选择性激光熔化激光快速成型铺粉装置设计
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Keywords： SLM； Powder Coating Device； Guide Pistons Device； Scraper
选择性激光熔化（ SLM） 技术是近年来出现的最新 的快速成型技术之一，其工作原理是应用分层制造思 想，以粉末为材料，将 CAD 模型转换为零件。其机械 性能与锻造相当［1 ～ 3］。具有广泛的应用前景。
4 Kamran Aamir Mumtaz，Poonjolai Erasenthiran，Neil Hopkinson. High density selective laser melting of Waspaloy［J］. Journal of materials processing technology，2008 （ 195） ： 77 － 87
· 59 ·
5 结语
本文设计制造的铺粉装置，可以实现最小 10 μm 层厚的粉末铺设，完全满足 SLM 快速成型的需要。
参考文献
1 付立定，史玉升，章文献等. 316L 不锈钢粉末选择性激光熔化快速 成型的工艺研究［J］. 应用激光，2008，4（ 2） ： 108 ～ 111
2 Over C，Meiners W，W issenbach K，et al. Selective laser melting： a new approach for the direct manufacturing of metal parts and tools［C］. 1st International Conference on Laser Assisted Net Shape Engineering， Germany： Frankfurt，2001.
刮板结构的设计对铺粉质量有较大的影响。铺粉 质量包括两个方面： 致密性和均匀性。在选择性激光 熔化成型（ SLM） 时，所铺粉末致密度的大小，直接影响 工件的密度，从 而 影 响 工 件 的 强 度、变 形 及 收 缩 等 性 能。均匀性也直接影响成型工件的密度的均匀性及强 度等性能。
在许多的 SLM 和 SLS（ Selective Laser Sintering） 铺 粉设备中，采用的是辊筒方式进行铺粉［5］。这种方式 的优点主要在于所铺粉末的致密度高，这是由于辊筒 对粉末的滚压作用。但其缺点是送粉量与铺粉量增 加，送粉需求大，则导致送粉缸尺寸增加，从而使整个 设备体积增大； 另外其铺粉层厚不可能太薄，一般在
关键词： 选择性激光熔化 铺粉装置 导向装置 刮板
Design on SLM Powder Coating Device
CHEN Guangxia①，ZENG Xiaoyan② （ ①School of Electromechanical and Architectural Engineering，Jianghan University，Wuhan 430056，CHN；
2 SLM 铺粉装置设计中的若干关键技术
2. 1 成型缸活塞运动导向装置的设计 为减小成型缸活塞上下运动的摆动误差和转动误
差，可以利用双键导向。但双键的使用给生产加工提 出了较高的要求，目前许多厂家尚无双键加工技术或 者没有相应的加工设备。
针对这种情况，本文在控制误差要求不变的情况 下，用滚动轴承代替导向键，其优点是： 既能满足精度 要求，又能减小结构尺寸。成型缸导向结构图，如图 2 所示。实际检测误差为 1 μm。
工作原理为： 成型缸活塞下移 1 个加工层厚，送粉 缸的活塞上移 2 ～ 3 倍的铺粉层厚，推动金属粉末上 移，同时回收缸下移 1 ～ 2 个层厚； 刮板在滚珠丝杠带
铺粉装置包括送粉缸、成型缸和回收缸的上下运
* 国家 863 高技术项目（ 2006AA03Z0446） 支助
· 57 ·
动，刮板的左右运动四种运动。这四种运动全部用交 流伺服电动机驱动，通过高精密滚珠丝杠传动来完成。
5 白俊生，唐亚新，余承业. 激光烧结粉末快速成型铺粉辊筒运动参 数的分析研究［J］. 航空精密制造技术，1997，33（ 1） ： ： 15 ～ 17
6 魏庆同编. 刀具合理几何参数（ 第一版） ［M］. 兰州： 甘肃人民出版 社，1978： 100 ～ 130
（ 编辑 蔡云生）
（ 收稿日期： 2009 ― 10 ― 27） 文章编号： 10316 如果您想发表对本文的看法，请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。
3 D. Frank，G. Fadel，Preferred direction of build for rapid prototyping processes［C］. 5th International Conference on Rapid Prototyping，Dayton，Ohio，1994： 191 － 201
（ 3） 刃口倒棱尺寸的选择。在刀具设计中倒棱也 是非常重要的，特别是陶瓷材料的刀具，没有倒棱是不 能进行切削的。其中 γ01 为倒棱前角，其取值根据切削 材料的不同而不同，当 － γ01 增大，则切削的负前角增 大，切削力相应也增大。当取值为 － 15°，切削力最小。 另外，倒棱宽度 b01 的大小与进给量有关。本文的切削
· 58 ·
0. 05 ～ 0. 25 mm 之间。 为了 克 服 辊 筒 方 式 的
不足，本文采用刮板的方式 来完成。由于刮板在铺粉 过程中，要完成两个方面的 任务： 一 是 进 行 粉 末 的 铺 设，二是对成型表面产生的 球化颗粒 （ 产生原因包括 激光熔覆时产生的球化和 飞溅产生的球化） 进行切 除。其切削功能，相当于机 加工中的刀具。所以本文根据机械加工中刀具的设计 方法来设计刮板的结构［6］，刮板结构示意图如图 4 所 示。
② Division of Laser Technology，Wuhan National Laboratory for Optoelectronics，Huazhong University of Science ＆ Technology，Wuhan 430074，CHN）
Abstract： Working principle and function of main composes were introduced in this paper，key technologies for designing the device were discussed，such as designing on guide pistons，cylinder block，and scraper. The powder coating device is used successfully，and the effect of the powder coating is well.
选择性激光熔化激光快速成型铺粉装置设计*
陈光霞① 曾晓雁②
（ ①江汉大学机电与建筑工程学院，湖北 武汉 430056； ②华中科技大学武汉国家光电实验室激光部，湖北 武汉 430074）
Hale Waihona Puke Baidu
摘 要： 叙述了利用现有条件，自行设计、制造的一套铺粉装置的基本组成和工作原理； 论述了铺粉装置设计 中的若干关键技术，如活塞导向装置设计、缸体结构设计，刮板的材料选择及结构设计等。该铺粉装 置已成功应用于实际加工，取得了良好的铺粉效果。
要想将 SLM 激光快速成型技术用于实际，必须先 拥有一套高精度的加工设备。国外的设备价格昂贵， 不适合在国内推广。本文利用现有的加工制造条件， 设计制造出一套经济实用的高精度的 SLM 设备。
铺粉装置是 SLM 激光快速成型设备中的关键部 件，铺粉的均匀性直接影响快速成型的成败。本文对 SLM 铺粉装置的基本组成、工作原理以及设计中的关 键技术进行了论述。
因此，在 SLM 铺粉设备的设计中，方形缸是较好 的选择。缸体结构如图 3 所示。 2. 3 刮板的材料选择与结构设计
SLM 铺粉设备中的刮板设计主要有两个方面的
2. 3. 1 粉末特性 粉末是由大量颗粒组成的一种分散的介质，其中
的颗粒是相互分离的，或者说粉末是大量的颗粒以及 颗粒之间的间隙组成的一种集合体。一般的固体是一 种晶粒的结合体，晶粒与晶粒之间是靠原子之间的键 结合力结合。而粉末颗粒之间的键结面和接触面很 小，面上原子之间不能形成很强的键结合力。因此，粉 末不能像固体一样具有固定的形状和流动性，但颗粒 与颗粒之间具有一定的摩擦力，这影响了颗粒与颗粒 之间的相对运动，其流动性比液体的流动性差。一般 情况下，粉末在松散堆积时，由于表面的不规则和表面 之间的摩擦力，颗粒与颗粒之间形成间隙，因此，粉末 的致密性一般只有固体的 20% ～ 30% ［4］。 2. 3. 2 刮板的结构设计
（ 1） 加工方便、精度易保证。方形缸可以采用拼 接方式制造，不需要大型的加工设备就可完成，且内部 表面的尺寸精度与表面精度容易保证。
（ 2） 加工成本低。由于方形缸采用拼接式制造方 法，不需要专用设备进行加工，从而降低了生产成本。
（ 3） 便于制造加工幅面大的成型缸。如果加工幅 面增大，圆形缸就会面临许多的加工困难，但对于方形 缸而言，加 工 难 度 并 没 有 增 加。如 果 要 制 造 大 型 的 SLM 成型设备，方形缸具有绝对的优势。
进给量很小（ 0. 001 ～ 0. 020 mm） ，因此可取值范围为 0. 1 ～ 1 mm，为提高强度，防止崩刃，应选择较大的倒 棱宽度。但宽度增加会引起机械振动，主要是因为倒 棱宽度增加会使垂直分力增大。
4 应用举例
根据前述原理及设计方法，设计、制造的铺粉装置 实物如图 5 所示。从左到右依次为粉末回收缸，成型 缸和送粉缸。利用铺粉装置铺粉的结果如图 6 所示。
内容： 材料选择和结构设计。 刮板的材料如果选择金属，则金属刮板与粉末的
相对运动会产生磁性，影响铺粉的均匀性。另外刮板 要求有一定的硬度与耐磨性。因此本文选择陶瓷作为 刮板的材料。
保证了活塞杆的运动精度后，可以通过调节螺钉 来消除基板平面与丝杠轴线的误差。 2. 2 SLM 铺粉设备中活塞缸的设计
根据设备使用要求，SLM 铺粉设备包括三个缸， 即送粉缸、成 型 缸 和 回 收 缸。 本 文 采 用 方 形 缸 形 式。 其原因如下：
动下快速将粉末刮到成型缸完成铺粉工作，多余的粉 末刮到粉末回收缸中； 激光进行该层的加工扫描，加工 完成后，成型缸活塞下移 1 个层厚，刮板回到初始位 置，准备下一层铺粉。如此往复，完成激光加工的铺粉 操作。
1 铺粉装置的组成及工作原理
如图 1 所示，铺粉装置由送粉缸 9、成型缸 7、回收 缸 4、缸体、线性导轨、刮板 8 等部分组成。
（ 1） 前角 γ0 是重要的参数之一，它的大小直接决 定切削刃的锋利程度和强固程度，也直接影响切削过 程。前角主要根据刀具材料与加工对象材料来选择。 本文采用陶瓷材料制作的刮板则前角应选择小一些， 且一般采用负前角，主要是因为陶瓷材料脆性较大，过 大的前角对强度影响太大，容易产生崩刃现象。
（ 2） 后角 α0 的主要功能是减小刀具的后刀面与工 件之间的摩擦。对刀具的耐用度及工件表面质量有较 大的影响。后角的合理取值主要根据切削速度来确 定，速度慢时后角应选择较大值。本文的切削速度不 宜过快，因为速度快，则机械振动增大，从而影响铺粉 的均匀性。
选择性激光熔化（ SLM） 技术是近年来出现的最新 的快速成型技术之一，其工作原理是应用分层制造思 想，以粉末为材料，将 CAD 模型转换为零件。其机械 性能与锻造相当［1 ～ 3］。具有广泛的应用前景。
4 Kamran Aamir Mumtaz，Poonjolai Erasenthiran，Neil Hopkinson. High density selective laser melting of Waspaloy［J］. Journal of materials processing technology，2008 （ 195） ： 77 － 87
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5 结语
本文设计制造的铺粉装置，可以实现最小 10 μm 层厚的粉末铺设，完全满足 SLM 快速成型的需要。
参考文献
1 付立定，史玉升，章文献等. 316L 不锈钢粉末选择性激光熔化快速 成型的工艺研究［J］. 应用激光，2008，4（ 2） ： 108 ～ 111
2 Over C，Meiners W，W issenbach K，et al. Selective laser melting： a new approach for the direct manufacturing of metal parts and tools［C］. 1st International Conference on Laser Assisted Net Shape Engineering， Germany： Frankfurt，2001.
刮板结构的设计对铺粉质量有较大的影响。铺粉 质量包括两个方面： 致密性和均匀性。在选择性激光 熔化成型（ SLM） 时，所铺粉末致密度的大小，直接影响 工件的密度，从 而 影 响 工 件 的 强 度、变 形 及 收 缩 等 性 能。均匀性也直接影响成型工件的密度的均匀性及强 度等性能。
在许多的 SLM 和 SLS（ Selective Laser Sintering） 铺 粉设备中，采用的是辊筒方式进行铺粉［5］。这种方式 的优点主要在于所铺粉末的致密度高，这是由于辊筒 对粉末的滚压作用。但其缺点是送粉量与铺粉量增 加，送粉需求大，则导致送粉缸尺寸增加，从而使整个 设备体积增大； 另外其铺粉层厚不可能太薄，一般在
关键词： 选择性激光熔化 铺粉装置 导向装置 刮板
Design on SLM Powder Coating Device
CHEN Guangxia①，ZENG Xiaoyan② （ ①School of Electromechanical and Architectural Engineering，Jianghan University，Wuhan 430056，CHN；
2 SLM 铺粉装置设计中的若干关键技术
2. 1 成型缸活塞运动导向装置的设计 为减小成型缸活塞上下运动的摆动误差和转动误
差，可以利用双键导向。但双键的使用给生产加工提 出了较高的要求，目前许多厂家尚无双键加工技术或 者没有相应的加工设备。
针对这种情况，本文在控制误差要求不变的情况 下，用滚动轴承代替导向键，其优点是： 既能满足精度 要求，又能减小结构尺寸。成型缸导向结构图，如图 2 所示。实际检测误差为 1 μm。
工作原理为： 成型缸活塞下移 1 个加工层厚，送粉 缸的活塞上移 2 ～ 3 倍的铺粉层厚，推动金属粉末上 移，同时回收缸下移 1 ～ 2 个层厚； 刮板在滚珠丝杠带
铺粉装置包括送粉缸、成型缸和回收缸的上下运
* 国家 863 高技术项目（ 2006AA03Z0446） 支助
· 57 ·
动，刮板的左右运动四种运动。这四种运动全部用交 流伺服电动机驱动，通过高精密滚珠丝杠传动来完成。
5 白俊生，唐亚新，余承业. 激光烧结粉末快速成型铺粉辊筒运动参 数的分析研究［J］. 航空精密制造技术，1997，33（ 1） ： ： 15 ～ 17
6 魏庆同编. 刀具合理几何参数（ 第一版） ［M］. 兰州： 甘肃人民出版 社，1978： 100 ～ 130
（ 编辑 蔡云生）
（ 收稿日期： 2009 ― 10 ― 27） 文章编号： 10316 如果您想发表对本文的看法，请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。
3 D. Frank，G. Fadel，Preferred direction of build for rapid prototyping processes［C］. 5th International Conference on Rapid Prototyping，Dayton，Ohio，1994： 191 － 201
（ 3） 刃口倒棱尺寸的选择。在刀具设计中倒棱也 是非常重要的，特别是陶瓷材料的刀具，没有倒棱是不 能进行切削的。其中 γ01 为倒棱前角，其取值根据切削 材料的不同而不同，当 － γ01 增大，则切削的负前角增 大，切削力相应也增大。当取值为 － 15°，切削力最小。 另外，倒棱宽度 b01 的大小与进给量有关。本文的切削
· 58 ·
0. 05 ～ 0. 25 mm 之间。 为了 克 服 辊 筒 方 式 的
不足，本文采用刮板的方式 来完成。由于刮板在铺粉 过程中，要完成两个方面的 任务： 一 是 进 行 粉 末 的 铺 设，二是对成型表面产生的 球化颗粒 （ 产生原因包括 激光熔覆时产生的球化和 飞溅产生的球化） 进行切 除。其切削功能，相当于机 加工中的刀具。所以本文根据机械加工中刀具的设计 方法来设计刮板的结构［6］，刮板结构示意图如图 4 所 示。
② Division of Laser Technology，Wuhan National Laboratory for Optoelectronics，Huazhong University of Science ＆ Technology，Wuhan 430074，CHN）
Abstract： Working principle and function of main composes were introduced in this paper，key technologies for designing the device were discussed，such as designing on guide pistons，cylinder block，and scraper. The powder coating device is used successfully，and the effect of the powder coating is well.
选择性激光熔化激光快速成型铺粉装置设计*
陈光霞① 曾晓雁②
（ ①江汉大学机电与建筑工程学院，湖北 武汉 430056； ②华中科技大学武汉国家光电实验室激光部，湖北 武汉 430074）
Hale Waihona Puke Baidu
摘 要： 叙述了利用现有条件，自行设计、制造的一套铺粉装置的基本组成和工作原理； 论述了铺粉装置设计 中的若干关键技术，如活塞导向装置设计、缸体结构设计，刮板的材料选择及结构设计等。该铺粉装 置已成功应用于实际加工，取得了良好的铺粉效果。
要想将 SLM 激光快速成型技术用于实际，必须先 拥有一套高精度的加工设备。国外的设备价格昂贵， 不适合在国内推广。本文利用现有的加工制造条件， 设计制造出一套经济实用的高精度的 SLM 设备。
铺粉装置是 SLM 激光快速成型设备中的关键部 件，铺粉的均匀性直接影响快速成型的成败。本文对 SLM 铺粉装置的基本组成、工作原理以及设计中的关 键技术进行了论述。
因此，在 SLM 铺粉设备的设计中，方形缸是较好 的选择。缸体结构如图 3 所示。 2. 3 刮板的材料选择与结构设计
SLM 铺粉设备中的刮板设计主要有两个方面的
2. 3. 1 粉末特性 粉末是由大量颗粒组成的一种分散的介质，其中
的颗粒是相互分离的，或者说粉末是大量的颗粒以及 颗粒之间的间隙组成的一种集合体。一般的固体是一 种晶粒的结合体，晶粒与晶粒之间是靠原子之间的键 结合力结合。而粉末颗粒之间的键结面和接触面很 小，面上原子之间不能形成很强的键结合力。因此，粉 末不能像固体一样具有固定的形状和流动性，但颗粒 与颗粒之间具有一定的摩擦力，这影响了颗粒与颗粒 之间的相对运动，其流动性比液体的流动性差。一般 情况下，粉末在松散堆积时，由于表面的不规则和表面 之间的摩擦力，颗粒与颗粒之间形成间隙，因此，粉末 的致密性一般只有固体的 20% ～ 30% ［4］。 2. 3. 2 刮板的结构设计
（ 1） 加工方便、精度易保证。方形缸可以采用拼 接方式制造，不需要大型的加工设备就可完成，且内部 表面的尺寸精度与表面精度容易保证。
（ 2） 加工成本低。由于方形缸采用拼接式制造方 法，不需要专用设备进行加工，从而降低了生产成本。
（ 3） 便于制造加工幅面大的成型缸。如果加工幅 面增大，圆形缸就会面临许多的加工困难，但对于方形 缸而言，加 工 难 度 并 没 有 增 加。如 果 要 制 造 大 型 的 SLM 成型设备，方形缸具有绝对的优势。
进给量很小（ 0. 001 ～ 0. 020 mm） ，因此可取值范围为 0. 1 ～ 1 mm，为提高强度，防止崩刃，应选择较大的倒 棱宽度。但宽度增加会引起机械振动，主要是因为倒 棱宽度增加会使垂直分力增大。
4 应用举例
根据前述原理及设计方法，设计、制造的铺粉装置 实物如图 5 所示。从左到右依次为粉末回收缸，成型 缸和送粉缸。利用铺粉装置铺粉的结果如图 6 所示。
内容： 材料选择和结构设计。 刮板的材料如果选择金属，则金属刮板与粉末的
相对运动会产生磁性，影响铺粉的均匀性。另外刮板 要求有一定的硬度与耐磨性。因此本文选择陶瓷作为 刮板的材料。
保证了活塞杆的运动精度后，可以通过调节螺钉 来消除基板平面与丝杠轴线的误差。 2. 2 SLM 铺粉设备中活塞缸的设计
根据设备使用要求，SLM 铺粉设备包括三个缸， 即送粉缸、成 型 缸 和 回 收 缸。 本 文 采 用 方 形 缸 形 式。 其原因如下：
动下快速将粉末刮到成型缸完成铺粉工作，多余的粉 末刮到粉末回收缸中； 激光进行该层的加工扫描，加工 完成后，成型缸活塞下移 1 个层厚，刮板回到初始位 置，准备下一层铺粉。如此往复，完成激光加工的铺粉 操作。
1 铺粉装置的组成及工作原理
如图 1 所示，铺粉装置由送粉缸 9、成型缸 7、回收 缸 4、缸体、线性导轨、刮板 8 等部分组成。
（ 1） 前角 γ0 是重要的参数之一，它的大小直接决 定切削刃的锋利程度和强固程度，也直接影响切削过 程。前角主要根据刀具材料与加工对象材料来选择。 本文采用陶瓷材料制作的刮板则前角应选择小一些， 且一般采用负前角，主要是因为陶瓷材料脆性较大，过 大的前角对强度影响太大，容易产生崩刃现象。
（ 2） 后角 α0 的主要功能是减小刀具的后刀面与工 件之间的摩擦。对刀具的耐用度及工件表面质量有较 大的影响。后角的合理取值主要根据切削速度来确 定，速度慢时后角应选择较大值。本文的切削速度不 宜过快，因为速度快，则机械振动增大，从而影响铺粉 的均匀性。