新型L式雙向智能刮刀的設計及應用

郭云夢，秦正旺，高椿明，張 萍

(電子科技大學 光電科學與工程學院，四川 成都 610054)

0 引言

激光選區熔化技術(SLM)是基于分層疊加原理[1]，利用高能激光束對鋪平后的金屬粉末進行選擇性熔化，逐層堆積材料，所得金屬零件具有較低的孔隙率和良好的力學性能[2-3]。SLM成型技術加工過程不需要工裝模具、卡具、刀具，特別是在一些帶有曲面、復雜內腔結構的零件制造方面，相對于傳統加工方法有獨特的優勢[4]。

目前SLM設備的研究主要集中在國外，如英國的RENISHAW、美國的3Dsystem、德國MCP、EOS、ConceptLaser 等公司都具有出色的SLM設備研發與制造能力[5]。其中，德國EOS公司推出的M400設備采用1 000 W功率激光器，鋪粉裝置為雙刮刀系統，添加了循環過濾模塊，可以自動清洗，以降低成本和提高生產效率[6]。德國Concept Laser公司推出的X2000設備打印規格為800 mm×400 mm×500 mm，打印效率達100 cm3/h；其鋪粉裝置采用壓緊式鋪粉刷，激光模塊采用雙激光系統，功率可達1 000 W[7]。來自美國3D system公司的SLM設備Phenix PXM和來自英國RENISHAW公司的AM250采用的鋪粉裝置都是壓緊式鋪粉輥, Phenix PXM的半自動鋪粉模塊可以完成材料的自動收粉[8]，而AM250的送粉裝置設置在外部，以保證打印所需足夠的原料[9]。在傳統的鋪粉方式中，鋪粉質量主要通過人工目視檢測,該方法耗時耗力,不僅依賴主觀經驗,誤檢率較高,且需要手動處理鋪粉過程中出現的問題,效率較低。因此，為了提高激光選區熔化鋪粉質量,本文研發了智能刮刀鋪粉監測系統。

1 智能刮刀設計

1.1 刮刀結構設計

本文設計的刮刀采用L式結構，以PZT-5H陶瓷壓電片(以下簡稱PZT-5H)作為傳感器，通過被動檢測方式檢測鋪粉質量。

圖1為智能刮刀結構圖。刮刀設有12個凹槽，每個凹槽內置1片PZT-5H，其基底尺寸為10 mm×10 mm×0.3 mm、陶瓷+鍍銀層尺寸為9 mm×9 mm×0.5mm；每兩個凹槽間有一條狹縫,以保證每個PZT-5H獨立工作；每個狹縫頂部設有一個高出刮刀平面的固定孔以固定內置電路；刮刀中上部分內置信號采集與處理電路；刮刀正面設有出線口，側面設有橫貫刮刀的工形槽，用于穩固放置橡膠條；側面設置寬為1 mm 的L形槽橫貫刮刀，增大了鋪粉過程中刮刀形變量。

圖1 智能刮刀結構示意圖

圖2為智能刮刀爆炸圖和封裝圖。刮刀固定于刮刀外殼內，刮刀外殼與刮刀架通過螺絲相連，刮刀架固定于鋪粉系統中，刮刀架、刮刀外殼與刮刀間各有1 mm的距離，從J30J-9接口輸出電路信號，刮刀外殼中設有水冷管道給設備降溫。

圖2 智能刮刀爆炸及封裝圖

控制系統主要分為電源供電模塊、信號采集模塊和信號處理模塊。供電模塊利用USB的5 V電壓，經降壓電路將電壓降至3.3 V，信號采集模塊采用3個CS53L32A芯片，信號處理模塊采用STM32F103C8T6作為核心控制器。圖3為刮刀控制系統流程圖。12片PZT-5H將形變量轉換為壓電信號，通過壓簧按鍵傳輸給內置電路板，信號采集模塊采集壓電信號并進行模數(A/D)轉換，再由單片機將數字信號傳遞給上位機，上位機控制系統根據信號向刮粉式激光增材制造(SLM)系統發出指令。

圖3 控制系統流程圖

1.2 刮刀應變檢測仿真

圖4為刮刀的簡化三維模型。對其進行材料參數設定和網格劃分，并采用COMSOL進行有限元仿真和分析。

圖4 刮刀簡化和網絡分割三維模型

為了測試刮刀下部施加位移對PZT-5H的影響，以及理想條件下智能刮刀系統的靈敏度，對模型中部PZT-5H進行了仿真模擬分析。采集該PZT-5H中部和左、右兩邊緣共3個點位的電勢隨位移變化的信息。

設置仿真模型的物理場，在模型下端垂直于PZT-5H的方向施加隨時間變化的位移，位移函數為u=vt(其中u為位移，v為速度，t為時間)，初始位移為0。隨著位移的增大可以得到PZT的最小響應位移，將仿真信號與系統噪聲進行對比，可以得到智能刮刀的理論靈敏度。其中系統運行時噪聲信號電勢為50 mV。

仿真結果如圖5所示。由圖可知，隨著位移的增大，PZT-5H中部的電勢-位移曲線變化比左、右兩邊緣點位變化更明顯，說明對刮刀下端施加位移時，PZT-5H中間部分的靈敏度高于兩邊點位。刮刀表面的PZT-5H電勢信號在位移3 μm附近明顯開始上升，說明PZT-5H的最小響應位移為3 μm；當電勢信號在約3.3 μm時超過系統噪聲，在3.5 μm時為系統噪聲的2倍，壓電信號明顯。因此，智能刮刀信號監測的理論靈敏度可達3.5 μm。

圖5 位移-電勢變化曲線

為了模擬刮刀結構中PZT-5H的橫向分辨率，在圖4所示的仿真模型正中間橫向設置一條穿越3個PZT-5H的直線。對模型下方中間位置施加3.5 μm的位移，得到所設直線上的橫向分辨率仿真曲線如圖6所示。

圖6 PZT-5H橫向分辨率仿真曲線圖

圖6(a)為所設直線上各點的位移量，橫坐標表示直線上各點到直線左端點的距離，由此可見刮刀的形變量在距離直線左端35 mm(模型正中心)的位置達到最大，峰值較明顯，能有效辨別刮刀受力部位。圖6(b)為直線上各點的壓電電勢，橫坐標表示直線上各點到直線左端點的距離，由此可見PZT-5H的電勢也在距離直線左端點35 mm處達到了峰值，且峰值明顯，能有效辨別受力位置，說明本文設計的智能刮刀具有較高的橫向分辨率。

2 實驗和數據分析

2.1 刮刀進給阻力分析

圖7為刮刀進給阻力測試方案圖。將智能刮刀固定在實驗平臺上，將激光測距儀固定在刮刀左側，使檢測激光和橡膠條底端位于同一水平線上；將電動位移臺固定在刮刀右側，在電動位移臺上固定一根直徑為?0.5 mm的金屬小棒，使金屬小棒和刮刀橡膠條底端水平。金屬小棒以不同的速度向刮刀底端移動，繪制刮刀壓電信號隨小棒位移量變化的折線圖，進而研究刮刀的監測性能。

圖7 刮刀進給阻力測試方案圖

采用激光測距儀檢測橡膠條形變量，橡膠條內部的微小擠壓忽略不計。當激光測距儀檢測到橡膠條有0.1 μm的形變時，實驗認為金屬小棒到達觸碰臨界點。

刮刀進給阻力測試步驟為：

1) 按圖7所示安裝并固定實驗設備。

2) 連接智能刮刀硬件與軟件系統，連接激光測距儀和電動位移臺。

3) 利用電動位移臺控制小棒的速度和觸碰臨界點后的位移量，利用激光測距儀測量橡膠條被觸碰點的形變量，同時采集智能刮刀的壓電信號。

4) 分析測試結果。

設置金屬小棒運行的速度分別為50 mm/s、100 mm/s和200 mm/s，位移量分別為10 μm、30 μm、50 μm、70 μm、90 μm和100 μm，依次以不同速度或不同位移(共18組)條件進行重復性實驗，并對每組實驗數據求取電勢均值。繪制同一速度下不同位移的曲線圖(見圖8)，測試分析智能刮刀的工作性能。

圖8 刮刀進給過程電勢-位移折線圖

由圖8可知，隨著位移量的增加，3條曲線都在不斷升高，即橡膠條的形變量越大，刮刀接收到的壓電信號越明顯。運行速度200 mm/s對應的電勢高于100 mm/s電勢，而100 mm/s對應的電勢高于50 mm/s電勢，這說明智能刮刀的靈敏度隨刮刀速度的加快而提升。在SLM設備實際運行中，常用的刮刀鋪粉速度為100～3 500 mm/s；誤差棒(表示測量數據的不確定度大小)隨著位移量和速度的減小而減小，在最小位移10 μm時，誤差棒被數據的算術平均值淹沒，因此，在實驗室條件下，智能刮刀系統的檢測靈敏度為10 μm。

2.2 刮刀回程受力分析

由于智能刮刀結構的不對稱性，刮刀橡膠條的受力方向也會影響PZT壓電信號，所以需要設計刮刀回程方向受力的對比試驗，如圖9所示。

圖9 刮刀回程受力測試方案圖

刮刀回程受力的測試條件與進給阻力測試實驗相似，但需要翻轉智能刮刀的左右兩面，使金屬小棒從另一側靠近刮刀，從而測試智能刮刀的壓電信號與刮刀運行方向的關系。

刮刀回程受力的測試結果如圖10所示。由圖可知，200 mm/s速度對應的信號幅度值高于其他速度，最低速度50 mm/s對應的信號幅度值最低，表明在改變了金屬小棒的碰觸方向后，智能刮刀的壓電信號仍隨著位移的增加而提升，智能刮刀的靈敏度依舊隨著刮刀速度的加快而提升，其監測靈敏度可達10 μm。但在相同條件下，刮刀回程測試的壓電信號幅度相對于刮刀進給測試總體偏小，表明智能刮刀在進給過程中靈敏度更高。

圖10 刮刀回程電勢-位移折線圖

2.3 鋪粉模擬實驗

鋪粉模擬測試方案如圖11所示。在三維手動位移平臺上固定模擬障礙物，調節位移臺使模擬障礙物頂端超出刮刀橡膠條底部指定距離，控制刮刀移動經過障礙物，采集刮刀對障礙物的響應，研究刮刀系統整體靈敏度及其鋪粉效果。

圖11 鋪粉模擬測試方案圖

根據圖11搭建鋪粉模擬系統，主要包括滑動導軌、刮刀架、鋪粉平臺和收粉倉。在鋪粉平臺底板上放置模擬障礙物，刮刀固定在刮刀架上的手動位移臺表面，調節刮刀與鋪粉平臺的距離，滑動導軌可以移動刮刀架，收粉倉不固定可以從上方取出，且底部低于鋪粉平臺，收集鋪粉時的剩余粉末，采用300目的高純鐵粉，用帶有3個金屬小棒的L形金屬架模擬障礙物，小棒頂部直徑分別是?0.5 mm、?1 mm和?1.5 mm，模擬尺寸不一的障礙物。

在開始測試前先對刮刀系統進行一致性調試。首先挑選電阻一致的PZT-5H安裝在智能刮刀上，然后用函數發生器調節刮刀信號采集模塊的放大倍數為500倍，保證所有信號放大倍數相同。

模擬鋪粉測試步驟如下：

1) 連接刮刀系統，將適量鐵粉送到橡膠條前，使其沿橡膠條方向均勻分布。

2) 在鋪粉平臺上安裝模擬障礙物，并使其3個金屬小棒的頂端超過橡膠條底端100 μm。

3) 運行刮刀，并采集刮刀的壓電信號。

4) 升高模擬障礙物100 μm，重復第3)步。

設置刮刀鋪粉速度為100 mm/s,模擬障礙物突起高度分別為100 μm、200 μm、300 μm、400 μm 和500 μm,進行重復性實驗，得到圖12所示的測試結果。由圖可知，隨著突起高度增加，刮刀接收到的壓電信號也隨之增大，當突起高度為100 μm時，刮刀的響應電勢為1 000 mV。因此，在實驗室條件下可以認為刮刀信號靈敏度在100 μm以下。

圖12 整體信號靈敏度測試分析圖

在實驗過程中，智能刮刀對模擬障礙物的響應受鋪粉工作產生的震動和環境噪聲影響較大，但仍可將響應從這些背景噪聲中區分出來。正式的SLM設備中鋪粉系統能穩定運行，環境噪聲和震動小，系統的信噪比高。

2.4 刮刀性能總結

通過以上對刮刀性能的仿真和測試，驗證了本文設計的智能刮刀的可行性和可靠性，其性能指標如表1所示。

表1 刮刀性能指標

3 結束語

本文根據激光選區熔化技術的需求，設計了一種基于PZT-5H陣列的被動型L式雙向鋪粉刮刀。經過實驗驗證，該智能刮刀能實現均勻鋪粉，同時檢測鋪粉質量，進而提高3D打印工件的質量，同時延長刮刀壽命。