CN101829782A - 一种非接触式粉末自动供给及铺平装置 - Google Patents

Abstract

一种非接触式粉末自动供给及铺平装置，属于电子束/激光选区熔化技术领域。该装置主要包括工作腔、料箱、挡块、工作平台和自动铺粉系统，同时该装置还包括一个含有铺粉控制程序的计算机、A/D转换卡及运动控制卡，所述的铺粉系统由铺粉筛、连接件、悬臂梁称重传感器以及驱动装置组成。由于铺粉筛与成形区域不接触，所以成形区域的表面平整度对铺粉运动不会造成影响，控制孔径大小和铺粉筛的运动参数即铺粉筛运动参数可以实现不同厚度的均匀铺粉，特别是在非平整表面实现薄层铺粉时更具有显著的效果。

Description

一种非接触式粉末自动供给及铺平装置

技术领域

本发明涉及一种非接触自动铺粉方法及装置，可以将粉末均匀的铺撒在工作平台上，属于电子束选区熔化技术领域。

背景技术

电子束选区熔化技术(Electron Beam Selective Melting，EBSM)是目前新兴的一种快速制造工艺。在真空室内，铺粉装置在成形区域上均匀地铺上一薄层粉末颗粒，由计算机控制高能电子束根据所要成形零件的横截面参数熔化粉末，逐层制造从而实现零件的快速制造。

作为该工艺的一个重要部分，铺粉装置和铺粉工艺对整个系统的工作质量有着重大影响。目前公知的铺粉装置主要分为刮板式，辊子式和移动料斗式三种。例如中国专利文献(申请号：03213749.4)公开了一种移动料斗式的铺粉装置，该装置包括工作平台、移动式原料箱、工件箱、活塞及相关驱动机构。铺粉前，工件箱活塞上升到顶端与工作平台成为一个平面，移动式原料箱装上适量粉末；铺粉时，工件箱活塞下降一定高度，移动式原料箱从工作平台一端运动到另一端，实现工件箱区域的铺粉功能，原料箱底面加工出过渡圆角，可以实现对粉末的压实作用，随后采用高能束流选择熔化粉末，最后工件箱活塞再次下降一定高度，移动式原料箱反向运动，实现铺粉，如此反复制造出所需零件。从99237635.1得知采用辊子式的铺粉装置，在定量送粉机构的下方设置有送料棍，当送粉机构定量落料后，送料棍被驱动在工作平台上运动，送料棍将粉末推赶到工作平台的工件加工区内，且一边推赶一边将粉末压实，实现铺粉功能。刮板式的铺粉过程与前两种类似。它们均可以实现在平整的成形区域上的铺粉功能，但是这些铺粉装置的缺点是：上述原料箱底/送料棍/刮板都与待铺展的粉末接触，当成形区域内存在凸起或翘曲且凸起与翘曲的高度大于工件箱活塞下降高度时，它们均会被卡住，铺粉过程被迫中断，整个成形工艺也将随之中断。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非接触式粉末自动供给及铺平装置，以实现在不平整的成形区域中均匀的铺粉，从而解决现有的铺粉装置及方法存在的在成形区域表面不平整时铺粉装置易被卡死，铺粉功能不能实现的不足和缺陷。

本发明的技术方案如下：

一种非接触式粉末自动供给及铺平装置，含有工作腔、装有粉末的料箱、设置在料箱底部的挡块、铺粉系统、带有限位行程开关的工作平台、装有活塞的工件腔；所述的料箱固定在工作腔内，所述的工作平台放置于料箱的下方，工件腔固定在工作平台上，其特征在于：所述的铺粉系统由铺粉筛、连接件、悬臂梁称重传感器及驱动装置组成；所述的铺粉筛通过连接件悬于工作平台的上方、料箱的下方；驱动装置由铺粉电机、皮带轮及同步带组成；所述的悬臂梁称重传感器分别与铺粉筛和连接件连接；连接件固定在同步带上；所述装置还包括一个含有铺粉控制程序的计算机、A/D转换卡及运动控制卡，计算机分别通过A/D转换卡和运动控制卡与所述的悬臂梁称重传感器和铺粉电机连接；所述的悬臂梁称重传感器测定铺粉筛中粉末质量并通过A/D转换卡将数值传送给计算机，计算机根据该数值选择铺粉电机的运动程序，再通过运动控制卡控制铺粉电机驱动铺粉筛进行铺粉。

本发明的技术特征还在于：所述的称重传感器通过连接件与铺粉筛连接，形成悬臂梁称重传感器。

本发明所述的铺粉筛采用与工件腔面积和形状相同的铺粉筛，或采用长度与工件腔宽度相同的细长型铺粉筛。所述的铺粉筛由四块金属板、金属筛网和固定板组成，四块金属板组成一个方筒，方筒的长度与粉箱下料口、成形区域宽度相同，金属筛网封住方筒的底端。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：由于铺粉筛与成形区域不接触，所以成形区域的表面平整度对铺粉运动不会造成影响，控制孔径大小和铺粉筛的运动参数或振动参数可以实现不同厚度的均匀铺粉，特别是在非平整表面实现薄层铺粉时更具有显著的效果。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图(剖面图)。

图2为本发明的铺粉系统控制原理框图。

图3为铺粉系统的铺粉流程图。

图4为铺粉筛的结构示意图。

图5为铺粉筛的A向剖视图。

图6为铺粉筛安装示意图。

图中：1-工作腔；2-料箱；3-粉末；4-挡块；5-铺粉筛；6-连接件；7-成形平台；8-皮带轮；9-同步带；10-工件腔；11-活塞；12-金属丝网；13-金属板；14-固定板；15-称重传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理、结构和工作过程进行详细说明。

图1为本发明的结构原理示意图。本装置包含工作腔1、装有粉末3的料箱2、设置在料箱底部的挡块4、铺粉系统、带有限位行程开关的工作平台7、装有活塞11的工件腔10；所述的料箱2固定在工作腔1内，所述的工作平台7放置于料箱2的下方，工件腔10固定在工作平台7上。铺粉系统由铺粉筛5、连接件6、称重传感器15及驱动装置组成；所述的铺粉筛5通过连接件6悬于工作平台7的上方、料箱2的下方；驱动装置由铺粉电机、皮带轮8及同步带9组成，称重传感器15通过连接件6与铺粉筛5连接，形成悬臂梁称重传感器；连接件6固定在同步带9上。该装置还包括一个含有铺粉控制程序的计算机、A/D转换卡及运动控制卡，计算机分别通过A/D转换卡和运动控制卡与所述的称重传感器和铺粉电机连接。

该粉末自动供给及铺平装置的工作过程如下：

装有粉末3的料箱2固定在工作腔1内，可绕轴旋转的挡块4由于弹簧力的作用堵住料箱2的下料口。步进电机转动并通过皮带轮8、同步带9、连接件6和称重传感器15带动铺粉筛5在成形平台7上向左运动，当铺粉筛5运动到料箱2下方时将撞开挡块4，同时触碰到左边的行程开关，使得铺粉电机停转，此时，料箱2中的粉末3将由于重力作用落至铺粉筛中，当称重传感器15测定铺粉筛中粉末质量达到预定值时，铺粉电机反向转动，通过同步带轮8、同步带9、连接件6和称重传感器15带动铺粉筛5在成形平台7上向右匀速运动，同时挡块4由于弹簧力的作用复位将下料口堵住，行程开关复位。当铺粉筛运动到工件腔10上方时，铺粉电机按照预定程序转动使得铺粉筛振动，并总体向右运动，粉末由于其振动的均匀性而均匀下落至工件腔上，实现铺粉功能，当铺粉筛向右运动至工件腔右边时，铺粉电机匀速转动至触碰右侧的行程开关而停转。

图2为本发明的铺粉系统控制原理框图。称重传感器15测定铺粉筛5中粉末质量并通过A/D转换卡将数值传送给计算机，计算机根据该数值选择铺粉电机的运动程序，再通过运动控制卡控制铺粉电机驱动铺粉筛进行铺粉。

图3为本发明的具体铺粉程序流程图。铺粉运行开始时，采用称重传感器15测出铺粉筛5中粉末质量P1，与目标值M相比较，若P1＜M，则料箱2供给一定量粉末3至铺粉筛5中，再次读取铺粉筛5中粉末质量P1并与M值相比，直至P1＞M，停止供粉，然后通过计算机选择一定铺粉程序进行本层实验铺粉。铺粉结束后再次读取称重传感器的数值P2，得到此次铺粉实际铺粉量P3＝P1-P2，计算其与铺粉的理想值的差值，并计算以往各层的差值总和，为选择下层铺粉运动参数做准备；然后高能电子束开始下束，选择性熔化粉末进行成形零件。本层粉末成形结束，工件腔10内的活塞11下降设定高度后再次进行铺粉，如此反复直至完成零件的制造。

图4为铺粉筛的结构示意图。铺粉筛5由四块金属板13、金属筛网12和固定板14组成，四块金属板13组成一个方筒，方筒的长度与粉箱下料口、成形区域宽度相同，金属筛网12封住方筒的底端，方筒长度与工作腔宽度相同，方筒的一面由一定孔径大小的金属丝网12封住，两块带孔的板14作为其固定板，图5为铺粉筛A-A向剖视图。图6为称重传感器15通过连接件6与铺粉筛5连接在一起的装配示意图，由此称重传感器测定铺粉筛中的粉末质量。

铺粉筛的一端由具有一定孔径大小的丝网封住，网眼尺寸根据具体粉末粒度由相应的公式(1)得出，根据Langmaid的研究，可得出长条形和圆形孔结拱的极限流出口径：

S/D_ps＝1.8+0.038(φ_s/φ_v)^1.8，D_c/D_ps＝2.3+0.071(φ_s/φ_v)^1.8        (1)

其中，S为长条形孔口的极限流出口径，Dc为圆形孔口的极限流出口径，Dps为比表面积球当量径Φs、Φv为表面积和体积形状系数。

对于球，φ_s/φ_v＝6，因此，S/D_ps＝2.8，D_c/D_ps＝4.1；对于不规则粉末，大多φ_s/φ_v＝10左右，故S/D_ps＝4.2。

粉筛静止或匀速运动时，由于小孔架桥现象，粉末不会由筛中落下，当铺粉筛非匀速运动或振动时，架桥现象被打破，粉末便会由筛中均匀落下。可以采用与工件腔面积相同的铺粉筛在工件腔上方振动铺粉，也可以采用长度与工件腔宽度相同的细长型铺粉筛一边振动一边向工件腔另一侧运动的方式铺粉，只要保证工件腔的任意小方形区域中铺粉筛经过的次数相同，由此可以决定工作腔上的任意小方形区域中落粉量相同，从而保证工作腔上粉末层厚度是均匀的。当铺粉装置完成一层铺粉后，称重传感器会测量出铺粉筛中粉末质量并传给计算机计算出粉末质量变化并与预期值比较，从而选择下一层铺粉时的铺粉筛运动程序，通过此反馈使得总体上粉末层厚度趋于预定值。

因此，我们根据上述公式与粉末的粒度选用适当目数的筛网12的铺粉筛5，当铺粉筛静止或匀速运动时，粉末在筛中结拱，而当铺粉筛5变速运动或振动时，拱被破坏使得粉末下落至成形平台。

Claims (4)

1.一种非接触式粉末自动供给及铺平装置，含有工作腔(1)、装有粉末(3)的料箱(2)、设置在料箱底部的挡块(4)、铺粉系统、带有限位行程开关的工作平台(7)、装有活塞(11)的工件腔(10)；所述的料箱(2)固定在工作腔(1)内，所述的工作平台(7)放置于料箱(2)的下方，工件腔(10)固定在工作平台(7)上，其特征在于：所述的铺粉系统由铺粉筛(5)、连接件(6)、称重传感器(15)及驱动装置组成；所述的铺粉筛(5)通过连接件(6)悬于工作平台(7)的上方、料箱(2)的下方；驱动装置由铺粉电机、皮带轮(8)及同步带(9)组成，连接件(6)固定在同步带(9)上；所述装置还包括一个含有铺粉控制程序的计算机、A/D转换卡及运动控制卡，计算机分别通过A/D转换卡和运动控制卡与所述的称重传感器和铺粉电机连接；所述的称重传感器测定铺粉筛中粉末质量并通过A/D转换卡将数值传送给计算机，计算机根据该数值选择铺粉电机的运动程序，再通过运动控制卡控制铺粉电机驱动铺粉筛进行铺粉。

2.按照权利要求1所述的一种非接触式粉末自动供给及铺平装置，其特征在于：所述的称重传感器通过连接件与铺粉筛连接，形成悬臂梁称重传感器。

3.根据权利要求1或2所述的一种非接触式粉末自动供给及铺平装置，其特征在于：所述的铺粉筛采用与工件腔面积和形状相同的铺粉筛，或采用长度与工件腔宽度相同的细长型铺粉筛。

4.根据权利要求3所述的一种非接触式粉末自动供给及铺平装置，其特征在于：铺粉筛(5)由四块金属板(13)、金属筛网(12)和固定板(14)组成，四块金属板(13)组成一个方筒，方筒的长度与粉箱下料口、成形区域宽度相同，金属筛网(12)封住方筒的底端。

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