_选择性激光熔化激光快速成型铺粉装置设计

·57·

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）

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。

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 Guangxia ①，ZENG Xiaoyan ②

（①School of Electromechanical and Architectural Engineering ，Jianghan University ，Wuhan 430056，CHN ；

②Division 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 de-signing 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.

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。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。

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。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

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。

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

·58·

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。

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1μm 。

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：

（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。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

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。

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

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