金属粉末激光烧结机的功能分析与系统设计
金属粉末激光烧结机的功能分析与系统设计
摘 要：文章结合金属粉末激光烧结机的功能，对该设备主要模块进行了结构分析，同时通过各模块之间的工作流程之间的配合关系，对该设备的系统及主要模块的工作流程进行了分析和设计。
希望这样的探讨对于该类激光加工机器的具体设计有所助益。
关键词：金属粉末;激光选区烧结;3D打印技术
1 金属粉末激光烧结机的工作原理与各功能模块的结构分析
金属粉末激光烧结机是基于金属粉末的激光选区烧结增材制造技术和相关工艺，属于3D打印技术的一个重要应用领域。
金属粉末激光烧结技术是基于离散化的堆积成型原理而产生的新型数字化成型技术。
从具体功能上来说，金属粉末激光烧结机的计算机成型系统根据设计工艺要求对要制造的三维实体造型进行分层切片处理，在系统中三维造型的CAD模型将被分层离散化为许多二维层面信息。
同时计算机成型系统与机电控制执行系统相连，通过信息采集和数据处理的过程，将相应的运动控制指令输入执行系统。
在金属粉末的激光烧结过程中，激光以一定的扫描速度和能量密度有选择性地对金属粉末进行分层扫描，是金属粉末粘结化，进而固化。
该设备通过顺序完成各个层面的成型制造，最终完成与三维实体造型一致的金属零件。
1.1 扫描光路与激光发生器
扫描振镜由两个摆动电机带动的相互垂直的反色镜组成，分为X镜与Y镜。
在扫描过程中，扩束后的激光光束先射入X镜，然后通过X/Y镜的两次反射，再由聚焦镜聚焦到金属粉末表面来进行成型加工。
扫描振镜扫描的优点是：电机带动的振镜镜片转动惯量小，响应速度快，可以实现高速扫描;镜片的动态响应特性好;扫描速度快，且变速范围大;控制精确。
基于以上优点，使用扫描振镜的激光加工成型效率高，且扫描精度高，故而该扫描光路结构在金属粉末激光烧结工艺及其相关设备中得到了更广泛的应用。
作为一个独立的功能模块，通常将激光和扫描光路整合成一个激光发生器，通过数字化、参数化的方式来控制激光的烧结功率、激光束半径、烧结时间、间隔时间以及扫描间距等。
根据金属粉末激光烧结工艺的具体工作步骤，一般将激光发生器设计于整个成型室的正上方，与铺粉装置配合完成对各金属粉末层的选区扫描。
1.2 成型缸的机构与成型室的结构功能
成型缸是金属粉末激光烧结机的重要组成部分，位于该设备的中心位置。
金属粉末的烧结就是在成型缸内与活塞相连的平台上。
根据工艺要求，每次烧结之后，加工平台会随着活塞下降一定的高度。
该机构在工作过程中，由步进电机通过同步带、大带轮来驱动丝母转动。
这里丝母只做转动而无上下运动，通过丝母语滚珠丝杠的相对运动，从而实现丝杠无转动的上下直线运动。
丝杠与活塞相连，这样就完成了活塞和加工平面的上下运动。
为了避免成型缸内的金属粉末在平台上下移动过程中从平台、活塞与缸壁之间的缝隙泄露，采用了环状的密封垫。
在整个烧结过程中，密封垫会随着加工平台、活塞沿着缸体壁做紧密滑动，达到密封效果。
2 金属粉末激光烧结机的系统设计
2.1 系统框架与系统控制流程
金属粉末激光烧结机的控制系统主要由四部分组成：激光振镜系统、铺粉系统、成型缸系统和贮粉缸系统。
激光振镜系统负责激光束的扫描运动;铺粉系统负责烧结过程中的金属粉末预铺;成型缸系统负责各层烧结过程中工作平台的上下移动;贮粉缸系统负责烧结过程中金属粉末的提供和收集(由供粉缸与废料缸的相关机构来完成)。
2.2 系统控制流程
在进行激光烧结前，需要将供粉缸的工作平台向上移动到金属粉末凸出一个层厚的预先设定位置，同时成型缸的工作平台向下移动到金属粉末层上表面一个层厚的位置，并对系统各控制模块定义初始位置。
通过串口通讯，上位机发送相应指令到PLC，PLC按照接受到的指令来分别控制各模块的'运动。
在铺粉的工程中，辅粉滚轮将供粉缸工作平台上的金属粉末铺设到成型缸工作平台的相应位置。
待系统检测到铺粉滚轮已铺粉完成后，会由PLC控制激光振镜系统对金属粉末进行激光扫描，从而完成对金属粉末的一层烧结。
烧结完一层后，PLC自带的A/D转化单元将扫描完成的数据存储到PLC的寄存器中，然后上位机接收串口通讯传递来的数据并通过数据处理系统进行处理。
经上位机分析处理后，再次发送指令到PLC，使PLC完成下一层的金属粉末烧结任务，直到整个制件烧结完成。
其中，行程开关是控制系统的保护装置，在未工作时处于常开状态，当某模块运动单元的移动量大于最大量程时，行程开关关闭，PLC接收行程开关传来的信号，迅速终止单元的运动，从而保证运动的可靠性。
2.3 供、铺粉系统
铺粉系统在铺粉滚轮运动方向的两端均设有内置检测装置。
通过PLC向伺服驱动器传递铺粉滚轮的位置信号来实现它的动作和位置控制。
如图1所示的是铺粉过程流程图。
在铺粉过程中，根据具体的运动模块参数，设定铺粉系统的工作时间范围是T0 2.4 激光烧结流程
金属粉末的激光烧结时需要实时地从上位机的三维实体造型软件中获取模型的切片数据，并将数据保存到寄存器中。
这样通过上位机、PLC和检测系统的联动控制，逐层地完成金属粉末的激光烧结，直到整个制件完成。
3 结束语
通过对金属粉末激光烧结机的主要功能模块的分析，能清楚地了解该类激光加工机器的机械结构和工作原理，通过对该设备的主要功能模块的系统设计，能够明确该类激光加工机器的具体工作流程和整合系统的运作模式。
这为具体模块的功能细化和参数化设计提供了依据。
参考文献
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