CN109291432A - 一种用于增材制造粉床粉层厚度的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于增材制造粉床粉层厚度的测量方法，通过电机组件控制送粉缸的缸底和成型缸的底部升降，铺粉滚筒由送粉缸向成型缸运动，逐层铺设粉床；平移组件带动线激光位移传感器扫描整个粉床；逐层铺粉，线激光位移传感器逐层扫描，逐层测量并统计粉末层的厚度；图像处理及显示系统通过线激光位移传感器传送的信息及时间差值计算粉末层的厚度值，并通过厚度值构建三维图，可实现增材制造粉床粉层厚度的动态监测，进而评价粉床层厚的均匀性，有助于提高增材制造粉床质量。

Description

一种用于增材制造粉床粉层厚度的测量方法
技术领域
本发明涉及一种用于增材制造粉床粉层厚度的测量方法。
背景技术
增材制造技术快速发展，是先进制造业中的代表性技术，世界各国纷纷将增材制造作为未来产业新的增长点，也是各制造强国发展下一代先进制造技术的突破方向。增材制造具有个性化、定制化和制造复杂零件的独特优势，可以缩短开发周期，减少制造成本，颠覆商业模式，已广泛应用于众多领域。基于粉床的增材制造工艺主要包括预热、铺粉、烧结熔化和后处理等过程。增材制造铺粉工艺阶段，铺覆出平整均匀和高密度的粉床是成型优良性能成型件的前提。
然而，目前工业生产过程中由于铺粉质量差而时常导致成型件质量差、精度低、翘曲变形甚至成型失败。其核心关键是无法调控铺粉层厚的均匀性，而现有阶段对粉层厚度缺乏科学的测量方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种用于增材制造粉床粉层厚度的测量方法，解决了上述背景技术中的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种用于增材制造粉床粉层厚度的测量方法，采用如下装置：送粉缸、铺粉滚筒、成型缸、平移组件、电机组件、线激光位移传感器、图像处理及显示系统；所述送粉缸的缸底在竖直方向上活动用于调节送粉缸的容量，所述成型缸用于形成粉床，成型缸的底部在竖直方向上活动用于调节成型缸的容量；所述铺粉滚筒设置于送粉缸上部，且铺粉滚筒的下边缘与送粉缸上边缘平齐，所述铺粉滚筒沿水平方向由送粉缸向成型缸做往复运动；所述电机组件与送粉缸、成型缸、铺粉滚筒和平移组件电连接；所述线激光位移传感器通过平移组件架设于成型缸上方，所述图像处理及显示系统与线激光位移传感器连接；
包括如下步骤：
通过电机组件控制所述送粉缸的缸底上升一个单位高度，成型缸的底部下降一个单位高度，铺粉滚筒由送粉缸向成型缸运动，铺上一层粉末，形成粉床；所述的平移组件带动线激光位移传感器沿水平方向运动，线激光位移传感器扫描整个粉床；逐层铺粉，线激光位移传感器逐层扫描测量；由于上一层粉层表面和下一层粉层表面的光线反射至接收端的时间存在差值，图像处理及显示系统通过线激光位移传感器传送的时间差值信息计算粉末层的厚度值，并通过厚度值构建三维图，其中三维图的X坐标轴铺粉滚筒单位移动距离确定坐标值，Y坐标轴根据线激光位移传感器的光斑尺寸大小确定坐标值，Z坐标轴根据计算的粉层厚度值确定坐标值。
在本发明一较佳实施例中，所述成型缸内设有成型件。
在本发明一较佳实施例中，所述粉床的粉末材料包括金属、高分子和陶瓷，粉末粒径为1～100μm。
在本发明一较佳实施例中，所述电机组件包括伺服电机和步进电机，所述伺服电机用于控制送粉缸的缸底和成型缸的底部升降，所述步进电机用于控制铺粉滚筒水平移动和自转连动，实现铺粉功能。
在本发明一较佳实施例中，所述平移组件包括支撑座和滚珠丝杠，所述支撑座固定于成型缸的上方，所述滚珠丝杠固定安装于支撑座，所述线激光位移传感器设置于滚珠丝杠。
在本发明一较佳实施例中，所述线激光位移传感器通过连接固定装置设置于滚珠丝杠，所述连接固定装置设置于线激光位移传感器的顶部。
在本发明一较佳实施例中，所述滚珠丝杠的行程大于粉床长度300～500mm。
在本发明一较佳实施例中，所述滚珠丝杠相对于成型缸上边缘所在平面的平行度误差不大于10μm，线激光位移传感器垂直于成型缸上边缘所在平面。
在本发明一较佳实施例中，所述步进电机径向跳动为10μm，轴向跳动为最大为100μm。
在本发明一较佳实施例中，所述线激光位移传感器最大检测距离为120mm，分辨率为4μm，精度为30μm，测量频率为300Hz，光斑尺寸小于100μm。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
本发明通过线激光位移传感器逐层扫面粉床表面，根据上一层粉层表面和下一层粉层表面的光线反射至接收端的时间存在差值来计算粉末层的厚度值，可实现增材制造粉床粉层厚度的动态监测，进而评价粉床的层厚的均匀性，有助于提高增材制造粉床质量。
附图说明
图1为本发明装置示意图。
图2为线激光位移传感器扫描粉床的示意图，其中箭头表示运动方向。
具体实施方式
请查阅图1，本实施例以尼龙粉末为对象，其测量方法如下：
采用如下装置：送粉缸4、铺粉滚筒5、成型缸3、平移组件、电机组件、线激光位移传感器8、图像处理及显示系统10；
所述送粉缸4和成型缸3等高并排设置且二者具有相同的形状，送粉缸4和成型缸3的上边缘及其二者间的连接平台一同形成工作台。所述送粉缸4的缸底在竖直方向上活动用于调节送粉缸4的容量，所述成型缸3用于形成粉床1，所述成型缸3内设有成型件2，成型缸3的底部在竖直方向上活动用于调节成型缸3的容量；
所述铺粉滚筒5设置于送粉缸4上部，且铺粉滚筒5的下边缘与送粉缸4上边缘平齐，所述铺粉滚筒5沿水平方向由送粉缸4向成型缸3做往复运动；
所述电机组件与送粉缸4、成型缸3、铺粉滚筒5和平移组件电连接；所述电机组件包括伺服电机和步进电机，所述伺服电机用于控制送粉缸4的缸底和成型缸3的底部升降，所述步进电机用于控制铺粉滚筒5水平移动和自转连动，实现铺粉功能。通过高精度的伺服电机控制实现精确的送粉量和粉层厚度，而步进电机径向跳动为10μm，轴向跳动为最大为100μm，通过步进电机实现水平移动和自转联动，铺粉滚筒5的平移运动将多余的粉末推走，同时滚筒的旋转运动将粉末压平，可以较大程度地提高粉末的压实密度，从而实现铺粉功能。
所述平移组件包括支撑座6和滚珠丝杠7，所述支撑座6固定于成型缸3的上方，所述滚珠丝杠7固定安装于支撑座6，所述线激光位移传感器8设置于滚珠丝杠7。所述滚珠丝杠7的行程大于粉床1长度300～500mm。
所述线激光位移传感器8通过平移组件架设于成型缸3上方，所述线激光位移传感器8通过连接固定装置9设置于滚珠丝杠7，所述连接固定装置9设置于线激光位移传感器8的顶部。所述滚珠丝杠7相对于成型缸3上边缘所在平面(即工作台)的平行度误差不大于10μm，线激光位移传感器8垂直于成型缸3上边缘所在平面(即工作台)。所述线激光位移传感器8最大检测距离为120mm，分辨率为4μm，精度为30μm，测量频率为300Hz，光斑尺寸小于100μm。
所述图像处理及显示系统10与线激光位移传感器8连接。
测量过程包括如下步骤：
通过电机组件控制所述送粉缸4的缸底上升一个单位高度，成型缸3的底部下降一个单位高度，铺粉滚筒5由送粉缸4向成型缸3运动，铺上一层粉末，形成粉床1；
所述的平移组件带动线激光位移传感器8沿水平方向运动，在本实施例中，由步进电机驱动滚珠丝杠7带动德国MICRO-EPSILON公司的LLT29线激光位移传感器8沿水平移动方向运动，线激光位移传感器8扫描整个粉床1；逐层铺粉，线激光位移传感器8将光线投射到粉床1表面，粉床1表面反射的光线返回至接收器，逐层扫描测量；
由于上一层粉层表面和下一层粉层表面的光线反射至接收端的时间存在差值，图像处理及显示系统10通过线激光位移传感器8传送的时间差值信息计算粉末层的厚度值，并通过厚度值构建三维图，其中三维图的X坐标轴铺粉滚筒5单位移动距离确定坐标值，Y坐标轴根据线激光位移传感器8的光斑尺寸大小确定坐标值，Z坐标轴根据计算的粉层厚度值确定坐标值。
本领域技术人员可知，当本发明的技术参数在如下范围内变化时，可以预期得到与上述实施例相同或相近的技术效果：所述粉床1的粉末材料包括金属、高分子和陶瓷，粉末粒径为1～100μm，要求粉末具有较高的球形度和良好的流动性。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种用于增材制造粉床粉层厚度的测量方法，其特征在于采用如下装置：送粉缸、铺粉滚筒、成型缸、平移组件、电机组件、线激光位移传感器、图像处理及显示系统；所述送粉缸的缸底在竖直方向上活动用于调节送粉缸的容量，所述成型缸用于形成粉床，成型缸的底部在竖直方向上活动用于调节成型缸的容量；所述铺粉滚筒设置于送粉缸上部，且铺粉滚筒的下边缘与送粉缸上边缘平齐，所述铺粉滚筒沿水平方向由送粉缸向成型缸做往复运动；所述电机组件与送粉缸、成型缸、铺粉滚筒和平移组件电连接；所述线激光位移传感器通过平移组件架设于成型缸上方，所述图像处理及显示系统与线激光位移传感器连接；
包括如下步骤：
通过电机组件控制所述送粉缸的缸底上升一个单位高度，成型缸的底部下降一个单位高度，铺粉滚筒由送粉缸向成型缸运动，铺上一层粉末，形成粉床；所述的平移组件带动线激光位移传感器沿水平方向运动，线激光位移传感器扫描整个粉床；逐层铺粉，线激光位移传感器逐层扫描测量；由于上一层粉层表面和下一层粉层表面的光线反射至接收端的时间存在差值，图像处理及显示系统通过线激光位移传感器传送的时间差值信息计算粉末层的厚度值，并通过厚度值构建三维图，其中三维图的X坐标轴铺粉滚筒单位移动距离确定坐标值，Y坐标轴根据线激光位移传感器的光斑尺寸大小确定坐标值，Z坐标轴根据计算的粉层厚度值确定坐标值。
2.根据权利要求1所述的一种用于增材制造粉床粉层厚度的测量方法，其特征在于：所述成型缸内设有成型件。
3.根据权利要求1所述的一种用于增材制造粉床粉层厚度的测量方法，其特征在于：所述粉床的粉末材料包括金属、高分子和陶瓷，粉末粒径为1～100μm。
4.根据权利要求1所述的一种用于增材制造粉床粉层厚度的测量方法，其特征在于：所述电机组件包括伺服电机和步进电机，所述伺服电机用于控制送粉缸的缸底和成型缸的底部升降，所述步进电机用于控制铺粉滚筒水平移动和自转连动，实现铺粉功能。
5.根据权利要求1所述的一种用于增材制造粉床粉层厚度的测量方法，其特征在于：所述平移组件包括支撑座和滚珠丝杠，所述支撑座固定于成型缸的上方，所述滚珠丝杠固定安装于支撑座，所述线激光位移传感器设置于滚珠丝杠。
6.根据权利要求5所述的一种用于增材制造粉床粉层厚度的测量方法，其特征在于：所述线激光位移传感器通过连接固定装置设置于滚珠丝杠，所述连接固定装置设置于线激光位移传感器的顶部。
7.根据权利要求5所述的一种用于增材制造粉床粉层厚度的测量方法，其特征在于：所述滚珠丝杠的行程大于粉床长度300～500mm。
8.根据权利要求5所述的一种用于增材制造粉床粉层厚度的测量方法，其特征在于：所述滚珠丝杠相对于成型缸上边缘所在平面的平行度误差不大于10μm，线激光位移传感器垂直于成型缸上边缘所在平面。
9.根据权利要求4所述的一种用于增材制造粉床粉层厚度的测量方法，其特征在于：所述步进电机径向跳动为10μm，轴向跳动为最大为100μm。
10.根据权利要求4所述的一种用于增材制造粉床粉层厚度的测量方法，其特征在于：所述线激光位移传感器最大检测距离为120mm，分辨率为4μm，精度为30μm，测量频率为300Hz，光斑尺寸小于100μm。
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