CN105728721A - 一种金属粉末快速成型均匀铺粉装置 - Google Patents

一种金属粉末快速成型均匀铺粉装置 Download PDF

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Abstract

本发明的目的是提供一种能实现两种粉末快速成型均匀铺粉装置，升降工作台、固连在升降工作台上的线型模组、设置在线型模组滑块上的压粉辊、刮粉板、供粉箱、设置工作台成型缸内的升降台、设置在升降台上的加热装置，供粉箱通过设置挡板将供粉箱分为多个体积相同的腔室，每个腔室出粉处均设有控制粉末下落的开关，且在供粉箱的出粉口设有齿轮状截面的供粉轴，供粉轴与供粉箱的出粉口锲形边相切，实现两种粉末任意比例每一分层二维图形快速成型，使成型件每一分层具有梯度差异，进而减少由于单周期只能使用一种粉末所浪费的时间。该装置能够使高能束流作用的粉末均匀受热，检测温度场，控制层间温度，进而减小由于温度不均匀而导致残余应力。

Description

一种金属粉末快速成型均匀铺粉装置
技术领域
本发明属于机械设计与制造领域，具体涉及一种适用于多种金属粉末均匀铺粉装置。
背景技术
铺粉是快速成型技术的重要环节之一，粉末的铺设效果的好坏直接影响了成型效果。而铺粉的形式有很多，而且大多数现有单周期铺设的金属粉末只有一种，要想实现多种粉末功能梯度快速成型，必须重新注入粉末，因此浪费大量的时间，工作效率降低。现有的铺粉方式分为上供粉和下供粉。现有的上供粉铺粉方式单次只能使用一种粉末快速成型，不能实现多种金属材料的快速成型，从而阻碍了目前快速成型技术的发展；而下供粉方式现有少数装置可以实现多种金属材料的快速成型，但由于下供粉方式对于整体结构空间要求大，而且不能循环供粉，从而加大了快速成型的局限性。
清华大学在CN1648802A上公开了一种电子束选区同步烧结工艺及三维分层制造设备。该设备虽然能实现高精度高质量的零件，但它只采用了一种粉末材料，并不能实现多功能结构快速成型。
华中科技大学在CN2014102118654上公开了一种高能束增材制造大尺寸金属零部件的设备及其控制方法。该方法采用高能束流用一种粉末材料双向送粉制造大尺寸金属零部件，实现了单个零件的高效增材制造，但若需要增材制造多功能结构，此设备不适用。
CN104890240A公开了一种纳米粉末激光选择性熔化增材制造系统与方法，该设备与方法使用纳米材料作为选择性激光烧结材料，能够提高选择性激光烧结性能及表面质量，而此种设备目前只适用于一种纳米粉末材料，并不能满足多种材料成分可调增材制造。
南京航空航天大学在CN105033254A上公开了基于CNts和激光增材制造加工技术制备高性能原位TiC增强钛基复合材料工件的方法，该方法通过激光增材制造加工方法成形球磨后的CNTs/Ti混合粉末得到高性能原位TiC增强钛基复合材料实体。虽然该方法使用了两种粉末材料，但是属于在成形前按一定配比球磨混合成的，所以不具备多成分可调功能，也不能满足多种材料成分可调增材制造。
发明内容
本发明的目的是提供一种能实现多种粉末快速成型均匀铺粉装置，实现多种粉末任意比例每一分层二维图形快速成型，能够使高能束流作用的粉末均匀受热，检测温度场，控制层间温度，进而减小由于温度不均匀而导致残余应力。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种金属粉末快速成型均匀铺粉装置，包括升降工作台、固连在工作台上的线型模组、设置在线型模组滑块上的压粉辊、刮粉板、供粉箱、设置工作台成型缸内的升降台、设置在升降台上的加热装置。所述的供粉箱通过设置挡板将供粉箱分为多个体积相同的腔室，每个腔室出粉处均设有控制粉末下落的开关，且在供粉箱的出粉口设有齿轮状截面的供粉轴，所述的供粉轴与供粉箱的出粉口锲形边相切。通过垂直于供粉箱顶部设置一块挡板，将供粉箱分为两个体积相同的腔室。
本发明另可采用设置与供粉箱顶部呈75度角两块挡板，将供粉箱分为三个体积相同的腔室。
金属粉末快速成型均匀铺粉装置的供粉箱上的开关与供粉箱壁呈45度角。
进一步的，金属粉末快速成型均匀铺粉装置在升降台上还设有温度监测器。
进一步的，在加热装置底部还设有隔热层，且该加热装置为电阻加热丝。
优选的，本装置的供粉轴与粉箱内壁间隙为30-150μm。
金属粉末快速成型均匀铺粉装置还设有控制系统，控制系统控制升降台下的伺服电机运转，控制升降台上升和下降；控制滑块上的步进电机来控制滑块26的移动；控制加热装置的功率调剂控制电路、温控表、温度监控器以及层间温度反馈电路；控制供粉箱的开关，来选择粉末的种类，并且控制驱动供粉箱上的步进电机运转，通过供粉轴的传动，均匀的将粉末运送到出粉口。
本发明相对于现有技术相比具有以下显著优点：1、通过供粉箱的多腔室结构实现了多种金属粉末快速成型，减少一个工作周期的时间，显著提高工作效率。2、通过供粉箱的供粉轴匀速运转，能够实现粉末材料的均匀铺设，为梯度功能材料提供了一个可行的均匀铺粉装置，提高了铺粉的精度，为粉末成型提供了保障。
附图说明
图1为本发明中金属粉末快速成型均匀铺粉装置的立体图。
图2为本发明中金属粉末快速成型均匀铺粉装置的平面示意图。
图3为本发明中两腔室供粉箱的示意图；其中，图3a为本发明中两腔室供粉箱第一腔室开启平面示意图；图3b为本发明中两腔室供粉箱第二腔室开启平面示意图。
图4为金属粉末快速成型均匀铺粉装置的工作示意图；其中，图4a为本发明中均匀铺粉装置铺粉示意图；图4b为本发明中均匀铺粉装置成型后示意图；
图4c为本发明中均匀铺粉装置第二次铺粉示意图；图4d为本发明中均匀铺粉装置工作流程图。
图5为本发明中三腔室供粉箱的示意图；其中，图5a为本发明中三腔室供粉箱第三腔室开启平面示意图；图5b为本发明中三腔室供粉箱第一、第二腔室开启平面示意图；图5c为本发明中三腔室供粉箱三个腔室均开启的平面示意图；
图5d为本发明中三腔室供粉箱第二腔室开启平面示意图。
其中，升降工作平台-1，电阻加热丝-2，温度监测器-3，压粉辊-4，刮粉板-5，供粉箱-6，工作台成型缸-7，供粉轴-8，出粉口-9，升降台-10，升降台控制系统-11，铺粉控制系统-12，温度控制系统-13，出粉控制系统-14，加热基板-15，第一腔室-16，第二腔室-17，第一腔室开关-18，第二腔室开关-19，线型模组滑块-20，线型模组-21，第三腔室-22，第三腔室开关-23。
具体实施方式
本发明所提供的一种金属粉末快速成型均匀铺粉装置主要包括以下部分：升降工作台1、固连在升降工作台1上的线型模组24、设置在线型模组24滑块26上的压粉辊4、刮粉板5、供粉箱6、设置工作台成型缸7内的升降台10、设置在升降台上的加热装置2，包括温度监测器3、隔热层、电阻加热丝。供粉箱6通过设置挡板将供粉箱6分为多个体积相同的腔室，每个腔室出粉处均设有控制粉末下落的开关，开关与供粉箱壁呈45度角。且在供粉箱6的出粉口9设有齿轮状截面的供粉轴8，所述的供粉轴与供粉箱6的出粉口锲形边相切，供粉轴8与粉箱6内壁间隙为30-150μm。垂直于供粉箱6顶部设置一块挡板，将供粉箱6分为两个体积相同的腔室。
本发明另可采用设置与供粉箱顶部呈75度角两块挡板，将供粉箱6分为三个体积相同的腔室。
金属粉末快速成型均匀铺粉装置控制系统包括以下部分：升降台控制系统11，主要控制伺服驱动器驱动升降台下的伺服电机运转，通过丝杠传动，精确控制升降台上升和下降；铺粉控制系统12，主要将供粉箱6、压粉辊4和刮粉板5集合在一个线性模组滑块26上，控制步进电机的驱动器驱动步进电机运转，通过丝杠的传动，来精确控制滑块26的横向运动；温度控制系统13包括电阻加热丝的功率调剂控制电路、温控表、温度监控器以及层间温度反馈电路。出粉控制系统14，主要是控制供粉箱6的开关，选择工作粉末的种类，并且控制步进电机驱动器驱动供粉箱6上的步进电机运转，通过供粉轴8的传动，均匀的将粉末运送到出粉口9，实现均匀落粉。因此，通过升降台10、铺粉控制系统12、出粉控制系统14的协调配合，能够达到两种金属粉末快速成型每一分层均匀铺粉的效果，能够完成一种材料向另一种材料过渡，从而为功能梯度材料粉末快速成型工艺顺利实施提供了保障。
下面结合附图与实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
结合图1，图2，发明提出的是多种金属粉末快速成型均匀铺粉装置，在每一次高能束流工作前，将已经下降了一定高度的升降台上均匀铺上一层粉末，从而完成每个分层的粉末预制，通过高能束流扫描偏转达到选区成型的目的。
进一步说明发明的具体实施例。
实施例1，选用一种粉末a进行增材制造，如图3a所示，具体增材制造步骤如下：
步骤一，采用两腔室供粉箱，根据确定的粉末材料，将粉末a放入第一腔室6中。
步骤二，铺粉前准备工作。将厚度为d1的目标基板15安置在升降台10上，高度与工作台面平行，开启加热系统，将目标基板15加热到预定温度T1,由温度监控系统反馈控制。
步骤三，打开第一腔室开关18，预铺一层粉末材料厚度为D0。
步骤四，首铺粉，如图4a所示。确定选用粉末，打开开关18，选用粉末a，选择自动控制按钮，然后按下启动按钮。在控制芯片主程序中，调用首铺粉子程序，升降台11下降高度D1，铺粉系统由A点从右往左横向行走到B点，如图4d，开始送粉，让粉末材料均匀落在升降台11上，并且压粉辊4起到压粉效果，刮粉板5将粉末材料按照工作台面刮平，到达C点送粉系统关闭，铺粉系统继续运行。到达D点，刮粉板5将多余的粉末刮进回收箱内。
步骤五，铺粉系统回位。铺粉系统由D点回到A点。
由步骤一到步骤五，完成一次铺粉，如图4b所示。
步骤六，第二次铺粉，如图4c。由于首次铺粉成型后，升降台10与工作台面有个高度差δd，δd＝D1-d1。其他的和步骤四一样，完成第二次铺粉。
通过升降台1、铺粉控制系统12、出粉控制系统14的协调配合，能够达到一种金属粉末快速成型每一分层均匀铺粉的效果，从而为粉末a快速成型工艺顺利实施提供了保障。
实施例2，选用两种粉末a、b进行增材制造，如图3、4，具体增材制造步骤如下：
步骤一，采用两腔室供粉箱，根据确定的粉末材料，将粉末a放入第一腔室16中，将粉末b放入第二腔室17中。
步骤二，铺粉前准备工作。将厚度为d1的目标基板15安置在升降台上，高度与工作台面平行，开启加热系统，将目标基板15加热到预定温度T1,由温度监控系统反馈控制。
步骤三，打开第一腔室开关18、第二腔室开关19，按照一定比例混合粉末e，预铺一层粉末材料厚度为D0，
步骤四，首铺粉，如图4a所示。确定选用粉末，打开开关18，选用粉末a，选择自动控制按钮，然后按下启动按钮。在控制芯片主程序中，调用首铺粉子程序，升降台10下降高度D1，铺粉系统由A点从右往左横向行走到B点，如图4d，开始送粉，让粉末材料均匀落在升降台10上，并且压粉辊4起到压粉效果，刮粉板5将粉末材料按照工作台面刮平，到达C点送粉系统关闭，铺粉系统继续运行。到达D点，刮粉板5将多余的粉末刮进回收箱内。
步骤五，铺粉系统回位。铺粉系统由D点回到A点。
由步骤一到步骤五，完成一次铺粉，如图4b所示。
步骤六，第二次铺粉，如图4c。由于首次铺粉成型后，升降台10与工作台面有个高度差δd，δd＝D1-d1。所以第二次铺粉若是另一种比例混合粉末f，升降台下降的高度为d2，d2＝δD+d1(其中，δD＝D2-D1)，此时出粉的速度为V0”＝νhd2(mm3/s)，其他的和步骤四一样，完成第二次铺粉。
通过升降台1、铺粉控制系统12、出粉控制系统14的协调配合，能够达到两种金属粉末快速成型每一分层均匀铺粉的效果，能够完成一种材料向另一种材料过渡，从而为功能梯度材料粉末快速成型工艺顺利实施提供了保障。
实施例3，选用三种种粉末a、b、c进行增材制造，如图5a-d，具体增材制造步骤如下：
步骤一，采用两腔室供粉箱，根据确定的粉末材料，将粉末a放入第一腔室16中，粉末b放入第二腔室17中，粉末c放入第三腔室25中。
步骤二，铺粉前准备工作。将厚度为d1的目标基板15安置在升降台上，高度与工作台面平行，开启加热系统，将目标基板15加热到预定温度T1,由温度监控系统反馈控制。
步骤三，打开第一腔室开关18，预铺一层粉末材料厚度为D0。
步骤四，首铺粉，如图4a所示。确定选用粉末，打开开关19，选用粉末b，选择自动控制按钮，然后按下启动按钮。在控制芯片主程序中，调用首铺粉子程序，升降台下降高度D1，铺粉系统由A点从右往左横向行走到B点，如图4d，开始送粉，让粉末材料均匀落在升降台10上，并且压粉辊4起到压粉效果，刮粉板5将粉末材料按照工作台面刮平，到达C点送粉系统关闭，铺粉系统继续运行。到达D点，刮粉板5将多余的粉末刮进回收箱内。
步骤五，铺粉系统回位。铺粉系统由D点回到A点。
由步骤一到步骤五，完成一次铺粉，如图4b所示。
步骤六，第二次铺粉，如图4c。由于首次铺粉成型后，升降台与工作台面有个高度差δd，δd＝D1-d1。所以第二次铺粉若是另一种混合比例粉末f，如图5b或图5c升降台10下降的高度为d1，此时出粉的速度为V0’＝νhd1(mm3/s)；其他的和步骤四一样，完成第二次铺粉。
通过升降台1、铺粉控制系统12、出粉控制系统14的协调配合，能够达到三种金属粉末快速成型每一分层均匀铺粉的效果，能够完成一种材料向另一种材料过渡，从而为功能梯度材料粉末快速成型工艺顺利实施提供了保障。

Claims (9)

1.一种金属粉末快速成型均匀铺粉装置，包括升降工作台(1)、固连在升降工作台(1)上的线型模组(24)、设置在线型模组滑块(23)上的压粉辊(4)、刮粉板(5)、供粉箱(6)、设置工作台成型缸(7)内的升降台(10)、设置在升降台(10)上的加热装置(2)，其特征在于，所述的供粉箱(6)通过设置挡板将供粉箱(6)分为多个体积相同的腔室，每个腔室出粉处均设有控制粉末下落的开关，且在供粉箱(6)的出粉口设有齿轮状截面的供粉轴(8)，所述的供粉轴(8)与供粉箱(6)的出粉口(9)锲形边相切。
2.根据权利要求1所述的金属粉末快速成型均匀铺粉装置，其特征在于，垂直于供粉箱(6)顶部设置一块挡板，将供粉箱(6)分为两个体积相同的腔室。
3.根据权利要求1所述的金属粉末快速成型均匀铺粉装置，其特征在于，设置与供粉箱(6)顶部呈75度角两块挡板，将供粉箱(6)分为三个体积相同的腔室。
4.根据权利要求1所述的金属粉末快速成型均匀铺粉装置，其特征在于，所述的开关与供粉箱(6)壁呈45度角。
5.根据权利要求1所述的金属粉末快速成型均匀铺粉装置，其特征在于，所述的金属粉末快速成型均匀铺粉装置在升降台(10)上还设有温度监测器(3)。
6.根据权利要求1所述的金属粉末快速成型均匀铺粉装置，其特征在于，所述的加热装置(2)底部设有隔热层。
7.根据权利要求1所述的金属粉末快速成型均匀铺粉装置，其特征在于，所述的加热装置(2)为电阻加热丝。
8.根据权利要求1所述的所述的金属粉末快速成型均匀铺粉装置，其特征在于，供粉轴(8)与供粉箱(6)内壁间隙为30-150μm。
9.根据权利要求1所述的所述的金属粉末快速成型均匀铺粉装置，其特征在于，金属粉末快速成型均匀铺粉装置还设有控制系统，控制系统控制升降台(10)下的伺服电机运转，控制升降台(10)上升和下降；控制滑块26上的步进电机来控制线型模组滑块(23)的移动；控制加热装置(2)的功率调剂控制电路、温控表、温度监控器以及层间温度反馈电路；控制供粉箱(6)的开关，来选择粉末的种类，并且控制驱动供粉箱(6)上的步进电机运转，通过供粉轴(8)的传动，均匀的将粉末运送到出粉口(9)。
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