选择性激光烧结快速成形技术铺粉装置的设计(编辑修改稿)

选择性激光烧结快速成形技术铺粉装置的设计(编辑修改稿)内容摘要：

SLS 技术的发展历程与现状 选择性激光烧结技术的发展历程 SLS最初由德国萨斯大学奥斯汀分校的 CARL DECKARD 于 1987年在其硕士论文中提出，之后美国的 DTM 公司于 1992 年推出了该工艺的商业化生产设备 sinter station20xx。 随着研究的不断深入，特别是激光束控制技术的突破，美国的 DTM 公司，德国的 EOS 公司，比利时的 Leuven 大学，英国的 MCP 公司，我国的北京隆源自动化成型有限公司，南京航空航天大学，西北工业大学，华北工学院和华中科技大学等单位研发的 SLS 成形机，功能不断完善，性能不断提高。 按 SLS 的原材料特性的不同， SLS 的发展可分为 2个阶段： 1）利用 SLS 技术烧结低熔点的材料。 目前的烧结设备和工艺大多处于这一阶段，所用的材料是聚合物，低熔点金属或陶瓷的包覆粉末（或陶瓷与聚合物的混合物）； 2）利用 SLS 技术直接烧结高熔 10 点金属材料（如钛合金，镍合金等），这是 SLS 的重要发展方向 之一。 国外许多快速成形系统开发公司和使用单位对快速成形材料进行了大量的研究，开发出了多种适合于快速成形工艺的粉末材料。 美国的 DTM 公司于 1993 年推出了Rapidsteel 制造技术，在 SLS2500Plus 系统中烧结表面包覆树脂材料的铁粉，初次成形零件后，置入铜粉中再一起放入高温炉进行二次烧结制造出注塑模具，此模具 EOS 公司开发了可直接对未预热的金属粉末进行烧结的 EOSINT M250 系统。 该系统所使用的由不同金属粉末组成的混合粉，适用于制作滚轴和注塑模具。 日本大阪大学焊接研究实验室的 MURAKMI T 等用激光焊接技术，成功制备出高精度高分子材料工件，也可以制备具有高致密度但表面精度稍差的金属件，与此同时， SLS 用粉末材料的研究也取得进展，粉末的品种越来越多。 目前，在国内，正在逐渐运用于生物应用领域，采用 SLS 技术可快速制造医用模型，个体化设计和生产植入体及组织工程支架，并可通过调整 SLS 和后处理工艺参数，实现对生物医用材料的微观结构及力学性能的控制，只生物医学应用领域具有重大的价值，比如在当前北京科技大学新材料技术研究院正在研究采用 SLS成形技术结合后处理的方 法制备生物医用的多空金属材料，已经取得 了一定的成果，所以，这可以说明，利用 SLS 技术，能方便地制备利用细胞粘附和长入的表面粗燥且多孔的金属材料，尤其是生物相容性和力学性能优良的钛及钛合金材料，这将是 SLS 技术在制备生物医用材料领域的一个重要的发展方向。 （当前，在基于选择性激光烧结技术的基础上，也提出了一种密排电阻丝烧结这种新型快速成形方法 — 一种新的成形过程中的加热方法。 意义就在于替代价格昂贵的激光器，可以大大减小成型设备成本，并且可以整截面层同时烧结成型，具有区别于其他快速成形技术的独特的优点。 如果这项技术得到推广，那么它将在快速成形技术又将是 一大亮点，使得未来的快速成形技术得到进一步发展和应用。 ） 总而言之，选择性激光烧结技术是当前较成熟的快速成形方法之一，它在航空，航天，医用等领域逐渐得到重视，这在我们国家建立节约型，环境友好型的中国将会具有重大的意义，它值得我们的科学家，研究者去研究，去普及，去推广到更多的领域。 SLS 铺粉装置的目前现状 目前市场上 SLS 成型机产品很多，但从成型过程来看，其原理大体分为两种。 一种是 DTM 为代表，而另一种是以 EOS 为代表。 下面就以这两种为例，分别加以介绍 成型系 统的主体结构在一个封闭的成型室中安装两个刚体活塞结构。 一个用于供粉，另一个用于成型。 成型过程开始前，用于红外线板将粉末材料加热之恰好低于烧结点的某一温度。 成型开始时，供粉缸内活塞上移一给定量，而成型缸内活塞下一相同量。 铺 11 粉滚筒将粉料均匀的铺在成型缸的加工面上。 激光束在计算机控制下以给定速度和能量对第一层信息进行扫描。 激光束扫过之初粉末被烧结，固化为给定厚度的一层，为烧结的粉末被用来作为支撑。 这样，零件的第一层制作出来了。 而后，供料缸，成型缸分别重复操作上述动作。 激光束按第二层信息扫描，被烧结的粉末未固化成第 二层。 如此反复至完成。 如图所示 图 1 DTM 式 在 系统中，烧结固化过程与 DTM 过程相同。 而铺粉方式有所不同。 粉末的铺撒是有一个槽型喷嘴实现的，其导向跟踪板的轮廓被设计成当喷头从一边偏向另一边是保持喷力的方向始终垂直于工作面。 喷头侧面设计有刮刀装置。 图 2 式 12 本章小结 本 章是全文的前言部分： 1，本文的课题来源，背景，是来自于当前前沿制造技术的部分，增材技术是当今社会一个很好的发展趋势，因此，这要求我们科研者具有开拓创新精神，致力于该方向的研究。 2，研究的目的和意义，本文主要是对 SLS 制造技术的铺粉装置的设计，它对成形工件的质量的影响是十分重大的，它的改进，优化或者设计创新对以后 SLS 的在增材制造技术领域或有很多重大的突破。 3， SLS 快速成型技术的当前背景和研究现状以及它的铺粉装置的当前的研究的现状。 13 2 选择性激光烧结的铺粉装置设计 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 铺粉装置第一种方案 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。 图 21 成型机构工作原理图 14 1,齿轮 2，工作台 3，铺粉轧筒 4，工件 5，激光发生器 6，活塞 7，滚珠丝杠 8，供粉缸 9，成形缸 10，伺服电机 图 22 铺粉装置的结构 铺粉装置的第二种方案 该铺粉装置的工作原理和第一种方案基本是差不多，但是它在机构的设计中未选择用联轴器连接而是选择使用齿轮传动，而且在成形缸的右侧设置了废料回收缸，以便能够节约材料，让材料得到充分利用。 其结构如下图所示 15 图 23 铺粉装置的机构 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。 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： Z 方向的定位精度： 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 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。 16 3 铺粉装置的结构设计 主机 主机主要由成型工作缸，废料回收缸，铺粉轮筒装置，送料工作缸，激光器振镜式动态聚焦扫描系统，机身与机壳等组成。 成型工作缸 在缸中完成零件的加工，工作缸每次下降的距离及为层厚。 零件加工完后，缸升起时，一边取出制件和为下一次假工作准备。 工作缸为圆型缸，下部有活塞装置，活塞杆由连接装置连接丝杠螺母装置。 丝杠有步进电机驱动，丝杠转 动，带动丝杠螺母上下移动，通过连接件从而使活塞作上下运动。 具体结构如下图 图 31 传动部件 结构尺寸：底为直径 400 毫米的圆形，高为 300 毫米。 丝杠的设计 丝杠的类型的确定 滚珠丝杠副的组成及其特点： 17 滚珠丝杠副是一种新型的螺旋传动机构 ，其具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传动元件一滚珠。 它由丝杠，螺母，滚珠和反向器四部分组成。 当丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返向通道，从而形成滚珠流动的闭合通路。 与滑动丝杠副相比较，滚珠丝杠副除上述的优点外，还具有轴向刚度高，运动平稳，传动精度高，不易磨损，使用寿命长等优点。 但由于不能自锁，具有传动可逆性，在用作升降传动机构时，需要采取制动措施。 从作用上来看，两者相同 从应用上去看，滚珠丝杠多用于数控机床，定位工作台。 而 滑动丝杠一般仅用于传递力，无较高定位要求不长的场合。 基于选择性激光烧结的快速成型技术的铺粉装置的设计要求，定位精度要较高，因为滚珠丝杠副更适合于此。 丝杠的设计 丝杠的导程计算： maxmaxhoVPnI  Pho导程 （ mm） Vmax工作台最大移动速度（ mm/min） nmax电机最大转速（ r/min） I 传动比，从输出端（马达）至输入端（丝杠）的传动比。 通过对已知条件的比较， 初步选定丝杠导程为 4mm。 丝杠螺母位置简图如下： 18 图 32 滚珠丝杠 (1) 滚珠丝杠进给力的计算 在设计滚珠丝杠时，首先确定其名义直径，螺距及滚珠直径等，确定上述参数一般是放在防止疲劳点蚀的基础上，对滚道上的点而言，其应力状态是交变的接触力。 因此设计时必须保证它在一定轴向负载的作用下，这种名义直径和螺距的滚珠丝杠回转一百万转后，不产生 点蚀现象，这个负载成为滚珠丝杠的最大动载荷。 作用在滚珠丝杠上的进给力主要包括上下运动件及成型原料的重力和运动件间摩檫力，其数值大小模拟机床丝杠导轨的计算大小。 对于活塞，牵引力可由下式计算： Fm=KFx+f΄(Fz+G) 式中 Fx Fz重力 N K颠覆力矩影响的实验系数 f΄ 运动件上摩檫系数 G移动部件重量 N 由于此设计采用的运动件摩擦较小，所以 f΄=~，取 f΄=， （ 2） 滚珠丝杠的刚度计算 1 轴向总刚度 滚珠丝杠传动系统的刚度受到所有与其相连的部件 (如：轴承、支承、螺母座等 )的影响。 19 图 33 丝杠传动副 公式： 1/Rtot=1/Rs+1/Rnu+1/RaL Rtot传动系统轴向总刚度（ N/μm） RaL 支承轴承刚度（ N/μm） Rs 丝杠刚度（ N/μm） Rnu 螺母刚度 （ N/μm） Fa 轴向负荷 （ N） 2 支 承刚度 支 δ= F a/Rtot δ 轴向弹性变形量 （ μm ） 承轴承刚度 RaL可从轴承生产厂产品样本中的查出。 RaL=Fa/ δ aL 20 RaL支承轴承刚度。