一種用于快速成形設備的分離型定量送粉裝置

趙 培,賈文鵬,陳斌科,趙小歡,任 龍,向長淑,賀衛衛

(西安賽隆金屬材料有限責任公司, 陜西 西安 710016)

0 引言

通過選區熔化工藝進行零件的快速成形技術是目前快速制造領域研究的熱點，其中典型的技術有：選區激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)，電子束熔化(Electron Beam melting，EBM)[1]。這些技術的工藝流程類似：首先在加工平面鋪好一層原料粉末，然后加工源根據零件截面形狀對粉末進行分區作業，成形出零件的截面輪廓。SLM技術采用激光對粉末進行燒結/熔化，黏附成形；EBM技術采用電子束對粉末進行完全熔化快速成形[2]。在一層粉末成形完畢后，鋪送粉裝置在成形工作面再鋪上一層粉末，加工源對該層粉末再次進行選區作業，并完成新生成層片與原有部分之間的連接，如此循環逐層堆積制造得到任意形狀的實體零件[3-5]。

在粉床選區沉積技術中，必然包含有粉末原料的存儲、供給、鋪送及回收工作。作為成形的基礎，送粉裝置的穩定運行對成形的速度和精度、工藝的連續性和可靠性都具有舉足輕重的影響，任何因送粉裝置導致的粉層不均都將影響零件成形的質量，甚至造成成形件的報廢。由此可見，送粉裝置是快速成形設備中的關鍵部件之一。

1 現有送粉裝置中存在的問題

選區沉積類工藝均使用金屬粉末作為成形材料，因此必須有粉末的存儲與供給機構。按照儲供料機構相對于成形平臺的高度來劃分，可以將其分為下置供料和上置供料兩種；按照儲供料機構的數量來劃分，可分為單、雙料倉式供料結構；按照送粉量的控制來劃分，可分為定量送粉機構及非定量送粉機構。各種不同的送粉機構如圖1～圖4所示。

下置儲供料均為活塞缸式(如圖1所示)，其優點是供料步驟簡單、行程小、供料量可以精確控制，缺點是供料時缸內所儲粉末必須全部被推動，對摩擦力和重量較大的金屬粉末來說，所需驅動功率較大，結構單一且比較復雜。上置送料機構根據送粉量的控制分為定量送粉與非定量送粉兩種。定量送粉機構如圖4所示，通過控制送料口的開閉等簡單動作實現定量送粉，缺點是需要增加動力源驅動輥子、旋轉片等機構轉動實現送料口的開合，且金屬粉末易阻塞運動機構；非定量機構如圖3所示，出料口常開，粉末自由堆積于料斗前，通過刮片推壓金屬粉末堆取粉，這種送料機構結構簡單穩定，缺點是無法定量送粉且取粉過程中會造成粉末向出粉口兩側溢出，粉末利用率低[6-7]。

圖1 雙活塞缸式送料機構

圖2 雙料斗式送料機構

2 定量送粉裝置

為了克服目前快速成形設備中送粉裝置的上述缺點，提出一了種送粉可靠性高、結構簡單的快速成形的鋪粉裝置，如圖5所示。該送粉裝置采用粉箱、旋轉出粉口的構造，借助刮片平移動作實現出粉口的開合。工作狀態下，粉箱內的粉末通過連接槽2的通道落入旋轉塊3的弧形槽內并形成堆積角自動封堵出粉口，當刮片4向旋轉塊3移動時會推動旋轉塊3旋轉，此時該送粉機構的出粉口打開，粉末流出；刮片4反向移動時，旋轉塊3借助重力自動恢復垂直位置并通過粉末堆積封堵出粉口，完成一次出粉口開合動作即送粉動作。該種定量送粉裝置借助刮片的移動實現了出粉口的開合動作，無需在成形室內額外增加動力源；通過刮片在取粉過程中帶動旋轉塊3旋轉的角度及取粉停留的時間，可實現精確送粉。

圖3 雙料斗自由堆積式送粉機構

圖4 單料斗轉輥式定量送粉機構

1-粉箱；2-連接槽；3-旋轉快；4-刮片

該送粉裝置雖然實現了減少動力源、定量送粉的目的，但在使用的過程中也暴露了難以調整的缺點。由于粉箱、旋轉出粉口為一整體，安裝于成形室內后旋塊高度無法調整；要實現縱向取粉均勻，需保證旋轉塊與刮片平行，但由于該送粉機構儲粉機構與旋轉出粉口一體化，整體調整難度較大，隨著粉箱內粉末的消耗、重量的減輕，刮片在碰撞旋轉塊取粉的過程中也會造成整體機構移動，無法保證旋轉塊與刮片始終平行，從而造成出粉量在縱向不均勻，嚴重影響加工過程。

3 定量送粉裝置的改造

針對上述裝置在使用過程中的問題，本文對其進行優化設計，提出了可調式分體型定量送粉裝置。該裝置由獨立的粉箱和可調式取粉器組成，如圖6所示。粉箱與取粉器的分離使取粉器便于更精確的調節，不受粉箱位置精度的影響。取粉器由集粉槽、旋轉塊、支架、抬升螺栓等組成，如圖7所示。集粉槽通過銷軸固定在兩個支架上，形成連桿機構，通過支架下方基座的水平移動，使旋轉塊在水平平面內以其中心做±15°的旋轉，以保證旋轉塊與刮片的平行，控制取粉量的均勻性；支架底端借助燕尾槽鑲嵌其中，通過抬升螺栓使支架在垂直方向可調，以適應不同粉末出粉量調節的需求。該送粉裝置調節方便，可實現精確均勻的定量送粉，由于采用了分體式設計，可根據不同設備粉箱尺寸的需求進行調整，作為一獨立模塊加載到增材制造設備中。

圖6 可調式分體型送粉裝置整體示意圖

圖7 取粉器結構示意圖

4 結束語

可調式分體型送粉裝置可克服其他類型鋪粉機構存在的鋪粉不均、調節困難等缺點，其結構簡單緊湊，并可作為一整體化模塊在快速成形設備中自由加載。利用該裝置可最大限度地減少送粉過程中粉末利用率低的現象，并提高了機構可調節能力；裝置中所采用的分離式送粉結構，可根據用戶的要求配合不同尺寸的粉箱，適用于不同用粉量的快速成形設備。