選擇性激光熔化鋪粉裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

李騰飛 錢(qián) 波 池 敏 劉志遠(yuǎn) 李 培

(華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200237)

選擇性激光熔化快速成型設(shè)備因所使用的粉末粒徑小，分層薄，因而制造尺寸精度和表面質(zhì)量非常高，可直接制作零件，無(wú)需余量加工［1］。其原理是，通過(guò)依據(jù)產(chǎn)品的三維CAD模型，基于離散材料進(jìn)行逐層疊加的成形原理，通過(guò)有序控制將材料逐層堆積，制造出實(shí)體產(chǎn)品。其制造出的產(chǎn)品性能遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鑄造，與鍛件相當(dāng)。廣泛地應(yīng)用于機(jī)械制造領(lǐng)域與航空航天領(lǐng)域［2］。

雖然SLM快速成設(shè)備具有許多優(yōu)點(diǎn)，但是機(jī)器造價(jià)高昂，尤其是國(guó)外的設(shè)備，不能在國(guó)內(nèi)廣泛推廣。因此本文設(shè)計(jì)制造了一臺(tái)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的SLM設(shè)備。

本文通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)鋪粉方式，將原有的兩缸工作模式改為單缸工作模式，即送粉缸改為落粉盒，通過(guò)落粉盒進(jìn)行粉末供應(yīng)，從而減小了設(shè)備體積，降低了設(shè)備的制造價(jià)格。

1 SLM鋪粉裝置的組成和工作原理

如圖1所示，目前常用的SLM快速成型設(shè)備鋪粉裝置，主要由鋪粉系統(tǒng)、送粉缸體、成型缸體等組成。工作原理為:成型缸7通過(guò)電動(dòng)機(jī)10帶動(dòng)絲杠9精確地下降一個(gè)層厚高度(約幾十微米)，而送粉缸4同樣精確地上升一定高度。為保證成型缸鋪粉均勻，送粉缸分為兩種工作方式:(1)送粉缸面積略大于成型缸，上升高度同成型缸下降高度相同。(2)送粉缸與成型缸面積相同，但送粉缸上升高度大于成型缸下降高度。當(dāng)送粉缸上升完成后，鋪粉輥5通過(guò)電機(jī)1帶動(dòng)進(jìn)行左右運(yùn)動(dòng)，將粉末滾壓到成型缸表面，完成鋪粉工作［3］。而多余的粉末則由鋪粉輥滾壓帶入到末端的回收粉盒8內(nèi)。激光通過(guò)振鏡控制掃描出當(dāng)前層片的模型。然后成型缸再次下降一個(gè)層后，鋪粉輥返回初始位置，準(zhǔn)備下一層鋪粉，如此反復(fù)，最終完成零件的制造［4］。

2 兩缸工作模式的缺點(diǎn)

兩缸工作模式主要存在以下問(wèn)題:

(1)兩個(gè)工作缸體需要兩套運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(包含了電動(dòng)機(jī)、減速器、絲杠、導(dǎo)向桿等)分別控制缸體的上下運(yùn)動(dòng)，因此所需原器件數(shù)目多，成本增加。

(2)由于兩缸工作模式的兩套運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)所占體積比較大，使得工作臺(tái)面相應(yīng)增大，設(shè)備整體體積隨之增大。

(3)在電路控制部分，需要兩套控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的電器元件(包含有繼電器、端子、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器等)，相對(duì)應(yīng)的限位器、基板加熱棒、溫控儀等。這使得電路板線(xiàn)路增多，體積增大，引起設(shè)備體積增大。并且相關(guān)原器件的增多，也帶來(lái)了成本增加。

因此，本文將使用單缸工作模式替代原有的兩缸工作模式，設(shè)計(jì)一種新的送粉機(jī)構(gòu):落粉盒，替代原有的送粉缸，通過(guò)落粉盒下落粉末實(shí)現(xiàn)粉末的供給。這樣大大地減小設(shè)備整體體積，以及減少原器件數(shù)目，降低設(shè)備制造成本。

3 SLM鋪粉裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 刮刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

刮板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)鋪粉的質(zhì)量有著重要的影響。鋪粉質(zhì)量主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:均勻性和致密性。它們直接影響著工件的密度，從而影響工件的強(qiáng)度、硬度等性能［5］。

在大多數(shù)SLS和SLM設(shè)備中所使用的鋪粉方式為輥筒鋪粉［6］。輥筒鋪粉對(duì)粉末存在著滾壓作用，因此所鋪出的粉末致密性高，均勻性好，制造出的工件質(zhì)量高［5］。但是存在著以下幾點(diǎn)缺陷:(1)由于其對(duì)粉末存在滾壓作用，導(dǎo)致鋪粉量增加，相應(yīng)的送粉缸體積增大，設(shè)備總體積增大，設(shè)備成本上升。(2)輥筒本身表面質(zhì)量要求高，耐磨，平整光潔，制造成本高。(3)輥筒的拆裝復(fù)雜，對(duì)更換提高了難度。

由于本文所制造的設(shè)備更多的用于實(shí)驗(yàn)研究，在實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中，存在著各種各樣的實(shí)驗(yàn)參數(shù)試驗(yàn)，失敗品比較多，使用輥筒方式鋪粉，很容易被失敗品刮傷輥筒表面，造成輥筒報(bào)廢，所以需要易更換，低成本的鋪粉模塊。為了克服輥筒方式的不足，本文利用了刮刀方式來(lái)代替輥筒方式進(jìn)行鋪粉。刮刀鋪粉運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖2所示。相比輥筒方式，刮刀方式的優(yōu)點(diǎn)有:(1)成本低。(2)易于拆裝，待刮刀磨損后，更換難度低。刮刀材料選用耐高溫，耐磨性好的硅橡膠。

3.2 落粉盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了減少兩缸工作模式引起的設(shè)備體積增大，成本增加問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種新的送粉結(jié)構(gòu)，落粉盒。利用定量落粉的方式將粉末送至鋪粉刮刀前面，再進(jìn)行刮刀鋪粉。

(1)落粉盒的組成:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，落粉盒主要是由兩塊V形平板、兩塊側(cè)板、上槽板、下槽板以及落粉推拉板通過(guò)螺釘連接組成，固定在落粉盒固定基板上。落粉推拉板在上下槽板內(nèi)可以前后運(yùn)動(dòng)，由此來(lái)控制粉末的開(kāi)始下落和停止下落。

(2)粉盒形狀的設(shè)計(jì):粉末是大量的微米級(jí)顆粒組成的一種分散介質(zhì)，顆粒之間是相互分離的［7］，存在著一定的摩擦力，這影響了粉末的流動(dòng)性，比液體流動(dòng)性差。因此將落粉盒設(shè)計(jì)成V形，角度為60°，加強(qiáng)粉末向下流動(dòng)性，使粉盒落粉順利。

(3)落粉推拉板槽間距設(shè)計(jì):如圖4所示，落粉推拉板的內(nèi)槽間距決定著落粉速度和落粉量，因此分別設(shè)計(jì)間距為10 mm、7 mm、5 mm、3 mm的落粉推拉板進(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)試。落粉示意圖如圖5所示。最終結(jié)果表明:10 mm間距太大，粉末下落速度過(guò)快，不利于控制粉末下落量;7 mm間距，粉末下落速度比較快，控制粉末下落量比較困難;而5 mm和3 mm間距適合，粉末下落速度合適，易于控制落粉量，但是由于粉末不斷反復(fù)使用，其流動(dòng)性逐漸變差，因而使用3 mm間距時(shí)，會(huì)出現(xiàn)粉末不下落問(wèn)題。因此落粉推拉板選取間距為5 mm。

4 單缸工作模式工作原理

鋪粉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，工作原理為:圖3所示落粉盒內(nèi)的落粉推拉板因彈簧彈力緊靠一側(cè)，這時(shí)推拉板的槽縫與上下槽板錯(cuò)開(kāi)，將粉末困于粉盒內(nèi)。鋪粉運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)位于最前側(cè)，成型缸通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)精確地下降一個(gè)層厚，鋪粉運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)向后運(yùn)動(dòng)，通過(guò)撞快撞擊到落粉推拉板兩側(cè)，如圖7a所示，帶動(dòng)推拉板一起向后運(yùn)動(dòng)到限定位置，如圖7b所示，這時(shí)推拉板的槽縫與上下槽板相齊，粉末下落到落粉導(dǎo)板上，其作用是防止粉末下落產(chǎn)生飛濺，并引導(dǎo)粉末匯聚至刮刀前側(cè)。粉末下落完成，鋪粉運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)向前運(yùn)動(dòng)，將落好的粉末鋪平在成型缸表面。當(dāng)撞快隨鋪粉機(jī)構(gòu)向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，推拉板會(huì)因彈簧彈力逐漸恢復(fù)到初始狀態(tài)，粉末再次困于粉盒。鋪粉運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到最前端后，完成鋪粉工作，多余的粉末會(huì)落入最前端的回收粉盒內(nèi)。隨后激光掃描當(dāng)前層片模型，接著成型缸再次下降一個(gè)層厚，鋪粉機(jī)構(gòu)進(jìn)行鋪粉，如此反復(fù)，完成零件的三維制造。

5 SLM鋪粉裝置實(shí)物

根據(jù)單缸工作原理所設(shè)計(jì)制造的鋪粉裝置實(shí)物如圖8a所示，利用軟件可以控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)停留在限位的時(shí)間，以此來(lái)控制落粉量，如圖8b所示，利用此裝置鋪粉結(jié)果如圖8c所示。鋪粉過(guò)程如圖9所示。

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了落粉盒鋪粉裝置，代替了原有的送粉缸鋪粉，減小了設(shè)備體積并降低了設(shè)備的制造成本。并且設(shè)計(jì)的裝置可以成功實(shí)現(xiàn)定量落粉和平實(shí)地進(jìn)行粉末鋪設(shè)，滿(mǎn)足SLM設(shè)備的設(shè)計(jì)要求。