电子束选区熔化技术中可控振动落粉铺粉系统的研究

晏耐生 林 峰 齐海波 陆 伟 张 靖

清华大学先进成形制造教育部重点实验室，北京，100084

0 引言

电子束选区熔化技术是一种以高能电子束为加工热源，选区熔化金属粉末成形的一种金属零件直接成形技术［1－2］，该技术利用金属粉末在电子束轰击下熔化的原理来加工零件。

电子束选区熔化技术所展现出的技术优势已得到广泛的认可，瑞典Arcam公司的EBM系统是目前较成功的电子束选区熔化技术，至今已推出了S12和A2两种型号的成形系统［3］。在国家自然科学基金的支持下，清华大学的激光快速成形中心进行了电子束选区熔化技术（electron beam selective melting，EBSM）的研究，自主研制了EBSM－150和EBSM－250电子束选区熔化制造实验系统［4］。

由于电子束选区熔化技术需要将金属粉末完全熔化，成形区域温度比较高，从而导致成形件内部热应力大，成形件翘曲变形情况时有发生。另外，成形区域表面往往附着有飞溅的熔滴或起伏的纹路。这些现象都使普通的铺粉装置无法保证铺粉精度，甚至无法完成铺粉运动。因此，研究能够在凹凸、起伏表面铺粉的装置，对于保证电子束选区熔化系统的制造质量和稳定运行是非常重要的。

1 常用铺粉方式

目前，在快速成形及快速制造领域，常用的铺粉工具有刮板、辊子、移动料斗及其组合。

刮板式铺粉方式原理如图1a所示［5］，该机构运动方式简单，易于控制；缺点是刮板对粉末层的压实作用小，且柔性很差。

辊子式铺粉方式原理如图1b所示［6］，该机构可以较大程度地提高粉末层的压实密度；缺点是辊子滚动会在粉末层表面留下波纹，影响粉末层表面的平整度，同时粉末承受的辊子压应力传到下面已成形的坯件上，容易使强度不高的零件产生裂纹。

移动料斗式铺粉方式原理如图1c所示［7］，该机构采用移动料斗铺压粉，还兼具刮板功能，可以避免粉末堆积在辊子或刮板前方，减小对粉床的压力；缺点是压实粉末的效果不是很理想，并且当成形材料为流动性差的粉末时，粉末由于架桥现象不能从料斗狭缝中流出。

图1 常用铺粉方式

从上面3种铺压粉末装置的分析可以看出，无论是刮板、辊子还是移动料斗，当成形表面有较大凸起或严重翘曲时，这些工具都将被卡住而导致成形过程中断，所以单纯采用一种铺压粉方式并不能完全保证粉末的铺平、压实并防止已成形坯件的移动。结合EBSM成形过程中粉末熔化温度高、金属成形零件刚度大等特点，我们对EBSM系统中的接触式铺粉机构进行了多次设计和改进［8－9］。

图2a所示为采用刚性辊子和刚性小料斗组合的铺粉机构，该机构可以很好地实现粉末压平压实，但由于缺乏柔性，遇到凸起或翘曲后仍无法自行通过，故经常导致实验中断。图2b所示为采用柔性辊子和柔性刮板组合的铺粉机构，辊子上方的压力弹簧将辊子与粉平面接触，当辊子遇到凸起时，辊子可以压缩弹簧从而保证铺粉机构越过凸起。同样地，刮板通过一弹簧与铺粉架相连，当刮板遇到凸起后可以绕铺粉架偏转一定角度从而越过凸起。该铺粉机构很好地解决了第一代铺粉机构柔性不足的问题，但由于粉末经常将转动部分及弹簧卡死，造成多层成形时辊子无法上移，可靠度不高。图2c所示为采用多根锯齿状的梳条组合对粉末进行刮平。由于梳条较窄，当它遇到凸起后容易产生一定的弯曲变形并顺利通过该凸起。其不足之处是梳条的齿根处有应力集中，并在铺粉过程中不断与高温成形件接触而使其强度明显下降，容易发生过度弯曲甚至折断，从而影响铺粉效果。图2d所示是将梳条换成钢刷后形成的铺粉机构，其显著特点是“齿”变成了“丝”，“齿”的数量明显增多，“齿”间的缝隙减小，其柔性比梳条要好，不易折断，但由于钢丝比较细，在高温下有可能发生严重变形而导致脱落。

图2 EBSM技术中接触式铺粉机构

以上4种铺粉机构在铺粉过程中与成形件直接接触，都存在一定的问题而使得成形实验无法持续进行。EBSM技术需在真空室中成形，铺粉过程出现问题后无法进行人工干预，因此开发更加可靠的铺粉方式显得尤为重要。

2 可控振动落粉铺粉原理及功能

利用料仓结拱与振动破拱的原理，本研究提出了一种全新的非接触式的铺粉方式：①将铺粉改为撒落粉，撒落粉机构不与成形件直接接触，因而不存在遇到凸起无法越过的问题；②为了改善粉末的搭桥现象［10］，采用振动方式进行落粉，保证粉末输送到位。具体原理如图3所示：当铺粉筛静止或匀速运动时，筛中的粉末因结拱不会从筛网中落下；铺粉筛匀速运动到成形件上方后进行有规律地振动，筛中粉末的结拱将会被破坏，粉末从筛网中均匀落下至工作平台实现铺粉。针对不同大小的粉末，选择适合目数的筛网即可以达到上述铺粉功能。

图3 可控振动落粉铺粉原理

采用铺粉筛进行振动落粉铺粉具有以下优点：①非接触式铺粉，表面成形质量对铺粉效果没有影响；②可以控制铺粉筛振动频率实现不同厚度的铺粉，特别是在表面具有凸起等缺陷的情况下仍可实现厚度约0.1mm的铺粉；③提高了成形件的内部质量，厚度小的粉末层对保证成形件内部质量有决定性的作用；④控制铺粉筛在特定区域内铺粉，当成形小型零件时，可控制铺粉筛在小区域内铺粉，提高了粉末的利用率。

3 可控振动落粉铺粉系统的实现

3.1 可控振动落粉铺粉筛设计与实现

根据可控振动落粉的原理制作铺粉筛：采用一定厚度的金属板材制成顶部与底部通透的方形盒，保证其具有较好的刚度，在方形盒侧壁上铣出直槽，并制作出与该直槽配合的卡箍，采用一定目数的分级筛网将方形盒底部封住并用卡箍卡在方形盒的直槽内，保证筛网的松紧程度相同，从而制成“铺粉筛”。该铺粉筛可根据不同大小的粉末更换分级筛网。

3.2 可控振动落粉铺粉系统设计与实现

铺粉系统的三维效果如图4所示：步进电机驱动同步带轮、同步带、光杠系统运动，铺粉筛两端分别与称重传感器固定，通过连接块与同步带相连。控制步进电机的转动就可以控制铺粉筛在成形平台上运动的速度和加速度。

图4 铺粉系统三维效果图

可控振动落粉铺粉的实现过程如下：①铺粉筛运动到储粉箱下料口（平台系统左端）处时停止，通过称重传感器测得筛中粉末的质量，当粉末质量小于预先设定质量数值时，送粉的步进电机转动，驱动储粉箱供给铺粉筛粉末；当粉末质量大于预先设定质量数值时，储粉箱下料口关闭，停止对铺粉筛供粉。②铺粉步进电机匀速转动，通过同步带轮、同步带系统驱动铺粉筛从成形平台左侧向右侧匀速运动，筛中粉末由于结拱而不会撒落。③当铺粉筛匀速运行到成形缸上方时，铺粉步进电机将按照程序设定的加速度与速度进行正反向交替转动，从而使铺粉筛具有振动效果，筛中粉末的结拱被打破而落至成形缸上方，实现铺粉。④铺粉筛在成形缸上方完成铺粉后匀速运动至储粉箱下料口处。待电子束选区熔合该层粉末后再次运行上述①～④步，直至完成零件成形。

4 可控振动落粉铺粉装置的验证

选用质量分别占60%和40%的100～250目气雾化法Ti－6Al－4V合金粉末和150～325目氢化脱氢法Ti－6Al－4V合金粉末组成混合粉末，此粉末流动性适中。

4.1 铺粉层表面平整性实验

采用60目的铺粉筛进行可控振动落粉铺粉，效果如图5所示。铺粉筛振动时筛子不与成形表面接触，成形表面的状态不会影响铺粉筛的运动。金属粉末从铺粉筛落至成形表面后一部分粉末会弹起，特别是落至凸起区域的粉末会滚至周围相对凹陷的区域，使得凸起处几乎没有金属粉末，说明本机构具有一定的粉末铺平自动补偿效果。

图5 成形表面存在不平整时铺粉效果

另外，由于设备自身机械泵的持续运转，平台会具有微小的平稳振动，使得原本不平整的铺粉区域在平台的振动下变得更加平整和紧实，所以本铺粉方式对电子束扫描前后的铺粉密度和熔化层密度不会造成太大的影响。

4.2 各层总铺粉量的均匀性实验

采用上述钛合金粉末进行铺粉均匀性实验：保证铺粉筛中的粉末质量在480～520g的范围内，运行同一个铺粉程序14次，测量每次下粉量，结果如图6所示。

图6 铺粉筛铺粉量的测量值

由图6可见，每次铺粉量基本稳定，其平均值为36.5g，方差为1.96，由于每次铺粉区域相同，因此可以得出粉末层厚度基本稳定。保证铺粉筛中的粉末质量在480～520g的范围内，采用不同的步进电机加速度，进行一系列的铺粉量测定实验，结果如图7所示。两组数据的相关系数绝对值为0.98，可见铺粉量y与步进电机的加速时间t紧密相关，图中曲线为拟合的曲线，拟合公式为y＝684 775e－0.1594t。步进电机加速时间越短，加速度越大，铺粉量就越大，即粉末层厚度越大。

图7 铺粉量与步进电机加速时间的关系

4.3 各区域铺粉量的均匀性实验

为验证各区域铺粉量的均匀性，将成形区域分成36个小区域，如图8所示。保证铺粉筛中的粉末质量在480～520g的范围内，运行同一铺粉程序10次，测量成形区域内36个方格内粉末的质量，结果如表1所示。

图8 成形区域分割图

表1 成形区域内36个方格内粉末的质量 g

由表1可以看出，各区域的粉末质量基本相同，根据表1绘出的成形区域内各小区域的铺粉量分布图如图9所示。

图9 成形区域内36个方格内粉末的质量分布

由表1及图9可知各区域铺粉量平均值为10.78g，方差为0.74，粉末量与均值的最大差值为2.02g，基本上实现了各区域的均匀铺粉，平均每层粉末熔化后的厚度为0.14mm。通过改进铺粉程序与铺粉筛还可以提高各区域粉末的均匀性。

5 结论

（1）可控振动落粉铺粉系统不与成形件相接触，遇到成形件表面存在凸起甚至翘曲等缺陷时能顺利完成铺粉工作，对流动性差的粉末能通过振动打破粉末中的搭桥现象从而顺利进行铺粉。

（2）可控振动落粉铺粉系统可以根据不同种类、目数、流动性的粉末选择合适的铺粉筛筛网，并通过实验选择合适的铺粉参数，具有广泛的适用性。

（3）当铺粉筛内粉末稳定在一定范围内时，每次铺粉量稳定程度高。通过改进铺粉机构的加速度可以改变铺粉筛的振动大小，从而改变铺粉量。

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