置還包括計(jì)算機(jī)，以及相應(yīng)的計(jì)算成像軟件。數(shù)據(jù)處理裝置對(duì)獲得的三維圖像中峰、谷的高度、深度、面積信息進(jìn)行處理，分析獲得粉末表面不平整處的最高處高度H_max和最低處深度H_min，并將數(shù)據(jù)通過(guò)反饋裝置反饋給操作人員。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得粉末表面不平整處的最高處高度H_max和最低處深度H_min，并將數(shù)據(jù)通過(guò)反饋裝置反饋給操作人員。

本實(shí)施方式的3D打印設(shè)備還包括用于測(cè)量鋪粉裝置鋪設(shè)的粉末層密度的密度測(cè)量裝置4，密度測(cè)量裝置4包括體積測(cè)量裝置和重量測(cè)量裝置，密度測(cè)量裝置4設(shè)置于鋪粉倉(cāng)305的下方，密度測(cè)量裝置與數(shù)據(jù)處理裝置電連接。

所述數(shù)據(jù)處理裝置為單片機(jī)；數(shù)據(jù)反饋裝置主要由顯示裝置和聲光報(bào)警裝置組成，顯示裝置用于顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，供操作人員參考，聲光報(bào)警裝置給予操作人員提示或警示。

上述實(shí)施例闡明的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)理解為這些實(shí)施例僅用于更清楚地說(shuō)明本發(fā)明，而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落入本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。