CN109203463B - 粉末床用多功能刮刀、增材制造粉末床及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粉末床用多功能刮刀，包括，柱状刀体，其包括两端形成有定位凹槽的主体，间隔设置在主体环周的多个轴向延伸的刮刀；分别对应设置在主体两端的两个端支撑机构，其分别包括受驱往复移动的平动轴，可旋转地套设在平动轴上的轴套，以及驱动所述的轴套相对平动轴旋转的驱动部，所述的轴套上固定设置有可匹配插入所述的定位凹槽内并固定连接的连接架。本发明将刮刀设置成一轴多刀结构，其可以为固定一体，也可以为插拔式刮刀或者是刀头与刀体分离的刮刀结构形式；换刀方式改为自动不停机旋转自动换刀；采用检测‑换刀‑检测的集成式处理信息处理。实现粉床熔化或固化增材制造稳定、连续生产。

Description

粉末床用多功能刮刀、增材制造粉末床及控制方法

技术领域

本发明涉及增材制造粉末床选区成形技术领域，特别是涉及一种粉末床用多功能刮刀、增材制造粉末床及控制方法。

背景技术

粉末床熔化增材制造技术因其可以成形复杂程度高、精度要求高的零件，越来越受到航空航天相关研究人员的青睐，且成形完毕后经过简单的表面处理就可以直接用于零件装配，具有净成形能力强，材料利用率高的优势。

粉床熔化或固化增材制造过程，一般需要经历上万层、几百万层乃至几千万层的层层对焊而成，其每一层均需要经历需采用落粉/吹粉-刮粉-熔化或固化烧结成形的过程，其中刮粉的平整度以及刮刀的完整性直接影响着增材制造成形的进度和构件的完整性。现有技术均是通过肉眼观察，发现有粉床不平整(如漏铺，薄厚不均等)的地方或者刮刀崩韧等现象；不能保证即刻发现问题并停机开仓换刀。且换刀方式均为停机开仓手动换刀，虽然此法有一定的效果，但是仍然存在效率低、重复定位精度低、程序跑偏以及机械结构错位等问题，很有可能导致废品率的提高乃至成本的递增。因此亟需发明并拓展一种更为有效的方法实现刮刀的多功能化。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种粉末床用多功能刮刀、增材制造粉末床及控制方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种粉末床用多功能刮刀，包括，

柱状刀体，其包括两端形成有定位凹槽的主体，间隔设置在主体环周的多个轴向延伸的刮刀；

分别对应设置在主体两端的两个端支撑机构，其分别包括受驱往复移动的平动轴，可旋转地套设在平动轴上的轴套，以及驱动所述的轴套相对平动轴旋转的驱动部，所述的轴套上固定设置有可匹配插入所述的定位凹槽内并固定连接的连接架。

所述的驱动部为与平动轴固定连接的驱动电机，所述的轴套上设置有齿轮，所述的驱动电机与所述的齿轮传动连接。

所述的刮刀与所述的主体一体形成或插接固定。

在两刮刀之间分别固定有检测机构，所述的检测机构包括刀刃损伤度检测机构和纵向延伸的粉床平整度检测机构。

在两相邻刮刀间的主体上分别固定设置有多侧面式支撑条，所述的检测机构对应固定设置在支撑条的侧面上。

所述的刮刀之间的主体上形成有弧面凹槽，所述的多侧面式支撑条固定在所述的弧面凹槽内。

包括两个以上的刮刀。

所述的主体上均匀设置有四个刮刀，所述的定位凹槽为十字凹槽。

一种具有所述的粉末床用多功能刮刀的增材制造粉末床。

一种所述的增材制造粉末床的控制方法，包括以下步骤，

1）控制刮刀前进，同时前进方向后方的检测机构测定铺粉的横向、纵向平面度以及检测粉床的平整度以及刀刃损伤度；

2）刮粉完成后，在退刀时，刮刀前进方向后方的检测机构重复检测铺粉的横向、纵向平面度以及重复检测粉床的平整度和刀刃损伤度；

3）当刀刃损伤度达到设定阈值，驱动部驱主体相对平动轴转动预定角度进行刮刀切换。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明将刮刀设置成一轴多刀结构，其可以为固定一体，也可以为插拔式刮刀或者是刀头与刀体分离的刮刀结构形式；换刀方式改为自动不停机旋转自动换刀；采用检测-换刀-检测的集成式处理信息处理。实现粉床熔化或固化增材制造稳定、连续生产。

附图说明

图1所示为本发明的粉末床用多功能刮刀的侧视结构示意图。

图2所示为本发明的刮刀的端部侧视图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。

如图所示，本发明的粉末床用多功能刮刀包括，

柱状刀体1，其两端形成有定位凹槽的主体11，间隔设置在主体环周的多个12，即包括两个以上的刮刀，如四个轴向延伸的刮刀；

两个端支撑机构2，分别对应设置在主体两端，其分别包括受驱往复平动的平动轴21，通过轴承可旋转地套设在平动轴上的轴套22，以及驱动所述的轴套相对平动轴旋转的驱动部，所述的轴套上固定设置有可匹配插入所述的定位凹槽内并固定连接的连接架23。所述的定位凹槽可为十字型凹槽，当选用n个刮刀时，宜选用n/2个沟槽的定位凹槽以提高定位稳定性。

本发明将刮刀设置成一轴多刀结构，其可以为固定一体，也可以为插拔式刮刀或者是刀头与刀体分离的刮刀结构形式；换刀方式改为自动不停机旋转自动换刀；采用检测-换刀-检测的集成式处理信息处理。实现粉床熔化或固化增材制造稳定、连续生产。

具体地，所述的驱动部为与平动轴固定连接的驱动电机，所述的轴套上设置有齿轮24，所述的驱动电机与所述的齿轮传动连接。靠齿轮啮合驱动轴套相对平动轴旋转带动刀体转动实现刮刀的工位切换，实现刮刀工作位和等待位的切换，切换后借助与齿轮相啮合的驱动部，如驱动伺服电机来实现定位，能保证刮刀刮粉精度。

其中，所述的刮刀与所述的主体一体形成或插接固定。其可以为固定一体式，也可以为刮刀离散如旋转或垂直式插拔的方式完成换刀。

如，刮刀主体为正多边形，刮刀的刀刃为其顶角倒直角所得，倒直角的大小需基于成形的材料和成形的柱状主体的材料之间的匹配关系，一般情况刮刀的材料为成形材料的同成分经过热处理的材料所制成。柱状刀体的材料一般而言，应与粉床材料一致，一般采用硬质铝合金作为柱状刀体材料。

其中，在两刮刀之间分别固定有检测机构14，所述的检测机构包括刀刃损伤度检测机构和纵向延伸的粉床平整度检测机构，如平面度检测传感器。作为其中一种具体实施方式，所述的刮刀12之间的主体11上形成有弧面凹槽1，所述的弧面凹槽内固定设置有多侧面式支撑条13，所述的检测机构14对应固定设置在支撑条的侧面上。所述的检测机构与现有技术类似，将其整合到柱状刀体上，并设置多对，增强了检测范围和精度，而且利用前进后退时的重复检测设计，保证了检测精准度，通过平动轴的轴心孔进行数据和电源线布局，有效提高了整体度，便于布局。提高粉床增材制造过程的自动化程度；实时监测铺粉参数与不停机、不开仓的旋转式换刀方式可以一定程度上降低粉床增材制造成本.

同时，本发明公开了一种具有所述的粉末床用多功能刮刀的增材制造粉末床。

针对高性能、粉床熔化或固化增材成形金属构件的特点，及熔化或固化层数多，成形周期长，过程稳定性控制要求较高的需求，本发明的具有多功能、数字化的刮刀的增材制造粉末床能有效实施测控粉层平整度、层高、层厚以及层的平面度的耦合系统。突破粉床增材制造过程中铺粉参数模糊，控制不精确，以及刮刀崩刃时未知或知晓时必须需要停机开仓换刀的问题，提高粉床增材制造的成形稳定性、降低构件缺陷、以及提高构件的合格率。

本发明可以实现难成形材料较复杂零件的性能稳定增材制造，意在大中型航空结构件的短流程、优质、高效、整体制造中应用，突破国内外现有熔化或固化增材直接成形高性能航空航天及舰船零部件技术的成形性难以控制与性能可靠性不足的实用化瓶颈，为高性能复杂零件的优质高效直接整体制造开辟实用化新途径，为新一代高性能装备开发提供技术储备。

同时，本发明还公开了一种所述的增材制造粉末床的控制方法，包括以下步骤，

1）控制刮刀前进，同时前进方向后方的检测机构测定铺粉的横向、纵向平面度以及检测粉床的平整度以及刀刃损伤度；

2）刮粉完成后，在退刀时，刮刀前进方向后方的检测机构重复检测铺粉的横向、纵向平面度以及重复检测粉床的平整度和刀刃损伤度；

3）当刀刃损伤度达到设定阈值，驱动部驱动柱状刀体转动预定角度进行刮刀切换。

通过前进后退时两组检测机构匹配检测，两组检测机构检测的角度和时间上的依次进行，提高了检测精度，而且检测形成的数据对成形系统反馈，结合已有的后台理论和实验数据库，自动形成是否需要停机或者是否需要换刀的自动判断预警系统，有效提高加工质量和效率。

当所有刮刀都使用后，需要换刀，过程需要在对端支撑机构的支架解锁并将刀体向上提起，然后更换并锁紧刀体并放刀体至滑槽中，继续进行刮粉增材制造。

作为一个具体实施，具体实现方法：

采用熔化（激光/电子束）作为热源；全封闭的氩气环境中进行铺粉激光增材制造，其原料为TC4钛合金金属粉末，为点阵结构件（300mm×50mm×50mm），每层铺粉厚度约为40μm，约需要7500层完成成形，成形过程中，采用本发明的旋转刮刀来实现刮刀不停机更换，需要具备检测机构来实施位置度的数据汇总条件。

使用刮刀时，刮刀前进方向后方的检测机构分别测定铺粉的横向、纵向平面度、检测粉床的平整度和刀刃损伤度，刮粉完成后，在退刀时，刮刀前进方向后方的传检测机构分别重复检测铺粉的横向、纵向平面度、粉床的平整度和刀刃损伤度。检测形成的数据需要对成形系统反馈，结合已有的后台理论和实验数据库，自动形成是否需要停机或者是否需要换刀的自动判断预警系统。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种粉末床用多功能刮刀，其特征在于，包括，

柱状刀体，其包括两端形成有定位凹槽的主体，间隔设置在主体环周的多个轴向延伸的刮刀；

分别对应设置在主体两端的两个端支撑机构，其分别包括受驱往复移动的平动轴，可旋转地套设在平动轴上的轴套，以及驱动所述的轴套相对平动轴旋转的驱动部，所述的轴套上固定设置有可匹配插入所述的定位凹槽内并固定连接的连接架，在两刮刀之间分别固定有检测机构，所述的检测机构包括刀刃损伤度检测机构和纵向延伸的粉床平整度检测机构，在两相邻刮刀间的主体上分别固定设置有多侧面式支撑条，所述的检测机构对应固定设置在支撑条的侧面上。

2.如权利要求1所述的粉末床用多功能刮刀，其特征在于，所述的驱动部为与平动轴固定连接的驱动电机，所述的轴套上设置有齿轮，所述的驱动电机与所述的齿轮传动连接。

3.如权利要求1所述的粉末床用多功能刮刀，其特征在于，所述的刮刀与所述的主体一体形成或插接固定。

4.如权利要求1所述的粉末床用多功能刮刀，其特征在于，所述的刮刀之间的主体上形成有弧面凹槽，所述的多侧面式支撑条固定在所述的弧面凹槽内。

5.如权利要求1所述的粉末床用多功能刮刀，其特征在于，包括两个以上的刮刀。

6.如权利要求1所述的粉末床用多功能刮刀，其特征在于，所述的主体上均匀设置有四个刮刀，所述的定位凹槽为十字凹槽。

7.一种具有如权利要求1-6任一项所述的粉末床用多功能刮刀的增材制造粉末床。

8.一种如权利要求7所述的增材制造粉末床的控制方法，其特征在于，包括以下步骤，

1)控制刮刀前进，同时前进方向后方的检测机构测定铺粉的横向、纵向平面度以及检测粉床的平整度以及刀刃损伤度；

2)刮粉完成后，在退刀时，刮刀前进方向后方的检测机构重复检测铺粉的横向、纵向平面度以及重复检测粉床的平整度和刀刃损伤度；

3)当刀刃损伤度达到设定阈值，驱动部驱主体相对平动轴转动预定角度进行刮刀切换。

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