选择性激光烧结快速成型机铺粉装置设计.pdf

2 0 1 0年 4月 第3 8卷 第 8 期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Ap r 2 01 0 Vo l 3 8 No 8 DO I 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 0 8 0 0 4 选择性激光烧结快速成型机铺粉装置设计 杨 军惠 党新安 杨立军 陕西科技 大学 陕西西安 7 1 0 0 2 1 摘要 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 并对其铺粉精度进行分析和试验验证 为选择性激光烧结成型工艺研究提供参考 关键词 选择性激光烧结 铺粉装置 铺粉精度 中图分类号 T H1 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 8 一O 1 1 3 De s ig n o f Sp r e a d in g Po wde r De v ice o f S e le ct iv e La s e r S in t e r in g Ra p id Pr o t o t y p ing M a ch in e YANG J u n h u i DANG Xin a n YANG L i j a n S h a a n x i U n i v e r s it y o f S cie n ce T e ch n o lo g y X i a n S h a a n x i 7 1 0 0 2 1 C h in a A b s t r a ct P r e cis i o n o f p o w d e r la y i n g i s a n i m p o r t a n t f a ct o r a f f e ct in g s e l e ct i v e la s e r s i n t e r i n g S L S f o r mi n g q u a l it y A n e w k in d o f s p r e a d in g po wd e r d e v ice wa s d e s ig n e d T h e wo r k in g p r in cip le s s t r u ct u r e co n s t it u t io n a n d d e s ig n po in t s we r e in t r o d u ce d T h e a c cu r a cy o f p o w d e r la y in g w a s a n a ly z e d a n d v e ri fi e d t h r o u g h e x p e ri me n t wh ich p r o v id e d r e f e r e n ce f o r t h e r e s e a r ch o f t h e p r o ce s s o f S L S Ke y wo r d s S e le ct iv e la s e r s in t e r in g S p r e a d in g p o w d e r d e v ice Accu r a cy o f p o wd e r la y in g 选择性激光烧结 S L S 是 发展 最快 最为 成功 且已经商业化的快速成型方法之一 在选择性激光 烧结 中 铺粉层 的厚度 粉末层密度的大小直接影响 烧结件的密度 从而影响烧结件的物理性能 收缩和 翘曲变形 以及棱角清 晰度 选择性激光烧结的关键工 序之一就是如何能够铺覆 出均匀 的 无缺陷的且具有 较高密度 的粉末层 这是能够顺利进行烧结的前提条 件之一 现设计 了一套 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 达到试验 要求的水 平 1 铺粉装置的设计 1 1 系统组 成 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 1 2 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图 1 所示 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 铺粉辊筒 两个工作缸体 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 控制铺粉辊筒 3由供粉缸 8向成型缸 9移动 把供 粉 缸活塞 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腔具有恒定的温度 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 l 齿 轮 2 m 工作 台 卜 铺 粉辊 筒 4 一 工 件 5 一 激 光发 生器 6 活 塞 7 一 滚珠 丝杠 8 供粉 缸 9 成型 缸 lo 伺 服 电机 图 1 成型机构工作原理图 1 3 铺粉装置的结构设计 1 3 1 铺粉装置 的 z方 向结构 铺 粉装置的 z方 向结构如 图 2示 采 用双活塞缸 机构 其中左边供粉缸用来供给粉末 而成型缸为烧 收稿 日期 2 0 0 9 0 3 0 6 作者简介 杨军惠 1 9 8 1 一 女 硕士研究生 研究方向为选择性激光烧结仿生人骨的研究 电话 1 5 8 0 9 2 4 0 7 1 0 E m a il y j h 0 7 0 5 0 1 0 1 6 3 e o m 1 2 机床与液压 第 3 8卷 结工作平台 通过控制两个缸体内活塞的升降高度来 实现对铺 粉层厚 的控 制 伺 服 电机 1驱 动滚 珠丝 杠 4 滚珠丝杠转动 丝杠 螺母 副 5在丝杠 上作直线 运 动 实现与之相连的活塞 9的 z方 向运动 1 一伺服电机2 一 固定钢 板3 一联 轴器4 一滚 珠 丝杠5 丝杠螺母副6 一法兰7 一轴承座8 一 锁紧螺母 9 一活塞 l0 一供粉缸 lJ 一成型缸 1 2 一调节螺钉 1 3 一滑键 1 4 一导柱 1 5 一轴承 l6 一轴承端盖1 7 一 毡圈 1 8 一 圆螺母1 9 机架 图2 铺粉装置的 z方向结构正视图 铺 粉 装 置 的 Z 向 运 动 活塞 的上 升 下 降 运动直接 影响装 置 的铺 粉 层厚 因此 要求 活塞 的运 动分 辨 率 高 定 位 精 度 好 同时要考虑实验装置 结构 的紧凑性 以往 的连 接方法大 都采用 连接杆 直 接将活塞和丝杠螺母副连 接 这种 结构 的缺点 是 由 于丝杠螺 母副是 沿转 动 的 丝杠做 z向直线运动 丝 杠螺母 副易发生 左右摆 动 而影 响到活塞 上 升 下降 的高度 现设计 的铺 粉装 导 柱 滑 键 调 节螺 钉 工 作缸 体 活 塞 固定钢 板 法 兰 丝 杠螺母 副 图 3 导柱滑键结 构局部视图 置 中采用 了导柱滑键结构来 实现 活塞 的直线运动 如 图3所示 活塞 5与丝杠螺母副8采用导柱连接 导 柱的两端分别固定 在丝杠螺母 副上端面的法兰 7和活 塞 5底部 滑键 2固定在导柱 1的滑槽内 滑键 2沿 轴承座边缘 的凹槽做 z方 向运动 采 用此 种结构 的 优点是在丝杠螺母 副带动活塞直线运动 的过程中 丝 杠螺母副在滑键的导向作用下运动平稳 避免了由于 丝杠螺母副的摆动所引起 的活塞上升 下降产生 的高 度误差而影响 z方向铺粉层厚 滚珠丝杠传动具有摩擦 阻力小 操作 轻便灵 活 运 动平稳 精度高等优点 再 加上采用高精度的交流伺服 电机 所 以 z方 向两个 活塞 的直线运动 精度得 到可靠保 证 为 了防止 电机运 动超 过 图 4 导柱滑键结 构示意 图 限程 作者 为铺粉 电机设 置了行程开关来检测超限的 情况 1 3 2 铺粉装置 的 方 向结构 铺粉装 置 方 向运动 结 构 主 要 由齿 轮 齿 条 铺粉辊筒 步 进 电机 组 成 如 图 5所 示 工作 台 1 0 上置一滑动平板 l 直径 8 0 m m的铺粉辊筒 4两端各 装一齿轮 5 齿轮与工作台 1 0两边的齿条 8啮合传 动 利用轴承座将铺 粉辊 筒 4固定 在滑动平 板 1 上 工作台两边铣有燕尾槽 保证滑动平板运动平稳 工 作 的时候 由步进 电机带动铺粉辊筒逆时针旋转 齿 轮随铺粉辊筒转 动 的 同时沿 齿条 做 方 向的直 线运 动 铺粉辊筒也随之做水平运动从供粉缸向成型缸滑 动 铺粉辊简在其 自转和水平运动的过程中实现铺平 和压实两个作用 川l 仁 L l f rT i f J r l J 既 三 一 j 帚 rol l l一滑动平板2 一 步进 电机3 一 同步带4 一铺粉 辊筒5 一齿轮6 一轴承7 供粉缸8 一齿条 9 一成型缸l0 一工作台 图 5 铺粉装置 方向运动结构 整套装置在工作的过程中 供粉缸活塞向上顶起 一 定量的粉末 与此 同时 成型缸活塞向下产生一很 小的位移 根据试验对铺粉层 厚的要求预设 供 粉 缸顶起 的那层粉末 由铺粉辊筒推送至成 型缸 最后平 铺在成型缸活塞工作面上层 形成一很薄的粉末层 激光 开始进行烧结 循环反复 即可成型 出具有一定 精度和结构的制件 第 8期 杨军惠 等 选择性激光烧结快 速成 型机铺粉装置设计 l3 1 4 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 了工作效率与 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调节 扩大 了快速成型机的使用范围 2实验验证分析 选择性激光烧结技术要求加工出来的三维金属构 件具有很高的尺寸精度 而尺寸精度很大程度上取决 于加工 时的铺粉层厚度 粉末层密度 根据加工过程 的工艺要求 选择性激光烧结成型工艺要求每层铺粉 厚度 能达 到 0 O l 0 0 2 m m 铺 粉装置能将每 层粉铺 到多薄 即铺粉精度 是成 型精度 的一个关键 指标 有必要对加工 过 程 中的铺 粉精 度 进行 测量 和 反复 试 验 在具体铺粉控制 中 经专业 切 片软件进 行 切片 根据制件成形精度 制件物理性能和生产率的要求分 析 计算得到伺服电机的轴向运动最小分辨率以满足 铺粉厚度技术要求 在具体的金属零件烧 结成型工艺加工过程中 由 于考虑到多层加工 中的 Z方 向 累积效 应 而产生 的误差可能对工艺精度有较 大的影 响 因此 在这方 面进行有效 的控制 如采用惰性气体保 护或在 最后一 层烧结完后 不下降铺粉层厚 然后对最后一层重新 烧结 可以将这个误差减到最小 使成型零件满足所 需要 的尺寸精度 3结 论 该装置 以选择性激光烧结快速成型机为基础 对 设备 的关键部分 铺 粉装置进 行了研 究 并 对其铺 粉精度做了试验验证 为选择性激光烧结成型工艺研 究奠定了实验基础 得 出以下结论 1 选择 性激光 烧 结快速 成 型机采 用 高精度 的 机械执行 元 件 保证 了该 技术 所 要求 的 工艺 技术 指 标 2 在与快 速成型机配套 的计算机 中输入参 数 对铺粉装置的铺 粉精度做 了试验验证 满足选择性激 光烧结技术要求 并对 粉末进 行了初步选择性激光烧 结成型工 艺试验 获得 了具有一定强度 精度 和表 面 质量的制件 参考文献 1 潘琰峰 沈以赴 顾冬冬 等 选择性激光烧结技术的发 展现状 J 工具技术 2 0 0 4 3 8 2 3 7 2 白俊生 唐亚新 余承业 等 激光烧结粉末快速成形铺 粉辊简运动参数的分析研究 J 航空精密制造技术 1 9 9 7 3 3 4 1 5 1 8 3 胡晓岳 冯宁 选择性激光烧结机的改进 J 煤矿机 械 2 0 0 7 2 8 1 1 3 0 1 3 2 4 史玉升 黄树槐 周祖德 等 低成本选择性激光烧结快 速成形设备的设计和研制 J 中国机械工程 2 0 0 0 1 1 1 0 l1 2 3 1 1 2 5 5 胡晓岳 冯宁 新型选择性激光烧结成型执行机构设计 J 制造技术与机床 2 0 0 7 7 8 1 8 3 6 黄常帅 杨永强 吴伟辉 金属构件选区激光熔化快速成 型铺粉控制系统研究 J 机电工程技术 2 0 0 5 3 4 6 31 3 4 上接第 6 9页 后 应关闭蓄能器与系统管路间的截止阀 保持蓄能 器油压大于充气压力 使皮囊不靠底 5 在使用过程 中 必须定期对皮囊进行气密 性检查 定期更换皮囊及密封件 一旦发现皮囊 中充 气压力低于规定的充气压力时 要及时充 补 气 以使 蓄能器经常处于最佳使用状态 6 工作温度对皮囊的寿命有重大影响 当温 度很低 时 皮囊趋 于脆性 当温度 升高 接近或超过 皮囊的最高允许温度时 皮囊所受应力成倍增加 并 在短 时间内断裂 通 常蓄能器 内的温度高 于系统