选择性激光烧结陶瓷设备铺粉机构的优化设计

前言

选择性激光烧结(Selective Lasers Sintering，简称SLS)技术是20世纪90年代初RP技术中发展起来的又一种全新的原型制作方法，它以各种粉末材料(如石蜡、聚碳酸脂、石英砂、陶瓷以及金属等粉末)为加工对象[1]。SLS烧结设备，主要由扫描器、铺粉机构、激光源、预热装置和计算机控制系统等部分组成[2]。它采用具有动态聚焦功能的振镜扫描结构，因此，其扫描速度较其它种类的快速成形系统有相当程度的提高，最高扫描速度由具体的动态扫描系统确定，一般烧结速度可达2 m/s，故成形效率更高。SLS系统基本上采用开环的Z轴位置控制结构，即不必实时测量零件的实际高度[3]；与LOM(分层物体制造——Laminated Object Manufacturing)中的送纸、收纸结构功能类似，SLS系统采用了自动铺粉机构完成材料准备[4]。另外，由于加工材料的要求，系统应具有对材料的预热功能，非接触式测量环境温度，通过温度传感器或者专门的测温仪检测温度。

激光烧结成形过程为：首先在工作台面上均匀地铺上一层很薄(0.08～0.3 mm)的热敏粉末，辅助加热装置将其预热到粉末熔点(粘结剂的软化温度)以下的温度，在这个均匀的粉末层面上，计算机在经过数据处理得到零件的CAD实体模型的二维剖面后，再控制激光按照设计零件的当前层截面信息进行选择性烧结，被烧结粉末固化在一起形成零件的实体部分[5]。然后，在计算机的控制下，工作平台降低一定的高度，铺粉机构铺设一层很薄的粉末，激光束开始新一层的扫描烧结，层厚一般控制在0.08～0.30 mm范围内。系统不断重复这一过程，直到层加堆积成三维实体零件[6]。烧结过程结束后，去除未被烧结的松散粉末，就得到了坯件，将此坯件进行二次烧结或浸渍等后处理，便可得到最终所需零件[7]。

影响SLS 制件精度的因素很多，包括SLS 设备的性能和精度、激光特性参数、预热温度、烧结扫描路径的选择以及烧结层数的设置等，这些都会引起制件的烧结精度和变形[8]。当然还有其他一些影响因素没有提到，比如烧结材料的性能等。为了获得更高的制件精度，还必须不断地对现有设备的铺粉装置部分进行优化，在激光参数的设置上找出更好的选择，以及对扫描路径找出更好的控制部分，这还需要我们做大量的工作。快速成形技术是一项包括精密机械学、CAD、计算机、激光、控制技术和材料科学等诸多学科领域的一门综合学科，因而它的研究内容广泛而复杂。课题的主要研究内容和其主要工作如下:

铺粉装置对激光选区烧结成形的影响规律分析，主要从铺粉装置的机构因素、环境温度、扫描路径以及铺粉厚度出发进行探讨，以此提高制件的精度。

铺粉装置的设计，通过现有激光烧结设备，并根据机构所要实现的动作进行机构设计和机构选型，达到提高设备工作效率和自动化的目的。

控制部分的设计，对所设计机构进行必要的控制设计和控制器件的选型，并且对一些控制机构进行方向性的描述。

1 铺粉装置对激光选区烧结成形的影响规律分析

1.1 提升装置对成形件的影响分析

提升装置对烧结成形的影响主要来自于步进电机和滚珠丝杠，其中以步进电机影响最大。步进电机的精度通常是指静态步距角误差和静态步距角积累误差[9]。步进电机通过影响整个装置的铺粉厚度来影响成形件。激光烧结即每层烧结的厚度取决于步进电机的步距角和滚珠丝杠的导程，其计算式如下：

δ=a×p/360=0.01 mm

式中：a——步进电机步距角，度；

p——滚珠丝杠导程，mm。

从以上公式中可以看出，步进电机的步距角累计误差越大，铺粉厚度越薄。因此，成形件烧结完成后的尺寸会相应小于所设计外形尺寸。

1.2 铺粉装置对成形件的影响分析

铺粉装置对成形件的影响主要来自于铺粉辊，通过对现有设备的工作过程分析，铺粉辊对制件的精度影响主要来自两个方面：首先，最主要的是当辊筒自左向右运动时，由于粉末与底层已经烧结好的工件之间存在摩擦力，很可能会使已烧结好的工件部分向辊筒运动方向发生偏移，从而破坏了制件的烧结精度。其次，当辊筒进行铺粉运动时，粘在辊筒上面的粉末会随着辊筒的运动被抛洒在已经铺好粉末的工作区，破坏粉末的均匀性。为了解决上述问题，采用推板进行推粉，此时推板的设计应该和工作台有一定的间隙，防止已烧结件的偏移，接着再用辊筒进行压实。为了解决抛洒粉末问题，可在辊筒上开一螺旋槽，对抛洒方向进行干预。

1.3 密封装置对成形件的影响分析

由于有些材料在烧结时容易被氧化，所以必须设计密封保护装置，并在工作时候通以保护气(如N2、CO2)，防止材料被氧化。如果保护氛围不好，那么容易被氧化材料在有氧条件下，在激光的烧结下燃烧起来，导致制件的力学性能和表面质量下降，更可能引起烧结过程的失败。所以设备配备密封装置是非常重要的，特别是对于容易氧化的材料。

1.4 激光振镜参数的影响

影响制件精度的激光特性参数主要有激光功率、扫描速度、扫描间距、激光振镜的开关延时等[10]。这些参数之间都存在着相互的制约关系。当扫描速度较快、输出功率较低时，粉末材料的受热温度就会很低，由于被照射的粉末受热不够，粘结不牢固，制件很容易分裂，尺寸也会放大；反之，当扫描速度较低，输出功率较高，粉末材料的温度也就越高，受照射粉末会在扫描方向上发生收缩，从而引起扫描烧结直线的弯曲变形。至于变形的方向则由扫描间距来决定，当扫描间距大于激光光斑直径时，扫描烧结直线的变形方向将变为向侧面翘曲；反之，其变形方向为向上翘曲。在一层粉末扫描完成后，可以发现边界翘曲现象，样件成形后，轮廓有明显的翘曲。实验表明，扫描速度越慢，激光输出功率越大，其翘曲现象越明显。为获取良好的样件质量，扫描速度和激光输出功率应进行匹配，在实验基础上进行优化选择。表1列出了诸因素与制件精度之间的关系。

表1 激光功率、扫描速度和扫描间距对制件精度的影响

激光开关延时是指产生激光的电脉冲对指令的时间延时，延时的多少与扫描速度相关联。激光的开延时太短，扫描矢量的开始端会产生“过烧”[11]；开延时太长，扫描矢量的开始端将不会烧结；关延时太短，扫描矢量的末端将不会烧结；关延时太长时，扫描矢量的末端将会“过烧”。同样，振镜的开关延时也会产生类似的影响，因而只有合适的延时参数才会产生均匀的扫描线，制件的精度才会高。研究表明，减小扫描间距可以减小制件表面的粗糙度，但减小扫描间距导致制件翘曲的趋向会增大。

1.5 加工过程中温度场的影响

在SLS系统中，预热温度是重要的工艺参数之一。粉末的预热温度直接决定了烧结深度和密度[12]。如果预热温度太低，由于粉层冷却太快，熔化颗粒之间来不及充分润湿和互相扩散、流动，烧结体内留下大量空隙，导致烧结深度和密度大幅度下降，使成形件质量受到很大的影响。随着加热温度的提高，粉末材料导热性能变好(同时低熔点有机成分液相数增加，有利于其流动扩散和润湿，可以得到更好的层内烧结和层间烧结，使烧结深度和密度增加，从而提高成形质量)。但是，若预热温度太高，又会导致部分低熔点有机物的碳化和烧损，反而降低烧结深度和密度。为了提高制件的精度，在HRPS 系列设备上做了大量实验，总结出了几种有效的温度控制方式：

1)模糊控制方式。将操作经验总结成控制规则，据此制造一个“模糊控制器”，来代替人对复杂的加工过程进行控制。在“模糊控制器中”写入温度差值及其变化率和相应的控制信息，也就是说，根据偏差和偏差变化率综合进行权衡和判断。从而保证系统控制的稳定性，减少超调量及振荡现象。实验表明这种方法可以明显提高制件的精度。

2)基于零件切片的自适应控制，即用温度检测模块与温度控制两个功能模块组成一个闭环控制系统。温度检测利用热电偶或者红外测温仪采集微弱信号，并经温度数字仪放大，再传入A/ D转换板，然后进行数据处理及温度显示。温度控制模块则是把采集的数据分析和按一定的控制算法计算后得出控制量，由A/D转换板输出，通过控制可控硅的触发电压而控制加热管的输出功率，最终使加热能量变化，这种方法效果也很明显。

1.6 扫描路径的影响

目前扫描路径的生成主要有2种方法：一种是逐行扫描，每一段路径均互相平行，在边界线内往复扫描，也称为Z 字路径；另一种是轮廓环扫描，扫描路径由轮廓的一系列等距平行线构成，激光光斑就沿这些平行线逐层扫描。

逐行扫描又分为2种扫描方法：一种是单向扫描，扫描起始点在同一端，每条扫描线之间有很大的空跳，所以这种扫描方式很少被采用；另一种是双向扫描，就是相邻扫描线的起始点在不同的两端，这样可以减少空跳距离，但是这种方法需要频繁开关激光，必须很好的调节各种延时参数，不然很容易引起制件收缩变形。轮廓环扫描在连续不断的扫描过程中扫描线经常改变方向，使得收缩引起的内应力方向分散，减小了翘曲的可能，制件的表面均匀。但这种算法效率不高，影响了成形的效率。

因此，目前大都采用连贯性逐行扫描。但是由于这种扫描方式本身存在着缺陷，必须对它的路径进行优化。采用这种方式时，当遇到孔洞的层面时，还不可避免地会用到很多延时，这同样会出现以上提到的设置延时参数的问题，而且在分区交界处还会有粘结不紧密的问题。

针对这些问题，通过在相邻扫描层面间采用变向扫描的方法来解决。所谓变向扫描，就是在完成一个层面的添充扫描后，下一层的扫描线方向旋转一个角度(一般为90°)，这样可以避免相邻层面局部的烧结缺陷不至于重合，使得工件的内部组织结构合理，力学性能更优。

1.7 烧结层厚对精度的影响

烧结层厚对制件的精度和表面光度影响很大，一般认为层厚越小精度越高，零件的表面光洁度也越高[13]；这在烧结斜面、曲面等形状的零件时最为明显。但当切片层厚太薄时，层片之间很容易产生翘曲变形，并且切片层厚越薄制件的烧结时间越长。建议设置每层厚度为0.1 mm。

2 铺粉装置的设计

2.1 铺粉机构选型及论证

2.1.1 采用步进电机作为送粉缸和成形缸的驱动装置

步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的驱动器，它具有独特的优点：步距值不易因为电气、负载、环境等条件的变化而变化，使用开环控制或者半闭环控制就能进行良好的定位控制；起制动、正反转、变速等控制方便；价格便宜，可靠性高等；并且步进电机与单片机技术相结合、使其优点得到充分发挥。基于以上原因，再结合本装置的特点，所以选用步进电机对铺粉厚度进行控制。

2.1.2 采用滚珠丝杠模块作为送粉缸和成形缸的传动装置

滚珠丝杠精度高，摩擦阻力小，是工具机和精密机械上最常使用的传动元件。其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。 滚珠丝杠具有如下特点：

1)与滑动丝杠副相比驱动力矩。由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动，所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下，即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3，在省电方面效果显著。

2)高精度的保证。滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面，对温度和湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。

3)微进给可能。滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动，所以启动力矩极小，不会出现滑动运动那样的爬行现象，能保证实现精确的微进给。

4)无侧隙、刚性高。滚珠丝杠副可以加予压力，由于予压力可使轴向间隙达到负值，进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力，在实际用于机械装置等时，由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。

5)实现高速进给。滚珠丝杠由于运动效率高、发热小，所以可实现高速进给(运动)。

基于以上原因，所以选择滚珠丝杠作为送粉缸和成形缸的传动机构。

2.1.3 采用气动装置作为铺粉装置的驱动装置

气压传动系统的介质是空气，它取之不尽用之不竭，用后的空气可以排到大气中去，不会污染环境。且气源的获取比较容易，在当今的工厂里，压缩空气输送管路像电气配线一样比比皆是。这是气压传动系统成本低的一个主要因素。气压传动的工作介质粘度很小，仅为油液的百分之一，所以流动阻力很小，压力损失小，便于集中供气和远距离输送。不像液压传动那样在每台机器附近要设置一个动力源，因此使用方便。气压传动工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强辐射、振动等恶劣工作环境下，仍能可靠地工作。气压传动有较好的自保持能力。即使气源停止工作，或气阀关闭，气压传动系统仍可维持一个稳定压力。而液压传动要维持一定的压力，需要有能源工作或加蓄能器。气压传动在一定的超负载工况下运行也能保证系统安全工作，并不易发生过热现象。气压传动系统的工作压力低，因此气压传动装置的推力一般不宜大于10～40 kN，仅适用于小功率场合，在相同输出力的情况下，气压传动装置比液压传动装置尺寸大。气压传动动作速度和反应快。液压油在管道中流动速度为1～5 m/s，而气体流速可以大于10 m/s，甚至接近声速。因此在0.02～0.03 s内即可以达到所要求的工作压力和速度。

2.1.4 采用直线导轨作为铺粉装置的传动装置

直线导轨摩擦阻力小，机械运动灵活。它有以下几个特点：

1)定位精度高，重现性佳。直线导轨为滚动运动方式，摩擦系数特别小，尤其静摩擦力与动摩擦力的差距很小，即使在微量进给时也不会有空转打滑的现象，解析能力与重现性最佳，因此可以实现微米级的定位精度。

2)低摩擦阻力，可长时间维持精度。直线导轨的滚动摩擦力可减小至滑动导轨摩擦阻力的1/20～1/40，尤其润滑结构简单，使得润滑容易，效果优良；摩擦接触面的磨耗最低，因此可以长时间维持行走精度。

3)可承受4方向的高负荷能力。几何力学结构的最佳设计，可同时承受径向、反径向与横方向的负荷，并保持行走精度，同时可轻易藉由施于预压与滑块数量，就可以提高起性能与负荷能力。

4)适合高速化之应用。由于摩擦阻力小的特性，导轨对设备的驱动力需求低，节省能源，运动磨耗小，温升效应低，可同时实现机械小型化与高速化需求。

5)组装容易并具有互换之特性。直线导轨的安装只要在铣削或研磨加工的安装面上，以一定的组装步骤，即能重现直线导轨的加工密度，可降低传统铲花加工的时间与成本；并且其可互换之特性，可以将滑块任意配装在同型号的滑轨上，同时又保持相同的顺畅度与精密度，机台组装最容易，维修保养最简单、容易。

2.1.5 密封装置

为防止加工材料在烧结时被氧化，在工作台上方装置密封箱。这样本装置的适用范围会更广泛，适用材料的范围更宽。本装置的总体结构简图如图1所示。

图1 总体结构简图

2.2 送粉缸及成形缸的设计

2.2.1 步进电机的选型

步进电机具有步距角不易变化，起动制动、正反转、变速等控制方便、简单的特点，所以本装置选择用步进电机作为驱动。在选择步进电机时首先考虑的是步进电机的类型，其次才是具体品种的选择。

确定步进电机的类型：由于本装置要求提升装置精度高，动态响应快。所以选择混合型步进电机。确定脉冲当量：根据装置的加工精度要求，选择步进电机的脉冲当量为0.01 mm。步进电机步距角的选择：选择步进电机的步距角为0.9°。

2.2.1.1 转动惯量计算

在旋转运动中，物体的转动惯量J对应于直线运动中的物体质量。要计算系统在加速过程中产生的动态载荷，必须计算物体的转动惯量J和角加速度ε，然后得惯性力矩:

T=Jε

物体的转动惯量为：

式中：dv——体积元；

ρ——物体密度，kg/m3；

r——体积元与转轴的距离，kg·m2。

则：

式中：L——长度，取值252 mm；

D——直径，取值10 mm；

ρ——不锈钢密度，取值7.19×103 kg/m3。

将负载质量换算成电机输出轴上的转动惯量，滚珠丝杠传动结构与公式如下：

式中：W——可动部分总重量，kg；

Bp——丝杠螺距，mm；

GL——减速比。

所以，按照设计要求，将铺粉厚度设为0.1 mm。

步进电机去步距角为0.9°的混合型，即400转转一周；选丝杠螺距为4 mm，则步进电机每个脉冲丝杠走0.01 mm。每次铺粉需10个脉冲。其中：钛粉密度ρ=4 510 kg/m3；送粉缸体积为：V=1.18×10-3m3。则 W=5.7 kg，J1=11.40×10-4。

2.2.1.2 加速度计算

若要控制系统定位准确，物体运动必须有加减速过程如2所示。

图2 步进电机加减速过程示意图

混合式步进电机的加速时间为0.5 s。

ε=Wmax/t=2 400 rad/s2

2.2.1.3 步进电机的力矩计算

T=(J×ε+TL)/η=107.78×10-3

式中：TL——系统外力折算到电机上的力矩；

η——传动系统的效率，取0.9。取安全系数为1.2。则：T=129.33×10-3

综上由手册查得：选取步进电机的类型为MT35ST36-1004A(单伸轴)

2.2.2 步进电机与丝杠连接处联轴器的选型

1)联轴器类型的选择。由于所连接的两轴的直径不同，所以选择变径联轴器。

2)联轴器的校核。由于装置启动时的动载荷和运转中可能出现的过载现象，所以应当按照轴上的最大转矩作为计算转矩Tca。计算转矩按照下式计算：

Tca=KAT

式中：Tca——公称转矩，N·m;

KA——工况系数，本装置KA取1.3。

经计算：Tca=140.11×10-3

3)确定联轴器的型号。根据计算转矩Tca及以下公式：

Tca≤[T]

所以，选择联轴器型号为GTB1。

2.2.3 提升装置(滚珠丝杠)的选型

由装置产品手册选择型号为SHTC—灵活型，本系统的特别之处是设计了自由滑动长度，在短短两底块的基础上形成滑动。两者之间的距离很容易被调整，以适应特定的应用要求。更特别的是本系统可以垂直应用与悬臂负荷。

2.2.4 送粉缸和成形缸的设计

送粉缸机成形缸装置如图3所示，其中左右两缸是送粉缸筒，中间是成形缸筒，因为送粉缸上升的高度和成形缸下降的高度相同，为了铺满成形缸，所以设计的送粉缸尺寸比成形缸尺寸大。烧结开始第一层后，成形缸筒内活塞下降距离δ，送粉缸筒(左)内活塞上升距离δ，送粉缸筒(右)内活塞不动，铺粉辊筒自左向右推粉运动，将粉末均匀地铺在烧结区，进行第一层烧结；当第一层烧结完毕后，成形缸筒内活塞再下降距离δ，送粉缸筒(左)内活塞上升距离δ，送粉缸筒(左)内活塞不动，铺粉滚筒自右向左推粉运动，将粉末均匀的铺在烧结区，进行第二层烧结。以此过程不断进行烧结，直至模型烧结完毕。活塞的上升和下降有步进电机进行驱动，为了使上升和下降的位移更加精确，又由步进电机驱动滚珠丝杠模块来带动活塞运动。

图3 送粉缸和成形缸在装置中的位置简图

送粉缸和成形缸的设计形式一样，不同的是两者之间的筒径的尺寸，所以下面以送粉缸为例，对两缸的设计进行说明。送粉缸缸筒有两部分组成：一部分是法兰，另一部分是缸筒。这样设计主要是为了便于加工，降低成本。图4所示为送粉缸和其法兰盘。

图4 送粉缸(左)和法兰盘(右)

本结构还在活塞杆和活塞连接处运用了十字连结，使用此结构的目的主要是为了防止活塞在活塞缸中由于摩擦力太大使活塞卡在送粉缸中使机构无法运动，此十字联结的适用增加了活塞杆和活塞连接处的自由度，有效的解决了这个问题。十字联结的具体结构如图5所示。

图5 十字联结的结构示意图

活塞和缸筒壁之间有一定的配合间隙，间隙太大则导致粉末从间隙漏过，间隙太小则加工成本高，且活塞比较容易被卡住。为了解决这一问题，在活塞上压一层毛毡起到密封的作用，这样活塞与筒壁之间的间隙可以选得比较大，降低加工难度，同时也不会发生漏粉和活塞卡住的现象。激光烧结即每层烧结的厚度取决于步进电机的步距角和滚珠丝杠的导程，其计算如下：

δ=0.9×4/360=0.01 mm

2.3 铺粉装置的的设计

2.3.1 总体装置的设计

本装置选用气动装置的原因：一是因为气动装置清洁，在密封状况下不会污染环境；二是因为气动装置可以满足本系统的要求，实现所需要的动作要求；更重要的是为了在这次设计中得到全方位的训练。

本装置的铺粉系统采用气动驱动铺粉辊，铺粉辊通过支撑架固定在滚动导轨副上，通过导轨副来回移动进行铺粉动作。铺粉装置示意图如图6所示。

图6 铺粉装置示意图

由图6可知，支持架1及推板2在气动装置3的拖动下可以来回移动，铺粉辊筒4固定在支持架1上，推板2也固定在支持架1上，铺粉滚筒用密度比较大的材料做成，可以在摩擦力的作用下自由转动，起到一个对所铺粉末压实的作用。支持架上自带双向推板，可以完成推粉的任务。同时推板可以进行通过调节装置5上下调节，来调整所预留粉末的厚度，以此作为进行压实的基础。铺粉时，气动装置推动支持架推粉运动，而铺粉辊在自重的作用下再进行压实，这样烧结出来的产品质量才会好。

2.3.2 气缸的选择

2.3.2.1 气缸的类型的选择

根据本系统所要实现的动作要求及气缸的工作特性，选择固定式双作用活塞式气缸。

2.3.2.2 气缸的主要尺寸及其结构的设计

气缸直径的设计：由制件的尺寸及要求得所要求的行程为L=474 mm，又有公式：

L=(0.5×5)×D

其中：L——气缸行程；

D——气缸直径。计算得气缸直径：D=100 mm。

气缸缸筒的设计：

1)汽缸筒的长度l设计。有公式： l≥L+H

其中：L——气缸的行程；

H——气缸中活塞的宽度。计算得：L=474 mm，H=10 mm，取l=500 mm。

2)气缸筒的壁厚。气缸筒的壁厚δ可利用薄壁圆筒的强度计算公式来确定：

δ=(pD/2[σ])+C

上式中：p——气缸工作压力，MPa；

D——气缸内径，mm；

[σ]——气缸材料的需用拉应力，MPa；

σb——缸体材料的抗拉强度；

n——安全系数，一般取6∶8；

C——未来考虑到刚度，加工制造，腐蚀等要求所加的余量。

由气动手册查得：材料为45钢的气缸[σ]=120 MPa。又由上知D=100 mm，所以得壁厚δ=8 mm。

3)气缸进排气口直径。气缸进排气口直径d0的大小，直接决定了气缸进气速度，也决定了活塞的运行速度。应加以重视，直径d0的确定可根据空气流经排气口的速度[v]来计算，一般取[v]=10～25 m/s，因而有以下公式：

经计算得：d0=15 mm。

活塞的结构设计：活塞的功用是将压缩空气的压力能转变为机械能。由于活塞要频繁往复运动，又要间隔两腔空气，因此就要保证其耐磨和密封。目前多采用铸铁活塞及O型或Y型密封圈实现密封。本装置采用O型密封圈实现密封。活塞的外径即是气缸的内径，二者的配合精度，一般多采用H8/f9配合，活塞表面粗糙度Ra=0.8 μm。活塞的宽度取决于密封圈的排数，一般多采用双排密封圈。本活塞的宽度为10 mm。活塞杆的作用是将活塞转换出的机械能以机械力的形式推动负载运动。按照《液压与气动传动》表13-1，由活塞缸的直径选择得活塞杆的直径取15 mm。另外，为了防止气缸在行程末端时，活塞以很大的速度撞击端盖，引起气缸震动和损坏，采用带有缓冲装置的缓冲气缸。

综合上面的计算尺寸及其功能，由气动手册查得选用气缸的型号为JB100×500-G(脚架式)。

2.3.2.3 气缸电磁阀的选择

气源三联件根据上面计算出来的进口要求压力选择型号为QFLJWB-L15，其进口压力为0.4 MPa。并根据气缸所要实现的动作特点及要求，电控阀采用双电控二位五通换向阀，型号为QFLJWB-L15。

2.3.3 滚动导轨副的设计选择

为了达到铺粉辊来回铺粉的功用，本系统选择滚动导轨副来实现这个动作。因为THK公司的HR型具有自动调节能力，即使两轴的平行度和水平度较差，也能吸收误差，从而得到高精度、平滑稳定的直线运动。并且它还可以以各种各样的姿势使用。所以选择THK个公司的LM滚动导轨副，具体型号选择HR1123，尺寸如所附零件图。

2.3.4 铺粉辊子及其推板的设计

铺粉装置的设计好坏对铺粉的均匀性起着决定性的作用，而铺粉的均匀性又直接影响着烧结的质量，铺粉装置的设计有以下几个关键方面：

1)辊子转动时自带粉末的处理。尽管推板在辊筒压实之前已经自带一小部分粉末，然后在离心力的作用下抛撒已经铺均匀，但是辊筒在压实的时候还是会压实过的地方。为了解决这个问题，本系统设计了双向推板，一方面双向推板可以实现双向铺粉的要求，提高了效率；另一方面，双向推板可以解决这个问题，当铺粉辊筒抛撒粉末时，后面的推板可以把抛撒的粉末推走，使铺粉均匀，从而给烧结提供一个好的前提。如果辊筒只发生纯滚动，辊筒与粉末接触点处的相对速度可以认为是零，这时粉末只受到如图7所示正压力F的作用，其分力F1推动粉末向前运动，分力F2对粉末起到压实的作用。如果F2远大于F1，则有可能辊筒直接从粉末上碾过而不能起到铺粉的作用。在这种情况下设计了双推板装置，可以预先达到铺粉的作用，而辊筒的作用是压实，可以实现。

2)辊子半径的设计。辊筒的作用是压实，所以辊筒的质量要尽可能的大，这样F2才能大，压实的效果才能好。为了达到这个目的，一方面可以使制作辊筒材料的密度相对大些；另一方面，可以使辊筒的半径尽可能的大。

图7 铺粉辊筒转动时粉末受力示意图

3)辊子表面的设计。辊筒表面的粗糙度直接影响铺粉压实后粉末的表面质量。辊筒表面过于粗糙时会使已铺好粉末的烧结区产生划痕，影响铺粉的均匀性。但当辊筒的表面过于光滑，滚筒打滑，使得粉末同已烧结好的零件产生向后的偏移，影响烧结精度，同时也会影响铺粉的均匀性。为了解决这一问题，在辊筒上开一螺旋槽，其截面形状如图7所示，这样铺粉时螺旋槽既不会影响铺粉的表面质量，而且也不会打滑，从而提高烧结件的质量和精度。

4)推板结构的设计。推板的功能是推粉，使粉末达到第一次铺粉(第二次铺粉由辊筒实现)。所以设计为推板，又由于本装置要求双向都可以实现推粉功能，所以设计为双向推板。同时，更重要的是要考虑推板所应提升的高度，这是因为假如推板的下表面直接与工作台接触，那么辊子就基本上起不到作用。所以，考虑此原因，必须使推板离工作台有一定的距离，并且这个距离应该可以调节，因为每种材料的密度是不一样的，所以压实的效果还要看推板给辊子留下的粉末厚度。

综上所述，所以要把推板设计成具有调节高度功能，为了达到此效果，本设计用自动调节螺母来实现此功能。具体设计的推板简图如图8所示。

图8 铺粉推板简图

同时，因为推粉一定要推满成形缸，所以推板的设计宽度要比成形缸的直径大一些。

辊子架的设计：为了降低加工难度，降低加工成本，所以辊子架由3部分组成，分别是支撑轴1、轴承座2和推板连接架3，4是是焊接螺钉，5是焊接螺栓，6是调节螺母。最后再组装。辊子架组装示意图如图9所示。

图9 辊子架装配示意图

2.4 密封装置的设计

在激光快速成形技术中，由于金属粉末暴露在空气中，金属烧结粉末材料在高温烧结的条件下容易发生氧化。为了防止金属粉末被氧化，采用气氛保护装置就成为根本的解决方法，为了使密封装置既可以达到防止材料氧化的目的又可以对加工过程进行观察的功用，密封装置用改性有机玻璃板制成，改性有机玻璃的表面有按照尺寸设计的定位槽，这样也有利于密封，其连接用特种胶水粘牢。

保护气氛围的建立方式是在工作腔中充入不活泼的气体，通常是氨气。保护性气体的浓度维持在一定水平才能防止金属粉末早烧结是的高温环境下产生氧化作用。

本密封装置采用改性有机玻璃作为材料，一方面改性有机玻璃容易实现密封，易于用特种胶进行沾接；另一方面改性有机玻璃是透明的，可以对烧结过程进行直观的观察。

本装置主要由工作台1，上板2，左板3，右板4，前板5，后板6以及右板上的门7组成。工作台固定在机架上，工作台上有成形缸口，2个送粉缸口以及2个残粉收集口，具体设计如图10所示。在图10中由于视图关系，看不见前板和后板。

图10 密封装置示意图

上板上有激光扫描窗口，激光就是通过此口对金属粉末进行烧结的，所以烧结口的中心一定要与成形缸的中心同心；左板上设计有两个口，气缸的活塞杆就是通过此口推动滚动导轨运动的，从而推动推板进行铺粉，辊筒进行压实的；右板上设计了一个门，这个门主要是用来加料和取出烧结件的，注意这个门的密封性一定要好，这个门的示意图如图11所示。

图11 密封箱上门的示意图

后板上设计有一个进气口，主要是为了充入保护气体，实现密封箱的保护气氛围，注意此进气口尽量设计得开在后板下部靠近工作台一侧，因为这样可以使的保护气分布比较均匀；前板上设计有一个出气口，此口是为了在充入保护气时排出密封箱中的空气，此口设计尽可能开在前板上部靠近上板一侧，这样也是为了使保护气分布均匀。

2.5 残粉收集装置的设计

由于送粉缸所提供的粉末材料在铺粉过程中有残留，为了使工作台上不积累粉末，所以必须设计残粉收集装置，此装置上可以装配上任何形状的橡胶袋制品，非常方便。其装置图如图12所示。

图12 残粉收集装置示意图

2.6 机架的设计

本装置的机架主要材料为边宽为50 mm的热轧等边角钢，主要由其焊接而成，部分地方还用到了边宽为70 mm的热轧等边角钢。由于本装置的质量不是很大，所以不需要对此进行受力分析，只要按形状进行焊接即可。

3 控制部分的的设计

3.1 总体设计

3.1.1 总体方案

选择性激光快速成形系统SLS具有成形速度快，材料利用率高的优点。本套系统的控制部分主要由3个功能性模块构成，即提升装置控制模块、气动装置控制模块和辅助装置控制模块。这三个模块之间相互联系不多，基本上是独立运作。提升装置控制模块包括工作平台控制、送粉机构、成形机构等部分。气动控制模块包括气动系统的控制，主要是对电磁阀的控制。辅助控制部分则包括温度控制和各开关量的控制等部分。其系统整体构成图如图13所示。

图13 系统整体构成图

图14 快速成形系统的机械运动与温度控制的原理图

具体动作协同运转如下：

快速成形系统在烧结过程中，切片层厚度不变，每烧结完一层后工作平台下沉设定的层厚高度，然后重新铺粉。铺粉辊左右交替运动，同时，铺粉辊自转，以维持铺粉均匀与平整。 系统采用热电偶测量两个送粉缸和红外测温仪检测烧结腔的预热温度和加热温度，对于不同的烧结材料，可以选择适当的预热温度，并由计算机实现3个缸的温度的闭环控制，以达到对温度的要求。

快速成形系统的机械运动与温度控制的原理如图14所示。在控制计算机中除HC/2激光扫描控制板外，还安装了3块接口板PCL-818,PCL-839和6通道的D/A输出DAC-7226。PCL-839用于控制3个步进电机的正反转实现控制工作平台和送粉缸的高度的目的，控制信号为脉冲输出。同时，它还具有DI和DO的功能，DI主要处理铺粉辊平移到左右极限和接近开关处时的输入信号。DO主要输出各个开关量的控制命令，如控制激光、振镜、电磁阀的电源输入的继电器的开与关。

要使整个系统正常运转，必须合理地选择所需的硬件组合，需要从各方面考虑，如:系统功率、系统的稳定性等。其中硬件的选择是根据设备的设计要求进行的。由于本套系统采用的是双缸送粉装置和工作缸扫描相结合的烧结机构，因此在缸体驱动、铺粉辊的驱动部分、控制板的选择、加热装置的选择等方面都要通过严格的计算和选择。

3.1.2 工控板的选型

选择什么样的工控板作为控制元器件要根据实际的需要。因此，在选择工控板前必须先计算好有多少开关量、A/D转换点数、D/A输出控制以及具体要实现什么样的功能等。

由于本套系统没有采用以前的落粉装置，而是采用三缸送粉装置，它需要3个步进电机驱动。为此，选择PCL-839三轴步进电机控制卡作为步进电机驱动元器件。另外，根据设计要求，需要的输入信号有铺粉辊的接近开关信号(2个)、限位开关信号(2个)以及为防止系统扩充需要的2个备用的输入通道，共有6个输入开关量;系统需要的输出有激光电源开关、振镜电源开关、铺粉辊左右平移输出、电磁阀开关以及备用的开关，共有14个输出开关量，考虑到将来系统扩充需要，选择的光隔离输入和输出控制板均为点数为16的PCL-782(输入)和PCL-785(输出)控制板。

由于需要对系统的温度和氧气浓度进行检测与控制，共需4个A/D转换通道，4个D/A输出通道，加上一个备用的通道，共需A/D，D/A各5个点。根据市场上所能提供的产品，我们选择的是具有16个单端输入(8个双端输入)的PCL-818单端(双端)输入A/D转换板和DAC-7226六通道D/A输出卡作为控制板卡。

3.2 辅助装置控制模块的设计

快速成形系统的辅助控制动作主要有左右限位开关和左右接近开关、温度的检测与控制(包括工作缸与送粉缸的温度检控)、氧气浓度的检控等。其中温度的检控则是由温度传感器、红外测温仪、加热管、可控硅、A/I转换卡、D/A输出控制卡协同完成;氧气的检控由电磁阀、氧气浓度传感器、A/D转换卡共同实现。

3.2.1 传感器的选择

系统传感器主要有温度传感器、氧气浓度传感器、限位开关和接近开关。温度传感器用于测量左右送粉缸的温度值，要求精度不是很高，故此要求的性能不需要很好即可，但为了保证系统的灵敏度，选择的是灵敏度较高的E分度号的热电偶。对于要求较高的工作缸则是使用的型号为Raytek公司生产的LTSF红外测温仪。工作腔内氧气浓度的检测与控制是通过氧气浓度传感器、A/D转换控制板PCL-818以及计算机I/O输出控制电磁阀共同完成的。接近开关的型号为TOKY，限位开关选用进口的，以保证其使用寿命和反应的灵敏性。

3.2.2 温度加热与检侧装置的选择

系统加热装置主要由加热管、红外测温仪、温度传感器、数字显示控制仪和可控硅控制部分组成。

根据实际需要在工作状态下，我们要求的加热温度因加工材料的不同而不同。因此，既要保证加热管满足加热功率的要求，也要保证不同材料的温度控制在不同的许可范围内波动，才能使得温控系统满足工作要求。

在工作状态时，粉末受到持续的辐射，温度不断上升，随着温度不断上升，散热的热流将增加，从加热元件来的交换热流将减小，这样当温度升高到一定程度后，系统的散热与加热会处于一个暂时的平衡状态。而在从加热到这个平衡过程中，工作腔内的温度场在散热和热传导的作用下会达到一种近似的均匀状态。故，如何合理的布置加热管，选择多大功率加热管显得尤为重要。在工作缸中设有4根加热管，总功率为4 kW、送粉缸各一根，均为1 kW。其中因为工艺上的要求，工作缸部分的加热管的功率大，且采用精度更高的红外测温仪检测工作面的温度，检测到的信号经过数字显示控制仪表进入计算机进行处理，然后通过D/A输出控制板输出实现可控硅控制。左右送粉缸则使用E分度号的温度传感器进行温度检测。

4 结论

传统SLS系统，由于机械设计以及工艺等方面的缺陷，使烧结的效率不高。为了提高SLS的烧结效率，我们经过分析从机械以及烧结工艺方面对整个系统进行了改进，以期在不影响制件精度的情况下，最大限度地提高整个SLS系统的效率，改善烧结环境，提高烧结间的质量。下面介绍本装置的创新之处以及以后需要改进的方向。

4.1 创新之处

4.1.1 双缸送粉

图15 现有机械装置结构示意图

图16 改进后机械装置结构示意图

在成形过程中，材料的进给方式和加热方法是首先必须解决的问题。以往的SLS设备一般采用单缸送粉、工作缸加热的方式(如图15所示)。这种方式在送粉和加热时都存在严重的时间浪费。为此，我们对机械部分进行了改进，如图16所示。

采用双缸送粉、三缸同时加热的方式。粉末在烧结前，需要充分加热以达到烧结所需要的温度，否则烧结的零件就会变形。如果采用单缸送粉的方式，由于送粉缸中的粉末没有预热，新铺一层粉后需要较长时间的加热才能烧结，这样就影响了烧结的效率；采用双缸送粉后，粉末在送粉缸中已经经过了预热，铺粉后可以马上进行烧结，大大节省了时间。

同时，在系统中加入接近装置。当铺粉辊向右铺至B点(或者从右向左铺至A点)，系统即可开启激光进行扫描，这样可节省往复运动所浪费的时间，提高了效率。

采用改进后的系统，平均每层可节省时间5.6 s，烧结一个零件所需时间为：T=预热时间+层数×每层铺粉时间+烧结实体时间。按测试件高为100 mm，单层取0.1 mm 计算，可节省时间100÷0.1×5.6=5 600 s。

同时，由于采用两边送粉缸预热的方式，使待烧结粉末进入工作面时与下面已烧结好粉末的温度差变小，能够很好地防止粉末因突然受热膨胀而使零件翘曲，提高了零件的加工精度。

4.1.2 气动装置

本设计采用气动装置。气动驱动方式最重要的优点是工作介质空气是取之不尽，用之不竭的，空气本身不花钱。排气处理简单，不污染环境，成本低，压力等级低，使用安全。这样还可以保证工作环境的清洁干净。

4.1.3 密封装置

本设计还设计了密封箱，使加工环境处于密封状态，避免使要加工的材料和空气接触，从而防止了原材料的氧化，提高了制件的加工质量，这样同时也是本装置的适用范围大大扩展。

4.1.4 十字联结的适用

为了防止活塞在送粉缸或者成形缸运动时卡住，本装置在活塞杆和活塞连接处设计了十字联结，增加了该处的自由度，减少了活塞发卡的几率。

4.2 本设计缺点

SLS技术是非常年轻的一个制造领域，在许多方面还不够完善，如目前制造的三维零件普遍存在强度不高、精度较低及表面质量较差等问题。SLS制造系统不够先进效率不高等。

4.2.1 制件在烧结时易偏斜

当铺粉时由于铺粉辊子有一个向前的力，使得处于粉末中的制件已烧结部分容易发生偏离，这样使得制件的精度偏下，有的甚至报废。为了解决这个问题，我们进行了理论研究，我们的研究方向是不断想办法减小辊子与工作台之间的摩擦力F向前的分力F1，又为了增强压实效果，不断增大摩擦力F向下的分力F2。

4.2.2 悬臂传动

本装置在步进电机驱动丝杠，丝杠传动活塞杆提升装置部分的设计中运用了悬臂传动，悬臂传动在传动过程中产生晃动，导致系统的不稳定性增加，尽管本设计中运用了此设计方案，但是在以后工作中尽量不予以采用。