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CN102514950A - 一种移动臂式粉床铺粉装置 - Google Patents

一种移动臂式粉床铺粉装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于快速成形设备的铺粉装置。该装置主要包括定量送粉装置、移动料斗、移动臂、移动框架等结构。其利用定量送粉装置对移动料斗供粉，通过旋转薄片控制粉末的下落与否；并根据零件截面形状，移动料斗在移动臂和移动框架的带动下在工作平面内做规律的平动，料斗上的刮片即可实现动态铺粉。本发明将移动臂、移动料斗与移动框架结合，将铺粉限定在零件区域，并根据零件截面变化调整铺粉量大小与铺粉位置，不仅大大节省粉末用量，且铺粉速度快；铺粉装置结构设计简单，拆装方便，易于实现，成本较低，对于提高粉床快速成形工艺的整体技术水平有重要应用价值。

Description

一种移动臂式粉床铺粉装置
技术领域
本发明属于先进制造领域，具体涉及一种移动臂式铺粉装置，主要用于快速成形设备的高效铺粉。
背景技术
目前，以粉末为成形材料通过选区沉积工艺快速成形实体零件的方法是目前快速制造领域研究的热点。主要包括：选择性激光烧结(SelectiveLaser Sintering，SLS)，选择性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)，直接金属粉末激光烧结(Direct Metal Laser Sintering，DMLS)，电子束熔化(Electron Beam Melting，EBM)等。其工艺原理及流程：首先，在工作台上均匀铺一层很薄的粉末；然后，计算机根据成形零件的截面数据控制加工源(如激光、电子束等)对粉末进行分区作业，该层截面轮廓内的粉末经熔化或烧结后粘结在一起；一层完成后工作缸的工作平面下降一个层厚，铺粉装置在已成形零件表面上再铺一个层厚的粉末进行下一次成形；重复该过程直至三维零件完成。如SLS是利用激光对添加有高分子粘结剂的金属粉末进行烧结成形，SLM是利用激光束对金属粉末进行熔化成形，DMLS是采用激光对二元金属进行烧结成形，EBM采用电子束对粉末进行熔化快速成形。
在以粉末为原料的快速成形技术中，成形过程涉及到粉末的存放、供给、铺放与回收等工序。基于粉床的快速成形工艺具有成形精度高、可成形复杂结构等优点。作为快速成形的重要的工艺基础，铺粉装置的稳定性、可靠性与连续性对快速成形的速度与精度有重大影响，铺粉的速度与方式也对成形效率和成形材料的利用率有很大影响。因此，铺粉装置是快速成形设备的关键部分。铺粉装置按照铺粉方式分为固定缸送粉、铺粉辊式、移动料斗式、水平移动刮板式等方式。目前应用于快速成形设备中的送铺粉机构一般都是以上介绍的几种铺粉装置与现有的储粉装置组合搭配起来的。
现有技术存在如下突出问题：
(1)利用现有的铺粉方式及装置进行铺粉，粉末利用率低，需粉量大，且铺粉时间长，铺粉效率低。
以上述方式构建的铺粉系统的软硬件实现方式虽然比较简单，但存在严重的材料浪费与工作效率低的缺陷。目前，快速成形设备的铺粉装置是由导轨和皮带带动。铺粉方式为边从左向右运动边铺粉，铺粉行程长，零件成形区所占铺粉面积小，且为保证铺粉的稳定与可靠，要求铺粉装置速度低，因此铺粉过程占的时间较长，而每层截面实际成形的时间是相对较短的，造成了成形时间浪费。另外，现有的铺粉方法是将粉层从储粉处一直铺满整个工作台，而实际上只有零件成形区域的粉末才会被利用，这造成了大部分材料的浪费，材料利用率较低。
(2)铺粉装置为刚性结构，在铺粉过程中易与表面凸起摩擦，影响铺粉稳定性。
粉末快速成形工艺过程中，易出现球化、黏粉等现象，且在截面形状突变、工艺条件等客观条件的影响下，成形表面的某些地方会产生凸起。而现有的铺粉装置如铺粉辊、刮板均为刚性结构，易在铺粉过程中与凸起产生严重的摩擦，不仅减短铺粉机构的使用寿命，影响铺粉的稳定，严重时可能导致铺粉装置的卡死，使成形过程中断，直接影响成形零件的精度与性能。通常我们可以通过手动调节适当的下降工作台面的高度使铺粉装置顺利的通过，但这样会增加粉层的厚度，必然降低成形件在竖直方向的精度与成形质量。
(3)粉末的快速成形环境较差，铺粉设备结构较复杂，粉末的黏着影响其可靠性。
粉末快速成形环境一般较差，经常需要高能量密度热源(如激光)对粉体进行熔化或烧结，这些过程均伴随挥发、飞溅等现象，因而粉末易黏着在诸如轴承、铰链或运动部件上，影响其工作的可靠性，甚者阻碍设备的正常运转。若铺粉装备结构过于复杂，传动和运动构件过多，恶劣的生产条件对这些设备的不利影响会更加显著。所以对铺粉装备要求尽量采用设计简单，进程可靠性高、控制简易的结构，各部分要求拆装方便，可移植性强，有利于设备在工艺改进研究中根据不同需要能进行设当调整。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足而提供一种能实现动态区域铺粉的移动臂式铺粉装置，铺粉装置结构简单，便于拆装，可移植性强；采用本铺粉装置，铺粉快速，可靠性高，能减少铺粉时间并大大节省粉末用量，从而提高成形效率与材料利用率。
本发明提供的一种移动臂式粉床铺粉装置，其特征在于，它包括：
一定量送粉装置，其具有储粉箱、送粉辊和固定板，由外置的旋转电机带动，储粉箱底部下粉口处安装送粉辊以及固定板，起定量送粉作用；
一传动装置，其包括移动臂与移动框架，移动臂能在第一电机的带动下做左右方向的平面运动，移动框架能够在第二电机的带动下做前后方向的平面运动；
一铺粉设备，包括位于定量送粉装置的下方的移动料斗，其接料口与定量送粉装置的出粉口相对应，移动料斗安装在移动框架上，能在移动框架带动下作前后方向的往复运动。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、局部区域动态铺粉方法，将移动臂与移动框架配合带动移动料斗铺粉，使铺粉区域限制在成形零件区，且可根据零件截面形状的变化调整铺粉量和铺粉位置，大大提高粉末材料的利用率，节约粉末用量；
2、采用重力式供粉装置，控制简单，工作可靠；
3、铺粉装置整体结构设计紧凑，占用空间少，能最大限度的减少送铺粉机构的占用空间，且移动框架与移动料斗便于拆装，可移植性强，有利于设备在工艺改进研究中根据不同需要能进行设当调整；
4、本铺粉装置对采用的控制系统要求比较简单，只需控制移动框架在前后方向的直线运动和移动臂在左右方向的直线运动这两种基本运动，易实现，制造成本较低；
5、移动臂刚性好，运行平稳可靠，能高速运送移动料斗到成形区域，节省铺粉装置运送粉末的时间，提高生产效率；
6、移动料斗四周安装柔性刮片，保证铺粉过程中铺粉装置运行的稳定性与铺粉的顺畅，且柔性刮片拆装方便，可移植性强。
总之，本铺粉装置结构紧凑、占用空间小、控制简单、铺粉结构设计简单，可移植性较强；并利用移动臂与移动框架两者的同时运动实现局部动态铺粉，提高粉末利用率，并且极大地缩短了铺粉时间，有效地提高生产效率，对于提高粉床快速成形工艺的整体技术水平具有重要应用价值。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图。
图2为本发明装置斜后示意图。
图3A为本发明移动料斗结构示意图，图3B为移动料斗内部的旋转薄片结构示意图。
图4为本发明装置中移动框架示意图。
图5为本发明装置中移动臂示意图。
图6为本发明具体实施例斜视与截面示意图。
图7A与图7B为现有铺粉辊对截面变化的零件的铺粉对照图。
图8A与图8B为本发明装置对截面变化的零件的铺粉对照图。
附图标记说明：
1-储粉箱；2-料斗壁一；3-送粉辊；4-固定板；5-移动料斗；6-旋转轴；7-旋转薄片；8-旋转电机；9-移动框架；10-移动臂；11-刮片；12-复位弹簧；13-转轴定位孔；14-支撑台；15-支杆；16-第一滑槽；17-第二滑槽。
具体实施方式
本发明装置包括定量送粉装置、传动装置和铺粉设备。下面通过借助实施例更加详细地说明本发明各部分的结构，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。
如图1所示，定量送粉装置包括储粉箱1、送粉辊3、固定板4，并外配相应的旋转电机。储粉箱1固定在工作腔的上方，储粉箱1为漏斗状，料斗壁一2倾斜，其底部设有矩形下粉口，储粉箱1底部下粉口处安装固定板4，固定板4上开有与储粉箱1底部下粉口对应的出粉口，起定量送粉作用，送粉辊3安装在下粉口与固定板4之间，由外配旋转电机带动运转。
本发明对定量送粉装置结构并没有特殊的要求，可以采用现有的或自行设计的各种结构的定量送粉装置，图1只是列举了其中一种结构。
传动装置包括移动臂10、移动框架9、第一电机。如图4所示，移动框架9上设有两根对称分布的支杆15。
如图5所示，移动臂10中部开有用于放置移动料斗5的通口，并开有第一、第二滑槽16和17，第二滑槽17为通孔，第一滑槽16为盲孔，所述移动框架9穿过第二滑槽17，插入第一滑槽16的盲孔中，移动框架9与滑槽16、17为间隙配合，移动框架9可以在第二电机的带动下在滑槽16、17中做前后方向的平面运动。第二电机可以采用直线电机或旋转电机；第一电机也可以采用直线电机或旋转电机，若采用旋转电机，还需通过丝杆或其他等效的传动设备与电机配合实现传动功能。
当第一电机为旋转电机并辅加丝杆和移动轴套时，移动轴套夹紧移动臂侧部，其下部螺纹孔与丝杆相配合，第一电机与丝杆连接，能带动丝杆旋转，同时带动移动轴套及移动臂10沿轴向作直线运动。
铺粉设备包括移动料斗5和旋转电机8。
移动料斗5位于定量送粉装置的下方，其接料口与定量送粉装置的出粉口相对应。
如图3A、3B所示，移动料斗5为矩形口漏盒；其内腔上部安装带有旋转轴6的旋转薄片7；
移动料斗5由移动框架9支撑。具体可以采用下述结构：移动料斗5前后挡板上分别设置一支撑台14，移动框架9的矩形口与移动料斗5上部外围大小相当，移动料斗5通过支撑台14安装在移动框架9上。
为了使铺粉更均匀，移动料斗5的下铺粉口采用由前后左右四片柔性刮片11围成的矩形口，所述柔性刮片11的下半部分由多个分布均匀的柔性梳齿组成。
旋转轴6由旋转电机8带动旋转。通过控制旋转电机8的开启与停止，带动旋转薄片7旋转。旋转轴6和移动料斗5的壁之间的部位安装复位弹簧12，用于使旋转薄片7回复到初始位置。
在第一电机的带动下，移动臂10做左右方向的平面运动，支杆15在第二电机的带动下使移动框架9连同移动料斗5一起做前后方向的往复直线运动；移动料斗5的铺粉口即可在工作平面内进行铺粉操作。
利用上述装置进行铺粉的工作流程如下：
启动定量送粉装置向移动料斗5供应一定量的粉末，旋转薄片7处于水平状态；
由第一电机带动移动臂10高速将移动料斗5从左向右送到工作台；
移动臂10降低速度，启动旋转电机8，使旋转薄片7旋转约90度，粉末落到下粉口；
同时移动框架9根据零件截面形状带动移动料斗5做前后方向的往复运动；
移动料斗5下粉口处的四片刮片11随着料斗5移动进行铺粉；
铺粉过程完毕，关闭旋转电机8，旋转薄片7回复到初始水平位置。
下面结合附图及本发明的较佳实施例，进一步说明本发明的具体实施方式。
以成形图6所示的叶轮为例，选取成形材料为316L不锈钢粉末，采用选择性激光熔化成形(SLM)技术对金属粉末材料进行熔化成形，选取铺粉层厚为0.03mm。具体的工作流程如下：首先，根据本实施例叶轮的结构特点，选择从叶轮的底座开始一层一层竖直向上堆积成形。预先在储粉箱1中装足量的粉末，待成形腔内抽真空等预备工序完成后，即可开启铺粉装置。在初始阶段，移动料斗5内的旋转薄片7处于水平状态，旋转薄片7边缘与移动料斗5内腔相切。开启定量送粉装置，储粉箱1内的粉末均匀送入移动料斗5中，并由旋转薄片7承装。其中，定量送粉装置可控制送粉过程的均匀稳定性，并且能按照实际要求控制送粉量，使得送粉量刚好满足每一次铺粉过程需要的粉末量。装粉完成后，移动臂10由第一电机带动，在工作平面内带动移动框架9连同移动料斗5做从左向右的高速直线运动；当移动臂10运动到零件成形区时，移动臂10的速度由高速调整为低速向右运动，同时，旋转电机8启动，带动旋转轴6转动约90度，旋转薄片7所承装的粉末落到下铺粉口；根据计算机读入的叶轮第一层截面形状信息，移动料斗5随着移动框架9的支杆15在驱动机构带动下在移动臂10的滑槽16、17内做前后方向适当的往复运动，移动料斗5又带动四片柔性刮片11在工作平面内各个方向进行铺粉操作。这样能动态的将铺粉区域限制在零件附近，并根据零件截面形状大小调整铺粉量。待第一层粉层铺完后，工作台下降0.03mm，关闭旋转电机8，旋转薄片7在弹簧12回复力作用下回复到初始水平位置。移动臂10带动移动框架9和移动料斗5从右向左进行高速平动。
图7A与图7B展示了现有的铺粉辊对截面变化较大的叶轮铺粉对照图，明显发现第m层截面面积远小于第n层截面，但两次铺粉过程中，均会在整个工作平面内铺满粉末，铺粉量相当；图8A与图8B展示了本发明对叶轮铺第n层截面和第m层截面的情况对照，发现当零件截面较小时，所铺的粉只限制在零件截面附近小范围处，截面较大时，可根据形状将铺粉面积增大；这样动态的根据截面大小来调整铺粉面积，可大大减少粉末的浪费。
总之，本发明铺粉方法采用移动臂与移动料斗相结合实现局部动态铺粉方法，提高粉末利用率，极大地缩短了铺粉时间，有效地提高生产效率；并且，送铺粉装置结构设计紧凑简单、占用空间小、所要求的控制系统也较为简单、铺粉装置易于拆装、可移植性较强，有利于设备在工艺改进研究中根据不同需要能进行设当调整。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种移动臂式粉床铺粉装置，其特征在于，它包括：
一定量送粉装置，其具有储粉箱(1)、送粉辊(3)和固定板(4)，储粉箱(1)底部下粉口处安装送粉辊(3)以及固定板(4)，起定量送粉作用；
一传动装置，其包括移动臂(10)与移动框架(9)，移动臂(10)能够在第一电机的带动下做左右方向的平面运动，移动框架(9)能够在第二电机的带动下做前后方向的平面运动；
一铺粉设备，包括位于定量送粉装置的下方的移动料斗(5)，其接料口与定量送粉装置的出粉口相对应，移动料斗(5)安装在移动框架(9)上，能在移动框架(9)带动下作前后方向的往复运动。
2.根据权利要求1所述的移动臂式粉床铺粉装置，其特征在于，移动框架(9)上设有两根对称分布的支杆(15)；
移动臂(10)中部开有用于放置移动料斗(5)的通口，并开有第一、第二滑槽(16)、(17)，第二滑槽(17)为通孔，第一滑槽(16)为盲孔，所述移动框架(9)穿过第二滑槽(17)，插入第一滑槽(16)的盲孔中，移动框架(9)与滑槽(16)、(17)为间隙配合，移动框架(9)能够在滑槽(16)、(17)中移动；
第一电机为旋转电机，通过移动轴套和丝杆进行传动，移动轴套夹紧移动臂前后侧部，其下部与丝杆螺纹配合，第一电机与丝杆连接，能带动丝杆旋转，同时带动移动轴套及移动臂(10)沿轴向作直线运动。
3.根据权利要求1或2所述的移动臂式粉床铺粉装置，其特征在于，移动料斗(5)的内腔上部安装带有旋转轴(6)的旋转薄片(7)，旋转轴(6)由旋转电机(8)带动旋转；通过控制旋转电机(8)的开启与停止，带动旋转薄片(7)旋转；移动料斗(5)由移动框架(9)支撑；移动料斗(5)前后挡板上分别设置一支撑台(14)，移动框架(9)的矩形口与移动料斗(5)上部外围大小相当，移动料斗(5)通过支撑台(14)安装在移动框架(9)上。
4.根据权利要求1或2所述的移动臂式粉床铺粉装置，其特征在于，移动料斗(5)的下铺粉口采用由前后左右四片柔性刮片(11)围成的矩形口，所述柔性刮片(11)的下半部分由多个分布均匀的柔性梳齿组成；
旋转轴(6)和移动料斗(5)的壁之间的部位安装复位弹簧(12)，用于使旋转薄片(7)回复到初始位置。
5.根据权利要求1或2所述的移动臂式粉床铺粉装置，其特征在于，
定量送粉装置包括储粉箱(1)、送粉辊(3)和固定板(4)，并由外置的旋转电机驱动，储粉箱(1)固定在工作腔的上方，储粉箱(1)为漏斗状，料斗壁一(2)倾斜，其底部设有矩形下粉口，储粉箱(1)底部下粉口处安装固定板(4)，固定板(4)上开有与储粉箱(1)底部下粉口对应的出粉口，起定量送粉作用，送粉辊(3)安装在下粉口与固定板(4)之间。
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