本實(shí)用新型屬于增材制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種微細(xì)粉末小層厚鋪置的裝置，本實(shí)用新型主要用于激光微燒結(jié)、激光微熔化、選區(qū)激光熔化、選區(qū)激光燒結(jié)、選區(qū)電子束熔化成形等增材制造領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在基于三維CAD模型和粉末成形的增材制造技術(shù)中，小層厚的粉層可以降低臺(tái)階效應(yīng)、提高成形工件的精度，特別是提高成形工件的質(zhì)量，減少球化效應(yīng)和不致密等缺陷。要鋪置小層厚的粉層，必須采用微細(xì)粉末。隨著粉末粒度的減少，分子間作用力和顆粒間靜電力等表面力主導(dǎo)作用明顯，微細(xì)粉末粒子之間的作用力更易克服自身重力，形成聚團(tuán)導(dǎo)致粉末內(nèi)部均勻性較差，且聚團(tuán)顆粒之間的作用力較大。普通刮刀鋪粉裝置在鋪置微細(xì)粉末薄粉層時(shí)發(fā)現(xiàn)微細(xì)粉末只有極少量粉末殘留在基板上，大部分粉末都被刮刀帶走，這是因?yàn)殇佒梦⒓?xì)粉末時(shí)刮刀施加在粉末上的作用力大于粉末與基板之間的摩擦力，無(wú)法像大顆粒粉末鋪粉那樣停留在基板上。因此在這類增材制造技術(shù)中，粉末的均勻平整鋪設(shè)一直是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)。在微成形增材制造中，由于需要得到很小的特征尺寸、很高的空間分辨率，通常需要采用微米級(jí)甚至是亞微米級(jí)的微細(xì)粉末，鋪設(shè)數(shù)微米層厚的粉末，因此難度更大。

目前對(duì)于粉末的鋪設(shè)主要有如下兩種方法和裝置：一種是輥筒式鋪粉，其原理是隨著輥筒的運(yùn)動(dòng)推動(dòng)粉堆運(yùn)動(dòng)，粉末由于流動(dòng)性在輥筒和基板的間隙間形成薄薄的粉層。并且輥筒漸變的切向面對(duì)粉層有壓力作用。這一鋪粉方法的優(yōu)點(diǎn)是輥筒對(duì)粉層的壓力作用使得粉層致密度得到了一定提高，但是微細(xì)粉末的表面能大，輥筒轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，這些粉末易粘結(jié)在輥筒上，無(wú)法實(shí)現(xiàn)小層厚粉末的鋪設(shè)，目前輥筒鋪粉方式鋪置粉末的最小厚度在50μm左右；另一種就是刮刀式鋪粉，刮刀式鋪粉的原理是利用粉末的流動(dòng)性，粉末在刮刀的推動(dòng)下在基板上鋪展開(kāi)，并由刮刀的刀刃運(yùn)動(dòng)形成粉層。該方法由于刮刀與粉末是接觸面積小，且對(duì)粉層幾乎無(wú)壓力，從而避免粉末的粘附。雖然這種方式鋪置的粉層松裝密度沒(méi)有輥筒式鋪粉高，但是刮刀式鋪粉可以實(shí)現(xiàn)最小厚度為20μm左右的鋪粉厚度。目前比較大的粉末增材制造設(shè)備制造商最新設(shè)備，例如EOS公司的EOSINT M280設(shè)備、MCP公司的500HL以及RENISHAW公司的AM 250的鋪粉裝置都是采用這種方式。

雖然這種刮刀式鋪粉實(shí)現(xiàn)了20μm的鋪粉厚度，但這種鋪粉層厚依然無(wú)法滿足要求：對(duì)于選區(qū)激光熔化成形、選區(qū)激光燒結(jié)、選區(qū)電子束熔化成形等增材制造來(lái)說(shuō)，小層厚可以提高成形零件的精度和表面質(zhì)量，而對(duì)于當(dāng)今最新的微成形增材制造技術(shù)而言，需要層厚在數(shù)微米級(jí)。因此人們一直致力于鋪粉方法和裝置的研制。

為減少鋪粉厚度，比利時(shí)的J.P.Kruth改進(jìn)了刮刀式鋪粉裝置，實(shí)用新型了一種“slot feeder”的裝置，該裝置目的是減小刮刀前方粉堆的體積和質(zhì)量，從而減小刮刀與粉末的作用力。該裝置有效提高了刮刀式鋪粉的穩(wěn)定性。德國(guó)University of Applied Science Mittweida的Regenfuss等人設(shè)計(jì)了環(huán)形刮刀旋轉(zhuǎn)鋪粉方法和裝置，但該裝置環(huán)形刮刀運(yùn)動(dòng)速度較慢，鋪粉效率不高。該裝置成功實(shí)現(xiàn)了5μm以下粉層厚度的鋪粉。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種用于增材制造的微細(xì)粉末小層厚的鋪置，該裝置能夠?qū)⑽⒓?xì)粉末(微米、亞微米級(jí)粒徑粉末)均勻鋪置在基板上，且粉層厚度可到微米級(jí)，從而提高粉末增材制造的加工精度和加工零件的表面質(zhì)量。

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型的一種用于增材制造的微細(xì)粉末小層厚的鋪置，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設(shè)置在工作臺(tái)上；

所述加工基板在成型缸內(nèi)可以上下升降；

所述送粉缸內(nèi)的粉末是通過(guò)活塞向上運(yùn)動(dòng)送粉；

所述刮刀架A、刮刀架B上分別裝有刮刀A、刮刀B；刮刀A、刮刀B可水平運(yùn)動(dòng)，刮刀A、刮刀B刀刃與加工基板平面重合。

本實(shí)用新型的有點(diǎn)在于：該裝置能夠?qū)⑽⒓?xì)粉末(微米、亞微米級(jí)粒徑粉末)均勻鋪置在基板上，且粉層厚度可到微米級(jí)，從而提高粉末增材制造的加工精度和加工零件的表面質(zhì)量。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型的增材制造的微細(xì)粉末雙刮刀分步鋪粉裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型的刀具一、刀具二的截面圖；

圖3為本實(shí)用新型的刀具二的安裝角度；

圖4為本實(shí)用新型的增材制造的微細(xì)粉末雙刮刀分步鋪粉裝置工作過(guò)程圖。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型的目的在于提供一種用于增材制造的微細(xì)粉末小層厚的鋪置，該裝置能夠?qū)⑽⒓?xì)粉末(微米、亞微米級(jí)粒徑粉末)均勻鋪置在基板上，且粉層厚度可到微米級(jí)，從而提高粉末增材制造的加工精度和加工零件的表面質(zhì)量。

本實(shí)用新型也是基于刮刀式鋪粉，首次提出了雙刮刀分步鋪粉，本實(shí)用新型的鋪粉裝置包括(如圖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內(nèi)可以上下升降。送粉缸3內(nèi)的粉末上也是通過(guò)活塞向上運(yùn)動(dòng)送粉(需要說(shuō)明的是本實(shí)用新型裝置的送粉方式也可采用漏槽方式，以下以送粉缸送粉進(jìn)行說(shuō)明)。刮刀A7和刮刀B9在xy水平面上運(yùn)動(dòng)。整個(gè)鋪粉裝置包括成型缸和送粉缸的上下運(yùn)動(dòng)和刮刀的水平運(yùn)動(dòng)。這四種運(yùn)動(dòng)全部用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)高精密滾珠絲桿傳動(dòng)來(lái)完成。

本實(shí)用新型能夠在加工基板上鋪置厚度為幾微米的粉層，該方法包括以下步驟：

i.對(duì)基板進(jìn)行毛化處理。毛化方法有噴砂毛化、激光毛化和電火花毛化等，毛化處理后的基板粗糙度在Ra：5～20μm、Rz：5～50μm之間；

ii.對(duì)粉末進(jìn)行消磁、消靜電、干燥處理，并進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)或超聲波振動(dòng)。目的在于減小粉末粒子間作用力和粉末聚團(tuán)；

iii.將通過(guò)步驟i預(yù)處理后的基板安裝到成型缸活塞上，并調(diào)節(jié)基板與基面重合，然后安裝兩個(gè)刮刀，且調(diào)節(jié)刮刀的刀刃與基板平面重合；

iv.將通過(guò)步驟ii預(yù)處理后的粉末倒入本實(shí)用新型裝置的送粉缸中；

v.利用本實(shí)用新型的雙刮刀分步鋪粉裝置將微米級(jí)粉末鋪置微米級(jí)粉層。

本實(shí)用新型能夠在加工基板1上鋪上厚度為幾微米的粉層，通過(guò)雙刮刀兩次鋪置完成微米級(jí)粉層厚度。首先通過(guò)刮刀7鋪置相對(duì)較厚的粉層，特定刀口設(shè)計(jì)使得刮刀A7對(duì)粉層有一定向下壓力，一定程度上將粉層壓實(shí)在毛化后的加工基板上，增大了粉層與基板之間的作用力。然后再通過(guò)特定刀口設(shè)計(jì)的刮刀B9將已經(jīng)預(yù)鋪置的厚粉層切削到指定厚度的粉層。

本實(shí)用新型采用的雙刮刀分步鋪粉，為解決微細(xì)粉末難以實(shí)現(xiàn)較薄粉層厚度的粉末鋪置問(wèn)題，采用了特殊設(shè)計(jì)的刮刀形狀(如圖2所示)以實(shí)現(xiàn)這一目的。刮刀A7是實(shí)現(xiàn)相對(duì)較厚的粉層鋪置，并且為了增大基板對(duì)粉末的作用力，刮刀A7的前角設(shè)計(jì)為0°，倒棱前角γ₀₁設(shè)計(jì)的較大，一般選擇60°～75°，具體的角度與粉末材料和物理性能有關(guān)。這樣刮刀鋪粉時(shí)前刀面對(duì)粉末有壓力作用，使得粉末與基板的接觸面積增加，提高了基板對(duì)粉末的粘附力，另外倒棱寬度b₀₁大小選擇5～10mm。刮刀B9的作用是將相對(duì)較厚的粉層切削為所需要的厚度，所以其前角也設(shè)計(jì)為0°，倒棱前角γ₀₁設(shè)計(jì)的角度選擇5～15°，這個(gè)角度的刀具與粉層的切削力較小。倒棱寬度選擇3～5mm。后角α主要是減小刀具的后刀面與粉層的摩擦。后角的合理選取主要根據(jù)鋪粉速度來(lái)確定。由于鋪粉速度不宜過(guò)快，以免機(jī)械振動(dòng)增大影響鋪粉的均勻性，后角選擇大于45°較好。

本實(shí)用新型的雙刮刀分步鋪粉裝置的刮刀采用了特定的安裝角度，刮刀A7安裝方向與其運(yùn)動(dòng)方向①垂直，但刮刀B9安裝方向與其運(yùn)動(dòng)方向②不是垂直關(guān)系，而是與垂直方向成一定角度θ，如圖3所示。這個(gè)角度選擇15°～30°，目的在于增加一個(gè)平行于基板的切力，減小刮刀對(duì)粉層垂直向上的作用力，有利于粉末停留在基板上而不被刮刀帶走，提高鋪粉質(zhì)量的穩(wěn)定性。

本實(shí)用新型的雙刮刀微細(xì)粉末鋪粉裝置應(yīng)用到微細(xì)粉末的增材制造中，具體實(shí)施如下：

按照實(shí)所述的步驟i～iv對(duì)粉末和基板預(yù)處理。通過(guò)上述步驟將微細(xì)粉末增材制造的準(zhǔn)備工作完成，粉末裝入送粉缸后，增材制造裝置關(guān)閉工作腔。開(kāi)始抽真空和充工作氣體。增材制造加工零件在計(jì)算機(jī)的控制下開(kāi)始進(jìn)行。

如圖4所示，采用本實(shí)用新型的雙刮刀鋪粉裝置的增材制造工作過(guò)程如下：

1)計(jì)算機(jī)專業(yè)軟件對(duì)零件三維CAD模型進(jìn)行切片處理，得到二維的平面幾何圖形以及激光平面掃描輪廓信息；

2)加工基板1下降3個(gè)加工厚度，送粉缸3上升5個(gè)加工厚度，推動(dòng)粉末上升5個(gè)加工厚度，刮刀7向右運(yùn)動(dòng)(圖4中a→b)將粉末鋪置在成型缸內(nèi)，并一定程度上壓實(shí)了粉末，此時(shí)的粉層有3個(gè)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個(gè)加工厚度，刮刀9向上運(yùn)動(dòng)(圖4中b→c)，將3個(gè)加工厚度的粉層切削至1個(gè)加工厚度的粉層，多余的粉末落入回收缸5中，完成一次鋪粉過(guò)程。此時(shí)，激光或電子束根據(jù)二維幾何信息進(jìn)行掃描完成單層加工；

4)激光或電子束掃描完成后，加工基板下降3～5個(gè)加工層厚，刮刀9向下運(yùn)動(dòng)(圖4中c→d)退回初始位置；

5)刮刀7向左運(yùn)動(dòng)(圖4中d→a)也退回到初始位置；

重復(fù)上述步驟2)～5)完成整個(gè)零件的加工過(guò)程。

特別注意：步驟2)中除了第一次鋪粉時(shí)加工基板1需下降3～5個(gè)加工厚度，隨后的都不再下降。此后的加工循環(huán)過(guò)程中步驟4完成加工基板的下降動(dòng)作。

以上所述為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，但本實(shí)用新型不應(yīng)該局限于該實(shí)施例和附圖所公開(kāi)的內(nèi)容。所以凡是不脫離本實(shí)用新型所公開(kāi)的精神下完成的等效或修改，都落入本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。