CN107584120A - 一种激光选区熔化成形单刮刀双向铺粉装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种激光选区熔化成形单刮刀双向铺粉装置及方法，结构简单，铺粉效率高，在保证铺粉效率的同时，粉末清理和维护更便捷。装置包括成形台，左送粉仓和右送粉仓，铺粉槽；铺粉槽包括槽缸、刮刀、挡板和换向板；成形台的两侧分别设置有能够推动换向板转动换向的左换向顶销和右换向顶销；换向时，在铺粉槽运动到左送粉仓或右送粉仓下方前，左换向顶销或右换向顶销与换向板相接触，当铺粉槽运动到送粉仓下方时完成换向板带动挡板的翻转。本发明所述的双向铺粉方法，利用双向铺粉装置，在激光选区熔化成形过程中，能够完成对粉末的投放，在激光选区熔化成形后立即进行铺粉作业，不浪费行程，不浪费工时，对铺粉和成形作业实现统筹安排，效率更高。

Description

一种激光选区熔化成形单刮刀双向铺粉装置及方法

技术领域

本发明涉及增材制造装备技术领域，具体为一种激光选区熔化成形单刮刀双向铺粉装置及方法。

背景技术

随着激光熔化技术基础研究不断增强，近年来增材制造工艺得到广泛应用，特别是激光选区熔化成形(SLM)工艺，因其在制造复杂结构部件方面的优势，该工艺在工业应用中得到普遍认可。采用激光选区熔化成形工艺的设备的研制也发展迅速，设备结构形式多种多样，成形原理基本相同，即将由三维模型转换的分层数据，利用计算机控制，实现逐层激光选择性烧结金属粉末，最终实现三维实体零件的加工。该工艺技术的发展，使得复杂零件实现无模具快速加工。

目前，激光选区熔化成形设备的铺粉方式主要有单向和双向两种。单向铺粉方式的设备采用单个刮刀或辊筒铺粉装置进行铺粉，该铺粉装置结构简单，在激光选区熔化成形设备早期研制阶段多采用该铺粉装置。但该铺粉装置的缺点是铺粉效率低，刮刀在完成一次铺粉后，需要重新回到铺粉起点，这段空程时间被浪费。为了提高效率，大多采用双向铺粉装置，根据刮刀数量，又可以分为单刮刀双向铺粉和双刮刀双向铺粉两种形式。对于双刮刀铺粉装置，在铺粉时，一般粉末落于两刮刀之间，在往返刮粉过程中两个刮刀交替发挥铺粉作用。由于铺粉层厚都一般20～60μm，因此这种双刮刀的铺粉装置在工作前要调整刮刀的位置，使得两刮刀的刀刃尽可能在同一平面上，若刮刀存在高度差，在铺粉时就会因粉层厚度不均导致较低刮刀与成形零件刮蹭。

对于单刀双向铺粉装置，通过减少刮刀数量，在保证铺粉效率的同时降低了刮刀调平难度。目前存在很多这种铺粉装置，实现在往返铺粉时粉末能够分别位于刮刀两侧，但大多数装置的结构都比较复杂，清理粉末或维护难度较大。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种激光选区熔化成形单刮刀双向铺粉装置及方法，结构简单，铺粉效率高，在保证铺粉效率的同时，粉末清理和维护更便捷。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种激光选区熔化成形单刮刀双向铺粉装置，包括成形台，设置在成形台上方且左右对称的左送粉仓和右送粉仓，以及通过滑轨滑动连接在成形台上的铺粉槽；

所述的铺粉槽包括槽缸、刮刀、挡板和换向板；槽缸内通过横向隔板分为进粉仓和换向仓；刮刀通过刮刀架沿长度方向固定在进粉仓内并将其分为两个腔体，刮刀下端面尖刃伸出进粉仓与成形台的工作区域无间隙接触；

横向隔板上设置有连接挡板和换向板的转轴；换向板的一端悬置，另一端与弹簧的一端相连，另一端固定在槽缸的弹簧始终保持拉紧状态；挡板设置在刮刀上方，上端卡靠在槽缸的侧壁，下端位于进粉仓其中一个腔体的内；

成形台的两侧分别设置有能够推动换向板转动换向的左换向顶销和右换向顶销；换向时，在铺粉槽运动到左送粉仓或右送粉仓下方前，左换向顶销或右换向顶销与换向板相接触，当铺粉槽运动到送粉仓下方时完成换向板带动挡板的翻转。

优选的，刮刀通过固定螺栓固定在刮刀架上，刮刀架竖直固定于槽缸的下部。

优选的，刮刀架通过调节螺栓固定在槽缸上，通过调节调节螺栓，调整刮刀架的位置。

优选的，挡板下方两侧分别铰链连接一个隔板，两个隔板分别位垂搭在刮刀架的两侧。

优选的，左送粉仓和右送粉仓的下部分别设置有左定量落粉装置和右定量落粉装置。

优选的，铺粉槽通过连接螺栓固定在滑轨上，由电机带动在滑轨上左右滑动。

优选的，成形台的下方分别安装有左收粉仓和成形仓和右收粉仓，且上端面均与成形台平面平齐。

进一步的，成形仓中设置有升降平台，用于通过电机驱动上下运动。

一种激光选区熔化成形单刮刀双向铺粉方法，基于上述任意一铺粉装置，包括如下步骤，

步骤1，当铺粉槽完成一次铺粉，运动到左送粉仓下方时，左换向顶销推动换向板转动，带动挡板转动换向，左送粉仓释放一定量的粉末到铺粉槽中刮刀右侧的腔体内；

步骤2，待完成一次激光选区熔化成形过程后，铺粉槽在电机带动下，沿滑轨往右运动，将粉末均匀铺设在成形台工作区域；

步骤3，当铺粉槽运动到临近右送粉仓时，右换向顶销与换向板接触，推动换向板转动，带动挡板转动换向，直到铺粉槽正好位于右送粉仓下方时，换向完成；

步骤4，激光器开启，进行激光选区熔化成形烧结过程，同时右送粉仓释放一定量粉末到铺粉槽中刮刀左侧腔体内；待该次激光选区熔化成形过程后，铺粉槽在电机带动下，沿滑轨往左侧移动，将粉末均匀铺设在成形台工作区域，然后运动到做左送粉仓1下方，并完成换向，重复步骤1，如此往复实施铺粉过程。

优选的，所述的刮刀的位置能够调节用于连接刮刀和刮刀架的固定螺栓，和/或调节用于连接刮刀架和槽缸的调节螺栓固定；使刮粉端采用双侧倒角的尖刃形式的刮刀，在往任何一侧刮粉时，刮刀都能够实现对粉末层的压实效果。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过刮刀进行铺粉的同时，对槽缸实现分区，用于双向铺粉时对送粉的区分；通过一个平的挡板作为调整落粉方向的结构，结构非常简单，粉末清理和保养维护方便。通过与挡板经转轴连接的换向板形成机械换向，利用弹簧和固定顶销结合的形式，结构简单，运行稳定性好，换向的准确性高。实现单个刮刀双向铺粉方式，极大提高了铺粉效率。

进一步的，刮刀能够通过其与刮刀架的连接，以及刮刀与槽缸的连接进行两级调整，保证了对刮刀的调平。

进一步的，通过两个隔板分别位垂搭在刮刀架的两侧，可以起到将刮刀两侧腔体隔开的效果，防止落粉过程中，粉末飞溅，通过刮刀架与挡板的缝隙进入另一侧腔体内。

进一步的，通过配合设置的各电机，实现了铺粉时各运动能够自动控制，同时利用收粉仓保证了对粉末的有效回收，降低了成本。

本发明所述的双向铺粉方法，利用双向铺粉装置，在激光选区熔化成形过程中，能够完成对粉末的投放，在激光选区熔化成形后立即进行铺粉作业，不浪费行程，不浪费工时，对铺粉和成形作业实现统筹安排，效率更高。

附图说明

图1是本发明激光选区熔化成形单刮刀双向铺粉装置的结构示意图。

图2是本发明中铺粉槽结构示意图。

图3是本发明中铺粉槽缸体内部进粉仓的结构示意图。

图4是本发明中铺粉槽内换向结构示意图。

图5是本发明中铺粉槽内换向仓的结构示意图。

图中：1左送粉仓、2左定量落粉装置、3左换向顶销、4铺粉槽、5左收粉仓、6成形仓、7升降平台、8成形台、9右收粉仓、10右换向顶销、11右送粉仓、12连接螺栓、13挡板、14固定螺栓、15刮刀、16刮刀架、17弹簧、18换向板、19槽缸、20转轴、21右定量落粉装置。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种激光选区熔化成形单刮刀双向铺粉装置，如图1所示，其包括左送粉仓1、右送粉仓11、左定量落粉装置2、右定量落粉装置21、铺粉槽4、左换向顶销3、右换向顶销10、成形仓6、升降平台7、成形台8、左收粉仓5、右收粉仓6和连接螺栓12。

所述的左送粉仓1和右送粉仓11组成送粉仓，位于铺粉装置的上方，左右对称分布，在左送粉仓1和右送粉仓11的下部分别安装有定量落粉装置2，通过电机控制，实现在铺粉槽4运动到相应送粉仓下方时，对应电机启动，一定量的粉末从定量落粉装置2中落入铺粉槽4中；送粉仓的下端呈缩口设置，能够与铺粉槽4槽口对接扣合。

所述的铺粉槽4通过连接螺栓12固定在滑轨上，在电机带动下可在滑轨上左右滑动，铺粉槽4包括槽缸19、刮刀架16、刮刀15、固定螺栓14、挡板13、弹簧17和换向板18。挡板13通过转轴20与换向板18相连，换向板18的下端与弹簧17相连，弹簧17的另一端固定在槽缸19上。弹簧17始终处于拉紧状态，保证换向后的挡板18稳固，不会随意改变位置状态。

所述的左换向顶销3和右换向顶销10组成换向顶销位于成形台的左右两侧，当铺粉槽4运动到临近对应送粉仓下方时，换向顶销与换向板18接触，并在铺粉槽4刚好到达送粉仓下方时，使得换向完成。

所述的刮刀15通过固定螺栓14固定在刮刀架16上，刮刀架16固定于槽缸19上。调节固定螺栓14可以调整刮刀15的上下位置，实现刮刀调平。刮刀15刮粉端采用双侧倒角的尖刃形式，在往任何一侧刮粉时，刮刀15都可以实现对粉末层的压实效果。

刮刀架16通过调节螺栓固定在槽缸19上，通过调节调节螺栓，可以调整刮刀架16的位置，增加刮刀15调平方式。

挡板13下方铰链连接两个隔板，两个隔板分别位垂搭在刮刀架16的两侧，可以起到将刮刀15两侧腔体隔开的效果，防止落粉过程中，粉末飞溅，通过刮刀架16与挡板13的缝隙进入另一侧腔体内。

本发明一种激光选区熔化成形单刮刀双向铺粉方法，采用本发明所述的铺粉装置，铺粉过程如下：

当铺粉槽4完成一次铺粉，运动到左送粉仓1下方时，左换向顶销3与换向板18的配合完成换向，左定量落粉装置2释放一定量的粉末到铺粉槽4中刮刀15右侧的腔体内。待升降平台7上完成一次激光选区熔化成形过程后下降一个粉末层厚高度，铺粉槽4在电机带动下，沿滑轨往右运动，将粉末均匀铺设在升降平台7区域。当铺粉槽4运动到临近右送粉仓11时，右换向顶销10与换向板18接触，直到铺粉槽4正好位于右送粉仓11下方时，换向完成。激光器开启，进行激光选区熔化成形烧结过程，同时定量落粉装置21释放一定量粉末到铺粉槽4中刮刀15左侧腔体内。待升降平台7上完成激光选区熔化成形过程后，再下降一个粉末层厚高度，铺粉槽4在电机带动下，沿滑轨往左侧移动，将粉末均匀铺设在升降平台7区域，然后运动到左送粉仓1下方，并完成换向。如此往复实施铺粉过程。

具体的如下实施例所述。

如图1至5所示。本发明涉及的一种激光选区熔化成形单刮刀双向铺粉装置，包括左送粉仓1、左定量落粉装置2、左换向顶销3、铺粉槽4、左收粉仓5、成形仓6、升降平台7、成形台8、右收粉仓9、右换向顶销10、右送粉仓11、连接螺栓12、挡板13、固定螺栓14、刮刀15、刮刀架16、弹簧17、换向板18、槽缸19、转轴20和右定量落粉装置21。

送粉仓由左送粉仓1和右送粉仓11组成，位于铺粉装置的上方；左右定量落粉装置对应位于左右送粉仓的下部；铺粉槽通过连接螺栓12固定在滑轨上，可由电机带动在滑轨上左右滑动，结构包括槽缸19、刮刀架16、刮刀15、固定螺栓14、挡板13、弹簧17和换向板18；所述的换向顶销位于成形台的左右两侧。

如图1所示，左/右收粉仓5/9和成形仓6分别安装在成形台8的下方，上端面与成形台8平面平齐。左/右收粉仓5/9可以收集铺粉槽4在往返铺粉过程中多余的粉末。升降平台7安装在成形仓6中，通过电机驱动实现上下运动。铺粉过程中，铺粉槽4在滑轨上运动，在左侧时，铺粉槽4位于左送粉仓1的下方，与左定量落粉装置2相对，当铺粉槽4运动到右侧时，位于右送粉仓11的下方。

如图2、3、4所示，刮刀15通过固定螺栓14固定在刮刀架16上，刮刀架16竖直固定于槽缸19的下部，刮刀15伸出槽缸19。通过调节固定螺栓14，可以使得刮刀15上下移动，最终刮刀15下端面尖刃伸出进粉仓与成形台8的工作区域即升降平台接触无间隙。挡板13位于槽缸19的中部区域，在需要往右铺粉时，挡板13保持图3所示的状态，挡板13的上边缘与槽缸19的左侧壁紧密相贴。换向板18通过转轴与挡板13相连。当铺粉槽4运动到右侧右送粉仓11下方，发生换向时，换向板18通过转轴带动挡板13翻转到另一侧。

如图4所示，换向板18的上端悬置，下端与弹簧17相连，弹簧17始终保持拉紧状态。换向时，在铺粉槽4运动到送粉仓下方前，左/右换向顶销3/10与换向板18相接触，当铺粉槽4运动到送粉仓下方时正好完成挡板13的翻转。

如图4、5所示，为了能够清楚地说明本发明的铺粉原理，图5中给出了图4的简化形式，其中，AB段代表弹簧，BE段代表换向板18，点C为转轴20，连接换向板18和挡板13。AD虚线段为BE运动到竖直位置时的状态，该状态为挡板13实现换向的临界状态，其中CB＝CD。对B点进行受力分析，弹簧17产生的弹力F可分解为垂直于CB方向的F1和沿CB方向的F2，同时B点还受CB段的支持力F3，且F2＝F3。由于F1的存在，会产生以CB段为力臂的扭矩M，在扭矩M的作用下，当D点往B点运动时，代表换向板18的BE段会自动进行顺时针旋转，直到挡板13卡到槽缸19的侧壁产生与M相反扭矩，受力达到平衡时停止。

根据三角形定律，CA+CB＞AB，因此CA+CD＞AB，也即AD＞AB。根据弹簧拉力计算公式F＝K·ΔX，其中F代表弹簧产生的弹力；K代表弹性系数，为常数；ΔX代表弹簧收缩或伸长量，该参数的数值越大，产生的弹力越大。由前述分析结果可知，当换向板18位于AD虚线段状态时弹簧的伸长量大于AB段状态的伸长量，因此AD虚线段状态时弹簧的弹力大于AB段状态是的弹力。对于换向完成后的BE段状态为稳定状态，且弹簧始终处于拉紧状态，保证换向后的挡板稳固，不会随意改变位置状态。

本发明激光选区熔化成形单刮刀双向铺粉方法，可通过如下步骤实现：

当铺粉槽4完成一次铺粉，运动到左送粉仓1下方时，左换向顶销3与换向板18的配合完成换向，左定量落粉装置2释放一定量的粉末到铺粉槽4中刮刀15右侧的腔体内。待升降平台7上完成一次激光选区熔化成形过程后下降一个粉末层厚高度，铺粉槽4在电机带动下，沿滑轨往右运动，将粉末均匀铺设在升降平台7区域。当铺粉槽4运动到临近右送粉仓11时，右换向顶销10与换向板18接触，直到铺粉槽4正好位于右送粉仓11下方时，换向完成。激光器开启，进行激光选区熔化成形烧结过程，同时定量落粉装置21释放一定量粉末到铺粉槽4中刮刀15左侧腔体内。待升降平台7上完成激光选区熔化成形过程后，再下降一个粉末层厚高度，铺粉槽4在电机带动下，沿滑轨往左侧移动，将粉末均匀铺设在升降平台7区域，然后运动到左送粉仓1下方，并完成换向。如此往复实施铺粉过程。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它任何未背离本发明的精神实质和原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光选区熔化成形单刮刀双向铺粉装置，其特征在于，包括成形台(8)，设置在成形台上方且左右对称的左送粉仓(1)和右送粉仓(11)，以及通过滑轨滑动连接在成形台(8)上的铺粉槽(4)；

所述的铺粉槽(4)包括槽缸(19)、刮刀(15)、挡板(13)和换向板(18)；槽缸(19)内通过横向隔板分为进粉仓和换向仓；刮刀(15)通过刮刀架(16)沿长度方向固定在进粉仓内并将其分为两个腔体，刮刀(15)下端面尖刃伸出进粉仓与成形台(8)的工作区域无间隙接触；

横向隔板上设置有连接挡板(13)和换向板(18)的转轴(20)；换向板(18)的一端悬置，另一端与弹簧(17)的一端相连，另一端固定在槽缸(19)的弹簧(17)始终保持拉紧状态；挡板(13)设置在刮刀(15)上方，上端卡靠在槽缸(19)的侧壁，下端位于进粉仓其中一个腔体的内；

成形台(8)的两侧分别设置有能够推动换向板(18)转动换向的左换向顶销(3)和右换向顶销(10)；换向时，在铺粉槽(4)运动到左送粉仓(1)或右送粉仓(11)下方前，左换向顶销(3)或右换向顶销(10)与换向板(18)相接触，当铺粉槽(4)运动到送粉仓下方时完成换向板(18)带动挡板(13)的翻转。

2.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化成形单刮刀双向铺粉装置，其特征在于，刮刀(15)通过固定螺栓(14)固定在刮刀架(16)上，刮刀架(16)竖直固定于槽缸(19)的下部。

3.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化成形单刮刀双向铺粉装置，其特征在于，刮刀架(16)通过调节螺栓固定在槽缸(19)上，通过调节调节螺栓，调整刮刀架(16)的位置。

4.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化成形单刮刀双向铺粉装置，其特征在于，挡板(13)下方两侧分别铰链连接一个隔板，两个隔板分别位垂搭在刮刀架(16)的两侧。

5.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化成形单刮刀双向铺粉装置，其特征在于，左送粉仓(1)和右送粉仓(11)的下部分别设置有左定量落粉装置(2)和右定量落粉装置(21)。

6.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化成形单刮刀双向铺粉装置，其特征在于，铺粉槽(4)通过连接螺栓(12)固定在滑轨上，由电机带动在滑轨上左右滑动。

7.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化成形单刮刀双向铺粉装置，其特征在于，成形台(8)的下方分别安装有左收粉仓(5)和成形仓(6)和右收粉仓(9)，且上端面均与成形台(8)平面平齐。

8.根据权利要求7所述的一种激光选区熔化成形单刮刀双向铺粉装置，其特征在于，成形仓(6)中设置有升降平台(7)，用于通过电机驱动上下运动。

9.一种激光选区熔化成形单刮刀双向铺粉方法，其特征在于，基于权利要求1-8任意一项所述的铺粉装置，包括如下步骤，

步骤1，当铺粉槽(4)完成一次铺粉，运动到左送粉仓(1)下方时，左换向顶销(3)推动换向板(18)转动，带动挡板(13)转动换向，左送粉仓(1)释放一定量的粉末到铺粉槽(4)中刮刀(15)右侧的腔体内；

步骤2，待完成一次激光选区熔化成形过程后，铺粉槽(4)在电机带动下，沿滑轨往右运动，将粉末均匀铺设在成形台(8)工作区域；

步骤3，当铺粉槽(4)运动到临近右送粉仓(11)时，右换向顶销(10)与换向板(18)接触，推动换向板(18)转动，带动挡板(13)转动换向，直到铺粉槽(4)正好位于右送粉仓(11)下方时，换向完成；

步骤4，激光器开启，进行激光选区熔化成形烧结过程，同时右送粉仓(11)释放一定量粉末到铺粉槽(4)中刮刀(15)左侧腔体内；待该次激光选区熔化成形过程后，铺粉槽(4)在电机带动下，沿滑轨往左侧移动，将粉末均匀铺设在成形台(8)工作区域，然后运动到做左送粉仓1下方，并完成换向，重复步骤1，如此往复实施铺粉过程。

10.根据权利要求9所述的一种激光选区熔化成形单刮刀双向铺粉方法，其特征在于，所述的刮刀(15)的位置能够调节用于连接刮刀(15)和刮刀架(16)的固定螺栓(14)，和/或调节用于连接刮刀架(16)和槽缸(19)的调节螺栓固定；使刮粉端采用双侧倒角的尖刃形式的刮刀(15)，在往任何一侧刮粉时，刮刀(15)都能够实现对粉末层的压实效果。