选择性激光熔化铺粉装置的优化设计

2018-07-20李腾飞刘志远

制造技术与机床 2018年6期

李腾飞钱波池敏刘志远李培

(华东理工大学机械与动力工程学院，上海200237)

选择性激光熔化快速成型设备因所使用的粉末粒径小，分层薄，因而制造尺寸精度和表面质量非常高，可直接制作零件，无需余量加工［1］。其原理是，通过依据产品的三维CAD模型，基于离散材料进行逐层叠加的成形原理，通过有序控制将材料逐层堆积，制造出实体产品。其制造出的产品性能远高于传统铸造，与锻件相当。广泛地应用于机械制造领域与航空航天领域［2］。

虽然SLM快速成设备具有许多优点，但是机器造价高昂，尤其是国外的设备，不能在国内广泛推广。因此本文设计制造了一台经济实用的SLM设备。

本文通过优化改进铺粉方式，将原有的两缸工作模式改为单缸工作模式，即送粉缸改为落粉盒，通过落粉盒进行粉末供应，从而减小了设备体积，降低了设备的制造价格。

1 SLM铺粉装置的组成和工作原理

如图1所示，目前常用的SLM快速成型设备铺粉装置，主要由铺粉系统、送粉缸体、成型缸体等组成。工作原理为:成型缸7通过电动机10带动丝杠9精确地下降一个层厚高度(约几十微米)，而送粉缸4同样精确地上升一定高度。为保证成型缸铺粉均匀，送粉缸分为两种工作方式:(1)送粉缸面积略大于成型缸，上升高度同成型缸下降高度相同。(2)送粉缸与成型缸面积相同，但送粉缸上升高度大于成型缸下降高度。当送粉缸上升完成后，铺粉辊5通过电机1带动进行左右运动，将粉末滚压到成型缸表面，完成铺粉工作［3］。而多余的粉末则由铺粉辊滚压带入到末端的回收粉盒8内。激光通过振镜控制扫描出当前层片的模型。然后成型缸再次下降一个层后，铺粉辊返回初始位置，准备下一层铺粉，如此反复，最终完成零件的制造［4］。

2 两缸工作模式的缺点

两缸工作模式主要存在以下问题:

(1)两个工作缸体需要两套运动机构(包含了电动机、减速器、丝杠、导向杆等)分别控制缸体的上下运动，因此所需原器件数目多，成本增加。

(2)由于两缸工作模式的两套运动机构所占体积比较大，使得工作台面相应增大，设备整体体积随之增大。

(3)在电路控制部分，需要两套控制电动机运动的电器元件(包含有继电器、端子、电动机驱动器等)，相对应的限位器、基板加热棒、温控仪等。这使得电路板线路增多，体积增大，引起设备体积增大。并且相关原器件的增多，也带来了成本增加。

因此，本文将使用单缸工作模式替代原有的两缸工作模式，设计一种新的送粉机构:落粉盒，替代原有的送粉缸，通过落粉盒下落粉末实现粉末的供给。这样大大地减小设备整体体积，以及减少原器件数目，降低设备制造成本。

3 SLM铺粉装置的优化设计

3.1 刮刀的结构设计

刮板的结构设计对铺粉的质量有着重要的影响。铺粉质量主要表现在两个方面:均匀性和致密性。它们直接影响着工件的密度，从而影响工件的强度、硬度等性能［5］。

在大多数SLS和SLM设备中所使用的铺粉方式为辊筒铺粉［6］。辊筒铺粉对粉末存在着滚压作用，因此所铺出的粉末致密性高，均匀性好，制造出的工件质量高［5］。但是存在着以下几点缺陷:(1)由于其对粉末存在滚压作用，导致铺粉量增加，相应的送粉缸体积增大，设备总体积增大，设备成本上升。(2)辊筒本身表面质量要求高，耐磨，平整光洁，制造成本高。(3)辊筒的拆装复杂，对更换提高了难度。

由于本文所制造的设备更多的用于实验研究，在实验研究过程中，存在着各种各样的实验参数试验，失败品比较多，使用辊筒方式铺粉，很容易被失败品刮伤辊筒表面，造成辊筒报废，所以需要易更换，低成本的铺粉模块。为了克服辊筒方式的不足，本文利用了刮刀方式来代替辊筒方式进行铺粉。刮刀铺粉运动机构如图2所示。相比辊筒方式，刮刀方式的优点有:(1)成本低。(2)易于拆装，待刮刀磨损后，更换难度低。刮刀材料选用耐高温，耐磨性好的硅橡胶。

3.2 落粉盒结构设计

为了减少两缸工作模式引起的设备体积增大，成本增加问题，本文设计一种新的送粉结构，落粉盒。利用定量落粉的方式将粉末送至铺粉刮刀前面，再进行刮刀铺粉。

(1)落粉盒的组成:结构设计如图3所示，落粉盒主要是由两块V形平板、两块侧板、上槽板、下槽板以及落粉推拉板通过螺钉连接组成，固定在落粉盒固定基板上。落粉推拉板在上下槽板内可以前后运动，由此来控制粉末的开始下落和停止下落。

(2)粉盒形状的设计:粉末是大量的微米级颗粒组成的一种分散介质，颗粒之间是相互分离的［7］，存在着一定的摩擦力，这影响了粉末的流动性，比液体流动性差。因此将落粉盒设计成V形，角度为60°，加强粉末向下流动性，使粉盒落粉顺利。

(3)落粉推拉板槽间距设计:如图4所示，落粉推拉板的内槽间距决定着落粉速度和落粉量，因此分别设计间距为10 mm、7 mm、5 mm、3 mm的落粉推拉板进行简单测试。落粉示意图如图5所示。最终结果表明:10 mm间距太大，粉末下落速度过快，不利于控制粉末下落量;7 mm间距，粉末下落速度比较快，控制粉末下落量比较困难;而5 mm和3 mm间距适合，粉末下落速度合适，易于控制落粉量，但是由于粉末不断反复使用，其流动性逐渐变差，因而使用3 mm间距时，会出现粉末不下落问题。因此落粉推拉板选取间距为5 mm。

4 单缸工作模式工作原理

铺粉系统结构如图6所示，工作原理为:图3所示落粉盒内的落粉推拉板因弹簧弹力紧靠一侧，这时推拉板的槽缝与上下槽板错开，将粉末困于粉盒内。铺粉运动机构位于最前侧，成型缸通过电动机带动精确地下降一个层厚，铺粉运动机构向后运动，通过撞快撞击到落粉推拉板两侧，如图7a所示，带动推拉板一起向后运动到限定位置，如图7b所示，这时推拉板的槽缝与上下槽板相齐，粉末下落到落粉导板上，其作用是防止粉末下落产生飞溅，并引导粉末汇聚至刮刀前侧。粉末下落完成，铺粉运动机构向前运动，将落好的粉末铺平在成型缸表面。当撞快随铺粉机构向前运动时，推拉板会因弹簧弹力逐渐恢复到初始状态，粉末再次困于粉盒。铺粉运动机构运动到最前端后，完成铺粉工作，多余的粉末会落入最前端的回收粉盒内。随后激光扫描当前层片模型，接着成型缸再次下降一个层厚，铺粉机构进行铺粉，如此反复，完成零件的三维制造。