選擇性激光熔化鋪粉裝置的優化設計

李騰飛 錢 波 池 敏 劉志遠 李 培

(華東理工大學機械與動力工程學院，上海200237)

選擇性激光熔化快速成型設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量非常高，可直接制作零件，無需余量加工［1］。其原理是，通過依據產品的三維CAD模型，基于離散材料進行逐層疊加的成形原理，通過有序控制將材料逐層堆積，制造出實體產品。其制造出的產品性能遠高于傳統鑄造，與鍛件相當。廣泛地應用于機械制造領域與航空航天領域［2］。

雖然SLM快速成設備具有許多優點，但是機器造價高昂，尤其是國外的設備，不能在國內廣泛推廣。因此本文設計制造了一臺經濟實用的SLM設備。

本文通過優化改進鋪粉方式，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，通過落粉盒進行粉末供應，從而減小了設備體積，降低了設備的制造價格。

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快速成型設備鋪粉裝置，主要由鋪粉系統、送粉缸體、成型缸體等組成。工作原理為:成型缸7通過電動機10帶動絲杠9精確地下降一個層厚高度(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。當送粉缸上升完成后，鋪粉輥5通過電機1帶動進行左右運動，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。激光通過振鏡控制掃描出當前層片的模型。然后成型缸再次下降一個層后，鋪粉輥返回初始位置，準備下一層鋪粉，如此反復，最終完成零件的制造［4］。

2 兩缸工作模式的缺點

兩缸工作模式主要存在以下問題:

(1)兩個工作缸體需要兩套運動機構(包含了電動機、減速器、絲杠、導向桿等)分別控制缸體的上下運動，因此所需原器件數目多，成本增加。

(2)由于兩缸工作模式的兩套運動機構所占體積比較大，使得工作臺面相應增大，設備整體體積隨之增大。

(3)在電路控制部分，需要兩套控制電動機運動的電器元件(包含有繼電器、端子、電動機驅動器等)，相對應的限位器、基板加熱棒、溫控儀等。這使得電路板線路增多，體積增大，引起設備體積增大。并且相關原器件的增多，也帶來了成本增加。

因此，本文將使用單缸工作模式替代原有的兩缸工作模式，設計一種新的送粉機構:落粉盒，替代原有的送粉缸，通過落粉盒下落粉末實現粉末的供給。這樣大大地減小設備整體體積，以及減少原器件數目，降低設備制造成本。

3 SLM鋪粉裝置的優化設計

3.1 刮刀的結構設計

刮板的結構設計對鋪粉的質量有著重要的影響。鋪粉質量主要表現在兩個方面:均勻性和致密性。它們直接影響著工件的密度，從而影響工件的強度、硬度等性能［5］。

在大多數SLS和SLM設備中所使用的鋪粉方式為輥筒鋪粉［6］。輥筒鋪粉對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，制造出的工件質量高［5］。但是存在著以下幾點缺陷:(1)由于其對粉末存在滾壓作用，導致鋪粉量增加，相應的送粉缸體積增大，設備總體積增大，設備成本上升。(2)輥筒本身表面質量要求高，耐磨，平整光潔，制造成本高。(3)輥筒的拆裝復雜，對更換提高了難度。

由于本文所制造的設備更多的用于實驗研究，在實驗研究過程中，存在著各種各樣的實驗參數試驗，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代替輥筒方式進行鋪粉。刮刀鋪粉運動機構如圖2所示。相比輥筒方式，刮刀方式的優點有:(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 落粉盒結構設計

為了減少兩缸工作模式引起的設備體積增大，成本增加問題，本文設計一種新的送粉結構，落粉盒。利用定量落粉的方式將粉末送至鋪粉刮刀前面，再進行刮刀鋪粉。

(1)落粉盒的組成:結構設計如圖3所示，落粉盒主要是由兩塊V形平板、兩塊側板、上槽板、下槽板以及落粉推拉板通過螺釘連接組成，固定在落粉盒固定基板上。落粉推拉板在上下槽板內可以前后運動，由此來控制粉末的開始下落和停止下落。

(2)粉盒形狀的設計:粉末是大量的微米級顆粒組成的一種分散介質，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性，比液體流動性差。因此將落粉盒設計成V形，角度為60°，加強粉末向下流動性，使粉盒落粉順利。

(3)落粉推拉板槽間距設計:如圖4所示，落粉推拉板的內槽間距決定著落粉速度和落粉量，因此分別設計間距為10 mm、7 mm、5 mm、3 mm的落粉推拉板進行簡單測試。落粉示意圖如圖5所示。最終結果表明:10 mm間距太大，粉末下落速度過快，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使用，其流動性逐漸變差，因而使用3 mm間距時，會出現粉末不下落問題。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

鋪粉系統結構如圖6所示，工作原理為:圖3所示落粉盒內的落粉推拉板因彈簧彈力緊靠一側，這時推拉板的槽縫與上下槽板錯開，將粉末困于粉盒內。鋪粉運動機構位于最前側，成型缸通過電動機帶動精確地下降一個層厚，鋪粉運動機構向后運動，通過撞快撞擊到落粉推拉板兩側，如圖7a所示，帶動推拉板一起向后運動到限定位置，如圖7b所示，這時推拉板的槽縫與上下槽板相齊，粉末下落到落粉導板上，其作用是防止粉末下落產生飛濺，并引導粉末匯聚至刮刀前側。粉末下落完成，鋪粉運動機構向前運動，將落好的粉末鋪平在成型缸表面。當撞快隨鋪粉機構向前運動時，推拉板會因彈簧彈力逐漸恢復到初始狀態，粉末再次困于粉盒。鋪粉運動機構運動到最前端后，完成鋪粉工作，多余的粉末會落入最前端的回收粉盒內。隨后激光掃描當前層片模型，接著成型缸再次下降一個層厚，鋪粉機構進行鋪粉，如此反復，完成零件的三維制造。

5 SLM鋪粉裝置實物

根據單缸工作原理所設計制造的鋪粉裝置實物如圖8a所示，利用軟件可以控制運動機構停留在限位的時間，以此來控制落粉量，如圖8b所示，利用此裝置鋪粉結果如圖8c所示。鋪粉過程如圖9所示。

6 結語

本文設計了落粉盒鋪粉裝置，代替了原有的送粉缸鋪粉，減小了設備體積并降低了設備的制造成本。并且設計的裝置可以成功實現定量落粉和平實地進行粉末鋪設，滿足SLM設備的設計要求。