上供粉激光燒結(jié)裝置的研究及應(yīng)用

摘要：從料缸供粉鋪粉車單向鋪粉的基礎(chǔ)上，根據(jù)快速成型的需求，提出了上供粉雙向鋪粉的設(shè)計(jì)思路，對(duì)上供粉結(jié)構(gòu)與鋪粉系數(shù)關(guān)系進(jìn)行研究及應(yīng)用。通過對(duì)成型材料的性能分析，得出供粉裝置的材料選用及后處理辦法，通過試驗(yàn)證明方案的可行性。從成本和占用空間的思路出發(fā)，單缸替代雙缸的設(shè)計(jì)思路，降低了生產(chǎn)制造成本，縮小了設(shè)備體積，方便了設(shè)備的運(yùn)輸。并通過激光燒結(jié)成型過程中的反復(fù)測(cè)試及分析，根據(jù)分析數(shù)據(jù)獲得了合理的鋪粉系數(shù)，使得成型過程中高效鋪粉，快速成型。通過供粉缸鋪粉與上供粉結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析，結(jié)果表明上供粉從結(jié)構(gòu)和成型時(shí)間上取得了優(yōu)勢(shì)，簡化了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，提高了成型效率。

關(guān)鍵詞：上供粉;鋪粉系數(shù);單成型缸;激光燒結(jié)

中圖分類號(hào)：TH12文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-9492（2021）12-0251-03

Research and Application of Laser Sintering Device for Supplying Powder

Chen Jianhua

（ Hebei Inmanka Technology Co. ，Ltd. ，Chengde，Hebei 067600，China ）

Abstract：According to the requirement of rapid prototyping，the design idea of the upper feeding bi-directional powder laying was put forwardon the basis of the one-way powder laying on the cylinder feeding car，and the relationship between the upper feeding structure and the powder laying coefficient was studied and applied. Through the performance analysis of the molding material，the material selection and post-treatment methods of the powder feeding device were obtained，and the feasibility of the scheme was proved by the test. Based on the idea of cost and occupied space，the design idea of single cylinder instead of double cylinder reduced the production cost，reduced the volume of equipment，andfacilitated the transportation of equipment. And through the laser sintering process of repeated testing and analysis，according to the analysis of the data toobtain a reasonable powder laying coefficient，madetheprocessof highefficiency powder laying，rapidmolding. Through the comparison and analysis of the structure of the powder feeding cylinder and the upper powder feeding，the results show that the upper powder feeding has obtained visible advantages from the structure and molding time，simplifies the design structure and improves the molding efficiency. Key words：upper supply powder;powder laying coefficient;single forming cylinder;laser sintering

0 引言

激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS），又稱選擇性激光燒結(jié)、粉末材料選擇性激光燒結(jié)[1-2]，作為3D 打印的一種，與其他3D 打印技術(shù)相比，具有工藝簡單、用材廣泛、制造成本低等特點(diǎn)[3-5]。

選擇性激光燒結(jié)的工作原理及技術(shù)特點(diǎn)如下：首先通過鋪粉車將料缸中的粉末平鋪在成型缸上表面，均勻鋪平后進(jìn)行粉層加熱，在加熱的短暫時(shí)間內(nèi)，鋪粉車做返程動(dòng)作，回到初始位置，料缸上升高度以供鋪粉，加熱完成掃描當(dāng)前層[6]。此供粉方式應(yīng)用普遍，且穩(wěn)定性較好，不足之處在于鋪粉時(shí)間較長，成型時(shí)間不可控，且雙缸的生產(chǎn)制造成本較高[7]。目前生產(chǎn)制造行業(yè)飛速發(fā)展，為順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，故提出提高成型效率的需求。首先進(jìn)行缸體結(jié)構(gòu)分析，從雙缸變?yōu)閱胃椎脑O(shè)計(jì)思路出發(fā)，保證原有穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行空間的合理利用，根據(jù)材料的流動(dòng)性，提出上供粉的解決方案[8]。利用材料本身的重力作用和流動(dòng)性，將料倉置于工作臺(tái)上方，通過傳感器及電機(jī)完成落料供粉工作，并可通過鋪粉系數(shù)的計(jì)算，控制落料的量。上供粉裝置位于成型缸上方兩側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)雙向鋪粉，節(jié)省鋪粉車返程的等待時(shí)間。通過長時(shí)間的運(yùn)行及數(shù)據(jù)記錄，與現(xiàn)有料缸工作過程比較分析，得出上供粉激光燒結(jié)裝置的實(shí)用性及可靠性。因此，本文提出通過上供粉形式，實(shí)現(xiàn)打印過程雙向鋪粉。

1 上供粉裝置設(shè)計(jì)原理

選擇性激光燒結(jié)的工作原理分為兩部分，首先是分層燒結(jié)，設(shè)定鋪粉層厚，激光選擇性燒結(jié);其次是疊加，通過層與層之間的粘接形成實(shí)物。從三維建模、切片、鋪粉、燒結(jié)到最后的疊加成型，整個(gè)成型過程鋪粉占用1/3的時(shí)間，為了提高成型效率，本文對(duì)鋪粉機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究論證。

上供粉裝置的工作原理是利用粉料的自重，當(dāng)下料口打開后自由灑落，供當(dāng)前層成型打印，落料的多少通過時(shí)間控制，時(shí)間到落料口關(guān)閉完成落粉。粉料的裝載情況通過料位計(jì)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)料粉上平面低于料位計(jì)時(shí)，提示加粉并顯示報(bào)警信號(hào)。工作流程為：裝滿粉的上供粉裝置由下料口送料，粉料均勻堆積在工作臺(tái)上，再由鋪粉車前進(jìn)鋪粉，鋪粉完成立即進(jìn)行粉層加熱，最后進(jìn)行掃描成型。下料口的閉合由氣缸連接的推板控制，供粉時(shí)間的長短決定下料的多少，供粉時(shí)間的長短取決于供粉系數(shù)的設(shè)定。鋪粉車停止運(yùn)轉(zhuǎn)后上供粉裝置立即供粉，從而實(shí)現(xiàn)雙向往復(fù)不間斷供粉，工作原理如圖1所示。

1 裝置組成

上供粉裝置主要由料倉、料位計(jì)和落料裝置組成[3]，如圖2所示，落料裝置又分為推料板、氣缸和料位計(jì)3部分。料倉整體為封閉狀態(tài)，防止粉末飛濺，推料板需做去靜電處理，供粉單元需接地，使靜電釋放。將粉料裝滿料倉，通過氣缸控制推料板的閉合，粉料通過下料口運(yùn)送至成型缸上方工作臺(tái)表面，最后通過鋪粉輥鋪平粉末完成打印。

2. 1機(jī)械部分

由于粉料在環(huán)境中會(huì)因濕度的影響形成塊狀，并具有一定的黏著性，因此料倉的內(nèi)表面需要進(jìn)行鏡面處理，如圖3所示，提高表面的光潔度，并進(jìn)行去靜電處理，盡量減少表面粉料的附著。下料口與料倉本體連接部位呈漏斗狀，方便粉料及時(shí)下落，滿足單次打印供粉量。

所謂靜電就是一種處于靜止?fàn)顟B(tài)的電荷或者說不流動(dòng)的電荷。當(dāng)電荷聚集在某個(gè)物體上或表面時(shí)就形成了靜電。靜電的危害可能因靜電火花點(diǎn)燃某些易燃物體而發(fā)生爆炸。靜電的消除方法有：（1）采用接地的方法使靜電泄漏在大地;（2）控制環(huán)境濕度，增加濕度可提高非導(dǎo)體材料的表面電導(dǎo)率使物體表面不易積聚靜電;（3）采用靜電屏蔽，對(duì)易產(chǎn)生靜電的設(shè)備可采用屏蔽罩，并將屏蔽罩有效接地。

2. 2 系統(tǒng)控制部分

通過氣缸帶動(dòng)推料板做往復(fù)伸縮運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)供粉，氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過氣動(dòng)開關(guān)及電磁閥控制，電磁閥打開通氣帶動(dòng)氣缸閉合，氣缸工作帶動(dòng)推料板前后移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)落料工作。因不同成型工件的打印時(shí)長不同，當(dāng)物料上表面下降至料位計(jì)處時(shí)，料位計(jì)會(huì)反饋信號(hào)給電磁閥，電磁閥斷電氣缸停止工作，并暫停打印，待工作人員即使供料后繼續(xù)打印，直至完成整個(gè)工件打印。

氣缸采用雙導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高精度高穩(wěn)定性。如圖4所示，氣缸體氣孔與電磁閥連接，通過電磁閥通斷控制導(dǎo)桿的伸縮運(yùn)動(dòng)。

氣缸電磁閥的控制采用表控制方式，準(zhǔn)備工具材料;TDA20×40氣缸，DC24V 電磁閥，TPC4-4TD表控，USB3. 0數(shù)據(jù)線，24 V 開關(guān)電源，Wine7電腦?？刂屏鞒倘缦拢海?）將表控TPC4-4TD 控制器接上開關(guān)電源;（2）控制器輸出端接氣缸電磁閥;（3）電磁閥接上氣管與氣缸連接;（4）按鈕開關(guān)接到表控的輸入端，作為啟動(dòng)開關(guān);（5）磁性開關(guān)固定到氣缸的伸出感應(yīng)位置，引線接到表控的輸入端;（6）在電腦上安裝功能設(shè)置表軟件;（7）將USB 數(shù)據(jù)線一端插在電腦的USB 接口上，另一端插在表控的下載接口;（8） 運(yùn)行功能設(shè)置表軟件，設(shè)置需要的功能;（9）利用功能設(shè)置表進(jìn)行動(dòng)作控制;（10）功能設(shè)置好后進(jìn)行下載調(diào)試，完成控制設(shè)置。

如圖5所示，CWA 小型智能電容式物液位開關(guān)根據(jù)感應(yīng)電極與接地電極間形成的電容，以被測(cè)物料為介質(zhì)，當(dāng)物料覆蓋感應(yīng)電極時(shí)，測(cè)量的電容值會(huì)增大，達(dá)到設(shè)定的值時(shí)輸出開關(guān)信號(hào)[11]：

3 應(yīng)用分

選擇性激光燒結(jié)（SLS）采用CO2激光器作為能量源，可成型材料種類多樣化，包括高分子材料、覆膜砂及復(fù)合粉末，具有用途廣泛、材料利用率高等特點(diǎn)，目前主要應(yīng)用于航空航天、汽車制造、醫(yī)療、模具以及教育等行業(yè).

激光燒結(jié)的成型效率主要取決于鋪粉及燒結(jié)成型的過程，鋪粉的速度及質(zhì)量影響整個(gè)成型效率。為論證鋪粉裝置的工作效果，將上供粉裝置安裝至P300激光燒結(jié)設(shè)備中，并將氣路及電氣部分調(diào)試完畢，料倉中裝滿TPU粉料，準(zhǔn)備就緒進(jìn)行鋪粉。鋪粉車復(fù)位，電磁閥通電供氣，氣缸導(dǎo)桿收縮自動(dòng)落料，持續(xù)2s落料完成，氣缸導(dǎo)桿伸出推出粉料，粉料落在工作臺(tái)上，鋪粉輥運(yùn)動(dòng)鋪平粉料，設(shè)定粉層厚度 0. 2 mm，鋪粉完成

粉平面預(yù)熱至60 ℃ ，導(dǎo)入切片文件，開始成型打印，打印高度300 mm，打印時(shí)間預(yù)計(jì)72 h，24 h后料倉中粉料用完，料位計(jì)傳輸信號(hào)，打印暫停，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，蓄滿料后繼續(xù)打印，直至打印完成。整個(gè)打印過程料倉出料順暢，出粉量穩(wěn)定，控制系統(tǒng)運(yùn)行精準(zhǔn)，整體打印時(shí)間較原鋪粉系統(tǒng)節(jié)省了1 / 3。為驗(yàn)證此裝置的穩(wěn)定性，后期進(jìn)行了覆膜砂材料的打印，打印時(shí)長72 h，落粉均勻，打印平穩(wěn)，再次驗(yàn)證了本裝置對(duì)多材料的適用性。經(jīng)過1 000 h的試運(yùn)行， 連續(xù)成型工作，不斷調(diào)試改進(jìn)，最終將整體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)交生產(chǎn)。

經(jīng)驗(yàn)證分析得出，上供粉裝置替代了粉缸，從結(jié)構(gòu)上節(jié)省了一個(gè)缸體，去掉了一個(gè)落粉裝置，節(jié)約了成本。雙缸變?yōu)閱胃诇p小了設(shè)備體積，便于運(yùn)輸，并減小了設(shè)備的放置空間。上供粉裝置在打印過程中即可添加粉料，在不停機(jī)的情況下提高了打印的穩(wěn)定性及連續(xù)性，方便了操作。與原雙缸單向鋪粉相比，單次鋪粉在時(shí)間上節(jié)省3s，大縮短了打印時(shí)長，為大尺寸多激光成型設(shè)備的研制奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

本文介紹了上供粉激光燒結(jié)裝置的研究過程及應(yīng)用分析，通過對(duì)上供粉激光燒結(jié)裝置的研究及論證，驗(yàn)證了此供粉形式的可行性及可靠行。上供粉裝置操作上可實(shí)現(xiàn)不停機(jī)加粉，可持續(xù)進(jìn)行打印工作，提高了零件的打印成功率。通過研究發(fā)現(xiàn)，本裝置可用于不同型號(hào)的設(shè)備，且安裝維護(hù)方便，可進(jìn)行模塊化應(yīng)用，方便后期的拓展研發(fā)及應(yīng)用。研究表明上供粉裝置在一定程度上提高了成型速度，降低了生產(chǎn)制造成本，為后期其他型號(hào)設(shè)備的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]文世峰，季羨泰. 激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用進(jìn)展[ J ]. 蘇州市職業(yè)大學(xué)報(bào)，2018，29（1）：1-3.

[2]張?zhí)鞊?，李霽. 多材料LCD 光固化打印裝置設(shè)計(jì)及分析[J]. 機(jī)電工程技術(shù)，2020，49（7）：151-153.

[3]陳韻律，安芬菊，廖小龍. 基于LCD 屏的光固化3D 打印機(jī)設(shè)計(jì)[J ]. 機(jī)電工程技術(shù)，2020，49（12）：57-58.

[4]倪冬寧，鮑君華，何衛(wèi)東. 新型三維碳粉激光打印機(jī)的設(shè)計(jì)與研究[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化，2020（5）：95-97.

[5]張?chǎng)?，李冬，趙劍峰. 基于選擇性激光燒結(jié)的結(jié)構(gòu)電路一體化技術(shù)研究[J]. 南京航空航天大學(xué)報(bào)，2020，52（1）：87-92.

[6]劉智，趙永強(qiáng). 3D 打印技術(shù)設(shè)備的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 鍛壓裝備與制造技術(shù)，2020，55（6）：7-13.

[7]余立華，業(yè)冬. 基于EOS 設(shè)備的尼龍燒結(jié)工藝研究[J]. 機(jī)床與液壓，2020，48（14），57-61.

[8]童和平，張香紅，張洲. 基于桌面級(jí)3D 打印機(jī)面包板清洗工藝的研究[J ]. 機(jī)電工程技術(shù)，2020，49（12）：59-60.

[9]許小曙，尼龍材料的SLS 成形技術(shù)[J]. 建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2013（8）：74-75.

[10]馮淑瑩，張慧梅. 選擇性激光燒結(jié)的研究進(jìn)展[J]. 江西化工，2020（4）：56-57.

[11]郭艷玲，戴佳銘. 小型激光燒結(jié)設(shè)備緊湊型供粉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[ J ]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2020（12）：113-123.

[12]鹿芳，朱峰. 3D 打印在汽車行業(yè)的應(yīng)用[J ]. 工藝裝備，2020（6）：152-154.

作者簡介：陳建華（1990-），男，河北承德人，大學(xué)?？?，工程師，研究方向?yàn)樵霾闹圃煸O(shè)備。（ 編輯：王智圣）