CN111289517A - 测量用于增材制造的粉末的铺展性的工装及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量用于增材制造的粉末的铺展性的工装及方法，该工装包括：铺粉基台、透光材质的铺粉试件、刮粉装置、设置在所述铺粉基台上方的光学数据采集设备、以及设置在所述铺粉基台下方的平面光源；所述铺粉试件具有敞口空腔；所述铺粉基台具有带台阶的空洞，所述空洞用于放置所述铺粉试件，所述空洞与所述铺粉试件相适配，并且在所述铺粉试件置于所述空洞内时，所述铺粉试件上表面与所述铺粉基台上表面相平齐；所述刮粉装置贴合在所述铺粉基台表面；所述平面光源用于对铺粉基台的工作区域进行照射；所述光学数据采集设备用于对透过所述工作区域的光线进行采集。利用本发明，可以提高粉末铺展性测量的准确性，为用于增材制造的粉末选择提供可靠依据。

Description

测量用于增材制造的粉末的铺展性的工装及方法
技术领域
本发明涉及粉末测量领域，具体涉及一种测量用于增材制造的粉末的铺展性的工装及方法。
背景技术
粉末床工艺的增材制造技术采用金属或非金属粉末为原材料，采用逐层铺叠并利用能量源(比如激光、等离子、电子束等)对粉末进行逐层烧结或熔覆，最终堆叠成具有三维特征的复杂零部件。原料粉末在刮粉装置铺叠的过程中，需要保障粉末铺层的均匀性，以保障在后续的烧结或熔覆过程中逐层的均匀性。如粉末铺层不均匀，将导致后续部件形成过程中存在内部性能缺陷(比如空洞、孔隙等)，或者导致部件的变形或失败，其力学性能及结构准确性将受到极大影响，且难于通过后续处理过程消除。
在现有技术中，通常采用的粉末性能测试方法主要是测量粉末自由状态下的粉末性能，如松装密度、流动性等，不能直接表征粉末在增材制造过程中的粉末实际的铺展性能。
发明内容
本发明提供一种测量用于增材制造的粉末的铺展性的工装及方法，以提高粉末铺展性测量的准确性，为用于增材制造的粉末选择提供可靠依据。
为此，本发明提供如下技术方案：
一种测量用于增材制造的粉末的铺展性的工装，所述工装包括：铺粉基台、透光材质的铺粉试件、刮粉装置、设置在所述铺粉基台上方的光学数据采集设备、以及设置在所述铺粉基台下方的平面光源；
所述铺粉试件具有敞口空腔；所述铺粉基台具有带台阶的空洞，所述空洞用于放置所述铺粉试件，所述空洞与所述铺粉试件相适配，并且在所述铺粉试件置于所述空洞内时，所述铺粉试件上表面与所述铺粉基台上表面相平齐；所述刮粉装置贴合在所述铺粉基台表面；
所述平面光源用于对铺粉基台的工作区域进行照射；所述光学数据采集设备用于对透过所述工作区域的光线进行采集。
可选地，所述装置还包括：定位装置和拉力调节器；所述定位装置设置在所述铺粉基台上；所述拉力调节器用于连接所述刮粉装置及所述定位装置。
可选地，所述定位装置为导轨或对置滚轮。
可选地，所述刮粉装置为以下任意一种：长条形的平直金属或非金属部件、端部平齐的毛刷、滚轮形式的平直金属非金属部件。
可选地，所述平面光源为0-4000流明的可见光或可测量的不可见光。
可选地，所述装置还包括：
驱动装置，用于驱动所述刮粉装置在所述铺粉基台表面行走，将被测粉末铺展于所述铺粉试件对应的铺粉区域内。
一种测量用于增材制造的粉末的铺展性的方法，所述方法包括：
将预制的透光材质的铺粉试件置于测量用铺粉基台上与所述铺粉试件相适配的带台阶的空洞中，将刮粉装置贴合在所述铺粉基台表面；
将定量的粉末均匀置于所述刮粉装置与所述铺粉试件对应的铺粉区域之间；
驱动所述刮粉装置在所述铺粉基台表面行走，将所述粉末铺展于所述铺粉区域内；
铺粉完成后利用设置在所述铺粉基台下方的平面光源照射所述铺粉基台的工作区域并采集透过所述工作区域的光线，得到可透过光线的粉末层面积或者工作区域的粉末遮挡面积；
根据工作区域底面面积、以及所述可透过光线的粉末层面积或者工作区域的粉末遮挡面积，确定所述粉末的铺展性能。
可选地，所述铺粉基台上设置有定位装置；
所述将刮粉装置贴合在所述铺粉基台表面包括：
采用拉力调节器连接所述刮粉装置与所述定位装置，以使所述刮粉装置贴合在所述铺粉基台表面。
可选地，所述定位装置为导轨或对置滚轮。
可选地，所述根据工作区域底面面积、以及所述可透过光线的粉末层面积或者工作区域的粉末遮挡面积，确定所述粉末的铺展性能包括：
根据工作区域底面面积、以及所述可透过光线的粉末层面积或者工作区域的粉末遮挡面积，计算粉末铺展性能系数；
根据所述粉末铺展性能系数确定所述粉末的铺展性能。
本发明实施例提供的测量用于增材制造的粉末的铺展性的工装及方法，利用铺粉基台及预制的透光材质的铺粉试件，离线模拟增材制造(粉末床工艺)的实际铺粉过程，通过设置在所述铺粉基台下方的平面光源照射所述铺粉基台的工作区域并采集透过所述工作区域的光线，得到可透过光线的粉末层面积或者工作区域的粉末遮挡面积，进而计算粉末铺展性能系数，根据该系数对粉末的铺展性能作出评价，从而为用户选择适用于增材制造的原料粉末提供有效的依据。
附图说明
图1是本发明实施例测量用于增材制造的粉末的铺展性的工装的俯视图；
图2是本发明实施例测量用于增材制造的粉末的铺展性的工装的主视图；
图3是本发明实施例测量用于增材制造的粉末的铺展性的方法的流程图。
具体实施方式
考虑到粉末在增材制造过程中的粉末实际铺展性由于其设备的操作空间及运行特点，本发明实施例提供一种测量用于增材制造的粉末的铺展性的装置及方法，采用离线模拟增材制造工艺的粉末铺展工况，并对烧结或熔覆前的已铺展的粉末进行测量，以评价粉末的铺展性。具体地，利用铺粉基台及预制的透光材质的铺粉试件，离线模拟增材制造(粉末床工艺)的实际铺粉过程，通过设置在所述铺粉基台下方的平面光源照射所述铺粉基台的工作区域并采集透过所述工作区域的光线，得到可透过光线的粉末层面积或者工作区域的粉末遮挡面积，进而计算粉末铺展性能系数，根据该系数对粉末的铺展性能作出评价。
参照图1和图2，其中，图1是本发明实施例测量用于增材制造的粉末的铺展性的工装的俯视图，图2是该工装的主视图。
该测量装置包括：透光材质的铺粉试件、铺粉基台5、刮粉装置2、设置在所述铺粉基台5上方的光学数据采集设备1、以及设置在所述铺粉基台5下方的平面光源7。
其中，所述铺粉试件具有敞口空腔；所述铺粉基台5具有带台阶的空洞6，所述空洞6用于放置所述铺粉试件，所述空洞与所述铺粉试件相适配。所述刮粉装置贴合在所述铺粉基台表面。
设置所述台阶的目的是用于固定铺粉试件，保证铺粉试件上表面与铺粉基台上表面相平齐且在铺粉过程中不会移动或转动。
所述平面光源7用于对铺粉基台的工作区域进行照射，比如可以选择范围为0-4000流明的可见光或可测量的不可见光。
所述光学数据采集设备1用于对透过所述工作区域的光线进行采集，比如可以选择不低于1x108像素/平方厘米的分辨率的采集设备。
在实际应用中，所述铺粉试件的形状及大小可以根据应用需要来设计，比如，可以是圆形、方形等，或者依据实际工况选择与实际工件相同的形状及尺寸，对此本发明不做限定。所述铺粉试件的材质为为可透过可见光或不可见光(比如红外线、紫外线、X射线等)的材质。
所述铺粉试件的铺粉区域深度H粉即所述空腔的深度可根据实际工况下设置的铺层厚度来确定，比如可选范围为0-60微米。铺粉区域内底可选择圆形或方形等，或者根据实际铺粉工件的形状及大小来确定。所述铺粉试件内底表面的粗糙度同样可根据实际工况下的增材制造设备的基板粗糙度来确定，比如可选范围为Ra0.4-Ra3.2。
相应地，所述空洞6需要与所述铺粉试件相适配，所述空洞6应足以将所述铺粉试件置于铺粉基台1内，且保证所述铺粉试件上表面与所述铺粉基台1上表面相平齐。
所述刮粉装置2可为长条形的平直金属或非金属部件、或者是端部平齐的毛刷、或者是滚轮形式的平直金属非金属部件，对此本发明实施例不做限定。
为了更便于刮粉装置2固定及行走，在本发明测量装置中，如图2所示，还可进一步包括定位装置3和拉力调节器4。其中，所述定位装置3设置在所述铺粉基台1上；所述拉力调节器4用于连接所述刮粉装置2及所述定位装置3。
所述拉力调节器4的拉力选择依据为能够使所述刮粉装置2行走过程中始终与所述铺粉基台1表面紧密贴合且接近于实际工况，比如拉力调节器4的拉力范围可以为0-200KN。
所述刮粉装置2的行走可由相应的驱动装置来带动，所述驱动装置比如可以是变速电机等，所述刮粉装置2所受到的拉力及行走速度可根据实际需要来确定，比如行走速度可根据实际工况来确定，比如为0-1m/s。所述驱动装置可采用特定拉力，使所述刮粉装置2保持恒定速度在所述铺粉基台1表面行走。
在测量时，需要将所述铺粉试件置于所述空洞6内，将刮粉装置2贴合在所述铺粉基台1表面，将定量的粉末均匀置于所述刮粉装置1与所述铺粉试件对应的铺粉区域之间，如图1中所述的预置粉末区域8；所述铺粉试件对应的铺粉区域即所述空洞6所在的区域。驱动所述刮粉装置2在所述铺粉基台1表面行走，将预置在粉末区域5内的粉末铺展于所述铺粉区域内。在铺粉完成后，打开设置在所述铺粉基台1下方的平面光源7，由设置在所述铺粉基台5上方的光学数据采集设备1采集透过所述工作区域的光线，确定可透过光线的粉末层面积或者工作区域的粉末遮挡面积，根据工作区域底面面积、以及所述可透过光线的粉末层面积或者工作区域的粉末遮挡面积，确定所述粉末的铺展性能。
利用本发明测量用于增材制造的粉末的铺展性的工装，可离线模拟增材制造工艺的粉末铺展工况，并对烧结或熔覆前的已铺展的粉末基于光学方法进行测量，根据测量结果对粉末的铺展性进行评价，进而为用于增材制造的原料粉末选择提供可靠依据。
相应地，本发明实施例还提供一种测量用于增材制造的粉末的铺展性的方法，如图3所示，是该方法的一种流程图，包括以下步骤：
步骤301，将预制的透光材质的铺粉试件置于测量用铺粉基台上与所述铺粉试件相适配的带台阶的空洞中，将刮粉装置贴合在所述铺粉基台表面。
所述铺粉试件的材质、大小及形状等可根据实际应用需要来设计，所述铺粉试件上的空腔的深度、内底的形状及大小、内底表面的粗糙度等也可以根据实际应用需要来确定，对此本发明实施例均不做限定。
所述铺粉基台上的空洞需要与所述铺粉试件相适配，并且所述空洞应足以将所述铺粉试件置于所述空洞内时，所述铺粉试件上表面与所述铺粉基台上表面相平齐。
为了更便于所述刮粉装置固定及行走，还可进一步在所述铺粉基台上设置定位装置，采用拉力调节器连接所述刮粉装置与所述定位装置，以使所述刮粉装置贴合在所述铺粉基台表面。所述定位装置具体可以是但不限于导轨或对置滚轮等。
步骤302，将定量的粉末均匀置于所述刮粉装置与所述铺粉试件的空腔对应的铺粉区域之间。
所述定量的粉末应为能够将粉末铺满整个铺粉区域为宜。
粉末量的计算依据如下：
m粉＝S粉×H粉×ρ粉×α；
其中，S粉为铺粉区域内底面积；H粉为铺粉区域深度；ρ粉为粉末的真实密度；α为铺粉系数，可选范围为1-50。
步骤303，驱动所述刮粉装置在所述铺粉基台表面行走，将所述粉末铺展于所述铺粉试件的空腔对应的铺粉区域内。
具体地，可以利用驱动装置带动所述刮粉装置在所述铺粉基台表面行走，所述驱动装置比如可以是变速电机等设备，以特定拉力带动所述刮粉装置保持恒定速度行走。所述刮粉装置的行走速度可采用接近或等于实际工况时的速度。
步骤304，铺粉完成后利用设置在所述铺粉基台下方的平面光源照射所述铺粉基台的工作区域并采集透过所述工作区域的光线，得到可透过光线的粉末层面积或者工作区域的粉末遮挡面积。
由于所述铺粉基台下方的平面光源照射到基台的空洞时，铺粉试件上铺展的粉末会遮挡透过空洞的光线，在铺粉基台上方设置的光学采集装置对工作区域进行照相或曝光。通常透过光线为亮区，遮挡区域(存在粉末的区域)为暗区。
步骤305，根据工作区域底面面积、以及所述可透过光线的粉末层面积或者工作区域的粉末遮挡面积，确定所述粉末的铺展性能。
具体地，可以根据工作区域底面面积、以及所述可透过光线的粉末层面积或者工作区域的粉末遮挡面积，计算粉末铺展性能系数，计算公式如下：
A＝S过/S粉；或者A＝S粉-S遮/S粉；
式中A为粉末铺展性能系数；S粉为工作区域底面面积，即铺粉区域内底面积；S过为可透过光线的粉末层面积；S遮为工作区域的粉末遮挡面积。
然后，根据所述粉末铺展性能系数确定所述粉末的铺展性能。
在有刮粉装置的约束下，粉末因受力在铺粉区域内铺展，而非自由流动。粉末铺展性能系数越小，说明粉末在该约束条件下铺展得更均匀更充分，在实际增材制造(粉末床工艺)过程中可以更均匀更充分地铺展在激光熔覆区域，在熔覆后可获得更均匀的致密层。
本发明实施例提供的测量用于增材制造的粉末的铺展性的方法，采用离线模拟增材制造工艺的粉末铺展工况，并对烧结或熔覆前的已铺展的粉末进行测量，以评价粉末的铺展性。具体地，利用预制的铺粉试件和铺粉基台，离线模拟增材制造(粉末床工艺)的实际铺粉过程，并基于光学方法确定所述可透过光线的粉末层面积或者工作区域的粉末遮挡面积，进而根据测量结果确定所述粉末的铺展性能，为用于增材制造的原料粉末选择提供可靠依据。
下面举例进一步说明利用本发明方法实现测量及评价用于增材制造的粉末的铺展性的过程。
以不锈钢粉末为例，具体过程如下：
1)采用ABS为原料制备铺粉试件。所述铺粉试件的铺粉区域为直径r＝50mm的圆形，内底表面粗糙度为Ra0.8，铺粉区域加工至20微米深。
2)将铺粉试件置于测量用铺粉基台的空洞中，将平直条状钢质刮粉装置采用导轨贴合于测量用铺粉基台表面，高速钢刮粉装置与导轨间采用拉力调节器连接，拉力调节器设置为5kN。
3)将20克的不锈钢粉末均匀置于高速钢刮粉装置与铺粉区域之间。
4)钢质刮粉装置采用变速电机驱动，以20mm/s的速度于铺粉基台表面行走，将粉末铺展于铺粉区域内。
5)铺粉完成后，打开铺粉基台下方的可见光平面光源(比如400明流的可见光源)对工作区域进行照射，并通过铺粉基台上方的数码相机对透过工作区域的光线进行采集。
6)根据采集的光线进行统计计算，得到不锈钢粉末的粉末遮挡面积为S遮＝7630mm2。
7)工作区域底面面积为S粉＝7850mm2，计算得到粉末铺展性能系数A＝0.972。
根据该粉末铺展性能系数，可以有效地确定所述粉末的铺展性能，为用于增材制造的原料粉末选择提供可靠依据。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及装置，其仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测量用于增材制造的粉末的铺展性的工装，其特征在于，所述工装包括：铺粉基台、透光材质的铺粉试件、刮粉装置、设置在所述铺粉基台上方的光学数据采集设备、以及设置在所述铺粉基台下方的平面光源；
所述铺粉试件具有敞口空腔；所述铺粉基台具有带台阶的空洞，所述空洞用于放置所述铺粉试件，所述空洞与所述铺粉试件相适配，并且在所述铺粉试件置于所述空洞内时，所述铺粉试件上表面与所述铺粉基台上表面相平齐；所述刮粉装置贴合在所述铺粉基台表面；
所述平面光源用于对铺粉基台的工作区域进行照射；所述光学数据采集设备用于对透过所述工作区域的光线进行采集。
2.根据权利要求1所述的工装，其特征在于，所述装置还包括：定位装置和拉力调节器；所述定位装置设置在所述铺粉基台上；所述拉力调节器用于连接所述刮粉装置及所述定位装置。
3.根据权利要求2所述的工装，其特征在于，所述定位装置为导轨或对置滚轮。
4.根据权利要求1所述的工装，其特征在于，所述刮粉装置为以下任意一种：长条形的平直金属或非金属部件、端部平齐的毛刷、滚轮形式的平直金属非金属部件。
5.根据权利要求1所述的工装，其特征在于，所述平面光源为0-4000流明的可见光或可测量的不可见光。
6.根据权利要求1至5任一项所述的工装，其特征在于，所述装置还包括：
驱动装置，用于驱动所述刮粉装置在所述铺粉基台表面行走，将被测粉末铺展于所述铺粉试件对应的铺粉区域内。
7.一种测量用于增材制造的粉末的铺展性的方法，其特征在于，所述方法包括：
将预制的透光材质的铺粉试件置于测量用铺粉基台上与所述铺粉试件相适配的带台阶的空洞中，将刮粉装置贴合在所述铺粉基台表面；
将定量的粉末均匀置于所述刮粉装置与所述铺粉试件对应的铺粉区域之间；
驱动所述刮粉装置在所述铺粉基台表面行走，将所述粉末铺展于所述铺粉区域内；
铺粉完成后利用设置在所述铺粉基台下方的平面光源照射所述铺粉基台的工作区域并采集透过所述工作区域的光线，得到可透过光线的粉末层面积或者工作区域的粉末遮挡面积；
根据工作区域底面面积、以及所述可透过光线的粉末层面积或者工作区域的粉末遮挡面积，确定所述粉末的铺展性能。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述铺粉基台上设置有定位装置；
所述将刮粉装置贴合在所述铺粉基台表面包括：
采用拉力调节器连接所述刮粉装置与所述定位装置，以使所述刮粉装置贴合在所述铺粉基台表面。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述定位装置为导轨或对置滚轮。
10.根据权利要求7至9任一项所述的方法，其特征在于，所述根据工作区域底面面积、以及所述可透过光线的粉末层面积或者工作区域的粉末遮挡面积，确定所述粉末的铺展性能包括：
根据工作区域底面面积、以及所述可透过光线的粉末层面积或者工作区域的粉末遮挡面积，计算粉末铺展性能系数；
根据所述粉末铺展性能系数确定所述粉末的铺展性能。
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