机械毕业设计-选择性激光烧结快速成型铺粉装置的设计（含全套CAD图纸+1.3万字说明书+外文翻译）

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目录
中文摘要••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••3
Abstract•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••4
1绪论•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••5
1.1课题来源•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••5
1.2研究目的和意义•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••6
1.3选择性激光烧结概述•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••7
1.4 SLS技术的发展历程和现状•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••9
1.5 SLS铺粉装置的目前现状••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••10
1.6本章小结••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••12
2选择性激光烧结的铺粉装置的设计•••••••••••••••••••••••••••••••13
2.1铺粉装置的总体设计••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••13
2.2铺粉装置的第一种方案••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••13
2.3铺粉装置的第二种方案••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••15
2.4方案的比较及最终选择••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••16
2.5设计方案的设计要求••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••16
2.6本章小结••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••17
3 铺粉装置的结构设计••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••18
3.1主机••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••18
3.2成型工作缸••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••18
3.3丝杠设计••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••18
3.4 齿轮的设计••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••27
3.5步进电机设计••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••31
3.6废料回收缸••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••33
3.7铺粉滚筒装置••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••33
3.8送料工作缸••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••34
3.9激光器••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••34
3.10振镜式动态聚焦扫描系统•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••34
3.11机身与机壳•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••36
4 总结••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••37
5 致谢••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••38
6 参考文献••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••39

7 附录••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••40

1.2研究目的和意义
金属成形精度和密度是快速成形技术在工业应用中的关键问题之一，近年来，集中先进的激光技术粉体技术和计算机控制技术的选择性激光烧结工艺日渐成熟，SLS无需模具就可将金属和非金属粉末直接逐层烧结成近净形致密零件，在汽车造船机械航空与航天等诸多领域逐渐得到广泛应用。
选择性激光烧结技术有如下的特点：
（1）材料选择广泛。其工艺材料选择广泛，如尼龙塑料金属陶瓷的包衣粉末或粉末的混合物均可作为加工材料。SLS可根据不同的用途选择不同的材料，如用覆膜砂烧结精密铸造用砂型（或芯），用石蜡粉或塑料粉烧结熔模铸造用的母模，用陶瓷粉烧结陶瓷模壳，或用金属粉直接成形金属模具或零件。
（2）SLS技术不需要特殊支撑，多余材料易于清理，适合原型及功能零件的制造等优点，而且材料可以重复使用，材料利用率高，粉末材料的利用率几乎可以达到100%。
（3）工艺过程简单。与其他原型制造工艺（如SLA,LOM等），SLS成形无须研究专门的废料清除工艺。
（4）具有广阔的应用前景。SLS可以直接成形金属或陶瓷制件，而快速原型与快速制模技术相结合是快速成形技术应用的一个主要方面。从从目前的国内外SLS技术的研究情况来看，覆膜砂，石蜡粉以及塑料粉三种材料的激光烧结技术的研究比较成熟，已经有商品化的设备推向市场。金属粉末的激光烧结技术也逐渐成熟，而陶瓷粉末的激光烧结技术尚处在研发阶段，陶瓷粉末的激光烧结技术属当今激光烧结技术的研究前沿和技术难点。
在本论文中所设计的选择性激光烧结机械系统中铺粉装置，它是对选择性激光烧结成形质量是有重大的影响，它实现了粉末铺覆的自动化和铺粉厚度，粉末层密度大小的精确控制，目的是使生成的金属构件在精度及物理性能上达到实验要求的水平。
铺粉装置的特点：
（1）整套装置利用了机械部件与电气元件的组合，实现了机电一体化，提高可工作效率与自动化程度。
（2）铺粉装置机构装配简单，结构紧凑。
（3）粉末层的密度可以根据所用粉末材料的特性通过调节步进电机的运动参数进行适当的调节，扩大了快速成形机的使用范围。
对成形工件质量，是否符合用户所要求，在未来增材制造技术中将会越来越受到重视，随着选择性激光烧结技术的成熟，我们对产品的要求会越来越高，而对影响工件的质量的各种因素将会越来越受到科研学者的重视，而铺粉装置仅是其中的因素之一，而且它也有很多改进的地方，所以，在未来的发展过程中，它的意义是非常重大的。
1.3选择性激光烧结概述
激光选区烧结工艺SLS（selected laser sintering），又称选择性激光烧结，它是采用红外激光作为热源来烧结粉末材料，并以逐层堆积方式成形三维零件的一种快速成形技术。
SLS工艺的基本思想是基于离散-堆积成形的制造方式，实现从三维（CAD）模型到实体原型/零件的转变。选择性激光烧结快速成形技术的原理如下：
（1）在计算机上，实现零件模型的离散过程。首先利用CAD技术构建被加工零件的三维实体模型；然后利用分层软件将三维CAD模型分解成一系列的薄片，每一薄片称为一个分层，每个分层具有一定的厚度，并包含二维轮廓信息，即每个分层实际上是2.5维的；再用扫描轨迹生成软件将分层的轮廓信息转化成激光的扫描轨迹信息。
（2）在SLS成形机上，实现零件的层面制造。堆积成形的过程：首先在成形缸内将粉末材料铺平，预热之后，在控制系统的控制下，激光束以一定的功率和扫描速度在铺好的粉末层上扫描。被激光扫描过的区域内，粉末烧结成具有一定厚度的实体结构。激光未扫描的地方仍然是粉末，可以作为下一层的支撑并能在成形完成后去除，这样得到零件的一层。当一层截面烧结完成后，供粉活塞上移一定距离，成形活塞下移一定距离，通过铺粉操作，铺上一层粉末材料。继续下一层的激光扫描烧结，而且新的烧结层与前

面已成形的部分连接在一起。如此逐层地添加粉末材料，有选择地烧结堆积，最终生成三维实体原型或零件。
（3）全部烧结完成后，要做一些后处理工作，如去掉多余的粉末，再进行打磨，烘干等处理便获得原型或零件。
激光选区烧结快速成形设备的主要构成①机械主体部分②光路系统③控制系统④冷却装置⑤辅助加热装置等部分组成。
下面简单介绍各个部分的组成：
机械主体部分
（1）机架 用于支撑设备的其他部分。
（2）工作平台 用于安装铺粉机构和活塞缸，同时作为它的安装基面。
（3）铺粉机构 有滚轮式和刮板式两种。作用是不断提供成形用的粉末并将粉末铺平。滚轮式在直线运动过程中作反时针旋转，将供粉缸中的粉末送至成形缸，并使平面平整。对于大多数粉末材料，滚轮式结构的铺粉效果优于刮板式结构。
（4）供粉系统 有活塞顶出式和漏斗下料式两种。无论何种方式，成形时每次的送料量均应大于成形室的单层成形体积。
（5）集料箱 用于收集铺粉过程中多铺的粉料和卸料。
（6）通风除尘机构
光路系统
（1）激光器 在SLS成形机上用于烧结塑料聚合物粉末的激光器多采用二氧化碳激光器，最大输出功率为50W，其特点是寿命长，效率高，结构紧凑，输出稳定，可靠性高，易于控制。
（2）反射镜 将激光束导入聚焦系统。
（3）扩束聚焦系统 为了得到较小的聚焦光斑。
（4）扫描器
（5）指示光源 由于加工用的激光束是不可见光，不便调试和操作，引入可见光，能够清晰看见激光光路，便于各光学元件的定位
（6）光束合成器
控制系统
SLS成形机的控制系统由计算机和多快控制卡组成。其基本过程是由计算机控制铺粉机构，将粉末均匀地铺在烧结面上，然后控制激光器和扫描器，使激光束在烧结面上扫描。完成一层的烧结后，烧结面下降一段距离，完成一次烧结过程。不断重复，最终就烧结成了三维实体。一般情况下铺粉装置有多台伺服或步进电机，其中有控制供料缸和成形缸的，一种用于驱动铺粉小车作水平运动，一台用于铺粉小车的滚轮转动，由计算机对各步进电机驱动器进行控制。