一种SLM设备的双向铺粉系统及方法与流程

一种slm设备的双向铺粉系统及方法
技术领域
1.本发明属于快速成型技术领域，特别涉及一种slm设备的双向铺粉系统及方法。


背景技术：

2.选择性激光熔融(selective laser melting，简称slm)设备通过精细激光聚焦光斑，逐层扫描新铺粉层上的选定区域，形成面轮廓后，层层堆积成型制造，从而直接获得几乎任意形状、具有完全冶金结合的金属功能零件；其优势主要表现在：
3.(1)采用分层制造技术，成型件不受几何复杂度的影响，对任意复杂成型金属零件可直接制造，尤其是对于个性化、小批量复杂金属产品制造非常方便；
4.(2)使用高功率密度的光纤激光器，光束模式好、激光光斑小、成型精度高；
5.(3)直接制成终端金属产品，由于激光能量密度较高，对熔点高、难加工金属材料可直接加工成终端金属产品；
6.(4)成型金属零件是具有冶金的实体，其相对密度几乎达到100％，性能超过传统铸造件。
7.选择性激光熔融工艺使用金属粉末以及激光器、振镜、场镜等光学器件，在计算机的操控下对金属粉末进行扫描照射而实现材料的熔融，通过材料的层层堆积实现成型。选择性激光熔融的整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成，工作时，粉末缸活塞(送粉活塞)上升，由刮刀将粉末均匀铺设在安装在成型缸活塞(工作活塞)上的成型基台上，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面；粉末完成一层后，成型缸活塞下降一个层厚，铺粉系统在成型基台重新铺上新粉，控制激光束再扫描烧结新层；如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型；最后，将未烧结的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。
8.slm设备打印效率是逐层扫描速度和每层铺粉时间的累加，在保证成型质量的前提下逐层扫描的速度由材料性质决定。扫描速度固定的条件下，铺粉时间的优化水平将影响打印效率，打印层数越多，铺粉时间优化对打印效率的影响越大。


技术实现要素：

9.针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种slm设备的双向铺粉系统及方法，用于提高slm设备打印效率。
10.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
11.一种slm设备的双向铺粉系统，包括水平铺粉系统，以及垂直安装于水平铺粉系统外侧的垂直抬刀装置；所述垂直抬刀装置包括抬刀装置安装座、竖直移动机构和铺粉刮刀，抬刀装置安装座安装于水平铺粉系统外侧，竖直移动机构安装在抬刀装置安装座上，竖直移动机构与铺粉刮刀固定，铺粉刮刀在竖直移动机构的带动下做上下运动。
12.上述技术方案中，所述竖直移动机构为微型直线电机，微型直线电机安装在抬刀装置安装座上，微型直线电机上设置有位置反馈装置，微型直线电机、反馈装置均与电机控
制器信号连接。
13.上述技术方案中，所述微型直线电机输出轴与导轨电机连接板顶端连接，导轨电机连接板与导轨内部的滑块锁紧，导轨电机连接板底端固定铺粉刮刀。
14.上述技术方案中，所述微型直线电机的长*宽*高在40mm*20mm*50mm范围内。
15.上述技术方案中，所述微型直线电机的行程范围设置在10mm以内。
16.上述技术方案中，所述竖直移动机构为气缸，气缸的活塞与导轨电机连接板顶端连接，导轨电机连接板与导轨内部的滑块锁紧，导轨电机连接板底端固定铺粉刮刀；气缸的动力源供给通过控制器控制电磁阀实现。
17.上述技术方案中，所述竖直移动机构为电磁铁，电磁铁与导轨电机连接板通过弹簧连接，导轨电机连接板与导轨内部的滑块锁紧，导轨电机连接板底端固定铺粉刮刀；所述导轨电机连接板采用磁性材料，电磁铁由继电器和控制器控制是否通电。
18.上述技术方案中，所述导轨的个数为1或2，导轨固定在竖直移动机构侧部。
19.一种slm设备的双向铺粉系统的铺粉方法，具体为：
20.供粉系统提供适量的金属粉末，铺粉刮刀垂直向下运动到系统铺粉时设定的高度位置，垂直抬刀装置在水平铺粉系统带动下水平移动，铺粉刮刀将粉末铺到成型区域，一次铺粉完成后，铺粉刮刀位于多余金属粉末层的一端；
21.铺粉刮刀垂直向上运动到多余金属粉末层的最高处后，再沿一次铺粉方向移动至多余金属粉末层的另一端，铺粉刮刀垂直向下运动到系统铺粉时所需的设定高度位置；
22.选择性激光熔融成型后，铺粉刮刀沿一次铺粉方向的反方向运动，将多余金属粉末层铺到成型区域。
23.进一步的技术方案，所述供粉系统单次提供的粉末比单次金属零件成型所需粉末多1-2倍。
24.本发明的有益效果为：本发明的双向铺粉系统包括垂直抬刀装置和水平铺粉系统，垂直抬刀装置包括刀装置安装座、竖直移动机构和铺粉刮刀，供粉系统提供一次粉末后，竖直移动机构为微型直线电机或气缸或电磁铁；铺粉刮刀向下移动至系统铺粉时所需的设定高度位置，水平铺粉系统带动垂直抬刀装置，铺粉刮刀移动，将金属粉末平铺在成型区域，一次铺粉完成后，铺粉刮刀位于多余金属粉末层的一端；铺粉刮刀垂直向上运动到多余金属粉末层的最高处后，再沿一次铺粉方向的反方向移动，直至铺粉刮刀位于多余金属粉末层的另一端；再控制铺粉刮刀向下运动至处于系统铺粉时所需的设定高度位置，选择性激光熔融成型后，水平铺粉系统带动铺粉刮刀反向移动，将多余金属粉末层反向平铺至成型区域，完成双向铺粉。本发明通过铺粉刮刀的运动，在供粉系统提供一次粉末的前提下，完成双向铺粉，大大减少了铺粉时间，提高设备的成型速度和效率，显著提升slm设备打印效率；同时解决slm设备在进行金属粉末成型，铺粉系统回刮时破坏成型区域粉末层的问题，提高设备成型零件的成型质量。
附图说明
25.图1为本发明所述slm设备的双向铺粉系统轴视图；
26.图2为本发明所述双向铺粉系统中垂直抬刀装置的正视图；
27.图3为本发明所述双向铺粉系统中垂直抬刀装置的轴视图；
28.图4为本发明所述slm设备的双向铺粉方法流程图；
29.图例说明：1-抬刀装置安装座，2-微型直线电机，3-导轨，4-导轨电机连接板，5-铺粉刮刀，6-电机控制器，7-位置反馈装置，8-垂直抬刀装置，9-水平铺粉系统。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对发明的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围。
31.现有技术中的slm设备铺粉系统只进行一个水平方向的一维运动，铺粉系统的一维运动在slm设备成型过程中，供粉系统提供一次粉末，铺粉系统在成型区域铺上一层粉末，铺粉效率低，且在铺粉系统返程回刮的过程中破坏成型区域的粉末层。如图1所示，本发明slm设备的双向铺粉系统包括垂直抬刀装置8和水平铺粉系统9，垂直抬刀装置8垂直安装于水平铺粉系统9外侧。
32.如图2、3所示，垂直抬刀装置8包括抬刀装置安装座1、微型直线电机2、导轨3、导轨电机连接板4、铺粉刮刀5、电机控制器6和位置反馈装置7，微型直线电机2的输出轴能进行伸缩；抬刀装置安装座1一端通过t型安装板与水平铺粉系统9垂直固定连接，抬刀装置安装座1一侧安装有微型直线电机2，两根导轨3对称安装在微型直线电机2两侧，微型直线电机2的输出轴与导轨电机连接板4顶端连接，导轨电机连接板4两侧还与导轨3内部的滑块锁紧，导轨电机连接板4底端固定铺粉刮刀5，微型直线电机2的上下运动通过两侧的导轨3提供可靠稳定的垂直运动导向，从而带动导轨电机连接板4，实现铺粉刮刀5的上下运动；微型直线电机2与电机控制器6通过信号连接，位置反馈装置7设置在微型直线电机2上，位置反馈装置7实时监测微型直线电机2的运行位置，并反馈电机控制器6，从而控制微型直线电机2的运动，实现微型直线电机2的闭环控制。
33.本实施例中，微型直线电机2可以替换成气缸，采用压缩气体作为气缸的动力源，气缸的活塞与导轨电机连接板4顶端连接，气缸的动力源供给通过控制器控制电磁阀实现，进而由活塞的伸缩，实现导轨电机连接板4和铺粉刮刀5的上下运动；气缸用于垂直运动精度在0.05mm-0.1mm内的slm设备铺粉系统，设置气缸的slm设备铺粉系统，可以不设置位置反馈装置7。
34.本实施例中，微型直线电机2还可以替换成电磁铁，电磁铁与导轨电机连接板4顶端通过弹簧连接，导轨电机连接板4采用磁性材料，电磁铁由继电器和控制器控制是否通电，实现对导轨电机连接板4的吸合，带动铺粉刮刀5上下运动；电磁铁用于垂直运动精度0.05mm-0.1mm内的slm设备铺粉系统，设置电磁铁的slm设备铺粉系统，可以不设置位置反馈装置7。
35.本实施例中，若设置垂直抬刀装置的空间有限，导轨3可只安装在微型直线电机2的一侧。
36.微型直线电机2的尺寸在40mm*20mm*50mm(长*宽*高)范围内，本实施例优选25mm*11mm*35mm，可以实现在非常有限的空间内进行使用；并且通过位置反馈装置7，将铺粉刮刀5的定位精度控制在0.01mm以内。微型直线电机2的上下运动行程范围通过电机控制器6来控制，微型直线电机2的行程范围设置在10mm以内，如果需要加大或者缩小运动行程，只需
要更改电机控制器6的控制参数即可实现。
37.下面以微型直线电机2为例，说明本发明的工作原理：增加了垂直抬刀装置8以后，slm设备铺粉系统可进行水平方向和垂直方向的二维运动。利用本发明的slm设备的双向铺粉系统，slm设备的供粉系统单次提供的粉末一般比单次金属零件成型所需粉末多1-2倍，供粉系统单次提供的粉末比例可以在slm设备所在系统中进行设置。slm设备的供粉系统提供一次粉末后，电机控制器6控制微型直线电机2向下运动，使得铺粉刮刀5刚好处于系统铺粉时所需的设定高度位置(设置在电机控制器6中)；水平铺粉系统9开始水平向右运动，带动铺粉刮刀5把金属粉末平铺到slm设备的成型区域，铺粉过程中多余粉金属粉末留在成型区域右端，一次铺粉动作完成；在水平左右的相对位置上，铺粉刮刀5位于多余金属粉末层的左端。一次铺粉动作完成后，微型直线电机2在电机控制器6的控制下向上运动，带动铺粉刮刀5垂直抬起，直至成型区域右端的多余金属粉末层的最高处(设置在电机控制器6中)保证铺粉刮刀5在非铺粉状态不和成型面的粉末或打印件接触，水平铺粉系统9向右运动(运动行程一般为20mm，行程可设置)，使得在水平左右的相对位置上，铺粉刮刀5位于多余金属粉末层的右端，水平铺粉系统9停止运动。微型直线电机2向下运动，带动铺粉刮刀5垂直回到粉末铺粉所需的设定高度位置。上述动作流程是为了实现把铺粉刮刀5从多余金属粉末层的左端移动右端，为下一次的铺粉做好准备；在水平左右的相对位置上，铺粉刮刀5位于多余金属粉末层的右端。
38.当上一层铺完粉末的选择性激光熔融成型结束后，水平铺粉系统9直接带动垂直抬刀装置8向左运动，通过铺粉刮刀5把前面一次的多余金属粉末平铺到slm设备的成型区域，此时在不需要slm设备的供粉系统进行二次粉末供给的情况下完成双向铺粉，极大地提高了整体的铺粉效率。
39.下面以微型直线电机2为例，说明本发明slm设备的双向铺粉方法，如图4所示，具体包括如下：
40.供粉系统提供适量的金属粉末；
41.电机控制器6控制微型直线电机2，带动铺粉刮刀5垂直向下运动，移动到系统铺粉时所需的设定高度位置；
42.水平铺粉系统9带动垂直抬刀装置8，使得铺粉刮刀5水平向右运动，将粉末铺到成型区域，进行选择性激光熔融成型，多余粉末留在成型区域的右端，铺粉刮刀5位于多余金属粉末层的左端；
43.铺粉刮刀5垂直向上运动，移动到多余金属粉末层的最高处；
44.水平铺粉系统9带动垂直抬刀装置8，使得铺粉刮刀5水平向右运动，移动到多余金属粉末层的右端；
45.铺粉刮刀5垂直向下运动，移动到系统铺粉时所需的设定高度位置；
46.选择性激光熔融成型结束后，铺粉刮刀5水平向左运动，将前一次多余的粉末铺到成型区域，进行选择性激光熔融成型，铺粉刮刀5位于多余金属粉末层的右端；
47.铺粉刮刀5垂直向上运动，移动到多余金属粉末层的最高处；
48.水平铺粉系统9带动垂直抬刀装置8，使得铺粉刮刀5水平向左运动，移动到供粉系统的左端，开始新一轮的铺粉。
49.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”等
指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
50.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
51.具体实施方式的内容是为了便于本领域技术人员理解和使用本发明而描述的，并不构成对本发明保护内容的限定。本领域技术人员在阅读了本发明的内容之后，可以对本发明进行合适的修改。本发明的保护内容以权利要求的内容为准。在不脱离权利要求的实质内容和保护范围的情况下，本发明进行的各种修改、变更和替换等都在本发明的保护范围之内。