CN111283198A

CN111283198A - 一种slm快速成型设备中成型缸系统结构

Info

Publication number: CN111283198A
Application number: CN202010190227.2A
Authority: CN
Inventors: 龚友平; 戚金来; 杨臣; 朱自谋; 刘海强; 邵惠峰; 李文欣; 陈慧鹏; 彭章明; 陈国金
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2020-03-18
Filing date: 2020-03-18
Publication date: 2020-06-16

Abstract

本发明公开了一种SLM快速成型设备中成型缸系统结构。本发明中的升降机构通过相应的伺服电机来进行驱动，通过直角减速器来带动滚珠丝杠螺母副运动，实现预热系统结构的上下移动，控制铺粉层的相关厚度。预热系统结构通过铸铝加热板给基板进行加热，采用热电偶作为温度传感器，实现对温度的实时控制，加热板下方增添隔热丝绵和隔热板，进行相关隔热，基板和隔热板侧边安装密封胶条，防止加工的金属粉末沿成型腔下落。本发明使用升降机构对铺粉层厚度进行精确把控和预热系统结构对金属零件加工温度的精确控制，使整个金属零件加工环境得到优化，金属零件加工表面质量得到控制和提升。

Description

一种SLM快速成型设备中成型缸系统结构

技术领域

本发明属于金属零件加工领域，涉及对所需加工金属零件的原材料进行加热、融化、成形等一系列操作的装置。

背景技术

增材制造技术是一种基于离散堆积成形思想的新型成形技术，目前，用于直接制造金属零件的增材制造技术有三种：选择性激光烧结技术（SLS）、激光熔覆制造技术（LENS）、金属激光选区熔化技术（SLM）。SLM技术相对于SLS、LENS而言，其最大优势在于可以直接选择性熔化所需金属粉末来获得所需零件。

对于SLM而言，铺粉层厚度非常影响金属成型件的表面质量，一般要求在SLM设备中铺粉层的厚度能达到20μm，而铺粉层的厚度则是由升降机构来进行控制。从最早可以达到30μm的MCP Realizer SLM快速成型设备到10μm的比利时鲁汶大学研发的SLM设备，再到5-30μm的华南理工大学开发的SLM设备，可以发现它们所能达到的精度不断提高。虽然精度都在提升，但国外相应的SLM设备已经开始投入实际商业，而国内则相对还处在试验阶段，这主要是国内设备存在成型缸系统精度不高、可靠性差、基板温度控制有偏差等问题。这些问题在细节上可以体现在升降机构传动精度较低，升降平台不够平稳等方面。

SLM技术的成型过程分为两个阶段：升温和冷却，当激光束对金属粉层进行扫描加工时，激光停留区域的金属粉末因吸收高能量而急剧升温熔化，失去热源后熔化的金属粉末迅速降温冷却凝固在一起，从而形成零件。因为其快速熔化、瞬时凝固过程的温差大，极易产生热应力，成型件容易产生翘曲、裂痕等缺陷。所以需要对金属粉末进行预热，来降低成型过程中产生的热应力。由于SLM的成型过程都是在基板上进行的，目前国内在热应力处理这块仍存在不足，其对于整个基板的温度控制还不到位，仍旧存在局部区域因温差较大而导致的零件瑕疵。

SLM技术的成型过程需要在一个相对无外界打扰的环境进行，不同设备采用不同的措施来实现无外界打扰的目的。有采用高强度非金属材料制作的保护罩，也有金属和非金属材料结合制作的保护罩。

发明内容

本发明是一种针对金属激光选区熔化设备中的成型缸系统结构设计中存在的精度不高，可靠性较差，从而导致铺粉层厚度不均这些情况的装置。

本发明包括升降机构、预热系统结构、成型腔结构等主要几个部分组成。

所述升降机构主要由基板、直线运动轴承、导向杆、滚珠丝杠螺母副、连动板、丝杠下支撑座、直角减速器、伺服电机、支撑底板、下极限位开关、限位开关固定板、侧支撑板、上极限位开关、上支撑板、丝杠上支撑座、连动板支撑座组成。

所述基板与导向杆的上端连接，导向杆在直线运动轴承中移动、定位，导向杆的下端与连动板连接。

所述上支撑板、侧支撑板、支撑底板和限位开关固定板共同构成支撑构件。

所述滚珠丝杠螺母副的上端与丝杠上支撑座连接，下端与丝杠下支撑座连接，中间与连动板支撑座连接，所述连动板支撑座设置在连动板上。

所述伺服电机通过直角减速器带动滚珠丝杠螺母副中的丝杠运动，将电机转动转化为丝杠转动，实现基板在竖直方向上的升降，控制铺粉层厚度；上极限位开关与下极限位开关起到限制基板运行的上、下极限位的作用。

所述预热系统结构主要由隔热板、隔热丝绵、热电偶、加热板组成。

基板的下方为加热板，用于给基板升温；加热板的下方垫有隔热丝绵，所述的隔热丝绵铺设在所述隔热板上；所述的基板、加热板和隔热板固定在导向杆上端；在所述的基板上安装有热电偶，用于温度监控。

所述成型腔结构由前壁、后壁、左壁、右壁组成；四者围合起来构成成型腔，保证金属加工的环境。

本发明的有益效果：

本发明在成型缸结构中实现基板的精确升降、金属铺粉层厚度的精确把控、金属粉末加热温度的精确掌握等操作，具体的创新主要体现在以下几个方面；

针对基板升降的精确性、金属铺粉层厚度的把控不严这些问题，采用滚珠丝杠螺母副和伺服电机、直角减速器等构件，通过伺服电机进行驱动，通过直角减速器带动滚珠丝杠螺母副中的丝杠运动，将电机转动转化为丝杠转动，实现基板在竖直方向上的精确升降，进一步控制铺粉层厚度。这样的设计大大提升了基板在竖直方向上的位移精确度，控制铺粉层的厚度，能够保证金属加工零件的表面质量。

针对金属粉末加热温度均匀性的问题，采用铸铝加热板给基板进行加热升温，为金属零件加工提供必须温度，再安装两个热电偶于加热板上，进行实时温度监控，添加隔热丝绵和隔热板于加热板之下阻止温度向下传播，从而保证加热温度的均匀性，保证了金属加工粉末受热的均匀性，满足金属零件加工成型的温度条件。

本发明在很大程度上提升了基板在竖直方向上的升降精度，从而保证了升降机构的合理性，升降精度的保证，进一步确保了金属铺粉层厚度的精准性，再加上金属粉末加热温度的精确掌握，这些统一起来能够有效保证金属零件表面加工质量的极大提升。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为升降机构示意图；

图3为预热系统结构示意图；

图4为成型腔结构示意图；

图5为丝杠上支撑座；

图6为连动板支撑座；

图7为丝杠下支撑座三视图；

图中的具体部件名称为：

1、左壁；2、后壁；3、右壁；4、直线运动轴承；5、后支撑板；6、上支撑板；7、连动板；8、侧支撑板；9、支撑底板；10、直角减速器；11、伺服电机；12、丝杠下支撑座；13、限位开关固定板；14、限位开关支撑板；15、下极限位开关；16、导向杆；17、上极限位开关；18、前支撑板；19、成型腔支撑板；20、前壁；21、螺钉；22、基板；23、连动板支撑座；24、丝杠；25、丝杠上支撑座；26、密封胶条；27、隔热板；28、隔热丝绵；29、热电偶；30、加热板；31、垫片；32、弹性挡圈；33、深沟球轴承；34、推力圆柱滚子轴承；35、挡圈。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，本实施例主要包括：升降机构、预热系统结构和成型腔结构，其中：

升降机构包括：直线运动轴承4；后支撑板5；上支撑板6；连动板7；侧支撑板8；支撑底板9；直角减速器10；伺服电机11；丝杠下支撑座12；限位开关固定板13；限位开关支撑板14；下极限位开关15；导向杆16；上极限位开关17；前支撑板18；成型腔支撑板19；螺钉21；基板22；连动板支撑座23；丝杠24；丝杠上支撑座25；弹性挡圈32；深沟球轴承33；推力圆柱滚子轴承34；挡圈35，见图1、图2、图5、图6和图7。

具体结构：伺服电机11与直角减速器10连接，直角减速器10与丝杠24连接，可将伺服电机11的转动转化为丝杠24的转动，丝杠24固定在丝杠下支撑座12、连动板支撑座23、丝杠上支撑座25上。丝杠下支撑座12内部由推力圆柱滚子轴承34、深沟球轴承33、挡圈35组成，连动板支撑座23内部由弹性挡圈32、深沟球轴承33组成，丝杠上支撑座25内部由弹性挡圈32、深沟球轴承33组成。直角减速器10通过螺钉21固定在支撑底板9上，两块侧支撑板8通过螺钉21与支撑底板9和上支撑板6固定，限位开关固定板13通过螺钉21与支撑底板9、上支撑板6固定，两块限位开关支撑板14通过螺钉21固定在限位开关固定板13上，在限位开关支撑板14再固定上极限位开关17、下极限位开关15，丝杠下支撑座12通过螺钉21固定在支撑底板9上，丝杠上支撑座25通过螺钉21固定在上支撑板6上，上支撑板6与成型腔支撑板19通过前支撑板18、后支撑板5固定，基板22和导向杆16通过螺钉固定，导向杆16在直线运动轴承4上定位移动，导向杆16下端与连动板7通过螺钉21固定，连动板支撑座23固定在连动板7上。

工作时，伺服电机11通过直角减速器10将电机的转到转化成丝杠24的转动；接着通过丝杠24的转动带动连动板支撑座23在竖直方向上上下移动，从而带动连动板7在竖直方向上的移动；连动板7运动带动基板22在竖直方向上通过导向杆16在直线运动轴承4中的竖直位移实现精确升降；上极限位开关17、下极限位开关15通过测定基板22运行的上、下极限位置来进行控制。本实施例所设计的平台升降机构，基板运行的最大行程偏差可控制在6μm之内。

预热系统结构包括：导向杆16；螺钉21；密封胶条26；隔热板27；隔热丝绵28；热电偶29；加热板30；垫片31，见图3。

具体结构：导向杆16和隔热板27、垫片31、隔热丝绵28、加热板30、基板22通过螺钉21固定，基板22和隔热板27四周增添密封胶条26，两个热电偶29固定在加热板30、隔热丝绵28、隔热板27中部，与导向杆16平齐。

工作时，加热板30通电给基板22进行加热，热电偶29实时监测当前温度并不断反馈给外界；基板22和隔热板27四周的密封胶条限制金属粉末沿成型腔壁下落；隔热丝绵28有效阻止温度向下传播，使基板22更好预热。

成型腔结构块包括：左壁1；后壁2；右壁3；前壁20；螺钉21，见图4。

具体结构：左壁1、后壁2、右壁3、前壁20通过螺钉21固定。

工作时，当基板22在竖直方向上进行升降操作，预热系统开始工作，则金属粉末可以在成型腔内得到有效加工。

综上，本实施例针对不同的金属粉末其预热的温度不同，并且要求在整个成型过程中保证基板温度维持在一定范围内。本实施例采用的预热方式为基板预热，采用温控表来进行温度控制。预热系统结构通过铸铝加热板给基板进行加热，采用热电偶作为温度传感器，实现对温度的实时控制，加热板下方增添隔热丝绵和隔热板，进行相关隔热；基板和隔热板侧边安装密封胶条，防止加工的金属粉末沿成型腔下落。成型腔结构保证相关零件加工制造的环境，起到保护作用。该设计解决了铺粉层厚度不均匀、不精细的难题，创新地使用升降机构对铺粉层厚度进行精确把控和预热系统结构对金属零件加工温度的精确控制，使整个金属零件加工环境得到优化，金属零件加工表面质量得到控制和提升。

Claims

1.一种SLM快速成型设备中成型缸系统结构，包括升降机构、预热系统结构和成型腔结构，其特征在于：

所述升降机构主要由基板、直线运动轴承、导向杆、滚珠丝杠螺母副、连动板、丝杠下支撑座、直角减速器、伺服电机、支撑底板、下极限位开关、限位开关固定板、侧支撑板、上极限位开关、上支撑板、丝杠上支撑座、连动板支撑座组成；

所述基板与导向杆的上端连接，导向杆在直线运动轴承中移动、定位，导向杆的下端与连动板连接；

所述上支撑板、侧支撑板、支撑底板和限位开关固定板共同构成支撑构件；

所述滚珠丝杠螺母副的上端与丝杠上支撑座连接，下端与丝杠下支撑座连接，中间与连动板支撑座连接，所述连动板支撑座设置在连动板上；

所述伺服电机通过直角减速器带动滚珠丝杠螺母副中的丝杠运动，将电机转动转化为丝杠转动，实现基板在竖直方向上的升降，控制铺粉层厚度；上极限位开关与下极限位开关起到限制基板运行的上、下极限位的作用；

所述预热系统结构主要由隔热板、隔热丝绵、热电偶、加热板组成；

基板的下方为加热板，用于给基板升温；加热板的下方垫有隔热丝绵，所述的隔热丝绵铺设在所述隔热板上，所述的基板、加热板和隔热板固定在导向杆上端；在所述的基板上安装有热电偶，用于温度监控；

2.根据权利要求1所述的一种SLM快速成型设备中成型缸系统结构，其特征在于：所述的丝杠下支撑座内部由推力圆柱滚子轴承、深沟球轴承、挡圈组成。

3.根据权利要求1所述的一种SLM快速成型设备中成型缸系统结构，其特征在于：所述的连动板支撑座内部由弹性挡圈、深沟球轴承组成。

4.根据权利要求1所述的一种SLM快速成型设备中成型缸系统结构，其特征在于：所述的丝杠上支撑座内部由弹性挡圈、深沟球轴承组成。

5.根据权利要求1所述的一种SLM快速成型设备中成型缸系统结构，其特征在于：在基板和隔热板左右两侧各自添加有密封胶带，来保证加工金属粉末不会沿着成型腔内表面滑落。