选择性激光烧结快速成型铺粉装置设计
目录
中文摘································································3
Abstract·································································4
1绪···································································5
11课题源···························································5
12研究目意义·····················································6
13选择性激光烧结概述·················································7
14 SLS技术发展历程现状···········································9
15 SLS铺粉装置目前现状············································10
16章结··························································12
2选择性激光烧结铺粉装置设计·······························13
21铺粉装置总体设计················································
13
22铺粉装置第种方案··············································13
23铺粉装置第二种方案··············································15
24方案较终选择··············································16
25设计方案设计求················································16
26章结··························································17
3 铺粉装置结构设计··········································18
31机······························································18
32成型工作缸························································18
33丝杠设计··························································18
34 齿轮设计························································27
35步进电机设计······················································31
36废料回收缸························································33
37铺粉滚筒装置······················································33
38送料工作缸························································34
39激光器····························································34
310振镜式动态聚焦扫描系统···········································34
311机身机壳·······················································36
4 总结························································37
5 致谢························································38
6 参考文献····················································39
7 附录························································40
选择性激光烧结铺粉装置设计
摘：年集中先进激光技术粉体技术计算机控制技术选择性激光烧结（Selective Laser Sintering简称SLS)工艺日渐成熟SLS需模具金属非金属粉末直接逐层烧结成净形致密零件具成形灵活性强周期短原料广泛等特点汽车造船机械航空航天等诸领域逐渐广泛应成前成形技术中研究热点句发展潜力前技术分析铺粉精度选择性激光烧结成型质量影响设计种新型铺粉装置介绍该铺粉装置工作原理结构组成设计点
关键词：选择性激光烧结粉末快速成形铺粉装置铺粉精度
Design of Spreading Powder Device of Selective Laser Sintering Rapid Prototyping Machine
Abstract Slective Laser sintering(SLS)integrated the technologies of laserpowder and computeraided design become more and more mature in the past ten years The SLS can be used to sinter metal and nonmetal powders directly into fulldensified and nearnet shaped productsBecause of having the merits of good flexibilityshort production periods broad raw materials and so onthe SLS is now widely applied in many fieldssuch as automobileshipbuilding spacefight and aviation industryand is considered as the technology in advance positionPrecision of powderlaying is an important factor affecting selective laser sintering forming qualityA new kind of spreading powder device was designedThe working principlesstructure constitution and design points were intrduced
KeywordsSelective laser sintering powder rapid shaping spreading powder device accuracy of powderlaying
1 绪
11 课题源
机械制造业长期采加工方法减材制造法刀具较毛坯逐步切材料制作工件方法传统车铣刨钻磨等切削加工方法现代电火花成形激光切割属减材制造法机械制造业常方法减材制造工件精度高表面品质成形材料加工机床间通常存属存关系适材料广泛需机床制造商研制提供专材料采毛坯通常必须铸造锻造成需模具预成形加工周期较长材料利率低成较高外受刀具模具限制时甚法成形部形状复杂工件
图11 机械制造方法
a)减材制造 b)增材制造
增材制造法出现20世纪80年代率先实现增材制造快速成形技术称成形技术核心需成形工件复杂三维形体通切片转化简单二维截面组合必采传统加工机床工模具工件三维计算机辅助设计模型计算机控制快速成形机直接成形三维工件成形程：①利快速成形机中软件模型高度方模型进行分层切片层截面二维轮廓图②快速成形机轮廓图分层沉积材料成形系列二维截面薄片层③快速成形机片层片层间相互黏结片层序堆积成三维工件实体
增材制造法通三维二维转化工件成形简化需传统切削加工3050工时2035成直接制作复杂三维工件机械制造业引起巨反响誉制造业场革命
20年努力实现快速成形工艺关键设备已5种商品化：激光固化式（SLA）激光烧结式（SLS）贴片刻写式（LOM）喷墨黏粉式（3DP）熔融挤压式（FDM）等形式快速成形机5种快速成形机中前3种激光束材料逐层成形篇文设计题目基激光烧结式激光束烧结材料成三维工件快速成形机现设计套动铺粉装置实现粉末铺覆动化铺粉厚度粉末层密度精确控制目生成金属构件精度物理性达实验求水
12研究目意义
金属成形精度密度快速成形技术工业应中关键问题年集中先进激光技术粉体技术计算机控制技术选择性激光烧结工艺日渐成熟SLS需模具金属非金属粉末直接逐层烧结成净形致密零件汽车造船机械航空航天等诸领域逐渐广泛应
选择性激光烧结技术特点：
（1） 材料选择广泛工艺材料选择广泛尼龙塑料金属陶瓷包衣粉末粉末混合物均作加工材料SLS根途选择材料覆膜砂烧结精密铸造砂型（芯）石蜡粉塑料粉烧结熔模铸造母模陶瓷粉烧结陶瓷模壳金属粉直接成形金属模具零件
（2） SLS技术需特殊支撑余材料易清理适合原型功零件制造等优点材料重复材料利率高粉末材料利率达100
（3） 工艺程简单原型制造工艺（SLALOM等）SLS成形须研究专门废料清工艺
（4） 具广阔应前景SLS直接成形金属陶瓷制件快速原型快速制模技术相结合快速成形技术应方面目前国外SLS技术研究情况覆膜砂石蜡粉塑料粉三种材料激光烧结技术研究较成熟已商品化设备推市场金属粉末激光烧结技术逐渐成熟陶瓷粉末激光烧结技术尚处研发阶段陶瓷粉末激光烧结技术属激光烧结技术研究前技术难点
文中设计选择性激光烧结机械系统中铺粉装置选择性激光烧结成形质量重影响实现粉末铺覆动化铺粉厚度粉末层密度精确控制目生成金属构件精度物理性达实验求水
铺粉装置特点：
（1）整套装置利机械部件电气元件组合实现机电体化提高工作效率动化程度
（2）铺粉装置机构装配简单结构紧凑
（3）粉末层密度根粉末材料特性通调节步进电机运动参数进行适调节扩快速成形机范围
成形工件质量否符合户求未增材制造技术中会越越受重视着选择性激光烧结技术成熟产品求会越越高影响工件质量种素会越越受科研学者重视铺粉装置仅中素改进方未发展程中意义非常重
13选择性激光烧结概述
激光选区烧结工艺SLS（selected laser sintering）称选择性激光烧结采红外激光作热源烧结粉末材料逐层堆积方式成形三维零件种快速成形技术
SLS工艺基思想基离散堆积成形制造方式实现三维（CAD）模型实体原型零件转变选择性激光烧结快速成形技术原理：
（1） 计算机实现零件模型离散程首先利CAD技术构建加工零件三维实体模型然利分层软件三维CAD模型分解成系列薄片薄片称分层分层具定厚度包含二维轮廓信息分层实际25维扫描轨迹生成软件分层轮廓信息转化成激光扫描轨迹信息
（2） SLS成形机实现零件层面制造堆积成形程：首先成形缸粉末材料铺预热控制系统控制激光束定功率扫描速度铺粉末层扫描激光扫描区域粉末烧结成具定厚度实体结构激光未扫描方然粉末作层支撑成形完成样零件层层截面烧结完成供粉活塞移定距离成形活塞移定距离通铺粉操作铺层粉末材料继续层激光扫描烧结新烧结层前
面已成形部分连接起逐层添加粉末材料选择烧结堆积终生成三维实体原型零件
（3） 全部烧结完成做处理工作掉余粉末进行磨烘干等处理便获原型零件
激光选区烧结快速成形设备构成①机械体部分②光路系统③控制系统④冷装置⑤辅助加热装置等部分组成
面简单介绍部分组成：
机械体部分
（1） 机架 支撑设备部分
（2） 工作台 安装铺粉机构活塞缸时作安装基面
（3） 铺粉机构 滚轮式刮板式两种作断提供成形粉末粉末铺滚轮式直线运动程中作反时针旋转供粉缸中粉末送成形缸面整数粉末材料滚轮式结构铺粉效果优刮板式结构
（4） 供粉系统 活塞顶出式漏斗料式两种种方式成形时次送料量均应成形室单层成形体积
（5） 集料箱 收集铺粉程中铺粉料卸料
（6） 通风尘机构
光路系统
（1） 激光器 SLS成形机烧结塑料聚合物粉末激光器采二氧化碳激光器输出功率50W特点寿命长效率高结构紧凑输出稳定性高易控制
（2） 反射镜 激光束导入聚焦系统
（3） 扩束聚焦系统 较聚焦光斑
（4） 扫描器
（5） 指示光源 加工激光束见光便调试操作引入见光够清晰见激光光路便光学元件定位
（6） 光束合成器
控制系统
SLS成形机控制系统计算机快控制卡组成基程计算机控制铺粉机构粉末均匀铺烧结面然控制激光器扫描器激光束烧结面扫描完成层烧结烧结面降段距离完成次烧结程断重复终烧结成三维实体般情况铺粉装置台伺服步进电机中控制供料缸成形缸种驱动铺粉车作水运动台铺粉车滚轮转动计算机步进电机驱动器进行控制
14 SLS技术发展历程现状
141选择性激光烧结技术发展历程
SLS初德国萨斯学奥斯汀分校CARL DECKARD1987年硕士文中提出美国DTM公司1992年推出该工艺商业化生产设备sinter station2000着研究断深入特激光束控制技术突破美国DTM公司德国EOS公司利时Leuven学英国MCP公司国北京隆源动化成型限公司南京航空航天学西北工业学华北工学院华中科技学等单位研发SLS成形机功断完善性断提高
SLS原材料特性SLS发展分2阶段：1）利SLS技术烧结低熔点材料目前烧结设备工艺处阶段材料聚合物低熔点金属陶瓷包覆粉末（陶瓷聚合物混合物）2）利SLS技术直接烧结高熔点金属材料（钛合金镍合金等）SLS重发展方
国外许快速成形系统开发公司单位快速成形材料进行量研究开发出种适合快速成形工艺粉末材料美国DTM公司1993年推出Rapidsteel制造技术SLS2500Plus系统中烧结表面包覆树脂材料铁粉初次成形零件置入铜粉中起放入高温炉进行二次烧结制造出注塑模具模具EOS公司开发直接未预热金属粉末进行烧结EOSINT M250系统该系统金属粉末组成混合粉适制作滚轴注塑模具日阪学焊接研究实验室MURAKMI T等激光焊接技术成功制备出高精度高分子材料工件制备具高致密度表面精度稍差金属件时SLS粉末材料研究取进展粉末品种越越
目前国正逐渐运生物应领域采SLS技术快速制造医模型体化设计生产植入体组织工程支架通调整SLS处理工艺参数实现生物医材料微观结构力学性控制生物医学应领域具重价值前北京科技学新材料技术研究院正研究采SLS成形技术结合处理方
法制备生物医空金属材料已取定成果说明利SLS技术方便制备利细胞粘附长入表面粗燥孔金属材料尤生物相容性力学性优良钛钛合金材料SLS技术制备生物医材料领域重发展方（前基选择性激光烧结技术基础提出种密排电阻丝烧结种新型快速成形方法—种新成形程中加热方法意义代价格昂贵激光器减成型设备成整截面层时烧结成型具区快速成形技术独特优点果项技术推广快速成形技术亮点未快速成形技术进步发展应）
总言选择性激光烧结技术前较成熟快速成形方法航空航天医等领域逐渐重视国家建立节约型环境友型中国会具重意义值科学家研究者研究普推广更领域
15 SLS铺粉装置目前现状
目前市场SLS成型机产品成型程原理体分两种种DTM代表种EOS代表面两种例分加介绍
151DTM分缸铺粉
成型系统体结构封闭成型室中安装两刚体活塞结构供粉成型成型程开始前红外线板粉末材料加热恰低烧结点某温度成型开始时供粉缸活塞移定量成型缸活塞相量铺粉滚筒粉料均匀铺成型缸加工面激光束计算机控制定速度量第层信息进行扫描激光束扫初粉末烧结固化定厚度层烧结粉末作支撑样零件第层制作出
供料缸成型缸分重复操作述动作激光束第二层信息扫描烧结粉末未固化成第二层反复完成图示
图1 DTM式
152送料槽铺粉
EOS系统中烧结固化程DTM程相铺粉方式粉末铺撒槽型喷嘴实现导踪板轮廓设计成喷头边偏边保持喷力方始终垂直工作面喷头侧面设计刮刀装置
图2 EOS式
16章结
章全文前言部分：
1文课题源背景前前制造技术部分增材技术社会发展趋势求科研者具开拓创新精神致力该方研究
2研究目意义文SLS制造技术铺粉装置设计成形工件质量影响十分重改进优化者设计创新SLS增材制造技术领域重突破
3SLS快速成型技术前背景研究现状铺粉装置前研究现状
2 选择性激光烧结铺粉装置设计
21铺粉装置总体设计
选择性激光烧结快速成型机数处理成型执行机构两部分组成数处理部分包括根三维模型构建加工轨迹离散程软件快速成型机配套计算机处理成型执行机构部分根离散信息数控设备完成执行控制加工程文执行机构铺粉装置进行两种方案构思设计方案示
22铺粉装置第种方案
221铺粉装置原理
选择性激光烧结快速成型机执行机构原理图工作台铺粉装置激光器激光光路发生系统外加辅助系统组成铺粉装置伺服电机滚珠丝杠铺粉轧筒工作缸体齿轮齿条等组成
烧结前烧结程中烧结粉末倒入供粉缸8中根工艺求供粉缸8进行预热预热温度温度传感器进行检测进行闭环动控制供粉缸中粉末达预定预热温度计算机发出指令控制铺粉轧筒3供粉缸8成形缸9移动供粉缸活塞6顶起定量粉末均匀整铺成型缸9工作面激光开始扫描烧结循环复层层堆积直整零件4完成止工作程中密封装置工作腔保持密封作保持工作具恒定温度二保证粉末工作腔活动余料回收方便三避免烧结程中发生氧化反应
图21 成型机构工作原理图
1齿轮 2工作台 3铺粉轧筒 4工件 5激光发生器 6活塞 7滚珠丝杠
8供粉缸 9成形缸 10伺服电机
222铺粉装置机构
图22 铺粉装置结构
23铺粉装置第二种方案
该铺粉装置工作原理第种方案基差机构设计中未选择联轴器连接选择齿轮传动成形缸右侧设置废料回收缸便够节约材料材料充分利结构图示
图23铺粉装置机构
24方案较终选择
方案方案二较分析知方案装配简单结构紧凑粉末层密度通步进电机进行适调节方案二结构复杂节约原材料角度考虑齿轮传动工作寿命长瞬时传动常数传动效率高方案二行性方案
通较选择设计方案二进行设计证
25设计方案求：
工作容求：
成型空间：300×300×300mm
成型件重量约：5Kg
烧结深度托盘层间降距离：01mm
Z方定位精度：001mm
25章总结
章铺粉装置整体构思通分析较确定终选择方案设计方案文第章阐述DTM式铺粉装置前国流EOS式铺粉装置国外选择DTM式铺粉装置鉴选择尝试设计DTM式铺粉装置
3 铺粉装置结构设计
31机
机成型工作缸废料回收缸铺粉轮筒装置送料工作缸激光器振镜式动态聚焦扫描系统机身机壳等组成
32成型工作缸
缸中完成零件加工工作缸次降距离层厚零件加工完缸升起时边取出制件次假工作准备工作缸圆型缸部活塞装置活塞杆连接装置连接丝杠螺母装置丝杠步进电机驱动丝杠转动带动丝杠螺母移动通连接件活塞作运动具体结构图
图31 传动部件
结构尺寸：底直径400毫米圆形高300毫米
33丝杠设计
331丝杠类型确定
滚珠丝杠副组成特点：
滚珠丝杠副种新型螺旋传动机构具螺旋槽丝杠螺母间装中间传动元件滚珠丝杠螺母滚珠反器四部分组成丝杠转动时带动滚珠螺纹滚道滚动防止滚珠滚道面掉出螺母螺旋槽两端设滚珠回程引导装置构成滚珠循环返通道形成滚珠流动闭合通路
滑动丝杠副相较滚珠丝杠副述优点外具轴刚度高运动稳传动精度高易磨损寿命长等优点锁具传动逆性作升降传动机构时需采取制动措施
作两者相
应滚珠丝杠数控机床定位工作台滑动丝杠般仅传递力较高定位求长场合
基选择性激光烧结快速成型技术铺粉装置设计求定位精度较高滚珠丝杠副更适合
332丝杠设计
丝杠导程计算：
Pho导程 （mm）
Vmax工作台移动速度（mmmin）
nmax电机转速（rmin）
I 传动输出端（马达）输入端（丝杠）传动
通已知条件较初步选定丝杠导程4mm
丝杠螺母位置简图：
图32 滚珠丝杠
(1) 滚珠丝杠进力计算
设计滚珠丝杠时首先确定名义直径螺距滚珠直径等确定述参数般放防止疲劳点蚀基础滚道点言应力状态交变接触力设计时必须保证定轴负载作种名义直径螺距滚珠丝杠回转百万转产生点蚀现象负载成滚珠丝杠动载荷
作滚珠丝杠进力包括运动件成型原料重力运动件间摩檫力数值模拟机床丝杠导轨计算
活塞牵引力式计算：
FmKFx+f΄(Fz+G)
式中 Fx Fz重力 N
K颠覆力矩影响实验系数
f΄ 运动件摩檫系数
G移动部件重量 N
设计采运动件摩擦较f΄003~005取f΄005
（2） 滚珠丝杠刚度计算
1 轴总刚度
滚珠丝杠传动系统刚度受相连部件(：轴承支承螺母座等)影响
图33 丝杠传动副
公式： 1Rtot1Rs+1Rnu+1RaL
Rtot传动系统轴总刚度（Nμm）
RaL 支承轴承刚度（Nμm）
Rs 丝杠刚度（Nμm）
Rnu 螺母刚度 （Nμm）
Fa 轴负荷 （N）
2 支承刚度
支 δ FaRtot
δ 轴弹性变形量 （μm）
承轴承刚度RaL轴承生产厂产品样中查出
RaLFa δaL
RaL支承轴承刚度 （Nμm）
Fa 轴负荷 （N）
δaL 支承轴承弹性变形量（μm）
3 螺母刚度
数情况丝杠刚度Rs 远远螺母刚度RnuRnu般Rs35倍
预加载荷螺母刚度
检测预紧载荷Fao等额定动载荷Ca10轴载荷F额定动载荷Ca30时螺母刚度系列表中刚度值80预紧载荷Fao额定动载荷Ca10时刚度计算：
Rnu 螺母刚度（Nμm）
R 系列表中刚度值（Nμm）
Fao 轴负荷 （N）
Ca 系列表中基动载荷
δ 刚度计算系数
δ01 垫片式预警
δ005增钢球式预警
4 丝杠刚度
丝杠刚度Rs取决安装支承形式设计采端固定支承
图34 丝杠支撑
Rs1 丝杠刚度（Nμm）
d0 公称直径（mm）
Ls1 轴承螺母距离（mm）
Dw 滚珠直径（mm）
般说丝杠时1000mm长丝杠升1oC12μm伸长量滚珠丝杠导程高精度加工会温升产生变形定位精度误差选择正确润滑剂冷方式外应采措施：
· 机械高速运转升温达稳定状态
· 丝杠安装时施予预拉载荷
· 闭环控制方式定位
(3) 滚珠丝杠强度计算
计算滚珠丝杠时首先工作负载推算出动负载计算时采滚珠轴承样方法机械零件：
Q—动负载 N
F—工作负载 N
L—寿命 （106位单位）
寿命L式计算
n—滚珠丝杠转速 rmin
T—寿命时间 h 查表 T15000h
初步计算导程L0
vmax—活塞快快进速度 mmmin vmax 3600mmmin
nmax—丝杠转度 rmin nmax1500rmin
L03600150024 初取L04mm
丝杠转速
900 rmin
寿命值
考虑滚珠丝杠运转中击振动滚珠丝杠硬度寿命影响动负载计算公式：
Q· fw· fH ·F
fw—运转系数 查表取 fw12（轻微击）
fH—硬度系数 查表取 fH10 （滚道实际硬度HRC58）
Q ×12×10×2164
2420 N
根动负载值选取滚珠丝杠公称直径d016mm 选滚珠丝杠螺母副型号SFU16054型额定动载荷3390N符合设计求具体参数表：
型号
滚珠丝杠尺寸
循环×圈数
滚珠直径
螺旋角
动负载
中径
径
导程
SFU16054
16
155
4
3×1
1762
2ْ33″
3390
表31 丝杠设计参数
般情况数控机床导程精度E级
（4）传动效率计算
根机械原理丝杠传动效率η式计算：
η
λ—丝杠螺旋升角
Φ—摩擦角
滚珠丝杠副滚动摩擦系数f0003~0004摩擦角约10′
tanΦf0003~0004
η
滚珠丝杠副效率96
（5） 稳定性验算
丝杠两端采深沟球轴承角接触球轴承种情况丝杠会发生失稳现象需稳定性验算
（6）丝杠固定支撑件选择
丝杠选择端固定端支撑固定端图
图35 丝杠固定端
支撑端：
图36 丝杠支撑端
34齿轮设计
设计中齿轮作稳安全传递运动转矩改变传动方原选低传动意齿轮配合
面举例计算假设设计闭式单级直齿圆柱齿轮传动
选齿轮齿数21i672
取67传动
齿轮弯曲疲劳强度设计
闭式硬齿面齿轮传动承载力般取决弯曲强度先弯曲强度设计验算接触强度
查表K15取
Nm
公式知：
计算端面重合度
查表选取
：
查表：
选
齿面硬度均值51HRC查
取设计齿轮模数
确定项数值代入设计公式求：
修正：
查表选取第系标准模数m4mm
齿轮尺寸：
校核齿面接触疲劳强度：
查表（允许出现点蚀）
齿面硬度均值51HRCMQML线中间查出：
选取：
确定出项数值代入接触强度校核公式：
接触强度满足求
图37 齿轮
35步进电机设计
351采步进电机作送粉缸成型缸驱动装置
步进电机种电脉信号进行控制电脉信号转换成线位移角位移控制电动机步进电机步距角转速受电压波动负载影响受环境条件（温度压力击振动）限制仅脉频率步控制脉求立启动停止反转改变转速转固定步数步丢步情况运行时步距误差会长期积累步进电机单片机技术相结合优点充分发挥基优点结合装置采步进电机
352步进电机选择类型
1类型选择
通常情况步进电机分三种类型①永磁式步进电动机优点功率断电情况定位转矩缺点步距启动频率低②反应式步进电机优点做成相结构简单久耐③永磁感应式步进电机（混合型电机）具步距较高频率兼控制功率优点缺点结构较复杂
基装置求提升装置精度高动态响应快通较选择采混合型步进电机
2电机步距角选择
般电机步距角应控制系统定位精度12Z轴精度求：001mm丝杠导程选择4mm
初步选择步距角0918步进电机选择42BYG永磁感应子式步进机
具体参数：
绝缘电阻：500VDC 100MΩ
绝缘强度：500V AC 1 Minute
温 升：65K
环境温度：10~+55℃
绝缘等级：B
图38 电机结构
矩频特性：
图39 矩频特性图
电机相数4
电压24v
电流12A
电阻2Ω
电感13mH
静转矩12Kgcm
长度33mm宽度40mm出轴长8mm轴径8mm
36废料回收缸
废料回收缸回收铺粉溢出粉末材料
回收缸尺寸200mm400mm400mm螺栓螺母配合固定机身
37铺粉滚筒装置
包括铺粉滚筒驱动系统作粉末材料均匀铺工作缸
滚筒钢芯包裹外部塑料组成部套圆形导轨丝杠传动实现X方进运动次工作时铺粉筒先运动右限位退回
图310铺粉滚筒装置
38送料工作缸
提供烧结需粉末材料结构设计成型缸基相保证供料充足体积成型缸高400mm
39 激光器
提供烧结粉末材料需源
固态粉末烧结激光器种
二氧化碳激光器 NdYAG激光器
根应蜡粉材料选二氧化碳激光器
列表
表32 激光参数
根2000年产激光器项性指标统计购买成假设15千美元台运行成月计算激光器耗损3千美元台月电力消耗005千美元台月
310 振镜式动态聚焦扫描系统
振镜式动态聚焦扫描系统XY扫描头动态聚焦模块组成XY扫描头两镜子步进电动机控制激光束反射工作面预定XY坐标动态聚焦模块通步进电动机调节Z方焦距反射XY意坐标点激光束始终聚焦面动态聚焦扫描系统激光器控制始终步具体结构图
图311 振镜式动态聚焦扫描系统
扫描工作台X方运动直径16mm丝杠驱动运动支撑两圆柱导轨完成运行导轨直径20mm驱动丝杠电机选57BYG503型静转矩达12kgcm
扫描工作台Y方运动直径12mm丝杠驱动直径20mm单圆柱导轨支撑驱动丝杠电机选57BYG303型步进电机静转矩70kgcm
双圆柱导轨结构特点：
1）圆柱面导面支撑面结构简单便采淬火钢延长导轨寿命减少磨擦力
2）圆柱导轨两端支撑刚性较差选较直径导面较时精度稳定
311 机身机壳
机身机壳整快速成型系统提供机械支撑需工作环境
总 结
通学期毕业设计较全面掌握快速成型中激光烧结技术工作原理机械设计进行SLS设计时受益匪浅想想四年学次毕业设计中体现出实属高兴次设计觉收获：
1重温三年专业知识
2动手学CAD等软件完成制图工作
3 图书馆查阅相关资料完成毕业设计明白知识积累需通实践
实次设计中远止碍篇幅叙述相信次毕业设计生受益匪浅
致 谢
毕业设计期间敬爱导师XX老师极丰富理实践验严禁治学态度蔼处事方式帮助文研究撰写更XX老师悉心指导完成周老师学业求严格认真指导生活予热情关怀鼓励真诚献衷感谢
文撰写课题研究程中专业学热心帮助课题调研期间微顾帮助表示诚挚感谢
感谢位评审专家文进行审阅指正文中错误足
毕业设计期间学生活等帮助领导老师学朋友表示真挚谢意
外衷心感谢予积极生观生存技培育教育四年母校母校致敬
参考文献
[1]安琦顾强机械设计[M]北京：科学出版社2008
[2]赵丁选光机电体化设计手册[M]北京：化学工业出版社2003
[3]王尧特种加工成形手册[M]北京：化学工业出版社2009
[4]王运赣王宣三维印技[M]武汉：华中科技学出版社2013
[5]张建民机电体化系统设计[M]北京：高等教育出版社2012
[6]现代实机床设计手册编委会现代实机床设计手册[M]北京：机械工业出版社2006
[7]赵红周知进机械设计课程设计指导[M]长沙：中南学出版社2011
[8]沈鸿机械工程设计手册[M]北京：机械工业出版社1982
[9]欧阳鸿武陈欣等特种粉末选择性激光烧结快速成型技术[J]粉末冶金材料科学工程20072
[10]潘琰峰沈赴顾东东等选择性激光烧结技术发展现状[J]工具技术200438（2）： 37
[11]杨军慧新安杨立军选择性激光烧结快速成型机铺粉装置设[J]机床液 压201010013881
附 录
英文翻译：
选择性激光烧结温度场数值模拟
张坚 李云健等
华东交通学 运载工具装备国家教育部重点实验室
摘：金属混合粉末钨铜激光烧结程通ANSYS限元软件模拟中温度场辐射流热物理参数素做模拟条件文献中研究表明激光功率扫描速度等关键参数直接影响烧结成型研究显示扫描速度恒定时着激光功率增加烧结深度会增加相反激光功率恒定时着扫描速度增加烧结深度会降烧结深度中选择合理加工程参数满足烧结质量求结合烧结深度合理利烧结功率扫描速度参数
关键词：选择性激光烧结 数字模拟 温度场 烧结深度
1 引言
钨铜混合材料种典型二阶段伪合金具良导电性铜热传导性高熔点钨高硬度作电接触电极材料特殊途军物资（例火箭喷嘴）高气密性包装CPU散热器衬底固态微波炉等等钨铜混合材料已广泛应工业军
选择性激光烧结技术研究热点课题够3DCAD软件中 直接制造金属模型者较复杂形状部分原型应功满足求SLS获高密度钨铜合金加工方法难完成具复杂状零件篇文讲通限元ANSYS软件数字模拟钨铜合金粉末温度场中分布分析激光功率扫描速度烧结深度影响烧结深度选择合理工艺参数钨铜合金粉末烧结成型具重意义
2建立模型
21建立数学模型
熔池周围空气SLS粉床产生热变化导热性面等式表达：
代表效热传导粉末系数：
代表压实粉末密度
C代表材料热热量
代表分散热空气：
激光量密度
假设烧结前均匀分布初温度设T0开始显示条件示：
简化计算假设衬底底部没热量损失SLS中热损失传导辐射造成边界条件显示：
代表效热传导粉末系数
h代表热传导系数
T代表金属粉末某刻温度
Stefanbdtzmann固定值
代表初始温度
代表实际象热辐射系数
23 物理模型建立
简化烧结模型计算时间面建立限元模型混合粉末钨铜定例混合网格34mm×16mm×03mm激光烧结空间热影响区域减少时间确保足够网密度网尺寸够衬底烧结层烧结层厚度01mm然衬底网
面图2中显示激光高斯分布激光量中心高激光量着远离中心点连续降低激光点分成4×4123应衰变系数分083595520522642403267576
图1
图2
烧结程中激光量遵高斯分布：
q代表激光量密度
P代表激光量
A激光粉床激光吸收率
r代表粉床点激光中心距离
W激光点半径
3 结果分析
粉末钨铜定例混合融化温度分3380°1083°面表格1图3显示
工艺参数假设直径04mm扫描空间03mm粉末厚度01mm空气传导系数10粉床效辐射系数08
表1
图3
图4显示池深度效扫描速度图见激光功率固定值时烧结深度着扫描速度增加减少v012ms时烧结深度029mm然v002ms时烧结深度0076mm原激光功率固定时扫描速度增加输入激光量会减少时量粉末粒子停留时间较少特高扫描速度量粉末粒子间持续时间极短甚粉末粒子够融化量转换粉末粒子周围没足够时间低扫描速度温度提升容易导致巨累积效果较温度梯度
图5显示粉池中激光功率影响正图见扫描速度固定时烧结深度提高着烧结功率提高p195w时烧结深度仅仅008mmp235w时烧结深度增加021mm原扫描速度固定激光功率提高输出量密度提高激光功率会温度太高粉末烧结层巨收缩容易导致工件翘曲开裂
图4 粉池中扫描速度影响
图5 粉池中激光功率影响
激光功率扫描速度直接影响烧结成型关键参数较高扫描速度仅仅效抑制熔池扩张溅现象提高形成效率合理激光功率仅仅确保更层粘接减少烧结层收缩翘曲
烧结深度必须粉层厚度目穿透前粉末层时确保相邻粉层更粘结否相邻粉层会分开获粉池中零件强度形成准确性甚形成程中实现图6显示特定激光功率扫描速度时间Z方温度分布正图示t005875s时01mm温度明显高铜融化点（1356K）暗示烧结深度粉层厚度样烧结深度t011125s014mmt0211125019mm粉末厚度低烧结深度前工艺参数相邻结合点第层底层强冶金结合层较
SLS3D部分完成线表面层重叠通烧结形成固体结构应该满足面2条件
1覆盖程度量应该求扫描光束间说确定功率密度扫描速度太高确保足够功率输入粉末层前层粘接起没散粉情况形成2D表面结构
2粉末厚度低烧结深度说烧结功率应该确保穿透前层时相邻层更粘结样更形成3D立体结构
图6 时间Z方温度分布（1t1005875s 2t2011125s 3t3021125s)
4 总结
1扫描速度固定时着激光功率提高烧结深度会提高外激光功率固定时着扫描速度增加烧结深度会降
2选择合理工艺参数烧结深度满足烧结质量求通分析烧结深度合理利烧结功率扫描速度
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目录
中文摘································································3
Abstract·································································4
1绪···································································5
11课题源···························································5
12研究目意义·····················································6
13选择性激光烧结概述·················································7
14 SLS技术发展历程现状···········································9
15 SLS铺粉装置目前现状············································10
16章结··························································12
2选择性激光烧结铺粉装置设计·······························13
21铺粉装置总体设计················································
13
22铺粉装置第种方案··············································13
23铺粉装置第二种方案··············································15
24方案较终选择··············································16
25设计方案设计求················································16
26章结··························································17
3 铺粉装置结构设计··········································18
31机······························································18
32成型工作缸························································18
33丝杠设计··························································18
34 齿轮设计························································27
35步进电机设计······················································31
36废料回收缸························································33
37铺粉滚筒装置······················································33
38送料工作缸························································34
39激光器····························································34
310振镜式动态聚焦扫描系统···········································34
311机身机壳·······················································36
4 总结························································37
5 致谢························································38
6 参考文献····················································39
7 附录························································40
选择性激光烧结铺粉装置设计
摘：年集中先进激光技术粉体技术计算机控制技术选择性激光烧结（Selective Laser Sintering简称SLS)工艺日渐成熟SLS需模具金属非金属粉末直接逐层烧结成净形致密零件具成形灵活性强周期短原料广泛等特点汽车造船机械航空航天等诸领域逐渐广泛应成前成形技术中研究热点句发展潜力前技术分析铺粉精度选择性激光烧结成型质量影响设计种新型铺粉装置介绍该铺粉装置工作原理结构组成设计点
关键词：选择性激光烧结粉末快速成形铺粉装置铺粉精度
Design of Spreading Powder Device of Selective Laser Sintering Rapid Prototyping Machine
Abstract Slective Laser sintering(SLS)integrated the technologies of laserpowder and computeraided design become more and more mature in the past ten years The SLS can be used to sinter metal and nonmetal powders directly into fulldensified and nearnet shaped productsBecause of having the merits of good flexibilityshort production periods broad raw materials and so onthe SLS is now widely applied in many fieldssuch as automobileshipbuilding spacefight and aviation industryand is considered as the technology in advance positionPrecision of powderlaying is an important factor affecting selective laser sintering forming qualityA new kind of spreading powder device was designedThe working principlesstructure constitution and design points were intrduced
KeywordsSelective laser sintering powder rapid shaping spreading powder device accuracy of powderlaying
1 绪
11 课题源
机械制造业长期采加工方法减材制造法刀具较毛坯逐步切材料制作工件方法传统车铣刨钻磨等切削加工方法现代电火花成形激光切割属减材制造法机械制造业常方法减材制造工件精度高表面品质成形材料加工机床间通常存属存关系适材料广泛需机床制造商研制提供专材料采毛坯通常必须铸造锻造成需模具预成形加工周期较长材料利率低成较高外受刀具模具限制时甚法成形部形状复杂工件
图11 机械制造方法
a)减材制造 b)增材制造
增材制造法出现20世纪80年代率先实现增材制造快速成形技术称成形技术核心需成形工件复杂三维形体通切片转化简单二维截面组合必采传统加工机床工模具工件三维计算机辅助设计模型计算机控制快速成形机直接成形三维工件成形程：①利快速成形机中软件模型高度方模型进行分层切片层截面二维轮廓图②快速成形机轮廓图分层沉积材料成形系列二维截面薄片层③快速成形机片层片层间相互黏结片层序堆积成三维工件实体
增材制造法通三维二维转化工件成形简化需传统切削加工3050工时2035成直接制作复杂三维工件机械制造业引起巨反响誉制造业场革命
20年努力实现快速成形工艺关键设备已5种商品化：激光固化式（SLA）激光烧结式（SLS）贴片刻写式（LOM）喷墨黏粉式（3DP）熔融挤压式（FDM）等形式快速成形机5种快速成形机中前3种激光束材料逐层成形篇文设计题目基激光烧结式激光束烧结材料成三维工件快速成形机现设计套动铺粉装置实现粉末铺覆动化铺粉厚度粉末层密度精确控制目生成金属构件精度物理性达实验求水
12研究目意义
金属成形精度密度快速成形技术工业应中关键问题年集中先进激光技术粉体技术计算机控制技术选择性激光烧结工艺日渐成熟SLS需模具金属非金属粉末直接逐层烧结成净形致密零件汽车造船机械航空航天等诸领域逐渐广泛应
选择性激光烧结技术特点：
（1） 材料选择广泛工艺材料选择广泛尼龙塑料金属陶瓷包衣粉末粉末混合物均作加工材料SLS根途选择材料覆膜砂烧结精密铸造砂型（芯）石蜡粉塑料粉烧结熔模铸造母模陶瓷粉烧结陶瓷模壳金属粉直接成形金属模具零件
（2） SLS技术需特殊支撑余材料易清理适合原型功零件制造等优点材料重复材料利率高粉末材料利率达100
（3） 工艺程简单原型制造工艺（SLALOM等）SLS成形须研究专门废料清工艺
（4） 具广阔应前景SLS直接成形金属陶瓷制件快速原型快速制模技术相结合快速成形技术应方面目前国外SLS技术研究情况覆膜砂石蜡粉塑料粉三种材料激光烧结技术研究较成熟已商品化设备推市场金属粉末激光烧结技术逐渐成熟陶瓷粉末激光烧结技术尚处研发阶段陶瓷粉末激光烧结技术属激光烧结技术研究前技术难点
文中设计选择性激光烧结机械系统中铺粉装置选择性激光烧结成形质量重影响实现粉末铺覆动化铺粉厚度粉末层密度精确控制目生成金属构件精度物理性达实验求水
铺粉装置特点：
（1）整套装置利机械部件电气元件组合实现机电体化提高工作效率动化程度
（2）铺粉装置机构装配简单结构紧凑
（3）粉末层密度根粉末材料特性通调节步进电机运动参数进行适调节扩快速成形机范围
成形工件质量否符合户求未增材制造技术中会越越受重视着选择性激光烧结技术成熟产品求会越越高影响工件质量种素会越越受科研学者重视铺粉装置仅中素改进方未发展程中意义非常重
13选择性激光烧结概述
激光选区烧结工艺SLS（selected laser sintering）称选择性激光烧结采红外激光作热源烧结粉末材料逐层堆积方式成形三维零件种快速成形技术
SLS工艺基思想基离散堆积成形制造方式实现三维（CAD）模型实体原型零件转变选择性激光烧结快速成形技术原理：
（1） 计算机实现零件模型离散程首先利CAD技术构建加工零件三维实体模型然利分层软件三维CAD模型分解成系列薄片薄片称分层分层具定厚度包含二维轮廓信息分层实际25维扫描轨迹生成软件分层轮廓信息转化成激光扫描轨迹信息
（2） SLS成形机实现零件层面制造堆积成形程：首先成形缸粉末材料铺预热控制系统控制激光束定功率扫描速度铺粉末层扫描激光扫描区域粉末烧结成具定厚度实体结构激光未扫描方然粉末作层支撑成形完成样零件层层截面烧结完成供粉活塞移定距离成形活塞移定距离通铺粉操作铺层粉末材料继续层激光扫描烧结新烧结层前
面已成形部分连接起逐层添加粉末材料选择烧结堆积终生成三维实体原型零件
（3） 全部烧结完成做处理工作掉余粉末进行磨烘干等处理便获原型零件
激光选区烧结快速成形设备构成①机械体部分②光路系统③控制系统④冷装置⑤辅助加热装置等部分组成
面简单介绍部分组成：
机械体部分
（1） 机架 支撑设备部分
（2） 工作台 安装铺粉机构活塞缸时作安装基面
（3） 铺粉机构 滚轮式刮板式两种作断提供成形粉末粉末铺滚轮式直线运动程中作反时针旋转供粉缸中粉末送成形缸面整数粉末材料滚轮式结构铺粉效果优刮板式结构
（4） 供粉系统 活塞顶出式漏斗料式两种种方式成形时次送料量均应成形室单层成形体积
（5） 集料箱 收集铺粉程中铺粉料卸料
（6） 通风尘机构
光路系统
（1） 激光器 SLS成形机烧结塑料聚合物粉末激光器采二氧化碳激光器输出功率50W特点寿命长效率高结构紧凑输出稳定性高易控制
（2） 反射镜 激光束导入聚焦系统
（3） 扩束聚焦系统 较聚焦光斑
（4） 扫描器
（5） 指示光源 加工激光束见光便调试操作引入见光够清晰见激光光路便光学元件定位
（6） 光束合成器
控制系统
SLS成形机控制系统计算机快控制卡组成基程计算机控制铺粉机构粉末均匀铺烧结面然控制激光器扫描器激光束烧结面扫描完成层烧结烧结面降段距离完成次烧结程断重复终烧结成三维实体般情况铺粉装置台伺服步进电机中控制供料缸成形缸种驱动铺粉车作水运动台铺粉车滚轮转动计算机步进电机驱动器进行控制
14 SLS技术发展历程现状
141选择性激光烧结技术发展历程
SLS初德国萨斯学奥斯汀分校CARL DECKARD1987年硕士文中提出美国DTM公司1992年推出该工艺商业化生产设备sinter station2000着研究断深入特激光束控制技术突破美国DTM公司德国EOS公司利时Leuven学英国MCP公司国北京隆源动化成型限公司南京航空航天学西北工业学华北工学院华中科技学等单位研发SLS成形机功断完善性断提高
SLS原材料特性SLS发展分2阶段：1）利SLS技术烧结低熔点材料目前烧结设备工艺处阶段材料聚合物低熔点金属陶瓷包覆粉末（陶瓷聚合物混合物）2）利SLS技术直接烧结高熔点金属材料（钛合金镍合金等）SLS重发展方
国外许快速成形系统开发公司单位快速成形材料进行量研究开发出种适合快速成形工艺粉末材料美国DTM公司1993年推出Rapidsteel制造技术SLS2500Plus系统中烧结表面包覆树脂材料铁粉初次成形零件置入铜粉中起放入高温炉进行二次烧结制造出注塑模具模具EOS公司开发直接未预热金属粉末进行烧结EOSINT M250系统该系统金属粉末组成混合粉适制作滚轴注塑模具日阪学焊接研究实验室MURAKMI T等激光焊接技术成功制备出高精度高分子材料工件制备具高致密度表面精度稍差金属件时SLS粉末材料研究取进展粉末品种越越
目前国正逐渐运生物应领域采SLS技术快速制造医模型体化设计生产植入体组织工程支架通调整SLS处理工艺参数实现生物医材料微观结构力学性控制生物医学应领域具重价值前北京科技学新材料技术研究院正研究采SLS成形技术结合处理方
法制备生物医空金属材料已取定成果说明利SLS技术方便制备利细胞粘附长入表面粗燥孔金属材料尤生物相容性力学性优良钛钛合金材料SLS技术制备生物医材料领域重发展方（前基选择性激光烧结技术基础提出种密排电阻丝烧结种新型快速成形方法—种新成形程中加热方法意义代价格昂贵激光器减成型设备成整截面层时烧结成型具区快速成形技术独特优点果项技术推广快速成形技术亮点未快速成形技术进步发展应）
总言选择性激光烧结技术前较成熟快速成形方法航空航天医等领域逐渐重视国家建立节约型环境友型中国会具重意义值科学家研究者研究普推广更领域
15 SLS铺粉装置目前现状
目前市场SLS成型机产品成型程原理体分两种种DTM代表种EOS代表面两种例分加介绍
151DTM分缸铺粉
成型系统体结构封闭成型室中安装两刚体活塞结构供粉成型成型程开始前红外线板粉末材料加热恰低烧结点某温度成型开始时供粉缸活塞移定量成型缸活塞相量铺粉滚筒粉料均匀铺成型缸加工面激光束计算机控制定速度量第层信息进行扫描激光束扫初粉末烧结固化定厚度层烧结粉末作支撑样零件第层制作出
供料缸成型缸分重复操作述动作激光束第二层信息扫描烧结粉末未固化成第二层反复完成图示
图1 DTM式
152送料槽铺粉
EOS系统中烧结固化程DTM程相铺粉方式粉末铺撒槽型喷嘴实现导踪板轮廓设计成喷头边偏边保持喷力方始终垂直工作面喷头侧面设计刮刀装置
图2 EOS式
16章结
章全文前言部分：
1文课题源背景前前制造技术部分增材技术社会发展趋势求科研者具开拓创新精神致力该方研究
2研究目意义文SLS制造技术铺粉装置设计成形工件质量影响十分重改进优化者设计创新SLS增材制造技术领域重突破
3SLS快速成型技术前背景研究现状铺粉装置前研究现状
2 选择性激光烧结铺粉装置设计
21铺粉装置总体设计
选择性激光烧结快速成型机数处理成型执行机构两部分组成数处理部分包括根三维模型构建加工轨迹离散程软件快速成型机配套计算机处理成型执行机构部分根离散信息数控设备完成执行控制加工程文执行机构铺粉装置进行两种方案构思设计方案示
22铺粉装置第种方案
221铺粉装置原理
选择性激光烧结快速成型机执行机构原理图工作台铺粉装置激光器激光光路发生系统外加辅助系统组成铺粉装置伺服电机滚珠丝杠铺粉轧筒工作缸体齿轮齿条等组成
烧结前烧结程中烧结粉末倒入供粉缸8中根工艺求供粉缸8进行预热预热温度温度传感器进行检测进行闭环动控制供粉缸中粉末达预定预热温度计算机发出指令控制铺粉轧筒3供粉缸8成形缸9移动供粉缸活塞6顶起定量粉末均匀整铺成型缸9工作面激光开始扫描烧结循环复层层堆积直整零件4完成止工作程中密封装置工作腔保持密封作保持工作具恒定温度二保证粉末工作腔活动余料回收方便三避免烧结程中发生氧化反应
图21 成型机构工作原理图
1齿轮 2工作台 3铺粉轧筒 4工件 5激光发生器 6活塞 7滚珠丝杠
8供粉缸 9成形缸 10伺服电机
222铺粉装置机构
图22 铺粉装置结构
23铺粉装置第二种方案
该铺粉装置工作原理第种方案基差机构设计中未选择联轴器连接选择齿轮传动成形缸右侧设置废料回收缸便够节约材料材料充分利结构图示
图23铺粉装置机构
24方案较终选择
方案方案二较分析知方案装配简单结构紧凑粉末层密度通步进电机进行适调节方案二结构复杂节约原材料角度考虑齿轮传动工作寿命长瞬时传动常数传动效率高方案二行性方案
通较选择设计方案二进行设计证
25设计方案求：
工作容求：
成型空间：300×300×300mm
成型件重量约：5Kg
烧结深度托盘层间降距离：01mm
Z方定位精度：001mm
25章总结
章铺粉装置整体构思通分析较确定终选择方案设计方案文第章阐述DTM式铺粉装置前国流EOS式铺粉装置国外选择DTM式铺粉装置鉴选择尝试设计DTM式铺粉装置
3 铺粉装置结构设计
31机
机成型工作缸废料回收缸铺粉轮筒装置送料工作缸激光器振镜式动态聚焦扫描系统机身机壳等组成
32成型工作缸
缸中完成零件加工工作缸次降距离层厚零件加工完缸升起时边取出制件次假工作准备工作缸圆型缸部活塞装置活塞杆连接装置连接丝杠螺母装置丝杠步进电机驱动丝杠转动带动丝杠螺母移动通连接件活塞作运动具体结构图
图31 传动部件
结构尺寸：底直径400毫米圆形高300毫米
33丝杠设计
331丝杠类型确定
滚珠丝杠副组成特点：
滚珠丝杠副种新型螺旋传动机构具螺旋槽丝杠螺母间装中间传动元件滚珠丝杠螺母滚珠反器四部分组成丝杠转动时带动滚珠螺纹滚道滚动防止滚珠滚道面掉出螺母螺旋槽两端设滚珠回程引导装置构成滚珠循环返通道形成滚珠流动闭合通路
滑动丝杠副相较滚珠丝杠副述优点外具轴刚度高运动稳传动精度高易磨损寿命长等优点锁具传动逆性作升降传动机构时需采取制动措施
作两者相
应滚珠丝杠数控机床定位工作台滑动丝杠般仅传递力较高定位求长场合
基选择性激光烧结快速成型技术铺粉装置设计求定位精度较高滚珠丝杠副更适合
332丝杠设计
丝杠导程计算：
Pho导程 （mm）
Vmax工作台移动速度（mmmin）
nmax电机转速（rmin）
I 传动输出端（马达）输入端（丝杠）传动
通已知条件较初步选定丝杠导程4mm
丝杠螺母位置简图：
图32 滚珠丝杠
(1) 滚珠丝杠进力计算
设计滚珠丝杠时首先确定名义直径螺距滚珠直径等确定述参数般放防止疲劳点蚀基础滚道点言应力状态交变接触力设计时必须保证定轴负载作种名义直径螺距滚珠丝杠回转百万转产生点蚀现象负载成滚珠丝杠动载荷
作滚珠丝杠进力包括运动件成型原料重力运动件间摩檫力数值模拟机床丝杠导轨计算
活塞牵引力式计算：
FmKFx+f΄(Fz+G)
式中 Fx Fz重力 N
K颠覆力矩影响实验系数
f΄ 运动件摩檫系数
G移动部件重量 N
设计采运动件摩擦较f΄003~005取f΄005
（2） 滚珠丝杠刚度计算
1 轴总刚度
滚珠丝杠传动系统刚度受相连部件(：轴承支承螺母座等)影响
图33 丝杠传动副
公式： 1Rtot1Rs+1Rnu+1RaL
Rtot传动系统轴总刚度（Nμm）
RaL 支承轴承刚度（Nμm）
Rs 丝杠刚度（Nμm）
Rnu 螺母刚度 （Nμm）
Fa 轴负荷 （N）
2 支承刚度
支 δ FaRtot
δ 轴弹性变形量 （μm）
承轴承刚度RaL轴承生产厂产品样中查出
RaLFa δaL
RaL支承轴承刚度 （Nμm）
Fa 轴负荷 （N）
δaL 支承轴承弹性变形量（μm）
3 螺母刚度
数情况丝杠刚度Rs 远远螺母刚度RnuRnu般Rs35倍
预加载荷螺母刚度
检测预紧载荷Fao等额定动载荷Ca10轴载荷F额定动载荷Ca30时螺母刚度系列表中刚度值80预紧载荷Fao额定动载荷Ca10时刚度计算：
Rnu 螺母刚度（Nμm）
R 系列表中刚度值（Nμm）
Fao 轴负荷 （N）
Ca 系列表中基动载荷
δ 刚度计算系数
δ01 垫片式预警
δ005增钢球式预警
4 丝杠刚度
丝杠刚度Rs取决安装支承形式设计采端固定支承
图34 丝杠支撑
Rs1 丝杠刚度（Nμm）
d0 公称直径（mm）
Ls1 轴承螺母距离（mm）
Dw 滚珠直径（mm）
般说丝杠时1000mm长丝杠升1oC12μm伸长量滚珠丝杠导程高精度加工会温升产生变形定位精度误差选择正确润滑剂冷方式外应采措施：
· 机械高速运转升温达稳定状态
· 丝杠安装时施予预拉载荷
· 闭环控制方式定位
(3) 滚珠丝杠强度计算
计算滚珠丝杠时首先工作负载推算出动负载计算时采滚珠轴承样方法机械零件：
Q—动负载 N
F—工作负载 N
L—寿命 （106位单位）
寿命L式计算
n—滚珠丝杠转速 rmin
T—寿命时间 h 查表 T15000h
初步计算导程L0
vmax—活塞快快进速度 mmmin vmax 3600mmmin
nmax—丝杠转度 rmin nmax1500rmin
L03600150024 初取L04mm
丝杠转速
900 rmin
寿命值
考虑滚珠丝杠运转中击振动滚珠丝杠硬度寿命影响动负载计算公式：
Q· fw· fH ·F
fw—运转系数 查表取 fw12（轻微击）
fH—硬度系数 查表取 fH10 （滚道实际硬度HRC58）
Q ×12×10×2164
2420 N
根动负载值选取滚珠丝杠公称直径d016mm 选滚珠丝杠螺母副型号SFU16054型额定动载荷3390N符合设计求具体参数表：
型号
滚珠丝杠尺寸
循环×圈数
滚珠直径
螺旋角
动负载
中径
径
导程
SFU16054
16
155
4
3×1
1762
2ْ33″
3390
表31 丝杠设计参数
般情况数控机床导程精度E级
（4）传动效率计算
根机械原理丝杠传动效率η式计算：
η
λ—丝杠螺旋升角
Φ—摩擦角
滚珠丝杠副滚动摩擦系数f0003~0004摩擦角约10′
tanΦf0003~0004
η
滚珠丝杠副效率96
（5） 稳定性验算
丝杠两端采深沟球轴承角接触球轴承种情况丝杠会发生失稳现象需稳定性验算
（6）丝杠固定支撑件选择
丝杠选择端固定端支撑固定端图
图35 丝杠固定端
支撑端：
图36 丝杠支撑端
34齿轮设计
设计中齿轮作稳安全传递运动转矩改变传动方原选低传动意齿轮配合
面举例计算假设设计闭式单级直齿圆柱齿轮传动
选齿轮齿数21i672
取67传动
齿轮弯曲疲劳强度设计
闭式硬齿面齿轮传动承载力般取决弯曲强度先弯曲强度设计验算接触强度
查表K15取
Nm
公式知：
计算端面重合度
查表选取
：
查表：
选
齿面硬度均值51HRC查
取设计齿轮模数
确定项数值代入设计公式求：
修正：
查表选取第系标准模数m4mm
齿轮尺寸：
校核齿面接触疲劳强度：
查表（允许出现点蚀）
齿面硬度均值51HRCMQML线中间查出：
选取：
确定出项数值代入接触强度校核公式：
接触强度满足求
图37 齿轮
35步进电机设计
351采步进电机作送粉缸成型缸驱动装置
步进电机种电脉信号进行控制电脉信号转换成线位移角位移控制电动机步进电机步距角转速受电压波动负载影响受环境条件（温度压力击振动）限制仅脉频率步控制脉求立启动停止反转改变转速转固定步数步丢步情况运行时步距误差会长期积累步进电机单片机技术相结合优点充分发挥基优点结合装置采步进电机
352步进电机选择类型
1类型选择
通常情况步进电机分三种类型①永磁式步进电动机优点功率断电情况定位转矩缺点步距启动频率低②反应式步进电机优点做成相结构简单久耐③永磁感应式步进电机（混合型电机）具步距较高频率兼控制功率优点缺点结构较复杂
基装置求提升装置精度高动态响应快通较选择采混合型步进电机
2电机步距角选择
般电机步距角应控制系统定位精度12Z轴精度求：001mm丝杠导程选择4mm
初步选择步距角0918步进电机选择42BYG永磁感应子式步进机
具体参数：
绝缘电阻：500VDC 100MΩ
绝缘强度：500V AC 1 Minute
温 升：65K
环境温度：10~+55℃
绝缘等级：B
图38 电机结构
矩频特性：
图39 矩频特性图
电机相数4
电压24v
电流12A
电阻2Ω
电感13mH
静转矩12Kgcm
长度33mm宽度40mm出轴长8mm轴径8mm
36废料回收缸
废料回收缸回收铺粉溢出粉末材料
回收缸尺寸200mm400mm400mm螺栓螺母配合固定机身
37铺粉滚筒装置
包括铺粉滚筒驱动系统作粉末材料均匀铺工作缸
滚筒钢芯包裹外部塑料组成部套圆形导轨丝杠传动实现X方进运动次工作时铺粉筒先运动右限位退回
图310铺粉滚筒装置
38送料工作缸
提供烧结需粉末材料结构设计成型缸基相保证供料充足体积成型缸高400mm
39 激光器
提供烧结粉末材料需源
固态粉末烧结激光器种
二氧化碳激光器 NdYAG激光器
根应蜡粉材料选二氧化碳激光器
列表
表32 激光参数
根2000年产激光器项性指标统计购买成假设15千美元台运行成月计算激光器耗损3千美元台月电力消耗005千美元台月
310 振镜式动态聚焦扫描系统
振镜式动态聚焦扫描系统XY扫描头动态聚焦模块组成XY扫描头两镜子步进电动机控制激光束反射工作面预定XY坐标动态聚焦模块通步进电动机调节Z方焦距反射XY意坐标点激光束始终聚焦面动态聚焦扫描系统激光器控制始终步具体结构图
图311 振镜式动态聚焦扫描系统
扫描工作台X方运动直径16mm丝杠驱动运动支撑两圆柱导轨完成运行导轨直径20mm驱动丝杠电机选57BYG503型静转矩达12kgcm
扫描工作台Y方运动直径12mm丝杠驱动直径20mm单圆柱导轨支撑驱动丝杠电机选57BYG303型步进电机静转矩70kgcm
双圆柱导轨结构特点：
1）圆柱面导面支撑面结构简单便采淬火钢延长导轨寿命减少磨擦力
2）圆柱导轨两端支撑刚性较差选较直径导面较时精度稳定
311 机身机壳
机身机壳整快速成型系统提供机械支撑需工作环境
总 结
通学期毕业设计较全面掌握快速成型中激光烧结技术工作原理机械设计进行SLS设计时受益匪浅想想四年学次毕业设计中体现出实属高兴次设计觉收获：
1重温三年专业知识
2动手学CAD等软件完成制图工作
3 图书馆查阅相关资料完成毕业设计明白知识积累需通实践
实次设计中远止碍篇幅叙述相信次毕业设计生受益匪浅
致 谢
毕业设计期间敬爱导师XX老师极丰富理实践验严禁治学态度蔼处事方式帮助文研究撰写更XX老师悉心指导完成周老师学业求严格认真指导生活予热情关怀鼓励真诚献衷感谢
文撰写课题研究程中专业学热心帮助课题调研期间微顾帮助表示诚挚感谢
感谢位评审专家文进行审阅指正文中错误足
毕业设计期间学生活等帮助领导老师学朋友表示真挚谢意
外衷心感谢予积极生观生存技培育教育四年母校母校致敬
参考文献
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[4]王运赣王宣三维印技[M]武汉：华中科技学出版社2013
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[7]赵红周知进机械设计课程设计指导[M]长沙：中南学出版社2011
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[10]潘琰峰沈赴顾东东等选择性激光烧结技术发展现状[J]工具技术200438（2）： 37
[11]杨军慧新安杨立军选择性激光烧结快速成型机铺粉装置设[J]机床液 压201010013881
附 录
英文翻译：
选择性激光烧结温度场数值模拟
张坚 李云健等
华东交通学 运载工具装备国家教育部重点实验室
摘：金属混合粉末钨铜激光烧结程通ANSYS限元软件模拟中温度场辐射流热物理参数素做模拟条件文献中研究表明激光功率扫描速度等关键参数直接影响烧结成型研究显示扫描速度恒定时着激光功率增加烧结深度会增加相反激光功率恒定时着扫描速度增加烧结深度会降烧结深度中选择合理加工程参数满足烧结质量求结合烧结深度合理利烧结功率扫描速度参数
关键词：选择性激光烧结 数字模拟 温度场 烧结深度
1 引言
钨铜混合材料种典型二阶段伪合金具良导电性铜热传导性高熔点钨高硬度作电接触电极材料特殊途军物资（例火箭喷嘴）高气密性包装CPU散热器衬底固态微波炉等等钨铜混合材料已广泛应工业军
选择性激光烧结技术研究热点课题够3DCAD软件中 直接制造金属模型者较复杂形状部分原型应功满足求SLS获高密度钨铜合金加工方法难完成具复杂状零件篇文讲通限元ANSYS软件数字模拟钨铜合金粉末温度场中分布分析激光功率扫描速度烧结深度影响烧结深度选择合理工艺参数钨铜合金粉末烧结成型具重意义
2建立模型
21建立数学模型
熔池周围空气SLS粉床产生热变化导热性面等式表达：
代表效热传导粉末系数：
代表压实粉末密度
C代表材料热热量
代表分散热空气：
激光量密度
假设烧结前均匀分布初温度设T0开始显示条件示：
简化计算假设衬底底部没热量损失SLS中热损失传导辐射造成边界条件显示：
代表效热传导粉末系数
h代表热传导系数
T代表金属粉末某刻温度
Stefanbdtzmann固定值
代表初始温度
代表实际象热辐射系数
23 物理模型建立
简化烧结模型计算时间面建立限元模型混合粉末钨铜定例混合网格34mm×16mm×03mm激光烧结空间热影响区域减少时间确保足够网密度网尺寸够衬底烧结层烧结层厚度01mm然衬底网
面图2中显示激光高斯分布激光量中心高激光量着远离中心点连续降低激光点分成4×4123应衰变系数分083595520522642403267576
图1
图2
烧结程中激光量遵高斯分布：
q代表激光量密度
P代表激光量
A激光粉床激光吸收率
r代表粉床点激光中心距离
W激光点半径
3 结果分析
粉末钨铜定例混合融化温度分3380°1083°面表格1图3显示
工艺参数假设直径04mm扫描空间03mm粉末厚度01mm空气传导系数10粉床效辐射系数08
表1
图3
图4显示池深度效扫描速度图见激光功率固定值时烧结深度着扫描速度增加减少v012ms时烧结深度029mm然v002ms时烧结深度0076mm原激光功率固定时扫描速度增加输入激光量会减少时量粉末粒子停留时间较少特高扫描速度量粉末粒子间持续时间极短甚粉末粒子够融化量转换粉末粒子周围没足够时间低扫描速度温度提升容易导致巨累积效果较温度梯度
图5显示粉池中激光功率影响正图见扫描速度固定时烧结深度提高着烧结功率提高p195w时烧结深度仅仅008mmp235w时烧结深度增加021mm原扫描速度固定激光功率提高输出量密度提高激光功率会温度太高粉末烧结层巨收缩容易导致工件翘曲开裂
图4 粉池中扫描速度影响
图5 粉池中激光功率影响
激光功率扫描速度直接影响烧结成型关键参数较高扫描速度仅仅效抑制熔池扩张溅现象提高形成效率合理激光功率仅仅确保更层粘接减少烧结层收缩翘曲
烧结深度必须粉层厚度目穿透前粉末层时确保相邻粉层更粘结否相邻粉层会分开获粉池中零件强度形成准确性甚形成程中实现图6显示特定激光功率扫描速度时间Z方温度分布正图示t005875s时01mm温度明显高铜融化点（1356K）暗示烧结深度粉层厚度样烧结深度t011125s014mmt0211125019mm粉末厚度低烧结深度前工艺参数相邻结合点第层底层强冶金结合层较
SLS3D部分完成线表面层重叠通烧结形成固体结构应该满足面2条件
1覆盖程度量应该求扫描光束间说确定功率密度扫描速度太高确保足够功率输入粉末层前层粘接起没散粉情况形成2D表面结构
2粉末厚度低烧结深度说烧结功率应该确保穿透前层时相邻层更粘结样更形成3D立体结构
图6 时间Z方温度分布（1t1005875s 2t2011125s 3t3021125s)
4 总结
1扫描速度固定时着激光功率提高烧结深度会提高外激光功率固定时着扫描速度增加烧结深度会降
2选择合理工艺参数烧结深度满足烧结质量求通分析烧结深度合理利烧结功率扫描速度
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