CN106475562B - 一种增材制造微细粉末双刮刀铺粉装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增材制造工艺的微细粉末双刮刀铺粉装置。本发明设计了双刮刀铺粉方式进行铺粉。刮刀采用特殊设计的几何尺寸，以及特定的安装角度，实现了微米级，甚至亚微米级粉末铺置。铺置的粉层厚度可以达到1～10μm。本发明克服了传统辊筒式铺粉和刮刀式铺粉无法铺置微细粉末至20μm以下粉层厚度的粉层，从而实现使得微细结构件的高精度增材制造，提高了增材制造的零件的尺寸分辨力和表面质量。本发明还提供了一种增材制造工艺的微细粉末双刮刀铺粉方法。

Description

一种增材制造微细粉末双刮刀铺粉装置及其方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种微细粉末小层厚铺置的装置，本发明主要用于激光微烧结、激光微熔化、选区激光熔化、选区激光烧结、选区电子束熔化成形等增材制造领域。

背景技术

在基于三维CAD模型和粉末成形的增材制造技术中，小层厚的粉层可以降低台阶效应、提高成形工件的精度，特别是提高成形工件的质量，减少球化效应和不致密等缺陷。要铺置小层厚的粉层，必须采用微细粉末。随着粉末粒度的减少，分子间作用力和颗粒间静电力等表面力主导作用明显，微细粉末粒子之间的作用力更易克服自身重力，形成聚团导致粉末内部均匀性较差，且聚团颗粒之间的作用力较大。普通刮刀铺粉装置在铺置微细粉末薄粉层时发现微细粉末只有极少量粉末残留在基板上，大部分粉末都被刮刀带走，这是因为铺置微细粉末时刮刀施加在粉末上的作用力大于粉末与基板之间的摩擦力，无法像大颗粒粉末铺粉那样停留在基板上。因此在这类增材制造技术中，粉末的均匀平整铺设一直是一项关键技术和难点。在微成形增材制造中，由于需要得到很小的特征尺寸、很高的空间分辨率，通常需要采用微米级甚至是亚微米级的微细粉末，铺设数微米层厚的粉末，因此难度更大。

目前对于粉末的铺设主要有如下两种方法和装置：一种是辊筒式铺粉，其原理是随着辊筒的运动推动粉堆运动，粉末由于流动性在辊筒和基板的间隙间形成薄薄的粉层。并且辊筒渐变的切向面对粉层有压力作用。这一铺粉方法的优点是辊筒对粉层的压力作用使得粉层致密度得到了一定提高，但是微细粉末的表面能大，辊筒转动过程中，这些粉末易粘结在辊筒上，无法实现小层厚粉末的铺设，目前辊筒铺粉方式铺置粉末的最小厚度在50μm左右；另一种就是刮刀式铺粉，刮刀式铺粉的原理是利用粉末的流动性，粉末在刮刀的推动下在基板上铺展开，并由刮刀的刀刃运动形成粉层。该方法由于刮刀与粉末是接触面积小，且对粉层几乎无压力，从而避免粉末的粘附。虽然这种方式铺置的粉层松装密度没有辊筒式铺粉高，但是刮刀式铺粉可以实现最小厚度为20μm左右的铺粉厚度。目前比较大的粉末增材制造设备制造商最新设备，例如EOS公司的EOSINT M280设备、MCP公司的500HL以及RENISHAW公司的AM 250的铺粉装置都是采用这种方式。

虽然这种刮刀式铺粉实现了20μm的铺粉厚度，但这种铺粉层厚依然无法满足要求：对于选区激光熔化成形、选区激光烧结、选区电子束熔化成形等增材制造来说，小层厚可以提高成形零件的精度和表面质量，而对于当今最新的微成形增材制造技术而言，需要层厚在数微米级。因此人们一直致力于铺粉方法和装置的研制。

为减少铺粉厚度，比利时的J.P.Kruth改进了刮刀式铺粉装置，发明了一种“slotfeeder”的装置，该装置目的是减小刮刀前方粉堆的体积和质量，从而减小刮刀与粉末的作用力。该装置有效提高了刮刀式铺粉的稳定性。德国University of Applied ScienceMittweida的Regenfuss等人设计了环形刮刀旋转铺粉方法和装置，但该装置环形刮刀运动速度较慢，铺粉效率不高。该装置成功实现了5μm以下粉层厚度的铺粉。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于增材制造的微细粉末小层厚的铺置，该装置能够将微细粉末(微米、亚微米级粒径粉末)均匀铺置在基板上，且粉层厚度可到微米级，从而提高粉末增材制造的加工精度和加工零件的表面质量。

为了实现上述技术方案，本发明的一种用于增材制造的微细粉末小层厚的铺置，包括加工基板、成型缸、送粉缸、回收缸A、回收缸B、刮刀架A、刮刀架B以及刮刀A和刮刀B；

所述成型缸、送粉缸、回收缸A、回收缸B、刮刀架A、刮刀架B设置在工作台上；

所述加工基板在成型缸内可以上下升降；

所述送粉缸内的粉末是通过活塞向上运动送粉；

所述刮刀架A、刮刀架B上分别装有刮刀A、刮刀B；刮刀A、刮刀B可水平运动，刮刀A、刮刀B刀刃与加工基板平面重合。

优选的，所述成型缸和送粉缸的上下运动和刮刀A和刮刀B的水平运动均采用交流伺服电机驱动，通过高精密滚珠丝杆传动来完成。

优选的，所述刮刀A的前角设计为0°，倒棱前角γ₀₁设计的角度采用60°～75°；倒棱宽度b₀₁为5～10mm。

优选的，所述刮刀B的前角设计为0°，倒棱前角γ₀₂设计的角度为15°。倒棱宽度b₀₂为3～5mm，后角α大于45°。

优选的，所述刮刀A安装方向与其运动方向垂直，刮刀B安装方向与垂直方向成一定角度θ，角度θ为15°～30°。

本发明的另一技术方案在于提供上述任意一种增材制造的微细粉末双刮刀分步铺粉装置的铺粉方法，包括以下步骤：

(1)对加工基板进行毛化处理；

(2)对粉末进行消磁、消静电、干燥处理，并进行机械振动或超声波振动；

(3)将加工基板安装到成型缸活塞上，调节加工基板与基面重合；安装刮刀A、刮刀B，调节刮刀A、刮刀B刀刃与加工基板平面重合；

(4)将处理后的粉末倒入送粉缸中；

(5)通过刮刀A铺置相对较厚的粉层；

(6)通过刮刀B将已经预铺置的厚粉层切削到要求厚度。

本发明的有点在于：该装置能够将微细粉末(微米、亚微米级粒径粉末)均匀铺置在基板上，且粉层厚度可到微米级，从而提高粉末增材制造的加工精度和加工零件的表面质量。

附图说明

图1为本发明的增材制造的微细粉末双刮刀分步铺粉装置结构示意图；

图2为本发明的刀具一、刀具二的截面图；

图3为本发明的刀具二的安装角度；

图4为本发明的增材制造的微细粉末双刮刀分步铺粉装置工作过程图。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种用于增材制造的微细粉末小层厚的铺置，该装置能够将微细粉末(微米、亚微米级粒径粉末)均匀铺置在基板上，且粉层厚度可到微米级，从而提高粉末增材制造的加工精度和加工零件的表面质量。

本发明也是基于刮刀式铺粉，首次提出了双刮刀分步铺粉，本发明的铺粉装置包括(如图1所示)加工基板1，成型缸2，送粉缸3，回收缸A4和回收缸B5，刮刀架A6和刮刀架B8以及刮刀A7和刮刀B9。其中加工基板1是在成型缸2内可以上下升降。送粉缸3内的粉末上也是通过活塞向上运动送粉(需要说明的是本发明装置的送粉方式也可采用漏槽方式，以下以送粉缸送粉进行说明)。刮刀A7和刮刀B9在xy水平面上运动。整个铺粉装置包括成型缸和送粉缸的上下运动和刮刀的水平运动。这四种运动全部用交流伺服电机驱动，通过高精密滚珠丝杆传动来完成。

本发明能够在加工基板上铺置厚度为几微米的粉层，该方法包括以下步骤：

i.对基板进行毛化处理。毛化方法有喷砂毛化、激光毛化和电火花毛化等，毛化处理后的基板粗糙度在Ra：5～20μm、Rz：5～50μm之间；

ii.对粉末进行消磁、消静电、干燥处理，并进行机械振动或超声波振动。目的在于减小粉末粒子间作用力和粉末聚团；

iii.将通过步骤i预处理后的基板安装到成型缸活塞上，并调节基板与基面重合，然后安装两个刮刀，且调节刮刀的刀刃与基板平面重合；

iv.将通过步骤ii预处理后的粉末倒入本发明装置的送粉缸中；

v.利用本发明的双刮刀分步铺粉装置将微米级粉末铺置微米级粉层。

本发明能够在加工基板1上铺上厚度为几微米的粉层，通过双刮刀两次铺置完成微米级粉层厚度。首先通过刮刀7铺置相对较厚的粉层，特定刀口设计使得刮刀A7对粉层有一定向下压力，一定程度上将粉层压实在毛化后的加工基板上，增大了粉层与基板之间的作用力。然后再通过特定刀口设计的刮刀B9将已经预铺置的厚粉层切削到指定厚度的粉层。

本发明采用的双刮刀分步铺粉，为解决微细粉末难以实现较薄粉层厚度的粉末铺置问题，采用了特殊设计的刮刀形状(如图2所示)以实现这一目的。刮刀A7是实现相对较厚的粉层铺置，并且为了增大基板对粉末的作用力，刮刀A7的前角设计为0°，倒棱前角γ₀₁设计的较大，一般选择60°～75°，具体的角度与粉末材料和物理性能有关。这样刮刀铺粉时前刀面对粉末有压力作用，使得粉末与基板的接触面积增加，提高了基板对粉末的粘附力，另外倒棱宽度b₀₁大小选择5～10mm。刮刀B9的作用是将相对较厚的粉层切削为所需要的厚度，所以其前角也设计为0°，倒棱前角γ₀₁设计的角度选择5～15°，这个角度的刀具与粉层的切削力较小。倒棱宽度选择3～5mm。后角α主要是减小刀具的后刀面与粉层的摩擦。后角的合理选取主要根据铺粉速度来确定。由于铺粉速度不宜过快，以免机械振动增大影响铺粉的均匀性，后角选择大于45°较好。

本发明的双刮刀分步铺粉装置的刮刀采用了特定的安装角度，刮刀A7安装方向与其运动方向①垂直，但刮刀B9安装方向与其运动方向②不是垂直关系，而是与垂直方向成一定角度θ，如图3所示。这个角度选择15°～30°，目的在于增加一个平行于基板的切力，减小刮刀对粉层垂直向上的作用力，有利于粉末停留在基板上而不被刮刀带走，提高铺粉质量的稳定性。

本发明的双刮刀微细粉末铺粉装置应用到微细粉末的增材制造中，具体实施如下：

按照实所述的步骤i～iv对粉末和基板预处理。通过上述步骤将微细粉末增材制造的准备工作完成，粉末装入送粉缸后，增材制造装置关闭工作腔。开始抽真空和充工作气体。增材制造加工零件在计算机的控制下开始进行。

如图4所示，采用本发明的双刮刀铺粉装置的增材制造工作过程如下：

1)计算机专业软件对零件三维CAD模型进行切片处理，得到二维的平面几何图形以及激光平面扫描轮廓信息；

2)加工基板1下降3个加工厚度，送粉缸3上升5个加工厚度，推动粉末上升5个加工厚度，刮刀7向右运动(图4中a→b)将粉末铺置在成型缸内，并一定程度上压实了粉末，此时的粉层有3个加工厚度，多余的粉末落入回收缸4中；

3)加工基板1上升2个加工厚度，刮刀9向上运动(图4中b→c)，将3个加工厚度的粉层切削至1个加工厚度的粉层，多余的粉末落入回收缸5中，完成一次铺粉过程。此时，激光或电子束根据二维几何信息进行扫描完成单层加工；

4)激光或电子束扫描完成后，加工基板下降3～5个加工层厚，刮刀9向下运动(图4中c→d)退回初始位置；

5)刮刀7向左运动(图4中d→a)也退回到初始位置；

重复上述步骤2)～5)完成整个零件的加工过程。

特别注意：步骤2)中除了第一次铺粉时加工基板1需下降3～5个加工厚度，随后的都不再下降。此后的加工循环过程中步骤4完成加工基板的下降动作。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种增材制造的微细粉末双刮刀分步铺粉装置，其特征在于，包括加工基板、成型缸、送粉缸、回收缸A、回收缸B、刮刀架A、刮刀架B以及刮刀A和刮刀B；

所述成型缸、送粉缸、回收缸A、回收缸B、刮刀架A、刮刀架B设置在工作台上；

所述加工基板在成型缸内可以上下升降；

所述送粉缸内的粉末是通过活塞向上运动送粉；

所述刮刀架A、刮刀架B上分别装有刮刀A、刮刀B；刮刀A、刮刀B可水平运动，刮刀A、刮刀B刀刃与加工基板平面重合；

所述成型缸和送粉缸的上下运动和刮刀A和刮刀B的水平运动均采用交流伺服电机驱动，通过高精密滚珠丝杆传动来完成；

所述刮刀A的前角设计为0°，倒棱前角γ ₀₁设计的角度采用60°~75°；倒棱宽度b ₀₁为5~10mm。

2.基于权利要求1所述的一种增材制造的微细粉末双刮刀分步铺粉装置，其特征在于：所述刮刀B的前角设计为0°，倒棱前角γ ₀₂设计的角度为15°；倒棱宽度b ₀₂为3~5mm，后角α大于45°。

3.基于权利要求1所述的一种增材制造的微细粉末双刮刀分步铺粉装置，其特征在于：所述刮刀A 安装方向与其运动方向垂直，刮刀B安装方向与垂直方向成一定角度θ，角度θ为15°~30°。

4.基于权利要求1~3 中任意一种增材制造的微细粉末双刮刀分步铺粉装置的铺粉方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1） 对加工基板进行毛化处理；

（2） 对粉末进行消磁、消静电、干燥处理，并进行机械振动或超声波振动；

（3） 将加工基板安装到成型缸活塞上，调节加工基板与基面重合；安装刮刀A、刮刀B，调节刮刀A、刮刀B刀刃与加工基板平面重合；

（4） 将处理后的粉末倒入送粉缸中；

（5） 通过刮刀A铺置相对较厚的粉层；

（6） 通过刮刀B将已经预铺置的厚粉层切削到要求厚度。