一种提高增材制造中粉床性能和铺粉效率的刮板形状设计
阅读说明：本技术 一种提高增材制造中粉床性能和铺粉效率的刮板形状设计 (Scraper shape design for improving powder bed performance and powder laying efficiency in additive manufacturing ) 是由 安希忠 吴琼 付海涛 张�浩 杨晓红 邹清川 于 2021-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种提高增材制造中粉床性能和铺粉效率的刮板形状设计,用于实现在较低铺粉高度和较高铺粉速度下获取堆积密度高、表面粗糙度小且均匀性好的粉末层。该方法将通过直角形刮板底部变形设计,有效解决传统刮板在低铺粉高度和高铺粉速度条件下铺粉质量差的问题,可用于多种粉体的增材制造铺粉过程。同时,该新型刮板在较大范围的操作参数区间均表现出高堆积密度、均匀性及平整度。在满足铺粉质量的前提下,单一工艺参数如铺粉高度可较直角板降低约20％以上,铺粉速度可较直角板提高约200％。该新型刮板具有铺粉质量好,对铺粉工艺条件适应性高等优点,满足了实际增材制造过程中对铺粉效率和铺粉高度的要求。(The invention relates to a scraper shape design for improving powder bed performance and powder laying efficiency in additive manufacturing, which is used for obtaining a powder layer with high bulk density, small surface roughness and good uniformity at a lower powder laying height and a higher powder laying speed. The method effectively solves the problem that the traditional scraper has poor powder paving quality under the conditions of low powder paving height and high powder paving speed through the bottom deformation design of the right-angle scraper, and can be used for the additive manufacturing and powder paving process of various powders. Meanwhile, the novel scraper plate has high stacking density, uniformity and flatness within a large range of operation parameters. On the premise of meeting the powder paving quality, the single process parameter such as the powder paving height can be reduced by more than about 20 percent compared with that of a straight angle plate, and the powder paving speed can be improved by about 200 percent compared with that of the straight angle plate. The novel scraper has the advantages of good powder paving quality, high adaptability to powder paving process conditions and the like, and meets the requirements on powder paving efficiency and powder paving height in the actual additive manufacturing process.)
技术领域
本发明涉及一种提高增材制造中粉床性能和铺粉效率的刮板形状设计和应用，属于增材制造技术领域。
背景技术
增材制造是一种利用三维模型数据通过逐层堆积的方式制造零件的技术，具有成型速度快、加工无多余废料及可生产较精密且形状复杂的零件等独特优势，在工业界具有广泛应用。其中铺粉作为最基本和重要的生产环节，粉床质量直接影响产品性能。因此，工业界一直以来对获取致密、均匀、平整的粉末床具有很高的要求。在整个增材制造的打印装置中，刮板是铺粉环节的重要组成部分之一。在实际生产中，使用的刮板形状通常为传统的直角板设计，如图1所示，直角刮板以一定的铺粉速度和间隙高度推动着静置在基板上端的粉堆向前运动，粉堆在向前运动的过程中会通过刮板与基板的间隙进入到刮板底部，刮板继续向前运动，直到刮板推动粉堆到基板的末端，粉堆逐渐减少，粉床形成。
结合图1可以看出，颗粒在直角刮板下的沉积能力有限。根据此前的相关研究，直角刮板前端的颗粒受到刮板向前运动的影响，颗粒之间相互作用力呈相互交织状态，其中，较大的颗粒间作用力通过颗粒连接在一起，构成强力拱。当直角刮板向前运动的瞬间，强力拱遭到破坏，刮板前的颗粒受力拱破坏被推离颗粒沉积的间隙，致使有限的颗粒进入到直角刮板下端，从而降低粉床质量。上述行为被称为动态壁效应，动态壁效应的形成正是由于直角刮板本身存在的设计缺陷。实践证实，目前增材制造使用的直角刮板只能在低铺粉速度以及高铺粉高度下获取较为致密的粉末床，工艺条件严格且范围比较窄；同时，粉末床质量还需受到粉末界面特征、整体形貌以及粒径分布等影响。使用直角刮板很难在较高铺粉速度和较低铺粉高度的条件下获取质量较好的粉末床，无法满足在实际增材制造铺粉环节对高速率和低间隙的工艺要求，这在一定程度上限制了增材制造的发展及应用。
发明内容
(一)拟解决的技术问题
针对增材制造过程中直角刮板难以满足实际增材制造铺粉环节对工艺参数区间的需求，本发明提供了一种可行的直角刮板改进方案，通过向直角刮板底部引入平面及半弧面相结合的设计，以克服直角刮板的不足，实现致密且均匀的粉床结构，为后续提高打印材料的性能打下良好的基础。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
1、一种提高增材制造中粉床性能和铺粉效率的刮板形状设计，其特征在于向直角形刮板底部引入平面及半弧面相结合的设计，板型设计包括如下步骤：
S1、三维建模：构建刮板器的3D模型；对刮板器进行网格划分，平滑边界；并使用DEM离散元数值模拟的方法模拟刮板的实际铺粉过程；
S2、生成粉末：在铺粉前生成一定量的粒径分布为13～86μm的3D打印专用粉末，使粉堆静置于基板表面；
S3、工艺参数设置：根据实际增材制造铺粉过程中的参数要求和相关文献资料，设置合理的工艺参数范围，保证设置的工艺参数范围包括低间隙高度和高铺粉速度；
S4、铺粉：在氩气环境保护中，根据S3的工艺参数，设置设计刮板的铺粉速度和间隙高度，使用设计刮板在不同的操作工况下进行铺粉；
S5、工艺参数的适应性：如权利要求书S1所述的方法建模直角刮板，直角刮板和设计刮板在相同的工作参数范围内相比较，通过计算机仿真模拟明确设计刮板的粉床性能和铺粉效率，以及对大范围区间工艺条件的适应性。
如上所述的刮板设计，优选地，在步骤S1中设计刮板高度为8mm，刮板下端由半弧段及平面段组成，其中平面部分的长度是0.25mm，圆弧的角度为15°。
如上所述的刮板设计，优选地，在步骤S2中所选用粉末为SLM增材制造激光打印机用粉，球形度良好，平均粒径分布为13～86μm，其中D10、D50、D90分别为24μm、38μm和60μm。
如上所述的刮板设计，优选地，在步骤S3中的参数设置中，所使用刮板的铺粉速度为0.04～0.16m/s，铺粉高度为1.50～3.00D90。
如上所述的刮板设计，优选地，在步骤S4中所述设计刮板的间隙高度和铺粉速度根据S3中的参数设置做调整。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
本发明通过对直角刮板底部形状的改进，提供了一种新型刮板的设计和应用，该新型刮板不仅能够在较宽的工艺参数操作区间内形成致密且均匀的粉床结构，而且在较高铺粉速度和较低铺粉高度工艺条件下，有效保障粉床质量，最大限度的满足了增材制造实际生产要求。这为后续打印过程中的局部熔化和凝固提供高质量的粉末床，有利于提高最终打印产品的性能。本设计可广泛应用于各种材料增材制造的铺粉环节。
附图说明
图1为直角刮板铺粉过程示意图；
图2为本发明设计的新型刮板在增材制造中应用的整体结构示意图；
图3为本发明设计的新型刮板示意图；
图4为直角板与新型板刮粉后粉床粗糙度和堆积密度的对比结果。
图5为直角板与新型板刮粉后粉床平均堆积密度和变异系数的对比结果。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例1
如图1所示，增材制造设备整体结构包括新型刮板、送粉器、升降台、成型件、集粉器等装置，增材制造(包含铺粉过程)在氩气氛围下进行，刮板运动由计算机操控。铺粉前，送粉器向上上升预设的高度，将Ti-6Al-4V粉末送到基板前端形成粉堆，然后使用新型刮板将粉末均匀致密的铺撒在整个基板上；在经激光打印凝固后进行下一层的铺粉，如此循环，制成最终成型件。每一层铺粉后剩余的粉末会进入到集粉器中进行回收再利用。因此，在整个增材制造过程中，Ti-6Al-4V粉末的粒径分布、表面状态保持不变。
本设计选取第一层铺粉仿真模拟进行分析，模拟工作参数为：铺粉速度0.04m/s、0.08m/s、0.12m/s、0.16m/s；铺粉高度：90μm、100μm、120μm、150μm、180μm。采用正交实验方案，共20组模拟条件。在一层的粉床完全铺好后，在粉床中间位置选取区域Domin(排除边界的干扰因素)，并将其平均划分成600个子区域用于计算粉末床的表面粗糙度和堆积密度及均匀性。结果表明：在每种操作条件下，所发明的新型刮板获取的粉末床表面粗糙度、堆积密度及均匀性均好于的直角刮板。其中，在低铺粉高度和高铺粉速度下两个板型在堆积密度方面的差距最为明显。见图4和图5直角刮板与新型刮板堆积性能对比结果。
实施例2
本实施例主要考虑板型对铺粉高度的影响。
具体工艺为：使用球形度完好的Ti-6Al-4V粉末，粒径分布为13～86μm，D90＝60μm。设定铺粉速度分别为0.04m/s、0.08m/s、0.12m/s、0.16m/s，并在每个速度下，进行高度分别为1.50D90、1.65D90、2.00D90、2.50D90、3.00D90的铺粉过程模拟。刮板选择为直角刮板和新型刮板。在基板上缘距离刮板有效距离(保证粉末静止)设置跟随刮板移动的子区域bin，用于实时收集平均堆积密度和变异系数数据。其中，平均堆积密度用于表征粉床质量；变异系数用于表征粉床的均匀性。平均堆积密度越高粉床质量越好；变异系数越小粉床均匀性越好。结果表明，在相近的堆积密度下，与直角刮板相比，新型刮板在0.04m/s、0.08m/s、0.12m/s、0.16m/s的铺粉速度下可分别实现32％、24％、22％、21％的高度降低。见图5粉床平均堆积密度和变异系数结果。
实施例3
本实施例主要考虑板型对铺粉速度的影响。
具体工艺为：使用球形度完好的Ti-6Al-4V粉末，粒径分布为13～86μm，D90＝60μm。设定铺粉高度分别为1.50D90、1.65D90、2.00D90、2.50D90、3.00D90；在每个铺粉速度下，设定铺粉的基础速度v＝0.04m/s，刮板速度分别为v、2v、3v、4v。刮板选择直角刮板和新型刮板。在基板上缘距离刮板有效距离(保证粉末静止)设置跟随刮板移动的子区域bin，用于实时收集平均堆积密度和变异系数数据。结果表明，在相近的堆积密度下，与直角刮板相比，所发明的新型刮板能够实现约200％的铺粉速度提高。见图5粉床平均堆积密度和变异系数结果。
实施例4
本实施例主要考虑新型刮板在增材制造过程中的实际应用。
具体工艺为：实际增材制造过程对柔性生产提出要求。选择Ti-6Al-4V增材制造实际生产用粉，使用直角刮板和新型刮板进行铺粉过程的模拟。其中Ti-6Al-4V粉末球形度完好，铺粉速度设定为v、2v、3v、4v(v＝0.04m/s)，铺粉高度设定为1.50D90、1.65D90、2.00D90、2.50D90、3.00D90(D90＝60μm)。获取铺粉之后的粉床堆积密度。选择粉末床堆积密度为0.45以及高于0.45的区域作为能够满足3D打印的工作区间。结果表明，所发明的新型刮板的工作区间范围比直角板型扩大约2.5倍，新型刮板的工作区间向更低的铺粉高度和更高的铺粉速度方向扩展。对于新型刮板，当铺粉速度为最快速度4v时，铺粉高度等于2.50D90即可达到堆积密度高于0.45的工作区间；当铺粉速度为v时，铺粉高度等于1.65D90即可达到堆积密度高于0.45的工作区间。相比较而言，直角刮板在最快铺粉速度4v下不能达到0.45堆积密度；而在铺粉速度v下达到0.45堆积密度需要铺粉高度2.50D90。见图5粉床平均堆积密度和变异系数结果。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，并非对本发明构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案所做的任何简单修改、同等变化与改型，包括刮板底部半弧段角度、半弧段长度、平面段长度等，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
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