電子束選區熔化技術中可控振動落粉鋪粉系統的研究

晏耐生 林 峰 齊海波 陸 偉 張 靖

清華大學先進成形制造教育部重點實驗室，北京，100084

0 引言

電子束選區熔化技術是一種以高能電子束為加工熱源，選區熔化金屬粉末成形的一種金屬零件直接成形技術［1－2］，該技術利用金屬粉末在電子束轟擊下熔化的原理來加工零件。

電子束選區熔化技術所展現出的技術優勢已得到廣泛的認可，瑞典Arcam公司的EBM系統是目前較成功的電子束選區熔化技術，至今已推出了S12和A2兩種型號的成形系統［3］。在國家自然科學基金的支持下，清華大學的激光快速成形中心進行了電子束選區熔化技術（electron beam selective melting，EBSM）的研究，自主研制了EBSM－150和EBSM－250電子束選區熔化制造實驗系統［4］。

由于電子束選區熔化技術需要將金屬粉末完全熔化，成形區域溫度比較高，從而導致成形件內部熱應力大，成形件翹曲變形情況時有發生。另外，成形區域表面往往附著有飛濺的熔滴或起伏的紋路。這些現象都使普通的鋪粉裝置無法保證鋪粉精度，甚至無法完成鋪粉運動。因此，研究能夠在凹凸、起伏表面鋪粉的裝置，對于保證電子束選區熔化系統的制造質量和穩定運行是非常重要的。

1 常用鋪粉方式

目前，在快速成形及快速制造領域，常用的鋪粉工具有刮板、輥子、移動料斗及其組合。

刮板式鋪粉方式原理如圖1a所示［5］，該機構運動方式簡單，易于控制；缺點是刮板對粉末層的壓實作用小，且柔性很差。

輥子式鋪粉方式原理如圖1b所示［6］，該機構可以較大程度地提高粉末層的壓實密度；缺點是輥子滾動會在粉末層表面留下波紋，影響粉末層表面的平整度，同時粉末承受的輥子壓應力傳到下面已成形的坯件上，容易使強度不高的零件產生裂紋。

移動料斗式鋪粉方式原理如圖1c所示［7］，該機構采用移動料斗鋪壓粉，還兼具刮板功能，可以避免粉末堆積在輥子或刮板前方，減小對粉床的壓力；缺點是壓實粉末的效果不是很理想，并且當成形材料為流動性差的粉末時，粉末由于架橋現象不能從料斗狹縫中流出。

圖1 常用鋪粉方式

從上面3種鋪壓粉末裝置的分析可以看出，無論是刮板、輥子還是移動料斗，當成形表面有較大凸起或嚴重翹曲時，這些工具都將被卡住而導致成形過程中斷，所以單純采用一種鋪壓粉方式并不能完全保證粉末的鋪平、壓實并防止已成形坯件的移動。結合EBSM成形過程中粉末熔化溫度高、金屬成形零件剛度大等特點，我們對EBSM系統中的接觸式鋪粉機構進行了多次設計和改進［8－9］。

圖2a所示為采用剛性輥子和剛性小料斗組合的鋪粉機構，該機構可以很好地實現粉末壓平壓實，但由于缺乏柔性，遇到凸起或翹曲后仍無法自行通過，故經常導致實驗中斷。圖2b所示為采用柔性輥子和柔性刮板組合的鋪粉機構，輥子上方的壓力彈簧將輥子與粉平面接觸，當輥子遇到凸起時，輥子可以壓縮彈簧從而保證鋪粉機構越過凸起。同樣地，刮板通過一彈簧與鋪粉架相連，當刮板遇到凸起后可以繞鋪粉架偏轉一定角度從而越過凸起。該鋪粉機構很好地解決了第一代鋪粉機構柔性不足的問題，但由于粉末經常將轉動部分及彈簧卡死，造成多層成形時輥子無法上移，可靠度不高。圖2c所示為采用多根鋸齒狀的梳條組合對粉末進行刮平。由于梳條較窄，當它遇到凸起后容易產生一定的彎曲變形并順利通過該凸起。其不足之處是梳條的齒根處有應力集中，并在鋪粉過程中不斷與高溫成形件接觸而使其強度明顯下降，容易發生過度彎曲甚至折斷，從而影響鋪粉效果。圖2d所示是將梳條換成鋼刷后形成的鋪粉機構，其顯著特點是“齒”變成了“絲”，“齒”的數量明顯增多，“齒”間的縫隙減小，其柔性比梳條要好，不易折斷，但由于鋼絲比較細，在高溫下有可能發生嚴重變形而導致脫落。

圖2 EBSM技術中接觸式鋪粉機構

以上4種鋪粉機構在鋪粉過程中與成形件直接接觸，都存在一定的問題而使得成形實驗無法持續進行。EBSM技術需在真空室中成形，鋪粉過程出現問題后無法進行人工干預，因此開發更加可靠的鋪粉方式顯得尤為重要。

2 可控振動落粉鋪粉原理及功能

利用料倉結拱與振動破拱的原理，本研究提出了一種全新的非接觸式的鋪粉方式：①將鋪粉改為撒落粉，撒落粉機構不與成形件直接接觸，因而不存在遇到凸起無法越過的問題；②為了改善粉末的搭橋現象［10］，采用振動方式進行落粉，保證粉末輸送到位。具體原理如圖3所示：當鋪粉篩靜止或勻速運動時，篩中的粉末因結拱不會從篩網中落下；鋪粉篩勻速運動到成形件上方后進行有規律地振動，篩中粉末的結拱將會被破壞，粉末從篩網中均勻落下至工作平臺實現鋪粉。針對不同大小的粉末，選擇適合目數的篩網即可以達到上述鋪粉功能。

圖3 可控振動落粉鋪粉原理

采用鋪粉篩進行振動落粉鋪粉具有以下優點：①非接觸式鋪粉，表面成形質量對鋪粉效果沒有影響；②可以控制鋪粉篩振動頻率實現不同厚度的鋪粉，特別是在表面具有凸起等缺陷的情況下仍可實現厚度約0.1mm的鋪粉；③提高了成形件的內部質量，厚度小的粉末層對保證成形件內部質量有決定性的作用；④控制鋪粉篩在特定區域內鋪粉，當成形小型零件時，可控制鋪粉篩在小區域內鋪粉，提高了粉末的利用率。

3 可控振動落粉鋪粉系統的實現

3.1 可控振動落粉鋪粉篩設計與實現

根據可控振動落粉的原理制作鋪粉篩：采用一定厚度的金屬板材制成頂部與底部通透的方形盒，保證其具有較好的剛度，在方形盒側壁上銑出直槽，并制作出與該直槽配合的卡箍，采用一定目數的分級篩網將方形盒底部封住并用卡箍卡在方形盒的直槽內，保證篩網的松緊程度相同，從而制成“鋪粉篩”。該鋪粉篩可根據不同大小的粉末更換分級篩網。

3.2 可控振動落粉鋪粉系統設計與實現

鋪粉系統的三維效果如圖4所示：步進電機驅動同步帶輪、同步帶、光杠系統運動，鋪粉篩兩端分別與稱重傳感器固定，通過連接塊與同步帶相連。控制步進電機的轉動就可以控制鋪粉篩在成形平臺上運動的速度和加速度。

圖4 鋪粉系統三維效果圖

可控振動落粉鋪粉的實現過程如下：①鋪粉篩運動到儲粉箱下料口（平臺系統左端）處時停止，通過稱重傳感器測得篩中粉末的質量，當粉末質量小于預先設定質量數值時，送粉的步進電機轉動，驅動儲粉箱供給鋪粉篩粉末；當粉末質量大于預先設定質量數值時，儲粉箱下料口關閉，停止對鋪粉篩供粉。②鋪粉步進電機勻速轉動，通過同步帶輪、同步帶系統驅動鋪粉篩從成形平臺左側向右側勻速運動，篩中粉末由于結拱而不會撒落。③當鋪粉篩勻速運行到成形缸上方時，鋪粉步進電機將按照程序設定的加速度與速度進行正反向交替轉動，從而使鋪粉篩具有振動效果，篩中粉末的結拱被打破而落至成形缸上方，實現鋪粉。④鋪粉篩在成形缸上方完成鋪粉后勻速運動至儲粉箱下料口處。待電子束選區熔合該層粉末后再次運行上述①～④步，直至完成零件成形。

4 可控振動落粉鋪粉裝置的驗證

選用質量分別占60%和40%的100～250目氣霧化法Ti－6Al－4V合金粉末和150～325目氫化脫氫法Ti－6Al－4V合金粉末組成混合粉末，此粉末流動性適中。

4.1 鋪粉層表面平整性實驗

采用60目的鋪粉篩進行可控振動落粉鋪粉，效果如圖5所示。鋪粉篩振動時篩子不與成形表面接觸，成形表面的狀態不會影響鋪粉篩的運動。金屬粉末從鋪粉篩落至成形表面后一部分粉末會彈起，特別是落至凸起區域的粉末會滾至周圍相對凹陷的區域，使得凸起處幾乎沒有金屬粉末，說明本機構具有一定的粉末鋪平自動補償效果。

圖5 成形表面存在不平整時鋪粉效果

另外，由于設備自身機械泵的持續運轉，平臺會具有微小的平穩振動，使得原本不平整的鋪粉區域在平臺的振動下變得更加平整和緊實，所以本鋪粉方式對電子束掃描前后的鋪粉密度和熔化層密度不會造成太大的影響。

4.2 各層總鋪粉量的均勻性實驗

采用上述鈦合金粉末進行鋪粉均勻性實驗：保證鋪粉篩中的粉末質量在480～520g的范圍內，運行同一個鋪粉程序14次，測量每次下粉量，結果如圖6所示。

圖6 鋪粉篩鋪粉量的測量值

由圖6可見，每次鋪粉量基本穩定，其平均值為36.5g，方差為1.96，由于每次鋪粉區域相同，因此可以得出粉末層厚度基本穩定。保證鋪粉篩中的粉末質量在480～520g的范圍內，采用不同的步進電機加速度，進行一系列的鋪粉量測定實驗，結果如圖7所示。兩組數據的相關系數絕對值為0.98，可見鋪粉量y與步進電機的加速時間t緊密相關，圖中曲線為擬合的曲線，擬合公式為y＝684 775e－0.1594t。步進電機加速時間越短，加速度越大，鋪粉量就越大，即粉末層厚度越大。

圖7 鋪粉量與步進電機加速時間的關系

4.3 各區域鋪粉量的均勻性實驗

為驗證各區域鋪粉量的均勻性，將成形區域分成36個小區域，如圖8所示。保證鋪粉篩中的粉末質量在480～520g的范圍內，運行同一鋪粉程序10次，測量成形區域內36個方格內粉末的質量，結果如表1所示。

圖8 成形區域分割圖

表1 成形區域內36個方格內粉末的質量 g

由表1可以看出，各區域的粉末質量基本相同，根據表1繪出的成形區域內各小區域的鋪粉量分布圖如圖9所示。

圖9 成形區域內36個方格內粉末的質量分布

由表1及圖9可知各區域鋪粉量平均值為10.78g，方差為0.74，粉末量與均值的最大差值為2.02g，基本上實現了各區域的均勻鋪粉，平均每層粉末熔化后的厚度為0.14mm。通過改進鋪粉程序與鋪粉篩還可以提高各區域粉末的均勻性。

5 結論

（1）可控振動落粉鋪粉系統不與成形件相接觸，遇到成形件表面存在凸起甚至翹曲等缺陷時能順利完成鋪粉工作，對流動性差的粉末能通過振動打破粉末中的搭橋現象從而順利進行鋪粉。

（2）可控振動落粉鋪粉系統可以根據不同種類、目數、流動性的粉末選擇合適的鋪粉篩篩網，并通過實驗選擇合適的鋪粉參數，具有廣泛的適用性。

（3）當鋪粉篩內粉末穩定在一定范圍內時，每次鋪粉量穩定程度高。通過改進鋪粉機構的加速度可以改變鋪粉篩的振動大小，從而改變鋪粉量。

［1］ Dave V R，Matz J E，Eagar T W.Electron Beam Solid Freeform Fabrication of Metal Parts［C］／／In 6th Solid Freeform Fabrication Symposium.Austin：University of Texas，1995：64－71.

［2］ 齊海波.電子束選區熔化快速制造技術研究［D］.北京：清華大學，2006.

［3］ Cormier D，Harrysson O，West H.Characterization of H13Steel Produced Via Electron Beam Melting［J］.Rapid Prototyping Journal，2004，10（1）：35－41.

［4］ 齊海波.鈦合金粉末電子束選區熔化成形技術研究［R］.北京：清華大學，2008.

［5］ 姚純，胡進，史建軍，等.改進刮板式送粉器用于激光直接金屬沉積成形［J］.機械制造，2006，44（8）：26－28.

［6］ 梁朝罡，鄧琦林.激光熔覆制造致密金屬零件送料方式的分析和比較［J］.電加工與模具，2003，5：26－28.

［7］ 劉偉軍，魏華凱，尚曉峰，等.鋪粉器：中國，03213749.4［P］.2004－06－30.

［8］ 陸偉.電子束選區熔化粉末鋪送粉技術研究［D］.北京：清華大學，2009.

［9］ 閆占功，林峰，齊海波，等.電子束選區燒結系統粉末操縱裝置設計研究［J］.制造技術與機床，2005（11）：26－29.

［10］ 韓仲琦.料倉及重力場的粉粒體流動［J］.設計與研究，2003（3）：18－23.