雙光源激光燒結(jié)鋪粉系統(tǒng)的改進(jìn)研究

郭池　陳號(hào)

摘 要：選擇性激光燒結(jié)（SLS）是一種重要的快速成型技術(shù)，利用激光照射粉末實(shí)現(xiàn)工件的加工固化。文章對(duì)SLS系統(tǒng)現(xiàn)有的鋪粉結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比介紹，主要包括輥?zhàn)邮戒伔垩b置、單缸雙輥雙向鋪粉裝置和“跳躍式”鋪粉裝置等。此外，文章還對(duì)雙光源激光快速成型機(jī)的單缸跟隨式漏斗鋪粉方式進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。

關(guān)鍵詞：選擇性激光燒結(jié)；SLS；鋪粉裝置

選擇性激光燒結(jié)（SLS）工藝是快速成型技術(shù)中的一項(xiàng)重要分支，自20世紀(jì)80年代以來取得了長(zhǎng)足的發(fā)展[1-5]，SLS制造技術(shù)集CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光加工技術(shù)于一體。其制造工藝突破了傳統(tǒng)的除行加工材料的方法，可在沒有夾具的情況下實(shí)現(xiàn)無模制造，極大的縮短了加工制造的時(shí)間，同時(shí)一些傳統(tǒng)無法加工的復(fù)雜結(jié)構(gòu)都可以通過這種方法得以實(shí)現(xiàn)。SLS工藝是近幾年發(fā)展最快、最為成功的快速制造技術(shù)。采用該技術(shù)可以直接制造精確的原型及模型，還可以使用金屬作為原材料，直接成型金屬零件并作為功能件使用。SLS工藝由于其諸多的優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代制造業(yè)中越來越受到重視。

選擇性激光燒結(jié)是采用激光逐層燒結(jié)粉末固體特定區(qū)域，使得燒結(jié)成型的固話層通過疊加最終形成所需形狀的零件。整個(gè)工藝過程包括數(shù)據(jù)處理、鋪粉、燒結(jié)、后處理等。其成型工作原理：首先將模型數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過計(jì)算機(jī)控制激光的運(yùn)動(dòng)軌跡。在進(jìn)行工作時(shí)粉末缸上升，由鋪粉裝置將粉末均勻的鋪在成型缸的上層，同時(shí)激光在工作層面有選擇的將固體粉末燒結(jié)成型，形成一個(gè)零件的層面，一個(gè)工作面完成后成型缸下降，再由鋪粉裝置將粉末均勻的鋪設(shè)在已成型工件的表面，如此循環(huán)往復(fù)最終形成三維零件。在整個(gè)工藝過程中需要對(duì)設(shè)備的環(huán)境溫度以及工作平臺(tái)溫度進(jìn)行調(diào)控，以減少成型翹曲以及層與層之間的結(jié)合力。

工藝過程中鋪粉裝置作為工藝成型的基礎(chǔ)裝置，鋪粉裝置的穩(wěn)定性對(duì)成型的效率及精度、工藝的可靠性與便捷性都具有重要的影響，任何因送粉鋪粉裝置的缺陷都會(huì)影響成型零件的質(zhì)量，因此現(xiàn)階段有許多對(duì)SLS鋪粉裝置的研究與探索。

楊軍惠[6]等人設(shè)計(jì)了一種輥?zhàn)邮戒伔垩b置如圖1所示，系統(tǒng)由工作臺(tái)、鋪粉裝置、激光器、激光光路發(fā)生系統(tǒng)外加輔助系統(tǒng)組成。鋪粉裝置動(dòng)力部分配置伺服電機(jī)、滾珠絲杠、通過齒輪和齒條進(jìn)行傳動(dòng)。鋪粉裝置的Z方向采用雙活塞缸結(jié)工作平臺(tái)，通過控制兩個(gè)缸體內(nèi)活塞的升降高度來實(shí)現(xiàn)對(duì)鋪粉層厚的控制。鋪粉裝置Z軸方向的運(yùn)動(dòng)采用了導(dǎo)柱滑鍵結(jié)構(gòu)，活塞與絲杠母采用導(dǎo)柱連接，其優(yōu)點(diǎn)是在絲杠螺母副帶動(dòng)活塞直線運(yùn)動(dòng)的過程中，絲杠螺母副在滑鍵的導(dǎo)向作用下運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，避免了由于絲杠螺母副的擺動(dòng)所引起的活塞上升、下降產(chǎn)生的高度誤差而影響Z方向鋪粉層厚。

包坤[7]設(shè)計(jì)了一種單缸雙輥雙向鋪粉裝置，縮小了設(shè)備體積，提高了設(shè)備運(yùn)行效率；針對(duì)雙光源激光快速成型機(jī)，雙缸鋪粉三缸鋪粉方式都會(huì)使得激光快速成型機(jī)整體設(shè)備過于龐大，同時(shí)使得鋪粉效率低下。因此其采用了單缸跟隨式漏斗鋪粉方式。同時(shí)采用輥?zhàn)邮胶鸵苿?dòng)漏斗式相結(jié)合的復(fù)合式鋪粉方式。通過調(diào)節(jié)漏斗出粉口的高度來調(diào)節(jié)鋪粉輥對(duì)鋪粉平面的壓力作用，可提高鋪粉的密實(shí)度，利用鋪粉輥逆向旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的摩擦力作用，將粉末顆粒向前滾動(dòng)推進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)小粒徑流動(dòng)性較差的粉體的鋪粉。

趙培[8]等人提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的快速成形的“跳躍式”鋪粉裝置。該鋪粉裝置采用刮板式鋪粉機(jī)構(gòu)和滾輪、軌道的構(gòu)建，并配有輔助的側(cè)翼結(jié)構(gòu)。該鋪粉裝置利用上下軌道的自動(dòng)切換使刮片在鋪粉過程的行程兩端實(shí)現(xiàn)單向抬升與下落，使得粉末堆始終保持在刮片運(yùn)動(dòng)前方，減少了物料的堆積，同時(shí)加裝的側(cè)翼減少了刮片兩側(cè)的物料流失，達(dá)到了粉末的高效利用。其設(shè)計(jì)的鋪粉裝置具有模塊化設(shè)計(jì)，可針對(duì)不同物料加裝模塊，具有易用性的特點(diǎn)。

綜上所述，較為成熟的鋪粉裝置有移動(dòng)料斗式，刮板式，輥?zhàn)邮揭约皬?fù)合式移動(dòng)料斗及其復(fù)合型鋪粉機(jī)構(gòu)，適用于鋪送高流動(dòng)性粉末。輥?zhàn)邮皆谏鲜鲣伔垩b置中的壓實(shí)效果最好，刮板式的鋪平效果最好，其缺點(diǎn)在于推鋪粉末的過程中，輥?zhàn)雍凸伟鍖?duì)粉末的約束性較差，造成粉末在鋪粉方向的兩側(cè)流散，并在鋪粉形成的末端形成粉末堆積，造成粉末的浪費(fèi)，同時(shí)效率也會(huì)降低。隨著SLS加工材料的需求越來越多樣，需要針對(duì)對(duì)物性不同的材料開發(fā)出更為多樣的鋪粉系統(tǒng)。文章由蘇州市基礎(chǔ)項(xiàng)目資助。

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[8]趙培，賈文鵬，賀衛(wèi)衛(wèi)，等.機(jī)械研究與應(yīng)用[M].2012，2：67-69.

作者簡(jiǎn)介：郭池（1980-），男，新疆自治區(qū)昌吉市人，工作單位：西安交通大學(xué)蘇州研究院，職務(wù)：教師，研究方向：快速成型工藝。