１ 系统设计指标及要求
1.1 SLM 3D 打印设备工作原理及组成
SLM 3D 打印成形时铺粉轴将粉末材料从送粉缸铺入工作缸,从而在工作缸铺上设计厚度的粉末材料,然后激光束在控制程序的控制下按照成形零件截面的轮廓信息对粉末材料进行扫描烧结,使粉末的温度升至熔点以上,被扫描到的粉末熔化后又降到熔点以下,相互粘结得到一个烧结面,非扫描区的粉末仍呈松散状,作为工件和下一层粉末的支撑。一层成形完成后,工作台下降一层的高度, 再进行下一层的铺料和成形,如此循环,最终成型三维实体零件。
1.2 SLM 3D 打印设备开发设计总体要求SLM 3D 打印成形设备的开发设计总体要求如下:送粉缸的运动精度一般控制为 0.01ｍｍ；铺粉棍导轨的定位精度控制为0.0025 ｍｍ；采用氩气或氮气对激光器振镜进行密封；适应粉末激光成形多类型的工艺支撑；扫描工艺智能化,如分形扫描、螺旋扫描、环形扫描、分块短线扫描等；工艺软件和控制软件即可单独使用也可一体使用,支持远程维护和远程监控功能；采用伺服闭环控制；基板与快激光复合预热技术。
２ 系统设计利用ＣＡＤ三维造型软件,建立所要加工实体的三维数字化模型,然后进行分层处理,在激光3D 打印机上,根据各层面轮廓图形控制激光点对工作平台上的粉末材料进行烧结,层层叠加,最终获得一个与所设计模型一致的三维实体原形。从激光3D打印的制作工艺过程可以看出激光3D打印系统由以下几部分组成:三维造型软件、预处理软件、3D打印设备。
２.１ 机械系统设计
２.１.１ 机械设计要求
整机重量和体积尽可能小,可整体搬运,运输方便；在结构上要兼顾考虑系统的可操作性、维护性和经济性；结构设计工艺性要好,标准化程度要高；结构设计要使整机工作可靠,使用寿命长；外型设计要美观,组装方便。
２.１.２ 结构设计方案
为了能使所设计产品满足上述各项机械设计要求,在结构设计的同时,考虑了该整体制作的特点,在结构设计时注意:凡在装配设计孔的位置时,一般设计成配作加工,减少由于定位不准导致的装配问题；为保证结构工艺设计的实现,应详细标明装配工艺和加工工艺。
２.１.３ 总体结构
３Ｄ 打印总体结构在设计上采用了工作主机单元和控制柜单元分体的设计方案,以减小主机单元的总体尺寸和重量,方便运输,其中控制柜单元采用分层隔置的方式以提高空间的利用率,在各隔层板上分别放置工控机、显示器、电机驱动器以及配电控制元件等。3D打印成形设备的总体结构设计具有组装式的工作缸及供料缸、低成本的推力器、无专用工作平台的设计方法、采用多重冷却方案解决激光扫描系统的空冷问题、周壁预加热装置、弯板式防尘机构、大刚度整体式基架、低成本的步进电机等特点。
２.２ 激光扫描系统设计
２.２.１ 动态聚焦单元的工作原理及选型
动态聚焦单元的是为了克服3D打印系统中扫描系统“圆弧效应”而引入。 在普通不带动态聚焦单元的扫描系统中,两振镜所形成的焦斑轨迹为圆弧, 所示,焦斑扫描轨迹(圆弧)与工作面仅在中心点C重合,中心点以外二者分离,在工件边缘A处分离最大,且工件越大或光束的偏转半径越小二者分离越大。 在A处光束聚成点后又发散,到达A处形成一个较大尺寸的光斑,功率密度降低,影响烧结质量和精度。
2.2.3 扩束器和窗口镜选型
扩束器是激光器和扫描模块之间的耦合器件,它保证送给扫描模块的激光束具有足够大的直径,从而得到理想的焦斑尺寸。 窗口镜设置在光路终端,将光路和成型室隔离开来,避免光学元件受到污染。 它们的作用既不能忽视,又由于只能通过进口解决,价值较高,因此选型是否合理也显得至关重要。HLP-3501成型机选用美国Ⅱ-Ⅵ 公司的BECZ-10.6-C1.0:5-D4扩束器和 Φ120ｍｍ×12ｍｍ 窗口镜。
２.３ 控制系统设计
２.３.１ 控制系统的硬件设计
在 ３Ｄ 打印系统中,控制系统是控制整个系统中各部件按照预定程序协调工作。 激光3D 打印系统按照结构组成,主要包括:扫描系统控制；工作缸和供料缸运动控制；铺粉机构运动控制；电力配电控制；照明控制；预热系统控制；冷却引风电机控制；抽风过滤系统控制。 为此在系统采用了两级集散控制的控制系统结构,
２.３.2 三维图形软件
三维 CAD图形软件是3D打印成形技术的关键组成部分,其主要功能是零件三维模型设计、三维模型表面三角化处理。 现有的商用CAD三维软件对模型的设计可以有线框模型、实体模型和曲面模型等三种形式,在3D打印中多使用实体模型和曲面模型。由于三维图形软件发展的独特性,模型输出存在差异,为了适合不同三维图形软件绘制的模型,多数三维图形软件均配置STL接口,以备不同三维CAD 图形 软 件 绘 制 的 模 型 均 能 实 现3D打 印 成形STL接口的主要功能就是实现模型的表面三角化处理。 在本设计中,充分考虑了系统对不同CAD 软件接口的兼容性,可接受不同CAD软件输出的STL模型文件。
３ 设备成形产品
使用研制的HLP-3501成型机对某产品进行了试制成形,成型后的产品表面质量良好、精度控制较为精确,满足了产品的各项要求。
４ 结 语
根据HLP-3503Ｄ打印机研制任务的要求,先后经过项目调研、系统设计、系统加工、安装调试和系统试运行等几个阶段,对３Ｄ打印设备的系统设计、系统加工、安装调试、性能检测实验、系统试运行和系统改进等几个阶段进行研究,对该设备的相关机械和控制系统的技术标准进行了设计和优化,完成了该设备的研制。在设备的研制过程中,开发了具有三维图形显示、编辑功能以及纠错、分层、分区处理等功能的数据预处理软件；在成型加工过程中增加了克服打印成形存在台阶误差的轮廓扫描功能,同时在3D打印系统中使用了能降低成本的风冷式激光器。 到目前为止先后加工腊粉、ＰＳ 粉、金属粉、覆膜陶瓷粉材料原形2000多件、累积加工时间2000ｈ 以上。
参考文献:
[1] 张学军,唐思熠,肇恒跃,等.3D 打印技术研究现状和关键技术[Ｊ],2016(2):15-19
[2] 王德花,马筱舒.需求引领创新驱动－3D 打印发展现状及政策建议[Ｊ].中国科技产业, 2014(8):6-53.
