雙光源激光燒結鋪粉系統的改進研究

郭池　陳號

摘 要：選擇性激光燒結（SLS）是一種重要的快速成型技術，利用激光照射粉末實現工件的加工固化。文章對SLS系統現有的鋪粉結構進行了對比介紹，主要包括輥子式鋪粉裝置、單缸雙輥雙向鋪粉裝置和“跳躍式”鋪粉裝置等。此外，文章還對雙光源激光快速成型機的單缸跟隨式漏斗鋪粉方式進行了簡要介紹。

關鍵詞：選擇性激光燒結；SLS；鋪粉裝置

選擇性激光燒結（SLS）工藝是快速成型技術中的一項重要分支，自20世紀80年代以來取得了長足的發展[1-5]，SLS制造技術集CAD技術、數控技術、激光加工技術于一體。其制造工藝突破了傳統的除行加工材料的方法，可在沒有夾具的情況下實現無模制造，極大的縮短了加工制造的時間，同時一些傳統無法加工的復雜結構都可以通過這種方法得以實現。SLS工藝是近幾年發展最快、最為成功的快速制造技術。采用該技術可以直接制造精確的原型及模型，還可以使用金屬作為原材料，直接成型金屬零件并作為功能件使用。SLS工藝由于其諸多的優點，在現代制造業中越來越受到重視。

選擇性激光燒結是采用激光逐層燒結粉末固體特定區域，使得燒結成型的固話層通過疊加最終形成所需形狀的零件。整個工藝過程包括數據處理、鋪粉、燒結、后處理等。其成型工作原理：首先將模型數據進行處理，通過計算機控制激光的運動軌跡。在進行工作時粉末缸上升，由鋪粉裝置將粉末均勻的鋪在成型缸的上層，同時激光在工作層面有選擇的將固體粉末燒結成型，形成一個零件的層面，一個工作面完成后成型缸下降，再由鋪粉裝置將粉末均勻的鋪設在已成型工件的表面，如此循環往復最終形成三維零件。在整個工藝過程中需要對設備的環境溫度以及工作平臺溫度進行調控，以減少成型翹曲以及層與層之間的結合力。

工藝過程中鋪粉裝置作為工藝成型的基礎裝置，鋪粉裝置的穩定性對成型的效率及精度、工藝的可靠性與便捷性都具有重要的影響，任何因送粉鋪粉裝置的缺陷都會影響成型零件的質量，因此現階段有許多對SLS鋪粉裝置的研究與探索。

楊軍惠[6]等人設計了一種輥子式鋪粉裝置如圖1所示，系統由工作臺、鋪粉裝置、激光器、激光光路發生系統外加輔助系統組成。鋪粉裝置動力部分配置伺服電機、滾珠絲杠、通過齒輪和齒條進行傳動。鋪粉裝置的Z方向采用雙活塞缸結工作平臺，通過控制兩個缸體內活塞的升降高度來實現對鋪粉層厚的控制。鋪粉裝置Z軸方向的運動采用了導柱滑鍵結構，活塞與絲杠母采用導柱連接，其優點是在絲杠螺母副帶動活塞直線運動的過程中，絲杠螺母副在滑鍵的導向作用下運動平穩，避免了由于絲杠螺母副的擺動所引起的活塞上升、下降產生的高度誤差而影響Z方向鋪粉層厚。

包坤[7]設計了一種單缸雙輥雙向鋪粉裝置，縮小了設備體積，提高了設備運行效率；針對雙光源激光快速成型機，雙缸鋪粉三缸鋪粉方式都會使得激光快速成型機整體設備過于龐大，同時使得鋪粉效率低下。因此其采用了單缸跟隨式漏斗鋪粉方式。同時采用輥子式和移動漏斗式相結合的復合式鋪粉方式。通過調節漏斗出粉口的高度來調節鋪粉輥對鋪粉平面的壓力作用，可提高鋪粉的密實度，利用鋪粉輥逆向旋轉所產生的摩擦力作用，將粉末顆粒向前滾動推進，可以實現小粒徑流動性較差的粉體的鋪粉。

趙培[8]等人提出了一種結構簡單的快速成形的“跳躍式”鋪粉裝置。該鋪粉裝置采用刮板式鋪粉機構和滾輪、軌道的構建，并配有輔助的側翼結構。該鋪粉裝置利用上下軌道的自動切換使刮片在鋪粉過程的行程兩端實現單向抬升與下落，使得粉末堆始終保持在刮片運動前方，減少了物料的堆積，同時加裝的側翼減少了刮片兩側的物料流失，達到了粉末的高效利用。其設計的鋪粉裝置具有模塊化設計，可針對不同物料加裝模塊，具有易用性的特點。

綜上所述，較為成熟的鋪粉裝置有移動料斗式，刮板式，輥子式以及復合式移動料斗及其復合型鋪粉機構，適用于鋪送高流動性粉末。輥子式在上述鋪粉裝置中的壓實效果最好，刮板式的鋪平效果最好，其缺點在于推鋪粉末的過程中，輥子和刮板對粉末的約束性較差，造成粉末在鋪粉方向的兩側流散，并在鋪粉形成的末端形成粉末堆積，造成粉末的浪費，同時效率也會降低。隨著SLS加工材料的需求越來越多樣，需要針對對物性不同的材料開發出更為多樣的鋪粉系統。文章由蘇州市基礎項目資助。

參考文獻

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[6]楊軍惠，黨新安，楊立新.選擇性激光燒結快速成型機鋪粉裝置設計[J].機床與液壓，2010，38（8）：11-13.

[7]包坤.雙光源激光燒結鋪粉系統的改進及成型工藝研究[D].

[8]趙培，賈文鵬，賀衛衛，等.機械研究與應用[M].2012，2：67-69.

作者簡介：郭池（1980-），男，新疆自治區昌吉市人，工作單位：西安交通大學蘇州研究院，職務：教師，研究方向：快速成型工藝。