楊高峰

(榆林化工能源學院 陜西 榆林 718100)

前言

選擇性激光燒結(Selective Lasers Sintering，簡稱SLS)技術是20世紀90年代初RP技術中發(fā)展起來的又一種全新的原型制作方法，它以各種粉末材料(如石蠟、聚碳酸脂、石英砂、陶瓷以及金屬等粉末)為加工對象[1]。SLS燒結設備，主要由掃描器、鋪粉機構、激光源、預熱裝置和計算機控制系統(tǒng)等部分組成[2]。它采用具有動態(tài)聚焦功能的振鏡掃描結構，因此，其掃描速度較其它種類的快速成形系統(tǒng)有相當程度的提高，最高掃描速度由具體的動態(tài)掃描系統(tǒng)確定，一般燒結速度可達2 m/s，故成形效率更高。SLS系統(tǒng)基本上采用開環(huán)的Z軸位置控制結構，即不必實時測量零件的實際高度[3]；與LOM(分層物體制造——Laminated Object Manufacturing)中的送紙、收紙結構功能類似，SLS系統(tǒng)采用了自動鋪粉機構完成材料準備[4]。另外，由于加工材料的要求，系統(tǒng)應具有對材料的預熱功能，非接觸式測量環(huán)境溫度，通過溫度傳感器或者專門的測溫儀檢測溫度。

激光燒結成形過程為：首先在工作臺面上均勻地鋪上一層很薄(0.08～0.3 mm)的熱敏粉末，輔助加熱裝置將其預熱到粉末熔點(粘結劑的軟化溫度)以下的溫度，在這個均勻的粉末層面上，計算機在經過數(shù)據處理得到零件的CAD實體模型的二維剖面后，再控制激光按照設計零件的當前層截面信息進行選擇性燒結，被燒結粉末固化在一起形成零件的實體部分[5]。然后，在計算機的控制下，工作平臺降低一定的高度，鋪粉機構鋪設一層很薄的粉末，激光束開始新一層的掃描燒結，層厚一般控制在0.08～0.30 mm范圍內。系統(tǒng)不斷重復這一過程，直到層加堆積成三維實體零件[6]。燒結過程結束后，去除未被燒結的松散粉末，就得到了坯件，將此坯件進行二次燒結或浸漬等后處理，便可得到最終所需零件[7]。

影響SLS 制件精度的因素很多，包括SLS 設備的性能和精度、激光特性參數(shù)、預熱溫度、燒結掃描路徑的選擇以及燒結層數(shù)的設置等，這些都會引起制件的燒結精度和變形[8]。當然還有其他一些影響因素沒有提到，比如燒結材料的性能等。為了獲得更高的制件精度，還必須不斷地對現(xiàn)有設備的鋪粉裝置部分進行優(yōu)化，在激光參數(shù)的設置上找出更好的選擇，以及對掃描路徑找出更好的控制部分，這還需要我們做大量的工作?？焖俪尚渭夹g是一項包括精密機械學、CAD、計算機、激光、控制技術和材料科學等諸多學科領域的一門綜合學科，因而它的研究內容廣泛而復雜。課題的主要研究內容和其主要工作如下:

鋪粉裝置對激光選區(qū)燒結成形的影響規(guī)律分析，主要從鋪粉裝置的機構因素、環(huán)境溫度、掃描路徑以及鋪粉厚度出發(fā)進行探討，以此提高制件的精度。

鋪粉裝置的設計，通過現(xiàn)有激光燒結設備，并根據機構所要實現(xiàn)的動作進行機構設計和機構選型，達到提高設備工作效率和自動化的目的。

控制部分的設計，對所設計機構進行必要的控制設計和控制器件的選型，并且對一些控制機構進行方向性的描述。

1 鋪粉裝置對激光選區(qū)燒結成形的影響規(guī)律分析

1.1 提升裝置對成形件的影響分析

提升裝置對燒結成形的影響主要來自于步進電機和滾珠絲杠，其中以步進電機影響最大。步進電機的精度通常是指靜態(tài)步距角誤差和靜態(tài)步距角積累誤差[9]。步進電機通過影響整個裝置的鋪粉厚度來影響成形件。激光燒結即每層燒結的厚度取決于步進電機的步距角和滾珠絲杠的導程，其計算式如下：

δ=a×p/360=0.01 mm

式中：a——步進電機步距角，度；

p——滾珠絲杠導程，mm。

從以上公式中可以看出，步進電機的步距角累計誤差越大，鋪粉厚度越薄。因此，成形件燒結完成后的尺寸會相應小于所設計外形尺寸。

1.2 鋪粉裝置對成形件的影響分析

鋪粉裝置對成形件的影響主要來自于鋪粉輥，通過對現(xiàn)有設備的工作過程分析，鋪粉輥對制件的精度影響主要來自兩個方面：首先，最主要的是當輥筒自左向右運動時，由于粉末與底層已經燒結好的工件之間存在摩擦力，很可能會使已燒結好的工件部分向輥筒運動方向發(fā)生偏移，從而破壞了制件的燒結精度。其次，當輥筒進行鋪粉運動時，粘在輥筒上面的粉末會隨著輥筒的運動被拋灑在已經鋪好粉末的工作區(qū)，破壞粉末的均勻性。為了解決上述問題，采用推板進行推粉，此時推板的設計應該和工作臺有一定的間隙，防止已燒結件的偏移，接著再用輥筒進行壓實。為了解決拋灑粉末問題，可在輥筒上開一螺旋槽，對拋灑方向進行干預。

1.3 密封裝置對成形件的影響分析

由于有些材料在燒結時容易被氧化，所以必須設計密封保護裝置，并在工作時候通以保護氣(如N2、CO2)，防止材料被氧化。如果保護氛圍不好，那么容易被氧化材料在有氧條件下，在激光的燒結下燃燒起來，導致制件的力學性能和表面質量下降，更可能引起燒結過程的失敗。所以設備配備密封裝置是非常重要的，特別是對于容易氧化的材料。

1.4 激光振鏡參數(shù)的影響

影響制件精度的激光特性參數(shù)主要有激光功率、掃描速度、掃描間距、激光振鏡的開關延時等[10]。這些參數(shù)之間都存在著相互的制約關系。當掃描速度較快、輸出功率較低時，粉末材料的受熱溫度就會很低，由于被照射的粉末受熱不夠，粘結不牢固，制件很容易分裂，尺寸也會放大；反之，當掃描速度較低，輸出功率較高，粉末材料的溫度也就越高，受照射粉末會在掃描方向上發(fā)生收縮，從而引起掃描燒結直線的彎曲變形。至于變形的方向則由掃描間距來決定，當掃描間距大于激光光斑直徑時，掃描燒結直線的變形方向將變?yōu)橄騻让媛N曲；反之，其變形方向為向上翹曲。在一層粉末掃描完成后，可以發(fā)現(xiàn)邊界翹曲現(xiàn)象，樣件成形后，輪廓有明顯的翹曲。實驗表明，掃描速度越慢，激光輸出功率越大，其翹曲現(xiàn)象越明顯。為獲取良好的樣件質量，掃描速度和激光輸出功率應進行匹配，在實驗基礎上進行優(yōu)化選擇。表1列出了諸因素與制件精度之間的關系。

表1 激光功率、掃描速度和掃描間距對制件精度的影響

激光開關延時是指產生激光的電脈沖對指令的時間延時，延時的多少與掃描速度相關聯(lián)。激光的開延時太短，掃描矢量的開始端會產生“過燒”[11]；開延時太長，掃描矢量的開始端將不會燒結；關延時太短，掃描矢量的末端將不會燒結；關延時太長時，掃描矢量的末端將會“過燒”。同樣，振鏡的開關延時也會產生類似的影響，因而只有合適的延時參數(shù)才會產生均勻的掃描線，制件的精度才會高。研究表明，減小掃描間距可以減小制件表面的粗糙度，但減小掃描間距導致制件翹曲的趨向會增大。

1.5 加工過程中溫度場的影響

在SLS系統(tǒng)中，預熱溫度是重要的工藝參數(shù)之一。粉末的預熱溫度直接決定了燒結深度和密度[12]。如果預熱溫度太低，由于粉層冷卻太快，熔化顆粒之間來不及充分潤濕和互相擴散、流動，燒結體內留下大量空隙，導致燒結深度和密度大幅度下降，使成形件質量受到很大的影響。隨著加熱溫度的提高，粉末材料導熱性能變好(同時低熔點有機成分液相數(shù)增加，有利于其流動擴散和潤濕，可以得到更好的層內燒結和層間燒結，使燒結深度和密度增加，從而提高成形質量)。但是，若預熱溫度太高，又會導致部分低熔點有機物的碳化和燒損，反而降低燒結深度和密度。為了提高制件的精度，在HRPS 系列設備上做了大量實驗，總結出了幾種有效的溫度控制方式：

1)模糊控制方式。將操作經驗總結成控制規(guī)則，據此制造一個“模糊控制器”，來代替人對復雜的加工過程進行控制。在“模糊控制器中”寫入溫度差值及其變化率和相應的控制信息，也就是說，根據偏差和偏差變化率綜合進行權衡和判斷。從而保證系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性，減少超調量及振蕩現(xiàn)象。實驗表明這種方法可以明顯提高制件的精度。

2)基于零件切片的自適應控制，即用溫度檢測模塊與溫度控制兩個功能模塊組成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。溫度檢測利用熱電偶或者紅外測溫儀采集微弱信號，并經溫度數(shù)字儀放大，再傳入A/ D轉換板，然后進行數(shù)據處理及溫度顯示。溫度控制模塊則是把采集的數(shù)據分析和按一定的控制算法計算后得出控制量，由A/D轉換板輸出，通過控制可控硅的觸發(fā)電壓而控制加熱管的輸出功率，最終使加熱能量變化，這種方法效果也很明顯。

1.6 掃描路徑的影響

目前掃描路徑的生成主要有2種方法：一種是逐行掃描，每一段路徑均互相平行，在邊界線內往復掃描，也稱為Z 字路徑；另一種是輪廓環(huán)掃描，掃描路徑由輪廓的一系列等距平行線構成，激光光斑就沿這些平行線逐層掃描。

逐行掃描又分為2種掃描方法：一種是單向掃描，掃描起始點在同一端，每條掃描線之間有很大的空跳，所以這種掃描方式很少被采用；另一種是雙向掃描，就是相鄰掃描線的起始點在不同的兩端，這樣可以減少空跳距離，但是這種方法需要頻繁開關激光，必須很好的調節(jié)各種延時參數(shù)，不然很容易引起制件收縮變形。輪廓環(huán)掃描在連續(xù)不斷的掃描過程中掃描線經常改變方向，使得收縮引起的內應力方向分散，減小了翹曲的可能，制件的表面均勻。但這種算法效率不高，影響了成形的效率。

因此，目前大都采用連貫性逐行掃描。但是由于這種掃描方式本身存在著缺陷，必須對它的路徑進行優(yōu)化。采用這種方式時，當遇到孔洞的層面時，還不可避免地會用到很多延時，這同樣會出現(xiàn)以上提到的設置延時參數(shù)的問題，而且在分區(qū)交界處還會有粘結不緊密的問題。

針對這些問題，通過在相鄰掃描層面間采用變向掃描的方法來解決。所謂變向掃描，就是在完成一個層面的添充掃描后，下一層的掃描線方向旋轉一個角度(一般為90°)，這樣可以避免相鄰層面局部的燒結缺陷不至于重合，使得工件的內部組織結構合理，力學性能更優(yōu)。

1.7 燒結層厚對精度的影響

燒結層厚對制件的精度和表面光度影響很大，一般認為層厚越小精度越高，零件的表面光潔度也越高[13]；這在燒結斜面、曲面等形狀的零件時最為明顯。但當切片層厚太薄時，層片之間很容易產生翹曲變形，并且切片層厚越薄制件的燒結時間越長。建議設置每層厚度為0.1 mm。

2 鋪粉裝置的設計

2.1 鋪粉機構選型及論證

2.1.1 采用步進電機作為送粉缸和成形缸的驅動裝置

步進電機是一種將電脈沖信號轉換成直線位移或角位移的驅動器，它具有獨特的優(yōu)點：步距值不易因為電氣、負載、環(huán)境等條件的變化而變化，使用開環(huán)控制或者半閉環(huán)控制就能進行良好的定位控制；起制動、正反轉、變速等控制方便；價格便宜，可靠性高等；并且步進電機與單片機技術相結合、使其優(yōu)點得到充分發(fā)揮?；谝陨显颍俳Y合本裝置的特點，所以選用步進電機對鋪粉厚度進行控制。

2.1.2 采用滾珠絲杠模塊作為送粉缸和成形缸的傳動裝置

滾珠絲杠精度高，摩擦阻力小，是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件。其主要功能是將旋轉運動轉換成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。 滾珠絲杠具有如下特點：

1)與滑動絲杠副相比驅動力矩。由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動運動，所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅動力矩達到1/3以下，即達到同樣運動結果所需的動力為使用滾動絲杠副的1/3，在省電方面效果顯著。

2)高精度的保證。滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機械設備連貫生產出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面，對溫度和濕度進行了嚴格的控制，由于完善的品質管理體制使精度得以充分保證。

3)微進給可能。滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動，所以啟動力矩極小，不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象，能保證實現(xiàn)精確的微進給。

4)無側隙、剛性高。滾珠絲杠副可以加予壓力，由于予壓力可使軸向間隙達到負值，進而得到較高的剛性(滾珠絲杠內通過給滾珠加予壓力，在實際用于機械裝置等時，由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強)。

5)實現(xiàn)高速進給。滾珠絲杠由于運動效率高、發(fā)熱小，所以可實現(xiàn)高速進給(運動)。

基于以上原因，所以選擇滾珠絲杠作為送粉缸和成形缸的傳動機構。

2.1.3 采用氣動裝置作為鋪粉裝置的驅動裝置

氣壓傳動系統(tǒng)的介質是空氣，它取之不盡用之不竭，用后的空氣可以排到大氣中去，不會污染環(huán)境。且氣源的獲取比較容易，在當今的工廠里，壓縮空氣輸送管路像電氣配線一樣比比皆是。這是氣壓傳動系統(tǒng)成本低的一個主要因素。氣壓傳動的工作介質粘度很小，僅為油液的百分之一，所以流動阻力很小，壓力損失小，便于集中供氣和遠距離輸送。不像液壓傳動那樣在每臺機器附近要設置一個動力源，因此使用方便。氣壓傳動工作環(huán)境適應性好。在易燃、易爆、多塵埃、強輻射、振動等惡劣工作環(huán)境下，仍能可靠地工作。氣壓傳動有較好的自保持能力。即使氣源停止工作，或氣閥關閉，氣壓傳動系統(tǒng)仍可維持一個穩(wěn)定壓力。而液壓傳動要維持一定的壓力，需要有能源工作或加蓄能器。氣壓傳動在一定的超負載工況下運行也能保證系統(tǒng)安全工作，并不易發(fā)生過熱現(xiàn)象。氣壓傳動系統(tǒng)的工作壓力低，因此氣壓傳動裝置的推力一般不宜大于10～40 kN，僅適用于小功率場合，在相同輸出力的情況下，氣壓傳動裝置比液壓傳動裝置尺寸大。氣壓傳動動作速度和反應快。液壓油在管道中流動速度為1～5 m/s，而氣體流速可以大于10 m/s，甚至接近聲速。因此在0.02～0.03 s內即可以達到所要求的工作壓力和速度。

2.1.4 采用直線導軌作為鋪粉裝置的傳動裝置

直線導軌摩擦阻力小，機械運動靈活。它有以下幾個特點：

1)定位精度高，重現(xiàn)性佳。直線導軌為滾動運動方式，摩擦系數(shù)特別小，尤其靜摩擦力與動摩擦力的差距很小，即使在微量進給時也不會有空轉打滑的現(xiàn)象，解析能力與重現(xiàn)性最佳，因此可以實現(xiàn)微米級的定位精度。

2)低摩擦阻力，可長時間維持精度。直線導軌的滾動摩擦力可減小至滑動導軌摩擦阻力的1/20～1/40，尤其潤滑結構簡單，使得潤滑容易，效果優(yōu)良；摩擦接觸面的磨耗最低，因此可以長時間維持行走精度。

3)可承受4方向的高負荷能力。幾何力學結構的最佳設計，可同時承受徑向、反徑向與橫方向的負荷，并保持行走精度，同時可輕易藉由施于預壓與滑塊數(shù)量，就可以提高起性能與負荷能力。

4)適合高速化之應用。由于摩擦阻力小的特性，導軌對設備的驅動力需求低，節(jié)省能源，運動磨耗小，溫升效應低，可同時實現(xiàn)機械小型化與高速化需求。

5)組裝容易并具有互換之特性。直線導軌的安裝只要在銑削或研磨加工的安裝面上，以一定的組裝步驟，即能重現(xiàn)直線導軌的加工密度，可降低傳統(tǒng)鏟花加工的時間與成本；并且其可互換之特性，可以將滑塊任意配裝在同型號的滑軌上，同時又保持相同的順暢度與精密度，機臺組裝最容易，維修保養(yǎng)最簡單、容易。

2.1.5 密封裝置

為防止加工材料在燒結時被氧化，在工作臺上方裝置密封箱。這樣本裝置的適用范圍會更廣泛，適用材料的范圍更寬。本裝置的總體結構簡圖如圖1所示。

圖1 總體結構簡圖

2.2 送粉缸及成形缸的設計

2.2.1 步進電機的選型

步進電機具有步距角不易變化，起動制動、正反轉、變速等控制方便、簡單的特點，所以本裝置選擇用步進電機作為驅動。在選擇步進電機時首先考慮的是步進電機的類型，其次才是具體品種的選擇。

確定步進電機的類型：由于本裝置要求提升裝置精度高，動態(tài)響應快。所以選擇混合型步進電機。確定脈沖當量：根據裝置的加工精度要求，選擇步進電機的脈沖當量為0.01 mm。步進電機步距角的選擇：選擇步進電機的步距角為0.9°。

2.2.1.1 轉動慣量計算

在旋轉運動中，物體的轉動慣量J對應于直線運動中的物體質量。要計算系統(tǒng)在加速過程中產生的動態(tài)載荷，必須計算物體的轉動慣量J和角加速度ε，然后得慣性力矩:

T=Jε

物體的轉動慣量為：

式中：dv——體積元；

ρ——物體密度，kg/m3；

r——體積元與轉軸的距離，kg·m2。

則：

式中：L——長度，取值252 mm；

D——直徑，取值10 mm；

ρ——不銹鋼密度，取值7.19×103kg/m3。

將負載質量換算成電機輸出軸上的轉動慣量，滾珠絲杠傳動結構與公式如下：

式中：W——可動部分總重量，kg；

Bp——絲杠螺距，mm；

GL——減速比。

所以，按照設計要求，將鋪粉厚度設為0.1 mm。

步進電機去步距角為0.9°的混合型，即400轉轉一周；選絲杠螺距為4 mm，則步進電機每個脈沖絲杠走0.01 mm。每次鋪粉需10個脈沖。其中：鈦粉密度ρ=4 510 kg/m3；送粉缸體積為：V=1.18×10-3m3。則 W=5.7 kg，J1=11.40×10-4。

2.2.1.2 加速度計算

若要控制系統(tǒng)定位準確，物體運動必須有加減速過程如2所示。

圖2 步進電機加減速過程示意圖

混合式步進電機的加速時間為0.5 s。

ε=Wmax/t=2 400 rad/s2

2.2.1.3 步進電機的力矩計算

T=(J×ε+TL)/η=107.78×10-3

式中：TL——系統(tǒng)外力折算到電機上的力矩；

η——傳動系統(tǒng)的效率，取0.9。取安全系數(shù)為1.2。則：T=129.33×10-3

綜上由手冊查得：選取步進電機的類型為MT35ST36-1004A(單伸軸)

2.2.2 步進電機與絲杠連接處聯(lián)軸器的選型

1)聯(lián)軸器類型的選擇。由于所連接的兩軸的直徑不同，所以選擇變徑聯(lián)軸器。

2)聯(lián)軸器的校核。由于裝置啟動時的動載荷和運轉中可能出現(xiàn)的過載現(xiàn)象，所以應當按照軸上的最大轉矩作為計算轉矩Tca。計算轉矩按照下式計算：

Tca=KAT

式中：Tca——公稱轉矩，N·m;

KA——工況系數(shù)，本裝置KA取1.3。

經計算：Tca=140.11×10-3

3)確定聯(lián)軸器的型號。根據計算轉矩Tca及以下公式：

Tca≤[T]

所以，選擇聯(lián)軸器型號為GTB1。

2.2.3 提升裝置(滾珠絲杠)的選型

由裝置產品手冊選擇型號為SHTC—靈活型，本系統(tǒng)的特別之處是設計了自由滑動長度，在短短兩底塊的基礎上形成滑動。兩者之間的距離很容易被調整，以適應特定的應用要求。更特別的是本系統(tǒng)可以垂直應用與懸臂負荷。

2.2.4 送粉缸和成形缸的設計

送粉缸機成形缸裝置如圖3所示，其中左右兩缸是送粉缸筒，中間是成形缸筒，因為送粉缸上升的高度和成形缸下降的高度相同，為了鋪滿成形缸，所以設計的送粉缸尺寸比成形缸尺寸大。燒結開始第一層后，成形缸筒內活塞下降距離δ，送粉缸筒(左)內活塞上升距離δ，送粉缸筒(右)內活塞不動，鋪粉輥筒自左向右推粉運動，將粉末均勻地鋪在燒結區(qū)，進行第一層燒結；當?shù)谝粚訜Y完畢后，成形缸筒內活塞再下降距離δ，送粉缸筒(左)內活塞上升距離δ，送粉缸筒(左)內活塞不動，鋪粉滾筒自右向左推粉運動，將粉末均勻的鋪在燒結區(qū)，進行第二層燒結。以此過程不斷進行燒結，直至模型燒結完畢。活塞的上升和下降有步進電機進行驅動，為了使上升和下降的位移更加精確，又由步進電機驅動滾珠絲杠模塊來帶動活塞運動。

圖3 送粉缸和成形缸在裝置中的位置簡圖

送粉缸和成形缸的設計形式一樣，不同的是兩者之間的筒徑的尺寸，所以下面以送粉缸為例，對兩缸的設計進行說明。送粉缸缸筒有兩部分組成：一部分是法蘭，另一部分是缸筒。這樣設計主要是為了便于加工，降低成本。圖4所示為送粉缸和其法蘭盤。

圖4 送粉缸(左)和法蘭盤(右)

本結構還在活塞桿和活塞連接處運用了十字連結，使用此結構的目的主要是為了防止活塞在活塞缸中由于摩擦力太大使活塞卡在送粉缸中使機構無法運動，此十字聯(lián)結的適用增加了活塞桿和活塞連接處的自由度，有效的解決了這個問題。十字聯(lián)結的具體結構如圖5所示。

圖5 十字聯(lián)結的結構示意圖

活塞和缸筒壁之間有一定的配合間隙，間隙太大則導致粉末從間隙漏過，間隙太小則加工成本高，且活塞比較容易被卡住。為了解決這一問題，在活塞上壓一層毛氈起到密封的作用，這樣活塞與筒壁之間的間隙可以選得比較大，降低加工難度，同時也不會發(fā)生漏粉和活塞卡住的現(xiàn)象。激光燒結即每層燒結的厚度取決于步進電機的步距角和滾珠絲杠的導程，其計算如下：

δ=0.9×4/360=0.01 mm

2.3 鋪粉裝置的的設計

2.3.1 總體裝置的設計

本裝置選用氣動裝置的原因：一是因為氣動裝置清潔，在密封狀況下不會污染環(huán)境；二是因為氣動裝置可以滿足本系統(tǒng)的要求，實現(xiàn)所需要的動作要求；更重要的是為了在這次設計中得到全方位的訓練。

本裝置的鋪粉系統(tǒng)采用氣動驅動鋪粉輥，鋪粉輥通過支撐架固定在滾動導軌副上，通過導軌副來回移動進行鋪粉動作。鋪粉裝置示意圖如圖6所示。

圖6 鋪粉裝置示意圖

由圖6可知，支持架1及推板2在氣動裝置3的拖動下可以來回移動，鋪粉輥筒4固定在支持架1上，推板2也固定在支持架1上，鋪粉滾筒用密度比較大的材料做成，可以在摩擦力的作用下自由轉動，起到一個對所鋪粉末壓實的作用。支持架上自帶雙向推板，可以完成推粉的任務。同時推板可以進行通過調節(jié)裝置5上下調節(jié)，來調整所預留粉末的厚度，以此作為進行壓實的基礎。鋪粉時，氣動裝置推動支持架推粉運動，而鋪粉輥在自重的作用下再進行壓實，這樣燒結出來的產品質量才會好。

2.3.2 氣缸的選擇

2.3.2.1 氣缸的類型的選擇

根據本系統(tǒng)所要實現(xiàn)的動作要求及氣缸的工作特性，選擇固定式雙作用活塞式氣缸。

2.3.2.2 氣缸的主要尺寸及其結構的設計

氣缸直徑的設計：由制件的尺寸及要求得所要求的行程為L=474 mm，又有公式：

L=(0.5×5)×D

其中：L——氣缸行程；

D——氣缸直徑。計算得氣缸直徑：D=100 mm。

氣缸缸筒的設計：

1)汽缸筒的長度l設計。有公式：l≥L+H

其中：L——氣缸的行程；

H——氣缸中活塞的寬度。計算得：L=474 mm，H=10 mm，取l=500 mm。

2)氣缸筒的壁厚。氣缸筒的壁厚δ可利用薄壁圓筒的強度計算公式來確定：

δ=(pD/2[σ])+C

上式中：p——氣缸工作壓力，MPa；

D——氣缸內徑，mm；

[σ]——氣缸材料的需用拉應力，MPa；

σb——缸體材料的抗拉強度；

n——安全系數(shù)，一般取6∶8；

C——未來考慮到剛度，加工制造，腐蝕等要求所加的余量。

由氣動手冊查得：材料為45鋼的氣缸[σ]=120 MPa。又由上知D=100 mm，所以得壁厚δ=8 mm。

3)氣缸進排氣口直徑。氣缸進排氣口直徑d0的大小，直接決定了氣缸進氣速度，也決定了活塞的運行速度。應加以重視，直徑d0的確定可根據空氣流經排氣口的速度[v]來計算，一般取[v]=10～25 m/s，因而有以下公式：

經計算得：d0=15 mm。

活塞的結構設計：活塞的功用是將壓縮空氣的壓力能轉變?yōu)闄C械能。由于活塞要頻繁往復運動，又要間隔兩腔空氣，因此就要保證其耐磨和密封。目前多采用鑄鐵活塞及O型或Y型密封圈實現(xiàn)密封。本裝置采用O型密封圈實現(xiàn)密封?；钊耐鈴郊词菤飧椎膬葟剑叩呐浜暇?，一般多采用H8/f9配合，活塞表面粗糙度Ra=0.8 μm?；钊膶挾热Q于密封圈的排數(shù)，一般多采用雙排密封圈。本活塞的寬度為10 mm?；钊麠U的作用是將活塞轉換出的機械能以機械力的形式推動負載運動。按照《液壓與氣動傳動》表13-1，由活塞缸的直徑選擇得活塞桿的直徑取15 mm。另外，為了防止氣缸在行程末端時，活塞以很大的速度撞擊端蓋，引起氣缸震動和損壞，采用帶有緩沖裝置的緩沖氣缸。

綜合上面的計算尺寸及其功能，由氣動手冊查得選用氣缸的型號為JB100×500-G(腳架式)。

2.3.2.3 氣缸電磁閥的選擇

氣源三聯(lián)件根據上面計算出來的進口要求壓力選擇型號為QFLJWB-L15，其進口壓力為0.4 MPa。并根據氣缸所要實現(xiàn)的動作特點及要求，電控閥采用雙電控二位五通換向閥，型號為QFLJWB-L15。

2.3.3 滾動導軌副的設計選擇

為了達到鋪粉輥來回鋪粉的功用，本系統(tǒng)選擇滾動導軌副來實現(xiàn)這個動作。因為THK公司的HR型具有自動調節(jié)能力，即使兩軸的平行度和水平度較差，也能吸收誤差，從而得到高精度、平滑穩(wěn)定的直線運動。并且它還可以以各種各樣的姿勢使用。所以選擇THK個公司的LM滾動導軌副，具體型號選擇HR1123，尺寸如所附零件圖。

2.3.4 鋪粉輥子及其推板的設計

鋪粉裝置的設計好壞對鋪粉的均勻性起著決定性的作用，而鋪粉的均勻性又直接影響著燒結的質量，鋪粉裝置的設計有以下幾個關鍵方面：

1)輥子轉動時自帶粉末的處理。盡管推板在輥筒壓實之前已經自帶一小部分粉末，然后在離心力的作用下拋撒已經鋪均勻，但是輥筒在壓實的時候還是會壓實過的地方。為了解決這個問題，本系統(tǒng)設計了雙向推板，一方面雙向推板可以實現(xiàn)雙向鋪粉的要求，提高了效率；另一方面，雙向推板可以解決這個問題，當鋪粉輥筒拋撒粉末時，后面的推板可以把拋撒的粉末推走，使鋪粉均勻，從而給燒結提供一個好的前提。如果輥筒只發(fā)生純滾動，輥筒與粉末接觸點處的相對速度可以認為是零，這時粉末只受到如圖7所示正壓力F的作用，其分力F1推動粉末向前運動，分力F2對粉末起到壓實的作用。如果F2遠大于F1，則有可能輥筒直接從粉末上碾過而不能起到鋪粉的作用。在這種情況下設計了雙推板裝置，可以預先達到鋪粉的作用，而輥筒的作用是壓實，可以實現(xiàn)。

2)輥子半徑的設計。輥筒的作用是壓實，所以輥筒的質量要盡可能的大，這樣F2才能大，壓實的效果才能好。為了達到這個目的，一方面可以使制作輥筒材料的密度相對大些；另一方面，可以使輥筒的半徑盡可能的大。

圖7 鋪粉輥筒轉動時粉末受力示意圖

3)輥子表面的設計。輥筒表面的粗糙度直接影響鋪粉壓實后粉末的表面質量。輥筒表面過于粗糙時會使已鋪好粉末的燒結區(qū)產生劃痕，影響鋪粉的均勻性。但當輥筒的表面過于光滑，滾筒打滑，使得粉末同已燒結好的零件產生向后的偏移，影響燒結精度，同時也會影響鋪粉的均勻性。為了解決這一問題，在輥筒上開一螺旋槽，其截面形狀如圖7所示，這樣鋪粉時螺旋槽既不會影響鋪粉的表面質量，而且也不會打滑，從而提高燒結件的質量和精度。

4)推板結構的設計。推板的功能是推粉，使粉末達到第一次鋪粉(第二次鋪粉由輥筒實現(xiàn))。所以設計為推板，又由于本裝置要求雙向都可以實現(xiàn)推粉功能，所以設計為雙向推板。同時，更重要的是要考慮推板所應提升的高度，這是因為假如推板的下表面直接與工作臺接觸，那么輥子就基本上起不到作用。所以，考慮此原因，必須使推板離工作臺有一定的距離，并且這個距離應該可以調節(jié)，因為每種材料的密度是不一樣的，所以壓實的效果還要看推板給輥子留下的粉末厚度。

綜上所述，所以要把推板設計成具有調節(jié)高度功能，為了達到此效果，本設計用自動調節(jié)螺母來實現(xiàn)此功能。具體設計的推板簡圖如圖8所示。

圖8 鋪粉推板簡圖

同時，因為推粉一定要推滿成形缸，所以推板的設計寬度要比成形缸的直徑大一些。

輥子架的設計：為了降低加工難度，降低加工成本，所以輥子架由3部分組成，分別是支撐軸1、軸承座2和推板連接架3，4是是焊接螺釘，5是焊接螺栓，6是調節(jié)螺母。最后再組裝。輥子架組裝示意圖如圖9所示。

圖9 輥子架裝配示意圖

2.4 密封裝置的設計

在激光快速成形技術中，由于金屬粉末暴露在空氣中，金屬燒結粉末材料在高溫燒結的條件下容易發(fā)生氧化。為了防止金屬粉末被氧化，采用氣氛保護裝置就成為根本的解決方法，為了使密封裝置既可以達到防止材料氧化的目的又可以對加工過程進行觀察的功用，密封裝置用改性有機玻璃板制成，改性有機玻璃的表面有按照尺寸設計的定位槽，這樣也有利于密封，其連接用特種膠水粘牢。

保護氣氛圍的建立方式是在工作腔中充入不活潑的氣體，通常是氨氣。保護性氣體的濃度維持在一定水平才能防止金屬粉末早燒結是的高溫環(huán)境下產生氧化作用。

本密封裝置采用改性有機玻璃作為材料，一方面改性有機玻璃容易實現(xiàn)密封，易于用特種膠進行沾接；另一方面改性有機玻璃是透明的，可以對燒結過程進行直觀的觀察。

本裝置主要由工作臺1，上板2，左板3，右板4，前板5，后板6以及右板上的門7組成。工作臺固定在機架上，工作臺上有成形缸口，2個送粉缸口以及2個殘粉收集口，具體設計如圖10所示。在圖10中由于視圖關系，看不見前板和后板。

圖10 密封裝置示意圖

上板上有激光掃描窗口，激光就是通過此口對金屬粉末進行燒結的，所以燒結口的中心一定要與成形缸的中心同心；左板上設計有兩個口，氣缸的活塞桿就是通過此口推動滾動導軌運動的，從而推動推板進行鋪粉，輥筒進行壓實的；右板上設計了一個門，這個門主要是用來加料和取出燒結件的，注意這個門的密封性一定要好，這個門的示意圖如圖11所示。

圖11 密封箱上門的示意圖

后板上設計有一個進氣口，主要是為了充入保護氣體，實現(xiàn)密封箱的保護氣氛圍，注意此進氣口盡量設計得開在后板下部靠近工作臺一側，因為這樣可以使的保護氣分布比較均勻；前板上設計有一個出氣口，此口是為了在充入保護氣時排出密封箱中的空氣，此口設計盡可能開在前板上部靠近上板一側，這樣也是為了使保護氣分布均勻。

2.5 殘粉收集裝置的設計

由于送粉缸所提供的粉末材料在鋪粉過程中有殘留，為了使工作臺上不積累粉末，所以必須設計殘粉收集裝置，此裝置上可以裝配上任何形狀的橡膠袋制品，非常方便。其裝置圖如圖12所示。

圖12 殘粉收集裝置示意圖

2.6 機架的設計

本裝置的機架主要材料為邊寬為50 mm的熱軋等邊角鋼，主要由其焊接而成，部分地方還用到了邊寬為70 mm的熱軋等邊角鋼。由于本裝置的質量不是很大，所以不需要對此進行受力分析，只要按形狀進行焊接即可。

3 控制部分的的設計

3.1 總體設計

3.1.1 總體方案

選擇性激光快速成形系統(tǒng)SLS具有成形速度快，材料利用率高的優(yōu)點。本套系統(tǒng)的控制部分主要由3個功能性模塊構成，即提升裝置控制模塊、氣動裝置控制模塊和輔助裝置控制模塊。這三個模塊之間相互聯(lián)系不多，基本上是獨立運作。提升裝置控制模塊包括工作平臺控制、送粉機構、成形機構等部分。氣動控制模塊包括氣動系統(tǒng)的控制，主要是對電磁閥的控制。輔助控制部分則包括溫度控制和各開關量的控制等部分。其系統(tǒng)整體構成圖如圖13所示。

圖13 系統(tǒng)整體構成圖

圖14 快速成形系統(tǒng)的機械運動與溫度控制的原理圖

具體動作協(xié)同運轉如下：

快速成形系統(tǒng)在燒結過程中，切片層厚度不變，每燒結完一層后工作平臺下沉設定的層厚高度，然后重新鋪粉。鋪粉輥左右交替運動，同時，鋪粉輥自轉，以維持鋪粉均勻與平整。 系統(tǒng)采用熱電偶測量兩個送粉缸和紅外測溫儀檢測燒結腔的預熱溫度和加熱溫度，對于不同的燒結材料，可以選擇適當?shù)念A熱溫度，并由計算機實現(xiàn)3個缸的溫度的閉環(huán)控制，以達到對溫度的要求。

快速成形系統(tǒng)的機械運動與溫度控制的原理如圖14所示。在控制計算機中除HC/2激光掃描控制板外，還安裝了3塊接口板PCL-818,PCL-839和6通道的D/A輸出DAC-7226。PCL-839用于控制3個步進電機的正反轉實現(xiàn)控制工作平臺和送粉缸的高度的目的，控制信號為脈沖輸出。同時，它還具有DI和DO的功能，DI主要處理鋪粉輥平移到左右極限和接近開關處時的輸入信號。DO主要輸出各個開關量的控制命令，如控制激光、振鏡、電磁閥的電源輸入的繼電器的開與關。

要使整個系統(tǒng)正常運轉，必須合理地選擇所需的硬件組合，需要從各方面考慮，如:系統(tǒng)功率、系統(tǒng)的穩(wěn)定性等。其中硬件的選擇是根據設備的設計要求進行的。由于本套系統(tǒng)采用的是雙缸送粉裝置和工作缸掃描相結合的燒結機構，因此在缸體驅動、鋪粉輥的驅動部分、控制板的選擇、加熱裝置的選擇等方面都要通過嚴格的計算和選擇。

3.1.2 工控板的選型

選擇什么樣的工控板作為控制元器件要根據實際的需要。因此，在選擇工控板前必須先計算好有多少開關量、A/D轉換點數(shù)、D/A輸出控制以及具體要實現(xiàn)什么樣的功能等。

由于本套系統(tǒng)沒有采用以前的落粉裝置，而是采用三缸送粉裝置，它需要3個步進電機驅動。為此，選擇PCL-839三軸步進電機控制卡作為步進電機驅動元器件。另外，根據設計要求，需要的輸入信號有鋪粉輥的接近開關信號(2個)、限位開關信號(2個)以及為防止系統(tǒng)擴充需要的2個備用的輸入通道，共有6個輸入開關量;系統(tǒng)需要的輸出有激光電源開關、振鏡電源開關、鋪粉輥左右平移輸出、電磁閥開關以及備用的開關，共有14個輸出開關量，考慮到將來系統(tǒng)擴充需要，選擇的光隔離輸入和輸出控制板均為點數(shù)為16的PCL-782(輸入)和PCL-785(輸出)控制板。

由于需要對系統(tǒng)的溫度和氧氣濃度進行檢測與控制，共需4個A/D轉換通道，4個D/A輸出通道，加上一個備用的通道，共需A/D，D/A各5個點。根據市場上所能提供的產品，我們選擇的是具有16個單端輸入(8個雙端輸入)的PCL-818單端(雙端)輸入A/D轉換板和DAC-7226六通道D/A輸出卡作為控制板卡。

3.2 輔助裝置控制模塊的設計

快速成形系統(tǒng)的輔助控制動作主要有左右限位開關和左右接近開關、溫度的檢測與控制(包括工作缸與送粉缸的溫度檢控)、氧氣濃度的檢控等。其中溫度的檢控則是由溫度傳感器、紅外測溫儀、加熱管、可控硅、A/I轉換卡、D/A輸出控制卡協(xié)同完成;氧氣的檢控由電磁閥、氧氣濃度傳感器、A/D轉換卡共同實現(xiàn)。

3.2.1 傳感器的選擇

系統(tǒng)傳感器主要有溫度傳感器、氧氣濃度傳感器、限位開關和接近開關。溫度傳感器用于測量左右送粉缸的溫度值，要求精度不是很高，故此要求的性能不需要很好即可，但為了保證系統(tǒng)的靈敏度，選擇的是靈敏度較高的E分度號的熱電偶。對于要求較高的工作缸則是使用的型號為Raytek公司生產的LTSF紅外測溫儀。工作腔內氧氣濃度的檢測與控制是通過氧氣濃度傳感器、A/D轉換控制板PCL-818以及計算機I/O輸出控制電磁閥共同完成的。接近開關的型號為TOKY，限位開關選用進口的，以保證其使用壽命和反應的靈敏性。

3.2.2 溫度加熱與檢側裝置的選擇

系統(tǒng)加熱裝置主要由加熱管、紅外測溫儀、溫度傳感器、數(shù)字顯示控制儀和可控硅控制部分組成。

根據實際需要在工作狀態(tài)下，我們要求的加熱溫度因加工材料的不同而不同。因此，既要保證加熱管滿足加熱功率的要求，也要保證不同材料的溫度控制在不同的許可范圍內波動，才能使得溫控系統(tǒng)滿足工作要求。

在工作狀態(tài)時，粉末受到持續(xù)的輻射，溫度不斷上升，隨著溫度不斷上升，散熱的熱流將增加，從加熱元件來的交換熱流將減小，這樣當溫度升高到一定程度后，系統(tǒng)的散熱與加熱會處于一個暫時的平衡狀態(tài)。而在從加熱到這個平衡過程中，工作腔內的溫度場在散熱和熱傳導的作用下會達到一種近似的均勻狀態(tài)。故，如何合理的布置加熱管，選擇多大功率加熱管顯得尤為重要。在工作缸中設有4根加熱管，總功率為4 kW、送粉缸各一根，均為1 kW。其中因為工藝上的要求，工作缸部分的加熱管的功率大，且采用精度更高的紅外測溫儀檢測工作面的溫度，檢測到的信號經過數(shù)字顯示控制儀表進入計算機進行處理，然后通過D/A輸出控制板輸出實現(xiàn)可控硅控制。左右送粉缸則使用E分度號的溫度傳感器進行溫度檢測。

4 結論

傳統(tǒng)SLS系統(tǒng)，由于機械設計以及工藝等方面的缺陷，使燒結的效率不高。為了提高SLS的燒結效率，我們經過分析從機械以及燒結工藝方面對整個系統(tǒng)進行了改進，以期在不影響制件精度的情況下，最大限度地提高整個SLS系統(tǒng)的效率，改善燒結環(huán)境，提高燒結間的質量。下面介紹本裝置的創(chuàng)新之處以及以后需要改進的方向。

4.1 創(chuàng)新之處

4.1.1 雙缸送粉

圖15 現(xiàn)有機械裝置結構示意圖

圖16 改進后機械裝置結構示意圖

在成形過程中，材料的進給方式和加熱方法是首先必須解決的問題。以往的SLS設備一般采用單缸送粉、工作缸加熱的方式(如圖15所示)。這種方式在送粉和加熱時都存在嚴重的時間浪費。為此，我們對機械部分進行了改進，如圖16所示。

采用雙缸送粉、三缸同時加熱的方式。粉末在燒結前，需要充分加熱以達到燒結所需要的溫度，否則燒結的零件就會變形。如果采用單缸送粉的方式，由于送粉缸中的粉末沒有預熱，新鋪一層粉后需要較長時間的加熱才能燒結，這樣就影響了燒結的效率；采用雙缸送粉后，粉末在送粉缸中已經經過了預熱，鋪粉后可以馬上進行燒結，大大節(jié)省了時間。

同時，在系統(tǒng)中加入接近裝置。當鋪粉輥向右鋪至B點(或者從右向左鋪至A點)，系統(tǒng)即可開啟激光進行掃描，這樣可節(jié)省往復運動所浪費的時間，提高了效率。

采用改進后的系統(tǒng)，平均每層可節(jié)省時間5.6 s，燒結一個零件所需時間為：T=預熱時間+層數(shù)×每層鋪粉時間+燒結實體時間。按測試件高為100 mm，單層取0.1 mm 計算，可節(jié)省時間100÷0.1×5.6=5 600 s。

同時，由于采用兩邊送粉缸預熱的方式，使待燒結粉末進入工作面時與下面已燒結好粉末的溫度差變小，能夠很好地防止粉末因突然受熱膨脹而使零件翹曲，提高了零件的加工精度。

4.1.2 氣動裝置

本設計采用氣動裝置。氣動驅動方式最重要的優(yōu)點是工作介質空氣是取之不盡，用之不竭的，空氣本身不花錢。排氣處理簡單，不污染環(huán)境，成本低，壓力等級低，使用安全。這樣還可以保證工作環(huán)境的清潔干凈。

4.1.3 密封裝置

本設計還設計了密封箱，使加工環(huán)境處于密封狀態(tài)，避免使要加工的材料和空氣接觸，從而防止了原材料的氧化，提高了制件的加工質量，這樣同時也是本裝置的適用范圍大大擴展。

4.1.4 十字聯(lián)結的適用

為了防止活塞在送粉缸或者成形缸運動時卡住，本裝置在活塞桿和活塞連接處設計了十字聯(lián)結，增加了該處的自由度，減少了活塞發(fā)卡的幾率。

4.2 本設計缺點

SLS技術是非常年輕的一個制造領域，在許多方面還不夠完善，如目前制造的三維零件普遍存在強度不高、精度較低及表面質量較差等問題。SLS制造系統(tǒng)不夠先進效率不高等。

4.2.1 制件在燒結時易偏斜

當鋪粉時由于鋪粉輥子有一個向前的力，使得處于粉末中的制件已燒結部分容易發(fā)生偏離，這樣使得制件的精度偏下，有的甚至報廢。為了解決這個問題，我們進行了理論研究，我們的研究方向是不斷想辦法減小輥子與工作臺之間的摩擦力F向前的分力F1，又為了增強壓實效果，不斷增大摩擦力F向下的分力F2。

4.2.2 懸臂傳動

本裝置在步進電機驅動絲杠，絲杠傳動活塞桿提升裝置部分的設計中運用了懸臂傳動，懸臂傳動在傳動過程中產生晃動，導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定性增加，盡管本設計中運用了此設計方案，但是在以后工作中盡量不予以采用。