一种选区激光熔化铺粉厚度控制装置的制作方法

[0001]
本实用新型涉及金属材料增材制造技术领域，特别是涉及一种选区激光熔化铺粉厚度控制装置。


背景技术：

[0002]
选区激光熔化(slm)技术是一种基于高激光能量密度，将金属粉末逐层扫描熔化、完成粉末与固体金属的冶金焊合，直接成形接近完全致密度、机械负荷性能与锻造工艺媲美的金属零件的技术，该技术具有成形精度高、力学综合性能好、提高贵金属材料利用率、缩短新产品研发周期等技术优势，在航空航天、医疗、机械电子等行业得到越来越广泛的应用。
[0003]
slm工艺中各扫描打印层的铺粉厚度值，是控制成形精度、影响金属打印件综合性能的重要工艺参数，精确控制各扫描层的铺粉厚度值，是保证slm设备打印质量的重要保障。slm设备中的铺粉厚度值取决于成形扫描工作面与刮刀间的距离，通过调节刮刀与成型工作台的z向位置，以控制成形扫描工作面与刮刀间的距离，并在铺粉机构的水平运动下，完成在扫描工作面上的铺粉操作。在实际铺粉操作中，由于slm设备热加工时产生的热影响和多层铺粉扫描在z向的累计误差等因素，导致铺粉厚度值的实际值与各扫描层的设计值存在较大的误差。目前的slm设备无法实现对铺粉厚度值的检测和控制，影响slm设备打印的综合质量。


技术实现要素：

[0004]
本实用新型所要解决的技术问题是目前的slm设备无法实现对铺粉厚度值的精确检测和控制，影响了slm打印的综合质量。本实用新型提供了一种选区激光熔化铺粉厚度控制装置，以实现在slm设备打印过程中对铺粉厚度值进行检测和控制，提高slm设备的打印质量。
[0005]
本实用新型通过下述技术方案实现：
[0006]
一种选区激光熔化铺粉厚度控制装置，包括激光振镜、送粉刮刀机构、成形扫描工作面、成形工作台、罩壳、电涡流传感器、x轴滑块、x轴导轨、工作台升降z轴和控制单元；以x轴、y轴作为水平面，z轴作为竖直轴建立直角坐标系；
[0007]
所述激光振镜位于所述成形扫描工作面上方，且与机床支架固定；所述激光振镜和所述成形扫描工作面之间设置有送粉刮刀机构，所述送粉刮刀机构固定安装在所述x轴滑块上，随所述x轴滑块在所述x轴导轨上沿x轴左右移动；所述成形工作台随所述工作台升降z轴沿z轴上下移动；所述成形扫描工作面位于所述成形工作台的上表面，随所述成形工作台沿z轴上下移动；所述电涡流传感器安装在所述送粉刮刀机构的下方，所述电涡流传感器的测头朝向所述成形扫描工作面，且所述电涡流传感器的测头高于所述送粉刮刀机构的刮刀面，所述电涡流传感器和所述送粉刮刀机构在z轴方向位置保持固定不变；所述罩壳将所述激光振镜、所述送粉刮刀机构、所述成形扫描工作面、所述x轴滑块和所述x轴导轨形成
封闭仓；
[0008]
所述送粉刮刀机构，用于在所述成形扫描工作面上铺粉，所述成形扫描工作面与所述送粉刮刀机构在z轴方向的距离，即为铺粉厚度值；所述电涡流传感器，用于测量所述成形扫描工作面在z轴的位置；
[0009]
所述控制单元分别与所述激光振镜、所述送粉刮刀机构、所述电涡流传感器、所述x轴滑块的驱动装置和所述工作台升降z轴的驱动连接，以实现对所述选区激光熔化铺粉厚度值的检测和控制。
[0010]
进一步地，所述电涡流传感器的测头端面高出所述送粉刮刀机构的刮刀面0.5～2mm。
[0011]
进一步地，所述电涡流传感器的个数根据所述送粉刮刀机构的铺粉宽度确定，包括至少一个。
[0012]
进一步地，所述电涡流传感器的工作温度最高可达到200℃。
[0013]
进一步地，所述激光振镜和所述成形扫描工作面在z轴方向的距离保持恒定。
[0014]
进一步地，所述控制单元通过线缆分别与所述激光振镜、所述送粉刮刀机构、所述电涡流传感器、所述x轴滑块的驱动装置和所述工作台升降z轴的驱动连接。
[0015]
本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0016]
通过采用电涡流传感器非接触测量成形扫描工作面的铺粉厚度，使得实际的铺粉厚度与预设铺粉厚度一致，实现slm设备打印过程中对铺粉厚度值的准确检测和控制，提高slm设备的打印质量。
附图说明
[0017]
此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：
[0018]
图1为本实用新型选区激光熔化铺粉厚度控制装置的结构示意图。
[0019]
附图中标记及对应的零部件名称：
[0020]
1-激光振镜、2-送粉刮刀机构、3-成形扫描工作面、4-成形工作台、5-罩壳、6-高温型电涡流传感器、7-x轴滑块、8-x轴导轨、9-工作台升降z轴、10-控制单元。
具体实施方式
[0021]
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。
[0022]
实施例
[0023]
如图1所示，本实用新型提供一种选区激光熔化铺粉厚度控制装置，包括一种选区激光熔化铺粉厚度控制装置，激光振镜1、送粉刮刀机构2、成形扫描工作面3、成形工作台4、罩壳5、电涡流传感器6、x轴滑块7、x轴导轨8、工作台升降z轴9和控制单元10；以x轴、y轴作为水平面，z轴作为竖直轴建立直角坐标系。
[0024]
激光振镜1位于成形扫描工作面3上方，且与机床支架固定；激光振镜1和成形扫描工作面3之间设置有送粉刮刀机构2，送粉刮刀机构2固定安装在x轴滑块7上，随x轴滑块7在
x轴导轨8上沿x轴左右移动；成形工作台4随工作台升降z轴9沿z轴上下移动；成形扫描工作面3位于成形工作台4的上表面，随成形工作台4沿z轴上下移动；电涡流传感器6安装在送粉刮刀机构2的下方，电涡流传感器6的测头朝向成形扫描工作面3，且电涡流传感器6的测头高于送粉刮刀机构2的刮刀面，电涡流传感器6和送粉刮刀机构2在z轴方向位置保持固定不变；罩壳5将激光振镜1、送粉刮刀机构2、成形扫描工作面3、x轴滑块7和x轴导轨8形成封闭仓。
[0025]
具体地，将激光振镜1、送粉刮刀机构2、成形扫描工作面3、x轴滑块7和x轴导轨8包括在罩壳5，形成封闭仓，以构建氧气和水分含量可控的扫描打印工作区域。
[0026]
送粉刮刀机构2，用于在成形扫描工作面3上铺粉，成形扫描工作面3与送粉刮刀机构2在z轴方向的距离，即为铺粉厚度值；电涡流传感器6，用于测量成形扫描工作面3在z轴的位置。
[0027]
控制单元10分别与激光振镜1、送粉刮刀机构2、电涡流传感器6、x轴滑块7的驱动装置和工作台升降z轴9的驱动连接，以实现对选区激光熔化铺粉厚度值的检测和控制。
[0028]
进一步地，电涡流传感器6的测头端面高出送粉刮刀机构2的刮刀面0.5～2mm
[0029]
进一步地，电涡流传感器6的个数根据送粉刮刀机构2的铺粉宽度确定，包括至少一个。
[0030]
进一步地，电涡流传感器6的工作温度最高可达到200℃。
[0031]
进一步地，激光振镜1和成形扫描工作面3在z轴方向的距离保持恒定。
[0032]
具体地，用户根据实际要求设置激光振镜1和成形扫描工作面3在z轴方向的距离后，激光振镜1和成形扫描工作面3在z轴方向的距离保持恒定，以保证检测的准确性。
[0033]
进一步地，控制单元10通过电源线缆和信号线缆与激光振镜1、送粉刮刀机构2、电涡流传感器6、x轴滑块7的驱动装置和工作台升降z轴9的驱动连接。
[0034]
具体地，控制单元10执行如下步骤：
[0035]
s10：对选区激光熔化铺粉厚度控制装置的工作参数进行初始化设置，工作参数包括初始扫描层数、扫描层数和预设铺粉厚度值。
[0036]
其中，初始扫描层数指用户在选区激光熔化铺粉厚度控制装置开始运行时设置的扫描层，本实施例中的初始扫描层数n
0
设置为1。扫描层数指预先设置的扫描层数，本实施例中的扫描层数设置为k。预设铺粉厚度值指预先设置的铺粉厚度值。
[0037]
s20：通过调整工作台升降z轴9，将成形扫描工作面3调整至初始扫描层数对应的位置，并按照预设铺粉厚度值控制送粉刮刀机构2开始送粉，形成初始铺粉层。
[0038]
具体地，通过调整工作台升降z轴9，将成形扫描工作面3调整至初始扫描层数对应的位置，并按照预设铺粉厚度值控制送粉刮刀机构2开始送粉，当送粉刮刀机构2开始送粉时，送粉刮刀机构2沿x轴方向左右运动，对成形扫描工作面3进行送粉，形成初始铺粉层。其中，初始铺粉层指送粉刮刀机构2按照预设铺粉厚度值对成形扫描工作面3进行送粉后形成的铺粉层。
[0039]
s30：当送粉结束，获取到送粉结束标识后，控制激光振镜1按照预设扫描路径对成形扫描工作面3上的初始铺粉层扫描并打印。
[0040]
其中，预设扫描路径指预先设置好的扫描路径，包括但不限于同向扫描路径和蛇形扫描路径。
[0041]
具体地，当控制单元获取到送粉结束标识后，则判断送粉结束，控制激光振镜1按照预设扫描路径对成形扫描工作面3上的初始铺粉层扫描并打印。
[0042]
s40：当打印结束，获取到打印完成标识后，对所述初始扫描层数和所述所述预设扫描层数进行比较，若初始扫描层数不超过扫描层数，则将初始扫描层数加1作为当前扫描层数，对当前扫描层数与扫描层数进行求余计算，获取求余结果。
[0043]
其中，当前扫描层数指选区激光熔化铺粉厚度控制装置当前打印的铺粉层的层数。如选区激光熔化铺粉厚度控制装置对初始扫描层数即第一扫描层打印，则初始扫描层数加1，即第二扫描层为当前扫描层数；选区激光熔化铺粉厚度控制装置对第二扫描层进行打印，则第二扫描层加1，即第三扫描层为当前扫描层数。
[0044]
具体地，当打印结束，控制单元10获取到打印完成标识后，则判断打印结束，对所述初始扫描层数和所述所述预设扫描层数进行比较，若初始扫描层数不超过扫描层数，则将初始扫描层数n
0
加1作为当前扫描层数n，并通过对当前扫描层数与扫描层数k进行求余计算，获取求余结果,即每扫描k层则进行铺粉厚度测量、并补充z向误差，以在精度和效率间平衡，既保证测量精度，又避免每扫描一层便对铺粉厚度进行一次测量导致的测量效率不高的问题。
[0045]
进一步地，通过n mod k＝0获取求余结果。
[0046]
s50：当求余结果等于零，则送粉刮刀机构2结束送粉，安装在送粉刮刀机构2下方的电涡流传感器6沿着x轴方向运动，测量原始铺粉厚度值。
[0047]
其中，原始铺粉厚度值指选区激光熔化铺粉厚度控制装置对成形扫描工作面3送粉的厚度值，即初始铺粉层的厚度值。本实施例中测量原始铺粉厚度值具体通过成形扫描工作面3与送粉刮刀机构2在z轴方向的距离测得。
[0048]
具体地，当n mod k＝0，则表示当前层需要进行铺粉厚度测量、并补充z向误差，控制单元10控制送粉刮刀机构2结束送粉，并控制安装在送粉刮刀机构2下方的电涡流传感器6沿着x轴方向运动，以测量原始铺粉厚度值，可以理解地，本实施例中的原始铺粉厚度值包括多个。
[0049]
s60：对原始铺粉厚度值进行修正处理，获取有效铺粉厚度值，并计算预设铺粉厚度值与有效铺粉厚度值的补偿误差值。
[0050]
具体地，由于选区激光熔化铺粉厚度控制装置对成形扫描工作面3送粉过程中不可避免地会出现发热和送粉误差等情况，导致测得的原始铺粉厚度值并不是相同的值，有些原始铺粉厚度值相差较大，因此，在控制单元10获取多个原始铺粉厚度值后，需对原始铺粉厚度值进行修正处理，采用3σ原则剔除原始铺粉厚度值中的异常值，并对剔除异常值后的原始铺粉厚度值求平均值，获取有效铺粉厚度值。其中，有效铺粉厚度值指剔除异常值后的原始铺粉厚度值求得的平均值。
[0051]
在获取有效铺粉厚度值后，计算预设铺粉厚度值与有效铺粉厚度值的差值并作为补偿误差值δz。其中，补偿误差值指预设铺粉厚度值与有效铺粉厚度值的差值。
[0052]
s70：基于补偿误差值，控制送粉刮刀机构2开始送粉，以使送粉刮刀机构2沿x轴方向左右运动，对成形扫描工作面3进行送粉，形成目标铺粉层。
[0053]
具体地，在获取补偿误差值后，控制单元10基于该补偿误差值，控制送粉刮刀机构2沿x轴方向左右运动，在初始铺粉层的基础上再次对成形扫描工作面3进行送粉，形成目标
铺粉层，提高slm设备打印过程中对铺粉厚度值的准确检测和控制。其中，目标铺粉层指在初始铺粉层的基础上按照补偿误差值再次对成形扫描工作面3送粉后形成的铺粉层。
[0054]
s80：获取目标铺粉层对应的当前扫描层数作为初始扫描层数，继续执行通过调整工作台升降z轴9，将成形扫描工作面3调整至初始扫描层数对应的位置，并按照预设铺粉厚度值控制送粉刮刀机构2开始送粉的步骤，直至初始扫描层数大于扫描层数结束。
[0055]
具体地，获取所述目标铺粉层对应的当前扫描层数作为初始扫描层数，继续执行通过步骤s20-步骤s30，直至初始扫描层数大于所述扫描层数结束。
[0056]
本实用新型提供的选区激光熔化铺粉厚度控制装置，
[0057]
进一步地，选区激光熔化铺粉厚度值控制方法还包括：
[0058]
s90：当求余结果不等于零，则电涡流传感器6不测量原始铺粉厚度值，将预设铺粉厚度值作为原始铺粉厚度值。
[0059]
具体地，当求余结果不等于零，即n mod k！＝0，则表示当前层不进行铺粉厚度测量及补偿，电涡流传感器6不运动，不扫描成形扫描工作面3，控制单元10将补偿误差值δz＝0，即认为原始铺粉厚度值为预设铺粉厚度值。
[0060]
s91：基于原始铺粉厚度值，控制工作台升降z轴9向下调整，使得成形扫描工作面3调整至原始铺粉厚度值对应的位置，并按原始设铺粉厚度值控制送粉刮刀机构2开始送粉，形成初始铺粉层。
[0061]
具体地，在确定原始铺粉厚度值为预设铺粉厚度值后，控制单元10基于该预设铺粉厚度值，控制工作台升降z轴9向下调整，使得成形扫描工作面3调整至预设铺粉厚度值对应的位置，并按照预设铺粉厚度值控制送粉刮刀机构2开始送粉，形成初始铺粉层。
[0062]
通过采用上述电涡流传感器非接触测量成形扫描工作面在z轴的位置，提供铺粉厚度的全闭环精确控制，解决了slm扫描加工过程中，由于受热影响，以及多层铺粉在z向上的累计误差等因素影响导致铺粉厚度测量不准确的问题，实现对铺粉厚度值的准确检测和控制，使得实际的铺粉厚度与预设铺粉厚度一致，该选区激光熔化铺粉厚度控制装置还可以防止刮刀机构与扫描成形面硬接触，起到保护刮刀机构寿命的作用。
[0063]
具体地，以上所述具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

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