上供粉激光燒結裝置的研究及應用

摘要：從料缸供粉鋪粉車單向鋪粉的基礎上，根據快速成型的需求，提出了上供粉雙向鋪粉的設計思路，對上供粉結構與鋪粉系數關系進行研究及應用。通過對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，通過試驗證明方案的可行性。從成本和占用空間的思路出發，單缸替代雙缸的設計思路，降低了生產制造成本，縮小了設備體積，方便了設備的運輸。并通過激光燒結成型過程中的反復測試及分析，根據分析數據獲得了合理的鋪粉系數，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構的對比分析，結果表明上供粉從結構和成型時間上取得了優勢，簡化了設計結構，提高了成型效率。

關鍵詞：上供粉;鋪粉系數;單成型缸;激光燒結

中圖分類號：TH12文獻標志碼：A文章編號：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（Selective Laser Sintering，SLS），又稱選擇性激光燒結、粉末材料選擇性激光燒結[1-2]，作為3D 打印的一種，與其他3D 打印技術相比，具有工藝簡單、用材廣泛、制造成本低等特點[3-5]。

選擇性激光燒結的工作原理及技術特點如下：首先通過鋪粉車將料缸中的粉末平鋪在成型缸上表面，均勻鋪平后進行粉層加熱，在加熱的短暫時間內，鋪粉車做返程動作，回到初始位置，料缸上升高度以供鋪粉，加熱完成掃描當前層[6]。此供粉方式應用普遍，且穩定性較好，不足之處在于鋪粉時間較長，成型時間不可控，且雙缸的生產制造成本較高[7]。目前生產制造行業飛速發展，為順應時代發展，故提出提高成型效率的需求。首先進行缸體結構分析，從雙缸變為單缸的設計思路出發，保證原有穩定性的基礎上，進行空間的合理利用，根據材料的流動性，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性，將料倉置于工作臺上方，通過傳感器及電機完成落料供粉工作，并可通過鋪粉系數的計算，控制落料的量。上供粉裝置位于成型缸上方兩側，從而實現雙向鋪粉，節省鋪粉車返程的等待時間。通過長時間的運行及數據記錄，與現有料缸工作過程比較分析，得出上供粉激光燒結裝置的實用性及可靠性。因此，本文提出通過上供粉形式，實現打印過程雙向鋪粉。

1 上供粉裝置設計原理

選擇性激光燒結的工作原理分為兩部分，首先是分層燒結，設定鋪粉層厚，激光選擇性燒結;其次是疊加，通過層與層之間的粘接形成實物。從三維建模、切片、鋪粉、燒結到最后的疊加成型，整個成型過程鋪粉占用1/3的時間，為了提高成型效率，本文對鋪粉機構進行研究論證。

上供粉裝置的工作原理是利用粉料的自重，當下料口打開后自由灑落，供當前層成型打印，落料的多少通過時間控制，時間到落料口關閉完成落粉。粉料的裝載情況通過料位計進行監控，當料粉上平面低于料位計時，提示加粉并顯示報警信號。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上，再由鋪粉車前進鋪粉，鋪粉完成立即進行粉層加熱，最后進行掃描成型。下料口的閉合由氣缸連接的推板控制，供粉時間的長短決定下料的多少，供粉時間的長短取決于供粉系數的設定。鋪粉車停止運轉后上供粉裝置立即供粉，從而實現雙向往復不間斷供粉，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3部分。料倉整體為封閉狀態，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，粉料通過下料口運送至成型缸上方工作臺表面，最后通過鋪粉輥鋪平粉末完成打印。

2. 1機械部分

由于粉料在環境中會因濕度的影響形成塊狀，并具有一定的黏著性，因此料倉的內表面需要進行鏡面處理，如圖3所示，提高表面的光潔度，并進行去靜電處理，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，方便粉料及時下落，滿足單次打印供粉量。

所謂靜電就是一種處于靜止狀態的電荷或者說不流動的電荷。當電荷聚集在某個物體上或表面時就形成了靜電。靜電的危害可能因靜電火花點燃某些易燃物體而發生爆炸。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）控制環境濕度，增加濕度可提高非導體材料的表面電導率使物體表面不易積聚靜電;（3）采用靜電屏蔽，對易產生靜電的設備可采用屏蔽罩，并將屏蔽罩有效接地。

2. 2 系統控制部分

通過氣缸帶動推料板做往復伸縮運動實現供粉，氣缸的往復運動通過氣動開關及電磁閥控制，電磁閥打開通氣帶動氣缸閉合，氣缸工作帶動推料板前后移動，從而實現落料工作。因不同成型工件的打印時長不同，當物料上表面下降至料位計處時，料位計會反饋信號給電磁閥，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打印，直至完成整個工件打印。

氣缸采用雙導桿結構設計，實現高精度高穩定性。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桿的伸縮運動。

氣缸電磁閥的控制采用表控制方式，準備工具材料;TDA20×40氣缸，DC24V 電磁閥，TPC4-4TD表控，USB3. 0數據線，24 V 開關電源，Wine7電腦。控制流程如下：（1）將表控TPC4-4TD 控制器接上開關電源;（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）按鈕開關接到表控的輸入端，作為啟動開關;（5）磁性開關固定到氣缸的伸出感應位置，引線接到表控的輸入端;（6）在電腦上安裝功能設置表軟件;（7）將USB 數據線一端插在電腦的USB 接口上，另一端插在表控的下載接口;（8） 運行功能設置表軟件，設置需要的功能;（9）利用功能設置表進行動作控制;（10）功能設置好后進行下載調試，完成控制設置。

如圖5所示，CWA 小型智能電容式物液位開關根據感應電極與接地電極間形成的電容，以被測物料為介質，當物料覆蓋感應電極時，測量的電容值會增大，達到設定的值時輸出開關信號[11]：

3 應用分

選擇性激光燒結（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、覆膜砂及復合粉末，具有用途廣泛、材料利用率高等特點，目前主要應用于航空航天、汽車制造、醫療、模具以及教育等行業.

激光燒結的成型效率主要取決于鋪粉及燒結成型的過程，鋪粉的速度及質量影響整個成型效率。為論證鋪粉裝置的工作效果，將上供粉裝置安裝至P300激光燒結設備中，并將氣路及電氣部分調試完畢，料倉中裝滿TPU粉料，準備就緒進行鋪粉。鋪粉車復位，電磁閥通電供氣，氣缸導桿收縮自動落料，持續2s落料完成，氣缸導桿伸出推出粉料，粉料落在工作臺上，鋪粉輥運動鋪平粉料，設定粉層厚度 0. 2 mm，鋪粉完成

粉平面預熱至60 ℃ ，導入切片文件，開始成型打印，打印高度300 mm，打印時間預計72 h，24 h后料倉中粉料用完，料位計傳輸信號，打印暫停，并發出報警信號，蓄滿料后繼續打印，直至打印完成。整個打印過程料倉出料順暢，出粉量穩定，控制系統運行精準，整體打印時間較原鋪粉系統節省了1 / 3。為驗證此裝置的穩定性，后期進行了覆膜砂材料的打印，打印時長72 h，落粉均勻，打印平穩，再次驗證了本裝置對多材料的適用性。經過1 000 h的試運行， 連續成型工作，不斷調試改進，最終將整體結構轉交生產。

經驗證分析得出，上供粉裝置替代了粉缸，從結構上節省了一個缸體，去掉了一個落粉裝置，節約了成本。雙缸變為單缸減小了設備體積，便于運輸，并減小了設備的放置空間。上供粉裝置在打印過程中即可添加粉料，在不停機的情況下提高了打印的穩定性及連續性，方便了操作。與原雙缸單向鋪粉相比，單次鋪粉在時間上節省3s，大縮短了打印時長，為大尺寸多激光成型設備的研制奠定了基礎。

4 結束語

本文介紹了上供粉激光燒結裝置的研究過程及應用分析，通過對上供粉激光燒結裝置的研究及論證，驗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現不停機加粉，可持續進行打印工作，提高了零件的打印成功率。通過研究發現，本裝置可用于不同型號的設備，且安裝維護方便，可進行模塊化應用，方便后期的拓展研發及應用。研究表明上供粉裝置在一定程度上提高了成型速度，降低了生產制造成本，為后期其他型號設備的研發奠定了基礎。

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作者簡介：陳建華（1990-），男，河北承德人，大學專科，工程師，研究方向為增材制造設備。（ 編輯：王智圣）