CN105437549B - 一种增材制造中粉末分配量的控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增材制造技术，具体公开了一种增材制造中粉末分配量的控制装置，设置在成形室内，成形室内设有粉末接收盒，粉末接收盒上设有重量检测装置，粉末接收盒下方设有铺粉平台，控制装置包括设置在铺粉平台至少一端下方的至少两对光产生装置和光强感应装置，剩余粉末从铺粉平台的端部掉落，且其掉落轨迹位于光产生装置和光强感应装置之间；重量检测装置、光产生装置以及光强感应装置均连接于控制器。通过设置光产生装置和光强感应装置能够检测掉落的粉末余量，通过控制器将粉末余量值与预设范围进行比较，并根据比较结果调整分配的粉末总量，多次调整后确定最佳的粉末分配量，既能保证铺设的粉末层完整，又尽可能的减少粉末的消耗。

Description

一种增材制造中粉末分配量的控制装置及方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术相关领域，尤其涉及一种增材制造中粉末分配量的控制装置及方法。

背景技术

增材制造(3D打印)是一种通过连续熔合一个以上薄层的材料来构建三维物体的制造技术。粉床式增材制造是增材制造技术路线的一种，其基本的工艺步骤如下：粉末供应与铺平系统将粉末材料在工作平台上铺展成薄层，高能量密度的射线(激光或电子束)在粉末层上扫描三维物体的一个截面；之后，工作平台下降一个粉末层厚度的距离，在工作平台上铺一层新的粉末，射线扫描三维物体的下一个截面；重复以上步骤，直至该三维物体制造完成。

在进行上述的截面扫描时，通常要求铺设的粉末层要完整(即粉末薄层完全覆盖成形缸上方的空间)，以便更好的实现三维物体的制造。

现有的技术方案中，用于铺设一个粉末薄层的粉末量是事先分配好的，事先分配的粉末量多少直接影响粉末层的完整性：若分配的粉末量过少，铺粉后，新的粉末层不完整。目前通常是通过称重传感器对分配的粉末量进行控制，但这种控制是开环的，其无法形成负反馈，而在缺乏反馈的情况下，系统无法确定具体需要多少粉末来确保铺粉后的粉末层是完整的。特别是在某些突发情况下，比如铺粉装置损坏、称重传感器精度损失等情况下，系统无法检测到粉末层的不完整。在增材制造中，一个零件往往需要连续熔合数百甚至数千层，任何一层粉末的不完整都将导致零件缺陷甚至制造过程中断。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增材制造中粉末分配量的控制装置及方法，能够判断粉末层的完整性，并建立负反馈，使得预先分配的粉末量既能保证铺设的粉末层是完整的，又尽可能减少粉末的消耗。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种增材制造中粉末分配量的控制装置，设置在成形室内，所述成形室内设有粉末接收盒，粉末接收盒上设有重量检测装置，所述粉末接收盒下方设有铺粉平台，铺粉平台连接有成形缸，所述铺粉平台上设有铺粉装置，所述控制装置包括设置在铺粉平台至少一端下方的至少两对光产生装置以及光强感应装置，经铺粉装置铺粉后的剩余粉末从铺粉平台的端部掉落，且其掉落轨迹位于所述光产生装置和光强感应装置之间；所述重量检测装置、光产生装置以及光强感应装置均连接于控制器。

作为优选，所述铺粉平台至少一端端部悬空设置，所述剩余粉末从悬空处掉落，且掉落轨迹位于所述光产生装置和光强感应装置之间。

作为优选，所述铺粉平台至少一端开设有掉落孔，所述剩余粉末从掉落孔掉落，且掉落轨迹位于所述光产生装置和光强感应装置之间。

作为优选，所述掉落孔为矩形孔，所述矩形孔的长边侧临近所述成形缸设置。

作为优选，所述矩形孔的长边侧的长度大于等于成形缸的最大宽度。

作为优选，至少两对的光产生装置和光强感应装置沿所述铺粉平台端部的宽度方向阵列排布，且排布总宽度不小于成形缸的最大宽度。

作为优选，还包括位于成形室内的掉落粉末放置箱，其设置在所述光产生装置和光强感应装置的下方。

作为优选，所述光产生装置产生的光线为红外线、紫外线或可见光，所述光强感应装置为光敏电阻或光敏二极管。

本发明还提供一种增材制造中粉末分配量的控制方法，包括以下步骤：

光产生装置和光强感应装置检测到粉末掉落，所述光强感应装置产生脉冲信号并传递给控制器；

所述控制器将所述脉冲信号转换成粉末余量值，并将所述粉末余量值与预设范围比较；

在所述粉末余量值不在所述预设范围时，改变粉末接收盒接收粉末的重量；

在所述粉末余量值在所述预设范围时，保持粉末接收盒接收粉末的重量不变。

作为优选，所述在所述粉末余量值不在所述预设范围时，改变粉末接收盒接收粉末的重量包括：

所述粉末余量值小于预设范围的下限值时，增大粉末接收盒接收粉末的重量；

所述粉末余量值大于预设范围的上限值时，减小粉末接收盒接收粉末的重量。

本发明的有益效果：通过设置光产生装置和光强感应装置，从铺粉平台的端部掉落的剩余粉末会进行遮光，使得光强感应装置产生脉冲信号，并最终由控制器转换成粉末余量值，将其与预设范围进行比较，并根据比较结果调整分配的粉末总量，在多次调整后确定最佳的粉末分配量，既能保证铺设的粉末层完整，又尽可能的减少粉末的消耗。

附图说明

图1是本发明实施例1的粉末分配量的控制装置(位于成形室内)的结构示意图；

图2是本发明实施例1的粉末分配量的控制装置所在位置的俯视图；

图3是本发明实施例1的粉末分配量的控制装置剩余粉末的检测示意图；

图4是本发明实施例2的粉末分配量的控制装置(位于成形室内)的结构示意图；

图5是本发明实施例2的粉末分配量的控制装置所在位置的俯视图；

图6是本发明实施例2的粉末分配量的控制装置剩余粉末的检测示意图；

图7是本发明铺粉装置铺粉时的粉末分布示意图；

图8是本发明实施例1以及实施例2的粉末分配量的控制方法的流程图。

图中：

1、成形室；2、粉箱；3、粉末接收盒；4、铺粉平台；5、成形缸；6、铺粉装置；7、光产生装置；8、光强感应装置；9、掉落粉末放置箱；10、射线发生装置；11、三维实体零件；41、掉落孔；51、成形筒；52、活塞。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例1：

本发明提供一种增材制造中粉末分配量的控制装置，安装在增材制造装置上，具体的，如图1所示，上述增材制造装置包括有成形室1，在成形室1内设有粉箱2，在粉箱2的下方设有粉末接收盒3，其中粉箱2用于盛放粉末材料，其上设有输送开关(图中未示出)，该输送开关连接于控制器(图中未示出)，通过该输送开关能够定量地向粉末接收盒3内输送粉末材料；粉末接收盒3内设有重量检测装置(图中未示出)，用于检测粉末接收盒3内的粉末材料的重量，并在粉末接收盒3内的粉末重量达到重量检测装置设定的检测值时，向控制器发送信号，由控制器关闭粉箱2的输送开关，具体的本实施例中设置为称重传感器，优选的，还可以设置一个称重平台，以便于粉末材料的称重；上述称重传感器连接于控制器，该控制器可以是计算机，也可以是其他控制处理装置，通过该控制器可以控制输送开关的启闭，以便控制粉箱2开始或停止向粉末接收盒3输送粉末；同时控制器可以接收称重传感器在测得粉末接收盒3内的粉末重量达到设定的检测值时向控制器发送的信号。

在粉末接收盒3的下方设有铺粉平台4，粉末接收盒3内的粉末材料置于上述铺粉平台4上；在成形室1内设有与铺粉平台4平齐的成形缸5，在铺粉平台4的上方设有铺粉装置6，其可水平运动，且其水平运动行程涵盖铺粉平台4及成形缸5的上方；通过铺粉装置6能够将铺粉平台4上的粉末材料铺设在成形缸5上并形成粉末层；

在成形缸5的上方设有射线发生装置10，用于产生射线并进入到成形室1中，上述射线发生装置10发出的射线可以是电子束，其加速电压为60kV，束流为0-50mA，功率最大达3kW。上述电子束使用时需处于真空状态，因此本实施例的成形室1连接于真空设备，例如通过机械泵、分子泵或者扩散泵连接相关阀体，对成形室1进行抽真空；当然射线也可以是激光束，此时需在成形室1内设置惰性气体作为保护气体。上述粉末材料钛合金粉末、不锈钢粉末、镍基合金粉末、钛铝基合金粉末等，粒径分布在5-200微米。

成形缸5包括成形缸筒51以及位于成形缸筒51内的活塞52，上述粉末层置于活塞52上并与成形缸筒51的上表面平齐，当射线对该粉末层融合完成后，活塞52下降一个粉末层厚度的距离，一层新的粉末被铺在活塞52上，射线继续熔合新的粉末层。如此，通过连续熔合一个以上粉末层的方式，制造出三维实体零件11。三维实体零件11被未熔化的粉末材料包裹。在制造出三维实体零件11后，可将三维实体零件11取出。

如图1-3所示，本实施例的粉末分配量的控制装置设置在成形室1内，该控制装置包括至少两对均连接于控制器的光产生装置7以及光强感应装置8，且均设置在铺粉平台4至少一端的下方，上述光产生装置7用于发射光线，具体其发射的光线可以是红外线、紫外线或可见光，光强感应装置8其选用光敏电阻或光敏二极管，用于感应接收光产生装置7发出的光线，以测得光强度。

在理想情况下，一层粉末的分配量恰好等于铺设在成形缸5上方的一层粉末的量。假设成形缸5内部面积为S，一层的粉末厚度为t，粉末材料的松装密度为D，则一层粉末的量Q为：Q＝DSt。在铺粉装置6铺粉的过程中，粉末会从铺粉装置6与铺粉平台4之间的孔隙漏出，会流动扩展至成形缸5之外。因此，Q值只是一层粉末分配量的最低值，实际值应当大于Q值，以保证铺粉后的粉末层完整性。

铺粉装置6在向成形缸5内铺粉完成后，会继续推动剩余粉末从铺粉平台4的端部掉落，且其掉落轨迹位于光产生装置7和光强感应装置8之间，即剩余粉末会从光产生装置7和光强感应装置8之间掉落，当没有粉末经过时，光强感应装置8测得的光强度是恒定的，当有粉末经过时，光线会被部分或全部遮挡，光强感应装置8测得光强度有所变化，会形成一个脉冲信号，并将脉冲信号发送给上述控制器，由控制器进行处理。由于上述光强感应装置8设置为多个，因此会向控制器发送多个脉冲信号，此时控制器会取上述多个脉冲信号的平均值或者最值作为粉末余量的判断依据，即控制器会根据上述平均值或者最值计算出粉末余量的大小，当粉末余量过少或为零，说明粉末材料很有可能不够、不足以完全覆盖成形缸5上方的空间。

本实施例中，铺粉平台4具有一定宽度，铺粉装置6在铺粉时，粉末材料在向铺粉方向运动的同时，会在垂直于铺粉方向的方向上流动。由于粉末流动，粉末的宽度会大于成形缸7的宽度，大多情况下如图7所示，粉末材料的分布是中间多，两边少。掉落的剩余粉末也相应的从中间掉落的粉末量相对多，从两边掉落的粉末量相对少，因此将光产生装置7和光强感应装置8设置两对或两对以上，沿着铺粉平台4端部的宽度方向阵列排布(如图2所示)，并且阵列排布的总宽度不小于成形缸5的最大宽度，即位于两端的光产生装置7之间的距离不小于成形缸5的最大宽度，并与成形缸5位置对齐。本实施例中，光产生装置7和光强感应装置8选用为四对，也可以是大于或等于2的任意对数，只需保证光产生装置7和光强感应装置8阵列排布的总宽度不小于成形缸5的最大宽度即可，以保证对粉末余量检测的完整性以及准确性。

本实施例中，如图2以及图3所示，铺粉平台4的至少一端的端部悬空设置，铺粉装置6将剩余粉末推动到铺粉平台4的端部时，剩余粉末会从悬空处掉落，且掉落轨迹位于光产生装置7和光强感应装置8之间。

本实施例中，铺粉平台4可以是一端端部悬空设置，此时只设置一个铺粉装置6，铺粉方向即为指向铺粉平台4悬空的一端；也可以是两端端部悬空设置，此时铺粉装置6设置为两个，分设在铺粉平台4的两侧上方。

优选的，在成形室1内还设有掉落粉末放置箱9，其设置在光产生装置7和光强感应装置8的下方，具体的是设置在剩余粉末掉落轨迹的下方，用于接收掉落的剩余粉末。当只铺设单种材料的粉末时，掉落的粉末可以通过该掉落粉末放置箱9收集并回收利用；当铺设多种材料的粉末时，掉落的粉末作为废料由掉落粉末放置箱9收集，并最终排出成形室1外。

本发明还提供一种增材制造中粉末分配量的控制方法，如图8所示，该方法包括以下步骤：

S100：光产生装置7和光强感应装置8检测到粉末掉落，光强感应装置8产生脉冲信号并传递给控制器。

当铺粉装置6向成形缸5铺粉完成后，会对其上的粉末层的完整性加以检测，具体的，通过铺粉装置6继续推动剩余粉末向铺粉平台4的端部移动并使其掉落，掉落的粉末会经过光产生装置7和光强感应装置8之间，此时光强感应装置8由于掉落的粉末的遮光，会产生脉冲信号，随后将该脉冲信号传递给控制器；需要指出的是，本实施例中光强感应装置8设置为多个，其能够检测到各个位置掉落的粉末，因此会产生多个脉冲信号，并传递给控制器。

S110：控制器将脉冲信号转换成粉末余量值，并将粉末余量值与预设范围比较。

控制器在接收到上述多个脉冲信号后，会取该多个脉冲信号的平均值或者最值(即上限值或者下限值)，并根据上述平均值或者最值计算出对应的粉末余量值，随后将该粉末余量值与预设范围进行比较。

S120：在粉末余量值不在预设范围时，改变粉末接收盒3接收粉末的重量；

将粉末余量值与预设范围进行比较时，当粉末余量值不在该预设范围时，需要改变粉末接收盒3接收粉末的重量，具体的：

当粉末余量值小于预设范围的下限值时，即说明粉箱1输送的粉末总量过少，导致最终剩下的粉末余量不多，成形缸5上的粉末层可能不完整，因而在进行下一次的粉末铺设时，需要增大粉末接收盒3接收的粉末重量，具体的是通过增大粉末接收盒3上的称重传感器所设定的检测值，以加大粉箱1向粉末接收盒3内输送的粉末总量；

当粉末余量值大于预设范围的上限值时，则说明粉箱1输送的粉末总量过多，此时成形缸5上的粉末层完整性好，但是粉末余量过多，造成了粉末材料的浪费，因而需要在进行下一次的粉末铺设时减小粉末接收盒3接收的粉末重量，具体的是通过减小粉末接收盒3上的称重传感器所设定的检测值，以减小向粉末接收盒3内输送的粉末总量。

S130：在粉末余量值在预设范围时，保持粉末接收盒3接收粉末的重量不变。

相对于步骤S120,当粉末余量值在预设范围内时，说明粉箱1输送的粉末总量较为合适，既能保证成形缸5上的粉末层完整性好，又能保证剩下的粉末余量不多，不会造成粉末材料的浪费。此时保持粉末接收盒3目前接收粉末的重量即可，也就是保持称重传感器的设定的检测值不变。

需要说明的是，本实施例的控制方法中，上述步骤S100至S130是贯穿整个三维实体零件11扫描的过程的，即是持续循环的进行的，能够对每一层粉末层的完整性进行检测以及下一层的粉末总量的调整，且在经过多次检测和调整后，确定最佳的粉末总量，使得在分配的最佳粉末总量下，铺粉后粉末层是完整的，同时仅有很少的一部分粉末从铺粉平台4上掉落，减少了粉末的消耗。

优选的，上述控制方法还可以检测某些突发状况：例如当某一层铺粉后的脉冲信号为零时，可以通过控制器控制粉箱1重新分配粉末进行铺粉，若多次重试后脉冲信号仍然为零或者过弱，说明可能发生了铺粉装置6损坏、成形缸5中粉末崩塌等故障，此时可以通过控制器中断制造过程。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别仅在于剩余粉末的掉落方式的不同，具体的，如图4-6所示，本实施例在铺粉平台4至少一端开设有掉落孔41，而非悬空设置，该掉落孔41位于光产生装置7和光强感应装置8之间的中部上方铺粉装置6向成形缸5铺设粉末后，会推动剩余粉末从掉落孔41掉落，且掉落轨迹位于光产生装置7和光强感应装置8之间。

上述掉落孔41为矩形孔，该矩形孔的长边侧临近成形缸5设置，参照图5所示，该矩形孔的长边侧沿铺粉平台4的宽度方向设置，至少两对的光产生装置7和光强感应装置8沿该掉落孔41的长边侧阵列排布。而且矩形孔的长边侧的长度大于等于成形缸5的最大宽度，进而能够保证铺设时剩余粉末全部从掉落孔41掉落，以便光产生装置7和光强感应装置8最终检测的粉末余量值更为准确。

其余结构以及方法与实施例1均相同，在此不再赘述。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种增材制造中粉末分配量的控制装置，设置在成形室(1)内，所述成形室(1)内设有粉末接收盒(3)，粉末接收盒(3)上设有重量检测装置，所述粉末接收盒(3)下方设有铺粉平台(4)，铺粉平台(4)连接有成形缸(5)，所述铺粉平台(4)上设有铺粉装置(6)，其特征在于，所述控制装置包括设置在铺粉平台(4)至少一端下方的至少两对光产生装置(7)以及光强感应装置(8)，经铺粉装置(6)铺粉后的剩余粉末从铺粉平台(4)的端部掉落，且其掉落轨迹位于所述光产生装置(7)和光强感应装置(8)之间；所述重量检测装置、光产生装置(7)以及光强感应装置(8)均连接于控制器。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述铺粉平台(4)至少一端端部悬空设置，所述剩余粉末从悬空处掉落，且掉落轨迹位于所述光产生装置(7)和光强感应装置(8)之间。

3.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述铺粉平台(4)至少一端开设有掉落孔(41)，所述剩余粉末从掉落孔(41)掉落，且掉落轨迹位于所述光产生装置(7)和光强感应装置(8)之间。

4.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，所述掉落孔(41)为矩形孔，所述矩形孔的长边侧临近所述成形缸(5)设置。

5.根据权利要求4所述的控制装置，其特征在于，所述矩形孔的长边侧的长度大于等于成形缸(5)的最大宽度。

6.根据权利要求1-5任一所述的控制装置，其特征在于，至少两对的光产生装置(7)和光强感应装置(8)沿所述铺粉平台(4)端部的宽度方向阵列排布，且排布总宽度不小于成形缸(5)的最大宽度。

7.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于，还包括位于成形室(1)内的掉落粉末放置箱(9)，其设置在所述光产生装置(7)和光强感应装置(8)的下方。

8.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述光产生装置(7)产生的光线为红外线、紫外线或可见光，所述光强感应装置(8)为光敏电阻或光敏二极管。

9.一种增材制造中粉末分配量的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

光产生装置(7)和光强感应装置(8)检测到粉末掉落，所述光强感应装置(8)产生脉冲信号并传递给控制器；

所述控制器将所述脉冲信号转换成粉末余量值，并将所述粉末余量值与预设范围比较；

在所述粉末余量值不在所述预设范围时，改变粉末接收盒(3)接收粉末的重量；

在所述粉末余量值在所述预设范围时，保持粉末接收盒(3)接收粉末的重量不变。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，在所述粉末余量值不在所述预设范围时，改变粉末接收盒(3)接收粉末的重量包括：

所述粉末余量值小于预设范围的下限值时，增大粉末接收盒(3)接收粉末的重量；

所述粉末余量值大于预设范围的上限值时，减小粉末接收盒(3)接收粉末的重量。