CN106975749B - 一种基于増材制造的粉床自适应铺粉方法 - Google Patents

一种基于増材制造的粉床自适应铺粉方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于增材制造领域，并公开了一种基于増材制造的粉床自适应铺粉方法。该方法包括下列步骤：(a)设计零件的三维结构，切片并识别每层的形状轮廓；(b)铺粉辊铺粉；(c)监测所述铺粉辊的实际振幅，并将其与预设可接受振幅范围对比；(d)采用高能束打印所述完成铺粉的切片层；(e)切片层下降一个预设铺粉层厚度，重复完成其它切片层的加工。通过本发明，实现了铺粉过程中振幅的监控和闭环控制，使得最终铺粉层均匀且致密，实现智能铺粉，同时，提高成形零件的质量以及成品率，节约人力成本。

Description

一种基于増材制造的粉床自适应铺粉方法
技术领域
本发明属于増材制造领域，更具体地，涉及一种基于増材制造的粉床自适应铺粉方法。
背景技术
基于粉床的增材制造工艺目前已得到广泛研究和应用。根据其能量源以及粉末种类的差异，主要分为激光选区烧结(Selective Laser Sintering，SLS)、激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)和电子束选区熔化(Electron Beam SelectiveMelting，EBSM)等工艺。它们的成形过程类似，首先在计算机上利用CAD设计零件的三维模型，然后利用快速成形专用软件对该三维模型进行切片分层，得到各截面的二维轮廓数据，导入增材制造设备中，高能束开始扫描前，铺粉辊滚动将粉末带到工作平面的基板上，形成一个平整的粉层。高能束扫描当前层的粉末，扫描完毕后，工作缸下降一个铺粉层厚的距离，铺粉辊重新铺粉，高能束进行扫描，如此反复，直到整个零件加工完毕。
基于粉床的增材制造技术具有成形精度高，可制备外形和内部结构复杂的零件等优点。其中铺粉方式及其实现装置是粉床增材制造设备的重要组成部分，其精确性、稳定性和连续性对成形材料的利用率、成形效率以及成形零件的质量有显著影响。目前的铺粉方式主要有两种，一种是利用铺粉辊，另外一种是利用刮/刀；此外，现有基于粉床增材制造设备的铺粉装置多采用双侧水平导轨，即两个平行的导轨控制铺粉机构在X-Y面的水平运动，通过导轨由滚珠丝杠控制精度，工作台面下降一个粉层的厚度，通过铺粉辊或者刮板将粉末铺平，在这个过程中，铺粉辊旋转容易产生静电，从而发生粘粉、已烧结颗粒粘结等现象，使粉层厚度发生变化，粉层的均匀性以及压实程度对成形零件的质量会造成很大影响，粉层厚度不均匀，会导致粉层受热不均匀，使形成层质量下降，从而使零件易产生翘曲变形，尽管刮板可以弥补铺粉辊铺粉不均匀的缺陷，但是粉末流动的局限性，又会使得铺粉层的粉末致密度不高，最终降低了零件的致密度，从而影响成形零件的整体质量。更重要的是，此铺粉过程只能被机械性的重复，铺粉装置无法完成自我的智能调控，一旦出现铺粉层厚不均匀或不致密的现象，只能人工进行修整，显著增加了人力成本，而且会逐渐影响后续的粉末铺排的均匀性与致密性，最终影响零件的成形质量。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于增材制造的粉床自适应铺粉方法，通过采用铺粉辊和振动传感相结合的方式，其目的在于智能控制铺粉过程，由此解决了粉床的增材制造过程中铺粉层厚度不均匀、粉层致密度不高以及铺粉过程无法智能调节的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于増材制造的粉床自适应铺粉方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)设计待成型零件的三维结构，并将该三维结构切片分为多个切片层，识别每个所述切片层中所述待成型零件的形状轮廓；
(b)粉床的铺粉辊根据所述切片层中的形状轮廓在工作台上对该切片层进行铺粉；
(c)监测所述铺粉辊的实际振幅，并将其与预设可接受振幅范围对比，
(c1)当所述实际振幅在所述预设可接受振幅范围内时，完成所述切片层的铺粉；
(c2)当所述实际振幅在所述预设可接受振幅范围外时，重复步骤(b)和(c)；
(d)采用高能束打印所述完成铺粉的切片层，至此，单个所述切片层的成型结束；
(e)所述成型结束的切片层下降一个预设铺粉层厚度，重复步骤(b)～(d),直至完成所有所述切片层的打印。
进一步优选地，在步骤(e)中，所述铺粉层厚度范围优选采用不小于20μm。
进一步优选地，所述预设可接受振幅范围优选采用不超过2mm。
进一步优选地，在步骤(b)中，所述铺粉辊优选采用密度不超过3g/cm3的合金，如铝合金，所述铺粉辊的表面粗糙度范围优选采用Ra<1.6。
进一步优选地，在步骤(d)中，所述高能束优选采用激光束和电子束中的一种或者组合。
进一步优选地，在步骤(b)中，所述粉床优选采用激光选区烧结装置、激光选区熔化装置、电子束选区熔化装置中的一种。
进一步优选地，在步骤(c)中，所述监测所述铺粉辊的实际振幅优选采用振动传感器进行监测，该振动传感器进一步优选为压电式力传感器。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明通过采用铺粉辊铺粉，相比于刮板沿导轨的单向水平运动，辊筒还辅之以转动和径向振动，这使得粉末在平铺的过程中，辊筒的转动可以对粉末产生挤压使得粉末之间的空气被挤出，从而使得铺粉层更加致密，同时铺粉辊以一定的频率和振幅振动，提高粉末的流动性，将自聚成形的结块击碎，当辊筒作用于粉层时，有利于粉层的致密化；
2、本发明采用将传统的粉床和只能控制系统相结合的方式，解决了传统铺粉过程中粉层厚度不均匀和致密度不高的问题，提高零件的成形质量，减少了废品输出率，节约了原材料；
3、本发明通过采用振动传感器对铺粉辊在铺粉过程中的振幅进行感知，然后反馈到控制系统，当振幅大于一定程度后，系统程序会通过调节铺粉辊重复铺粉来调整铺粉层厚、铺粉次数以及停止铺粉等动作实现智能调节，大大提高了设备的智能化程度，减少了人力成本；
4、本发明提供的铺粉方法整体工艺简单、成本低廉，反应过程便于质量控制，所得到的零件成型质量高，废品率低，适用于大批量的工业化生产。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的基于增材制造的粉床自适应铺粉方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明的优选实施例所构建的基于增材制造的粉床自适应铺粉方法的流程图，如图1所示，本发明提供的一种基于増材制造的粉床自适应铺粉方法，具体实施步骤如下:
(a)首先，用UG等三维造型软件画出零件，由专门的快速成型软件读取零件信息，对零件三维模型切片分层，设定装置的初始铺粉层厚不低于20μm，以及相关参数，如扫描速度、激光功率，调整好工作台或基板的位置，完成铺粉前的相关准备工作。
(b)由铺粉辊在工作台面上铺一层粉末，处于铺粉辊内侧的振动传感器对铺粉过程中铺粉辊振幅的变化进行监测，并将监测信息反馈给控制系统。
(c)控制系统对反馈回来的铺粉辊振幅信息进行分析，并与正常铺粉时铺粉辊的稳态振幅变化范围(不超过2mm)进行对比。如果实测的铺粉辊振幅波动处于已获得的工艺库数据振幅稳态范围之内，控制系统执行铺粉动作完成后的下一命令，否则控制系统不会执行铺粉动作之后的下一命令，此时，铺粉辊会自动调节铺粉层厚，然后重复步骤(2)和(3)，直到铺粉辊的振幅处于稳态范围之内，停止铺粉。
(d)控制系统控制高能束对已铺好的粉层进行打印。
(e)已打印完的切片层下降一个铺粉层厚度，重复步骤(2)、(3)、(4)，层层叠加，直到完成整个三维零件的制作。
下面将参照图1的流程图，并结合以下多个实施例来具体进一步说明本发明。
实例1
以选区激光熔化Solution GmbH设备为例，运用本发明的方法成形Cu-13.5Al-4Ni-0.5Ti形状记忆合金材料，具体步骤如下：
(a)首先，用UG等三维造型软件画出零件，由专门的快速成型软件读取零件信息，对零件三维模型切片分层，固定和调节铜基板的位置，设定装置的初始铺粉层厚0.04mm，激光功率330w，扫描速度760mm/s，成型腔内抽真空，冲入氩气。
(b)由铺粉辊在工作台面上铺一层Cu-Al-Ni-Ti合金粉末，粉末平均粒径为30μm，由铺粉辊在工作台面上铺一层粉末，由处于铺粉辊内侧的振动传感器对铺粉过程中铺粉辊振幅的变化进行监测，并将监测信息反馈给控制系统。
(c)控制系统对反馈回来的铺粉辊振幅信息进行分析，并与正常铺粉时铺粉辊的稳态振幅变化范围进行对比。实测的铺粉辊振幅波动处于工艺库数据振幅稳态范围(1mm)之内控制系统执行铺粉动作完成后的下一命令，否则控制系统不会执行铺粉动作之后的下一命令，此时，铺粉辊会自动调节铺粉层厚，然后重复步骤(b)和(c)，直到铺粉辊的振幅处于稳态范围之内，停止铺粉。
(d)控制系统控制激光束对已铺好的Cu-Al-Ni-Ti合金粉层进行打印。
(e)已打印完的切片层下降一个铺粉层厚度，重复步骤(b)、(c)、(d)，，层层叠加，直到完成整个Cu-Al-Ni-Ti形状记忆合金零件的制作。
实例2
以选区激光熔化HK M215设备为例，运用本发明的方法成形镍基高温合金Inconel625材料，具体步骤如下：
(a)首先，用UG等三维造型软件画出零件，由专门的快速成型软件读取零件信息，对零件三维模型切片分层，固定和不锈钢基板的位置，设定装置的初始铺粉层厚0.1mm，激光功率400w，扫描速度700mm/s，成型腔内抽真空，冲入氩气。
(b)由铺粉辊在工作台面上铺一层镍基高温合金Inconel625料粉末，粉末平均粒径为34μm，由铺粉辊在工作台面上铺一层粉末，由处于铺粉辊内侧的振动传感器对铺粉过程中铺粉辊振幅的变化进行监测，并将监测信息反馈给控制系统。
(c)控制系统对反馈回来的铺粉辊振幅信息进行分析，并与正常铺粉时铺粉辊的稳态振幅变化范围进行对比。实测的铺粉辊振幅波动处于工艺库数据振幅稳态范围(1mm)之内控制系统执行铺粉动作完成后的下一命令，否则控制系统不会执行铺粉动作之后的下一命令，此时，铺粉辊会自动调节铺粉层厚，然后重复步骤(b)和(c)，直到铺粉辊的振幅处于稳态范围之内，停止铺粉。
(d)控制系统控制激光束对已铺好的镍基高温合金Inconel625粉层进行打印。
(e)已打印完的切片层下降一个铺粉层厚度，重复步骤(b)、(c)、(d)，层层叠加，直到完成整个镍基高温合金Inconel625零件的制备。
实例3
以选择性激光烧结HK S500设备为例，运用本发明的方法成形碳纤维尼龙复合材料，具体步骤如下：
(a)首先，用UG等三维造型软件画出零件，由专门的快速成型软件读取零件信息，对零件三维模型切片分层，设定装置的初始铺粉层厚0.15mm，激光功率8w，扫描速度3000mm/s。
(b)由铺粉辊在工作台面上铺一层碳纤维尼龙复合材料粉末，粉末平均粒径为60μm，由铺粉辊在工作台面上铺一层粉末，处于铺粉辊内侧的振动传感器对铺粉过程中铺粉辊振幅的变化进行监测，并将监测信息反馈给控制系统。
(c)控制系统对反馈回来的铺粉辊振幅信息进行分析，并与正常铺粉时铺粉辊的稳态振幅变化范围进行对比。如果实测的铺粉辊振幅波动处于工艺库数据振幅稳态范围2mm之内，控制系统执行铺粉动作完成后的下一命令，否则控制系统不会执行铺粉动作之后的下一命令，此时，铺粉辊会自动调节铺粉层厚，然后重复步骤(b)和(c)，直到铺粉辊的振幅处于稳态范围之内，停止铺粉。
(d)控制系统控制激光束对已铺好的碳纤维尼龙复合材料粉层进行打印。
(e)重复步骤(b)、(c)、(d)，层层叠加，直到完成整个碳纤维尼龙复合零件的制作。
实例4
以选区激光烧结HK S800设备为例，运用本发明的方法成形纳米羟基磷灰石与聚己内酯复合材料，具体步骤如下：
(a)首先，用UG等三维造型软件画出零件，由专门的快速成型软件读取零件信息，对零件三维模型切片分层，设定装置的初始铺粉层厚0.15mm，激光功率4.5w，扫描速度1250mm/s。
(b)由铺粉辊在工作台面上铺一层纳米羟基磷灰石与聚己内酯复合材料粉末，粉末平均粒径为500-800μm，由铺粉辊在工作台面上铺一层粉末，处于铺粉辊内侧的振动传感器对铺粉过程中铺粉辊振幅的变化进行监测，并将监测信息反馈给控制系统。
(c)控制系统对反馈回来的铺粉辊振幅信息进行分析，并与正常铺粉时铺粉辊的稳态振幅变化范围进行对比。如果实测的铺粉辊振幅波动处于工艺库数据振幅稳态范围2mm之内，控制系统执行铺粉动作完成后的下一命令，否则控制系统不会执行铺粉动作之后的下一命令，此时，铺粉辊会自动调节铺粉层厚，然后重复步骤(b)和(c)，直到铺粉辊的振幅处于稳态范围之内，停止铺粉。
(d)控制系统控制激光束对已铺好的纳米羟基磷灰石与聚己内酯复合材料粉层进行打印。
(e)重复步骤(b)、(c)、(d)，层层叠加，直到完成整个纳米羟基磷灰石与聚己内酯复合材料零件的制作。
实例5
以清华大学研发的EBSM-250为例，运用本发明的方法成形Ti6Al4V合金材料，具体步骤如下：
(a)首先，用UG等三维造型软件画出零件，由专门的快速成型软件读取零件信息，对零件三维模型切片分层，固定和调节不锈钢基板的位置，设定装置的初始铺粉层厚0.1mm，电子束330w扫描速度700mm/s，，成型腔内抽真空，冲入氩气。；
(b)由铺粉辊在工作台面上铺一层Ti6Al4V合金材料粉末，粉末平均粒径为25μm，处由铺粉辊在工作台面上铺一层粉末，处于铺粉辊内侧的振动传感器对铺粉过程中铺粉辊振幅的变化进行监测，并将监测信息反馈给控制系统。
(c)控制系统对反馈回来的铺粉辊振幅信息进行分析，并与正常铺粉时铺粉辊的稳态振幅变化范围进行对比。如果实测的铺粉辊振幅波动处于工艺库数据振幅稳态范围1mm之内，控制系统执行铺粉动作完成后的下一命令，否则控制系统不会执行铺粉动作之后的下一命令，此时，铺粉辊会自动调节铺粉层厚，然后重复步骤(b)和(c)，直到铺粉辊的振幅处于稳态范围之内，停止铺粉。
(d)控制系统控制电子束对已铺好的Ti6Al4V合金材料粉层进行打印。
(e)重复步骤(b)、(c)、(d)，层层叠加，直到完成整个Ti6Al4V合金零件的制作。
实例6
以清华大学研发的EBSM-250为例，运用本发明的方法成形不锈钢316合金材料，具体步骤如下：
(a)首先，用UG等三维造型软件画出零件，由专门的快速成型软件读取零件信息，对零件三维模型切片分层，固定和调节不锈钢基板的位置，设定装置的初始铺粉层厚0.1mm，电子束250W，扫描速度360mm/s，成型腔内抽真空，冲入氩气。；
(b)由铺粉辊在工作台面上铺一层碳纤维尼龙复合材料粉末，粉末平均粒径为80μm，处由铺粉辊在工作台面上铺一层粉末，处于铺粉辊内侧的振动传感器对铺粉过程中铺粉辊振幅的变化进行监测，并将监测信息反馈给控制系统。
(c)控制系统对反馈回来的铺粉辊振幅信息进行分析，并与正常铺粉时铺粉辊的稳态振幅变化范围进行对比。如果实测的铺粉辊振幅波动处于工艺库数据振幅稳态范围1.5mm之内，控制系统执行铺粉动作完成后的下一命令，否则控制系统不会执行铺粉动作之后的下一命令，此时，铺粉辊会自动调节铺粉层厚，然后重复步骤(b)和(c)，直到铺粉辊的振幅处于稳态范围之内，停止铺粉。
(d)控制系统控制电子束对已铺好的不锈钢316合金粉层进行打印。
(e)重复步骤(b)、(c)、(d)，层层叠加，直到完成整个不锈钢316合金零件的制作。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于增材制造的粉床自适应铺粉方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)设计待成型零件的三维结构，并将该三维结构切片分为多个切片层，识别每个所述切片层中所述待成型零件的形状轮廓；
(b)粉床的铺粉辊根据所述切片层中的形状轮廓在工作台上对该切片层进行铺粉；
(c)监测所述铺粉辊的实际振幅，并将其与预设可接受振幅范围对比，(c1)当所述实际振幅在所述预设可接受振幅范围内时，完成所述切片层的铺粉；
(c2)当所述实际振幅在所述预设可接受振幅范围外时，重复步骤(b)和(c)；
(d)采用高能束打印所述完成铺粉的切片层，至此，单个所述切片层的成型结束；
(e)所述成型结束的切片层下降一个预设铺粉层厚度，重复步骤(b)～(d),直至完成所有所述切片层的打印。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(e)中，所述铺粉层厚度范围采用不小于20μm。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述预设可接受振幅范围采用不超过2mm。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述铺粉辊采用密度不超过3g/cm3的合金，所述铺粉辊的表面粗糙度范围采用Ra<1.6。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(d)中，所述高能束采用激光束和电子束中的一种或者组合。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述粉床采用激光选区烧结装置、激光选区熔化装置、电子束选区熔化装置中的一种。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述监测所述铺粉辊的实际振幅采用振动传感器进行监测，该振动传感器为压电式力传感器。
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