金屬粉末激光燒結機的功能分析與系統設計

摘 要：文章結合金屬粉末激光燒結機的功能，對該設備主要模塊進行了結構分析，同時通過各模塊之間的工作流程之間的配合關系，對該設備的系統及主要模塊的工作流程進行了分析和設計。希望這樣的探討對于該類激光加工機器的具體設計有所助益。

關鍵詞：金屬粉末；激光選區燒結；3D打印技術

1 金屬粉末激光燒結機的工作原理與各功能模塊的結構分析

金屬粉末激光燒結機是基于金屬粉末的激光選區燒結增材制造技術和相關工藝，屬于3D打印技術的一個重要應用領域。金屬粉末激光燒結技術是基于離散化的堆積成型原理而產生的新型數字化成型技術。從具體功能上來說，金屬粉末激光燒結機的計算機成型系統根據設計工藝要求對要制造的三維實體造型進行分層切片處理，在系統中三維造型的CAD模型將被分層離散化為許多二維層面信息。同時計算機成型系統與機電控制執行系統相連，通過信息采集和數據處理的過程，將相應的運動控制指令輸入執行系統。在金屬粉末的激光燒結過程中，激光以一定的掃描速度和能量密度有選擇性地對金屬粉末進行分層掃描，是金屬粉末粘結化，進而固化。該設備通過順序完成各個層面的成型制造，最終完成與三維實體造型一致的金屬零件。

1.1 掃描光路與激光發生器

掃描振鏡由兩個擺動電機帶動的相互垂直的反色鏡組成，分為X鏡與Y鏡。在掃描過程中，擴束后的激光光束先射入X鏡，然后通過X/Y鏡的兩次反射，再由聚焦鏡聚焦到金屬粉末表面來進行成型加工。掃描振鏡掃描的優點是：電機帶動的振鏡鏡片轉動慣量小，響應速度快，可以實現高速掃描；鏡片的動態響應特性好；掃描速度快，且變速范圍大；控制精確。基于以上優點，使用掃描振鏡的激光加工成型效率高，且掃描精度高，故而該掃描光路結構在金屬粉末激光燒結工藝及其相關設備中得到了更廣泛的應用。作為一個獨立的功能模塊，通常將激光和掃描光路整合成一個激光發生器，通過數字化、參數化的方式來控制激光的燒結功率、激光束半徑、燒結時間、間隔時間以及掃描間距等。根據金屬粉末激光燒結工藝的具體工作步驟，一般將激光發生器設計于整個成型室的正上方，與鋪粉裝置配合完成對各金屬粉末層的選區掃描。

1.2 成型缸的機構與成型室的結構功能

成型缸是金屬粉末激光燒結機的重要組成部分，位于該設備的中心位置。金屬粉末的燒結就是在成型缸內與活塞相連的平臺上。根據工藝要求，每次燒結之后，加工平臺會隨著活塞下降一定的高度。該機構在工作過程中，由步進電機通過同步帶、大帶輪來驅動絲母轉動。這里絲母只做轉動而無上下運動，通過絲母語滾珠絲杠的相對運動，從而實現絲杠無轉動的上下直線運動。絲杠與活塞相連，這樣就完成了活塞和加工平面的上下運動。為了避免成型缸內的金屬粉末在平臺上下移動過程中從平臺、活塞與缸壁之間的縫隙泄露，采用了環狀的密封墊。在整個燒結過程中，密封墊會隨著加工平臺、活塞沿著缸體壁做緊密滑動，達到密封效果。

2 金屬粉末激光燒結機的系統設計

2.1 系統框架與系統控制流程

金屬粉末激光燒結機的控制系統主要由四部分組成：激光振鏡系統、鋪粉系統、成型缸系統和貯粉缸系統。激光振鏡系統負責激光束的掃描運動；鋪粉系統負責燒結過程中的金屬粉末預鋪；成型缸系統負責各層燒結過程中工作平臺的上下移動；貯粉缸系統負責燒結過程中金屬粉末的提供和收集（由供粉缸與廢料缸的相關機構來完成）。

2.2 系統控制流程

在進行激光燒結前，需要將供粉缸的工作平臺向上移動到金屬粉末凸出一個層厚的預先設定位置，同時成型缸的工作平臺向下移動到金屬粉末層上表面一個層厚的位置，并對系統各控制模塊定義初始位置。通過串口通訊，上位機發送相應指令到PLC，PLC按照接受到的指令來分別控制各模塊的運動。在鋪粉的工程中，輔粉滾輪將供粉缸工作平臺上的金屬粉末鋪設到成型缸工作平臺的相應位置。待系統檢測到鋪粉滾輪已鋪粉完成后，會由PLC控制激光振鏡系統對金屬粉末進行激光掃描，從而完成對金屬粉末的一層燒結。燒結完一層后，PLC自帶的A/D轉化單元將掃描完成的數據存儲到PLC的寄存器中，然后上位機接收串口通訊傳遞來的數據并通過數據處理系統進行處理。經上位機分析處理后，再次發送指令到PLC，使PLC完成下一層的金屬粉末燒結任務，直到整個制件燒結完成。其中，行程開關是控制系統的保護裝置，在未工作時處于常開狀態，當某模塊運動單元的移動量大于最大量程時，行程開關關閉，PLC接收行程開關傳來的信號，迅速終止單元的運動，從而保證運動的可靠性。

2.3 供、鋪粉系統

鋪粉系統在鋪粉滾輪運動方向的兩端均設有內置檢測裝置。通過PLC向伺服驅動器傳遞鋪粉滾輪的位置信號來實現它的動作和位置控制。如圖1所示的是鋪粉過程流程圖。在鋪粉過程中，根據具體的運動模塊參數，設定鋪粉系統的工作時間范圍是T0

2.4 激光燒結流程

金屬粉末的激光燒結時需要實時地從上位機的三維實體造型軟件中獲取模型的切片數據，并將數據保存到寄存器中。這樣通過上位機、PLC和檢測系統的聯動控制，逐層地完成金屬粉末的激光燒結，直到整個制件完成。

3 結束語

通過對金屬粉末激光燒結機的主要功能模塊的分析，能清楚地了解該類激光加工機器的機械結構和工作原理，通過對該設備的主要功能模塊的系統設計，能夠明確該類激光加工機器的具體工作流程和整合系統的運作模式。這為具體模塊的功能細化和參數化設計提供了依據。

參考文獻

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