选择性激光烧结快速成型铺粉装置的设计
34页 13000字数+说明书+任务书+3张CAD图纸【详情如下】
SLS快速成型机装配图.dwg
SLS成型机部件.dwg
任务书.doc
选择性激光烧结快速成型铺粉装置的设计说明书.doc
齿轮.dwg
目录
中文摘要3
Abstract4
1绪论5
1.1课题来源5
1.2研究目的和意义6
1.3选择性激光烧结概述7
1.4 SLS技术的发展历程和现状9
1.5 SLS铺粉装置的目前现状10
1.6本章小结12
2选择性激光烧结的铺粉装置的设计13
2.1铺粉装置的总体设计13
2.2铺粉装置的第一种方案13
2.3铺粉装置的第二种方案15
2.4方案的比较及最终选择16
2.5设计方案的设计要求16
2.6本章小结17
3 铺粉装置的结构设计18
3.1主机18
3.2成型工作缸18
3.3丝杠设计18
3.4 齿轮的设计27
3.5步进电机设计31
3.6废料回收缸33
3.7铺粉滚筒装置33
3.8送料工作缸34
3.9激光器34
3.10振镜式动态聚焦扫描系统34
4 总结37
5 致谢38
6 参考文献39
7 附录40
选择性激光烧结铺粉装置设计
摘要:近年来,集中先进的激光技术,粉体技术和计算机控制技术的选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,简称SLS)工艺日渐成熟,SLS无需模具就可将金属和非金属粉末直接逐层烧结成近净形致密零件,具有成形灵活性强,周期短,原料广泛等特点,在汽车,造船,机械,航空与航天等诸多领域逐渐得到广泛应用,成为当前成形技术中的一个研究热点和几句发展潜力的前沿技术。为了分析铺粉精度对选择性激光烧结成型质量的影响,设计一种新型的铺粉装置。介绍该铺粉装置的工作原理,结构组成,设计要点。
关键词:选择性激光烧结;粉末;快速成形;铺粉装置;铺粉精度
Design of Spreading Powder Device of Selective Laser Sintering Rapid Prototyping Machine
Abstract: Slective Laser sintering(SLS),integrated the technologies of laser,powder and computer-aided design become more and more mature in the past ten years. The SLS can be used to sinter metal and nonmetal powders directly into full-densified and near-net shaped products.Because of having the merits of good flexibility,short production periods broad raw materials and so on,the SLS is now widely applied in many fields,such as automobile,shipbuilding, spacefight and aviation industry,and is considered as the technology in advance position.Precision of powder-laying is an important factor affecting selective laser sintering forming quality.A new kind of spreading powder device was designed.The working principles,structure constitution and design points were intrduced.
Keywords:Selective laser sintering; powder; rapid shaping; spreading powder device; accuracy of powder-laying
1 绪论
1.1 课题来源
在机械制造业,长期以来采用的加工方法是减材制造法,即用刀具从较大的毛坯上逐步切除无用材料来制作工件的方法,传统的车、铣、刨、钻、磨等切削加工方法,以及现代的电火花成形与激光切割都属于减材制造法。它是机械制造业最常用的方法,减材制造的工件精度高,表面品质好,成形材料与加工机床之间通常不存在从属依存关系,因此适用材料广泛,不需要机床制造商研制提供专用的材料。但是,它采用的毛坯通常必须由铸造或锻造而成,并且往往还需要模具预成形,加工周期较长,材料利用率低,成本较高,此外,还受刀具或模具的限制,有时甚至无法成形一些内部形状很复杂的工件。
图1-1 机械制造方法
a)减材制造 b)增材制造
增材制造法的出现是在20世纪80年代,率先实现增材制造的是快速成形技术,又称为自由成形技术,其核心是将所需成形工件的复杂三维形体通过切片转化为简单的二维截面的组合,因此不必要采用传统的加工机床和工、模具,依据工件的三维计算机辅助设计模型,在计算机控制的快速成形机上直接成形三维工件。成形过程如下:①利用快速成形机中的软件,沿模型的高度方向对模型进行分层切片,得到各层截面的二维轮廓图。②快速成形机按照这些轮廓图,分层沉积材料,成形一系列二维截面薄片层。③快速成形机使片层与片层之间相互黏结,将这些片层顺序堆积成三维工件实体。由于
增材制造法通过三维至二维的转化使工件的成形大为简化,因此只需传统切削加工30%至50%的工时和20%至35%的成本,就能直接制作复杂的三维工件,在机械制造业引起了巨大的反响,曾经被誉为制造业的一场革命。
在这20多年的努力下,实现快速成形工艺的关键设备已经有5种商品化,即:激光固化式(SLA)、激光烧结式(SLS)、贴片刻写式(LOM)、喷墨黏粉式(3DP)和熔融挤压式(FDM)等形式的快速成形机。在这5种快速成形机中,前3种都是用激光束使材料逐层成形,本篇论文所设计的题目是基于激光烧结式,即用激光束烧结材料使之成为三维工件的快速成形机。现设计一套自动铺粉装置,实现了粉末铺覆的自动化和铺粉厚度、粉末层密度大小的精确控制,目的是使生成的金属构件在精度及物理性能上达到实验的要求水平。
1.2研究目的和意义
金属成形精度和密度是快速成形技术在工业应用中的关键问题之一,近年来,集中先进的激光技术粉体技术和计算机控制技术的选择性激光烧结工艺日渐成熟,SLS无需模具就可将金属和非金属粉末直接逐层烧结成近净形致密零件,在汽车造船机械航空与航天等诸多领域逐渐得到广泛应用。
选择性激光烧结技术有如下的特点:
材料选择广泛。其工艺材料选择广泛,如尼龙塑料金属陶瓷的包衣粉末或粉末的混合物均可作为加工材料。SLS可根据不同的用途选择不同的材料,如用覆膜砂烧结精密铸造用砂型(或芯),用石蜡粉或塑料粉烧结熔模铸造用的母模,用陶瓷粉烧结陶瓷模壳,或用金属粉直接成形金属模具或零件。
SLS技术不需要特殊支撑,多余材料易于清理,适合原型及功能零件的制造等优点,而且材料可以重复使用,材料利用率高,粉末材料的利用率几乎可以达到100%。
工艺过程简单。与其他原型制造工艺(如SLA,LOM等),SLS成形无须研究专门的废料清除工艺。
具有广阔的应用前景。SLS可以直接成形金属或陶瓷制件,而快速原型与快速制模技术相结合是快速成形技术应用的一个主要方面。从从目前的国内外SLS技术的研究情况来看,覆膜砂,石蜡粉以及塑料粉三种材料的激光烧结技术的研究比较成熟,已经有商品化的设备推向市场。金属粉末的激光烧结技术也逐渐成熟,而陶瓷粉末的激光烧结技术尚处在研发阶段,陶瓷粉末的激光烧结技术属当今激光烧结技术的研究前沿和技术难点。
在本论文中所设计的选择性激光烧结机械系统中铺粉装置,它是对选择性激光烧结成形质量是有重大的影响,它实现了粉末铺覆的自动化和铺粉厚度,粉末层密度大小的精确控制,目的是使生成的金属构件在精度及物理性能上达到实验要求的水平。
铺粉装置的特点:
(1)整套装置利用了机械部件与电气元件的组合,实现了机电一体化,提高可工作效率与自动化程度。
(2)铺粉装置机构装配简单,结构紧凑。
(3)粉末层的密度可以根据所用粉末材料的特性通过调节步进电机的运动参数进行适当的调节,扩大了快速成形机的使用范围。
对成形工件质量,是否符合用户所要求,在未来增材制造技术中将会越来越受到重视,随着选择性激光烧结技术的成熟,我们对产品的要求会越来越高,而对影响工件的质量的各种因素将会越来越受到科研学者的重视,而铺粉装置仅是其中的因素之一,而且它也有很多改进的地方,所以,在未来的发展过程中,它的意义是非常重大的。 2 选择性激光烧结的铺粉装置设计
2.1铺粉装置的总体设计
选择性激光烧结快速成型机主要由数据处理和成型执行机构两大部分组成。数据处理部分包括根据三维模型构建加工轨迹的离散过程软件,并由与快速成型机配套的计算机处理。成型执行机构部分根据离散后的信息由数控设备来完成执行和控制加工过程。本文对执行机构即铺粉装置进行了两种方案的构思,所设计方案如下所示
2.2铺粉装置第一种方案
2.2.1铺粉装置的原理
选择性激光烧结快速成型机执行机构原理如下图,由工作台,铺粉装置,激光器,激光光路发生系统外加辅助系统组成。铺粉装置主要由伺服电机,滚珠丝杠,铺粉轧筒,工作缸体,齿轮和齿条等组成。
在烧结前或烧结过程中,把要烧结的粉末倒入供粉缸8中,根据工艺要求对供粉缸8进行预热,预热温度用温度传感器进行检测,并能进行闭环自动控制。待供粉缸中的粉末达到预定的预热温度后,由计算机发出指令,控制铺粉轧筒3由供粉缸8向成形缸9移动,把供粉缸的活塞6顶起的一定量的粉末均匀,平整地铺在成型缸9的工作面上,激光开始扫描烧结。如此循环往复,层层堆积直至整个零件4完成为止。在这一工作过程中,密封装置使工作腔保持密封,其作用一是保持工作具有恒定的温度;二是保证粉末只在工作腔内活动,余料回收方便;三是避免烧结过程中发生氧化反应。2.4方案的比较及最终选择
方案一与方案二的比较分析得知,方案一装配简单,结构紧凑,粉末层的密度可通过步进电机进行适当的调节,方案二结构虽复杂,但从节约原材料的角度去考虑,而且齿轮传动工作可靠,使用寿命长,瞬时传动比为常数,传动效率高,所以方案二是一个可行性方案。
通过比较,选择设计方案二,进行设计和论证。
2.5设计方案的要求:
工作内容和要求:
成型空间:300×300×300mm
最大成型件的重量约为:5Kg
烧结深度/托盘的层间下降距离:0.1mm
Z方向的定位精度:0.01mm
2.5本章总结
本章主要是对铺粉装置整体的一个构思,通过分析比较,确定最终的选择方案,而且所设计的方案主要是在本文第一章所阐述的DTM式的铺粉装置,当前国内主流是E.O.S式的铺粉装置,而国外选择的多是DTM式的铺粉装置。所以鉴于此,选择尝试设计DTM式的铺粉装置。 参考文献
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