金屬粉末激光燒結(jié)機(jī)的功能分析與系統(tǒng)設(shè)計
金屬粉末激光燒結(jié)機(jī)的功能分析與系統(tǒng)設(shè)計
摘 要：文章結(jié)合金屬粉末激光燒結(jié)機(jī)的功能，對該設(shè)備主要模塊進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，同時通過各模塊之間的工作流程之間的配合關(guān)系，對該設(shè)備的系統(tǒng)及主要模塊的工作流程進(jìn)行了分析和設(shè)計。
希望這樣的探討對于該類激光加工機(jī)器的具體設(shè)計有所助益。
關(guān)鍵詞：金屬粉末;激光選區(qū)燒結(jié);3D打印技術(shù)
1 金屬粉末激光燒結(jié)機(jī)的工作原理與各功能模塊的結(jié)構(gòu)分析
金屬粉末激光燒結(jié)機(jī)是基于金屬粉末的激光選區(qū)燒結(jié)增材制造技術(shù)和相關(guān)工藝，屬于3D打印技術(shù)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。
金屬粉末激光燒結(jié)技術(shù)是基于離散化的堆積成型原理而產(chǎn)生的新型數(shù)字化成型技術(shù)。
從具體功能上來說，金屬粉末激光燒結(jié)機(jī)的計算機(jī)成型系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計工藝要求對要制造的三維實體造型進(jìn)行分層切片處理，在系統(tǒng)中三維造型的CAD模型將被分層離散化為許多二維層面信息。
同時計算機(jī)成型系統(tǒng)與機(jī)電控制執(zhí)行系統(tǒng)相連，通過信息采集和數(shù)據(jù)處理的過程，將相應(yīng)的運(yùn)動控制指令輸入執(zhí)行系統(tǒng)。
在金屬粉末的激光燒結(jié)過程中，激光以一定的掃描速度和能量密度有選擇性地對金屬粉末進(jìn)行分層掃描，是金屬粉末粘結(jié)化，進(jìn)而固化。
該設(shè)備通過順序完成各個層面的成型制造，最終完成與三維實體造型一致的金屬零件。
1.1 掃描光路與激光發(fā)生器
掃描振鏡由兩個擺動電機(jī)帶動的相互垂直的反色鏡組成，分為X鏡與Y鏡。
在掃描過程中，擴(kuò)束后的激光光束先射入X鏡，然后通過X/Y鏡的兩次反射，再由聚焦鏡聚焦到金屬粉末表面來進(jìn)行成型加工。
掃描振鏡掃描的優(yōu)點是：電機(jī)帶動的振鏡鏡片轉(zhuǎn)動慣量小，響應(yīng)速度快，可以實現(xiàn)高速掃描;鏡片的動態(tài)響應(yīng)特性好;掃描速度快，且變速范圍大;控制精確。
基于以上優(yōu)點，使用掃描振鏡的激光加工成型效率高，且掃描精度高，故而該掃描光路結(jié)構(gòu)在金屬粉末激光燒結(jié)工藝及其相關(guān)設(shè)備中得到了更廣泛的應(yīng)用。
作為一個獨(dú)立的功能模塊，通常將激光和掃描光路整合成一個激光發(fā)生器，通過數(shù)字化、參數(shù)化的方式來控制激光的燒結(jié)功率、激光束半徑、燒結(jié)時間、間隔時間以及掃描間距等。
根據(jù)金屬粉末激光燒結(jié)工藝的具體工作步驟，一般將激光發(fā)生器設(shè)計于整個成型室的正上方，與鋪粉裝置配合完成對各金屬粉末層的選區(qū)掃描。
1.2 成型缸的機(jī)構(gòu)與成型室的結(jié)構(gòu)功能
成型缸是金屬粉末激光燒結(jié)機(jī)的重要組成部分，位于該設(shè)備的中心位置。
金屬粉末的燒結(jié)就是在成型缸內(nèi)與活塞相連的平臺上。
根據(jù)工藝要求，每次燒結(jié)之后，加工平臺會隨著活塞下降一定的高度。
該機(jī)構(gòu)在工作過程中，由步進(jìn)電機(jī)通過同步帶、大帶輪來驅(qū)動絲母轉(zhuǎn)動。
這里絲母只做轉(zhuǎn)動而無上下運(yùn)動，通過絲母語滾珠絲杠的相對運(yùn)動，從而實現(xiàn)絲杠無轉(zhuǎn)動的上下直線運(yùn)動。
絲杠與活塞相連，這樣就完成了活塞和加工平面的上下運(yùn)動。
為了避免成型缸內(nèi)的金屬粉末在平臺上下移動過程中從平臺、活塞與缸壁之間的縫隙泄露，采用了環(huán)狀的密封墊。
在整個燒結(jié)過程中，密封墊會隨著加工平臺、活塞沿著缸體壁做緊密滑動，達(dá)到密封效果。
2 金屬粉末激光燒結(jié)機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計
2.1 系統(tǒng)框架與系統(tǒng)控制流程
金屬粉末激光燒結(jié)機(jī)的控制系統(tǒng)主要由四部分組成：激光振鏡系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)、成型缸系統(tǒng)和貯粉缸系統(tǒng)。
激光振鏡系統(tǒng)負(fù)責(zé)激光束的掃描運(yùn)動;鋪粉系統(tǒng)負(fù)責(zé)燒結(jié)過程中的金屬粉末預(yù)鋪;成型缸系統(tǒng)負(fù)責(zé)各層燒結(jié)過程中工作平臺的上下移動;貯粉缸系統(tǒng)負(fù)責(zé)燒結(jié)過程中金屬粉末的提供和收集(由供粉缸與廢料缸的相關(guān)機(jī)構(gòu)來完成)。
2.2 系統(tǒng)控制流程
在進(jìn)行激光燒結(jié)前，需要將供粉缸的工作平臺向上移動到金屬粉末凸出一個層厚的預(yù)先設(shè)定位置，同時成型缸的工作平臺向下移動到金屬粉末層上表面一個層厚的位置，并對系統(tǒng)各控制模塊定義初始位置。
通過串口通訊，上位機(jī)發(fā)送相應(yīng)指令到PLC，PLC按照接受到的指令來分別控制各模塊的運(yùn)動。
在鋪粉的工程中，輔粉滾輪將供粉缸工作平臺上的金屬粉末鋪設(shè)到成型缸工作平臺的相應(yīng)位置。
待系統(tǒng)檢測到鋪粉滾輪已鋪粉完成后，會由PLC控制激光振鏡系統(tǒng)對金屬粉末進(jìn)行激光掃描，從而完成對金屬粉末的一層燒結(jié)。
燒結(jié)完一層后，PLC自帶的A/D轉(zhuǎn)化單元將掃描完成的數(shù)據(jù)存儲到PLC的寄存器中，然后上位機(jī)接收串口通訊傳遞來的數(shù)據(jù)并通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。
經(jīng)上位機(jī)分析處理后，再次發(fā)送指令到PLC，使PLC完成下一層的金屬粉末燒結(jié)任務(wù)，直到整個制件燒結(jié)完成。
其中，行程開關(guān)是控制系統(tǒng)的保護(hù)裝置，在未工作時處于常開狀態(tài)，當(dāng)某模塊運(yùn)動單元的移動量大于最大量程時，行程開關(guān)關(guān)閉，PLC接收行程開關(guān)傳來的信號，迅速終止單元的運(yùn)動，從而保證運(yùn)動的可靠性。
2.3 供、鋪粉系統(tǒng)
鋪粉系統(tǒng)在鋪粉滾輪運(yùn)動方向的兩端均設(shè)有內(nèi)置檢測裝置。
通過PLC向伺服驅(qū)動器傳遞鋪粉滾輪的位置信號來實現(xiàn)它的動作和位置控制。
如圖1所示的是鋪粉過程流程圖。
在鋪粉過程中，根據(jù)具體的運(yùn)動模塊參數(shù)，設(shè)定鋪粉系統(tǒng)的工作時間范圍是T0 2.4 激光燒結(jié)流程
金屬粉末的激光燒結(jié)時需要實時地從上位機(jī)的三維實體造型軟件中獲取模型的切片數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存到寄存器中。
這樣通過上位機(jī)、PLC和檢測系統(tǒng)的聯(lián)動控制，逐層地完成金屬粉末的激光燒結(jié)，直到整個制件完成。
3 結(jié)束語
通過對金屬粉末激光燒結(jié)機(jī)的主要功能模塊的分析，能清楚地了解該類激光加工機(jī)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理，通過對該設(shè)備的主要功能模塊的系統(tǒng)設(shè)計，能夠明確該類激光加工機(jī)器的具體工作流程和整合系統(tǒng)的運(yùn)作模式。
這為具體模塊的功能細(xì)化和參數(shù)化設(shè)計提供了依據(jù)。
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