金屬粉末激光燒結(jié)機(jī)的功能分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：文章結(jié)合金屬粉末激光燒結(jié)機(jī)的功能，對(duì)該設(shè)備主要模塊進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，同時(shí)通過(guò)各模塊之間的工作流程之間的配合關(guān)系，對(duì)該設(shè)備的系統(tǒng)及主要模塊的工作流程進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。希望這樣的探討對(duì)于該類激光加工機(jī)器的具體設(shè)計(jì)有所助益。

關(guān)鍵詞：金屬粉末；激光選區(qū)燒結(jié)；3D打印技術(shù)

1 金屬粉末激光燒結(jié)機(jī)的工作原理與各功能模塊的結(jié)構(gòu)分析

金屬粉末激光燒結(jié)機(jī)是基于金屬粉末的激光選區(qū)燒結(jié)增材制造技術(shù)和相關(guān)工藝，屬于3D打印技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。金屬粉末激光燒結(jié)技術(shù)是基于離散化的堆積成型原理而產(chǎn)生的新型數(shù)字化成型技術(shù)。從具體功能上來(lái)說(shuō)，金屬粉末激光燒結(jié)機(jī)的計(jì)算機(jī)成型系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)工藝要求對(duì)要制造的三維實(shí)體造型進(jìn)行分層切片處理，在系統(tǒng)中三維造型的CAD模型將被分層離散化為許多二維層面信息。同時(shí)計(jì)算機(jī)成型系統(tǒng)與機(jī)電控制執(zhí)行系統(tǒng)相連，通過(guò)信息采集和數(shù)據(jù)處理的過(guò)程，將相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制指令輸入執(zhí)行系統(tǒng)。在金屬粉末的激光燒結(jié)過(guò)程中，激光以一定的掃描速度和能量密度有選擇性地對(duì)金屬粉末進(jìn)行分層掃描，是金屬粉末粘結(jié)化，進(jìn)而固化。該設(shè)備通過(guò)順序完成各個(gè)層面的成型制造，最終完成與三維實(shí)體造型一致的金屬零件。

1.1 掃描光路與激光發(fā)生器

掃描振鏡由兩個(gè)擺動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)的相互垂直的反色鏡組成，分為X鏡與Y鏡。在掃描過(guò)程中，擴(kuò)束后的激光光束先射入X鏡，然后通過(guò)X/Y鏡的兩次反射，再由聚焦鏡聚焦到金屬粉末表面來(lái)進(jìn)行成型加工。掃描振鏡掃描的優(yōu)點(diǎn)是：電機(jī)帶動(dòng)的振鏡鏡片轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，響應(yīng)速度快，可以實(shí)現(xiàn)高速掃描；鏡片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好；掃描速度快，且變速范圍大；控制精確?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，使用掃描振鏡的激光加工成型效率高，且掃描精度高，故而該掃描光路結(jié)構(gòu)在金屬粉末激光燒結(jié)工藝及其相關(guān)設(shè)備中得到了更廣泛的應(yīng)用。作為一個(gè)獨(dú)立的功能模塊，通常將激光和掃描光路整合成一個(gè)激光發(fā)生器，通過(guò)數(shù)字化、參數(shù)化的方式來(lái)控制激光的燒結(jié)功率、激光束半徑、燒結(jié)時(shí)間、間隔時(shí)間以及掃描間距等。根據(jù)金屬粉末激光燒結(jié)工藝的具體工作步驟，一般將激光發(fā)生器設(shè)計(jì)于整個(gè)成型室的正上方，與鋪粉裝置配合完成對(duì)各金屬粉末層的選區(qū)掃描。

1.2 成型缸的機(jī)構(gòu)與成型室的結(jié)構(gòu)功能

成型缸是金屬粉末激光燒結(jié)機(jī)的重要組成部分，位于該設(shè)備的中心位置。金屬粉末的燒結(jié)就是在成型缸內(nèi)與活塞相連的平臺(tái)上。根據(jù)工藝要求，每次燒結(jié)之后，加工平臺(tái)會(huì)隨著活塞下降一定的高度。該機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中，由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)同步帶、大帶輪來(lái)驅(qū)動(dòng)絲母轉(zhuǎn)動(dòng)。這里絲母只做轉(zhuǎn)動(dòng)而無(wú)上下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)絲母語(yǔ)滾珠絲杠的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)絲杠無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)的上下直線運(yùn)動(dòng)。絲杠與活塞相連，這樣就完成了活塞和加工平面的上下運(yùn)動(dòng)。為了避免成型缸內(nèi)的金屬粉末在平臺(tái)上下移動(dòng)過(guò)程中從平臺(tái)、活塞與缸壁之間的縫隙泄露，采用了環(huán)狀的密封墊。在整個(gè)燒結(jié)過(guò)程中，密封墊會(huì)隨著加工平臺(tái)、活塞沿著缸體壁做緊密滑動(dòng)，達(dá)到密封效果。

2 金屬粉末激光燒結(jié)機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框架與系統(tǒng)控制流程

金屬粉末激光燒結(jié)機(jī)的控制系統(tǒng)主要由四部分組成：激光振鏡系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)、成型缸系統(tǒng)和貯粉缸系統(tǒng)。激光振鏡系統(tǒng)負(fù)責(zé)激光束的掃描運(yùn)動(dòng)；鋪粉系統(tǒng)負(fù)責(zé)燒結(jié)過(guò)程中的金屬粉末預(yù)鋪；成型缸系統(tǒng)負(fù)責(zé)各層燒結(jié)過(guò)程中工作平臺(tái)的上下移動(dòng)；貯粉缸系統(tǒng)負(fù)責(zé)燒結(jié)過(guò)程中金屬粉末的提供和收集（由供粉缸與廢料缸的相關(guān)機(jī)構(gòu)來(lái)完成）。

2.2 系統(tǒng)控制流程

在進(jìn)行激光燒結(jié)前，需要將供粉缸的工作平臺(tái)向上移動(dòng)到金屬粉末凸出一個(gè)層厚的預(yù)先設(shè)定位置，同時(shí)成型缸的工作平臺(tái)向下移動(dòng)到金屬粉末層上表面一個(gè)層厚的位置，并對(duì)系統(tǒng)各控制模塊定義初始位置。通過(guò)串口通訊，上位機(jī)發(fā)送相應(yīng)指令到PLC，PLC按照接受到的指令來(lái)分別控制各模塊的運(yùn)動(dòng)。在鋪粉的工程中，輔粉滾輪將供粉缸工作平臺(tái)上的金屬粉末鋪設(shè)到成型缸工作平臺(tái)的相應(yīng)位置。待系統(tǒng)檢測(cè)到鋪粉滾輪已鋪粉完成后，會(huì)由PLC控制激光振鏡系統(tǒng)對(duì)金屬粉末進(jìn)行激光掃描，從而完成對(duì)金屬粉末的一層燒結(jié)。燒結(jié)完一層后，PLC自帶的A/D轉(zhuǎn)化單元將掃描完成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到PLC的寄存器中，然后上位機(jī)接收串口通訊傳遞來(lái)的數(shù)據(jù)并通過(guò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。經(jīng)上位機(jī)分析處理后，再次發(fā)送指令到PLC，使PLC完成下一層的金屬粉末燒結(jié)任務(wù)，直到整個(gè)制件燒結(jié)完成。其中，行程開(kāi)關(guān)是控制系統(tǒng)的保護(hù)裝置，在未工作時(shí)處于常開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)某模塊運(yùn)動(dòng)單元的移動(dòng)量大于最大量程時(shí)，行程開(kāi)關(guān)關(guān)閉，PLC接收行程開(kāi)關(guān)傳來(lái)的信號(hào)，迅速終止單元的運(yùn)動(dòng)，從而保證運(yùn)動(dòng)的可靠性。

2.3 供、鋪粉系統(tǒng)

鋪粉系統(tǒng)在鋪粉滾輪運(yùn)動(dòng)方向的兩端均設(shè)有內(nèi)置檢測(cè)裝置。通過(guò)PLC向伺服驅(qū)動(dòng)器傳遞鋪粉滾輪的位置信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)它的動(dòng)作和位置控制。如圖1所示的是鋪粉過(guò)程流程圖。在鋪粉過(guò)程中，根據(jù)具體的運(yùn)動(dòng)模塊參數(shù)，設(shè)定鋪粉系統(tǒng)的工作時(shí)間范圍是T0

2.4 激光燒結(jié)流程

金屬粉末的激光燒結(jié)時(shí)需要實(shí)時(shí)地從上位機(jī)的三維實(shí)體造型軟件中獲取模型的切片數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存到寄存器中。這樣通過(guò)上位機(jī)、PLC和檢測(cè)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制，逐層地完成金屬粉末的激光燒結(jié)，直到整個(gè)制件完成。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)金屬粉末激光燒結(jié)機(jī)的主要功能模塊的分析，能清楚地了解該類激光加工機(jī)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理，通過(guò)對(duì)該設(shè)備的主要功能模塊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠明確該類激光加工機(jī)器的具體工作流程和整合系統(tǒng)的運(yùn)作模式。這為具體模塊的功能細(xì)化和參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

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