用于粉末床增材制造的刮刀自动判断和选择方法与流程

本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种用于粉末床增材制造的刮刀自动判断和选择方法。

背景技术：

在增材制造技术领域，增材制造技术被预测为可能引发“第三次工业革命”的关键技术之一。粉末床增材制造(powderbedfusion)是一种原材料层层铺设在成形平台上，并使用热源在成形平台上选择区域进行熔化或烧结成形的增材制造方法，包括但不限于激光选区熔化、激光选区烧结、电子束选区熔化成形等。

粉末床增材制造主要技术原理为：将待加工的零件三维数字模型进行逐层分割后，输入到增材制造成形设备中。将基板通过定位孔固定在成形平台上并进行调平，之后利用刮刀(或粉辊)进行单层铺粉，利用一束或多束激光(或其他类型热源)，对铺好的单层粉末进行选区熔化或烧结，实现由点到线，由线到面的成形过程。随后成形平台下降一定高度，进行下一层铺粉及选区熔化成形，最终实现由面到体的成形过程，如此循环获得最终零件。相比于传统工艺，粉末床增材制造技术具有材料利用率高、成形高精度、表面质量好，可提高设计自由度等多重优势，特别适合于航空航天等高附加值行业零部件的快速加工。

在粉末床增材制造过程中，粉末被刮刀层层铺设在成形平台上，由于零件结构特点限制、工艺参数不合适、成形室气氛不稳定等原因，导致成形时局部区域出现凸起，从而在刮刀进行铺粉操作时发生明显的刮蹭零件现象，进一步出现卡刮刀现象而无法继续成形过程，严重时甚至会使零件结构变形，致使产品报废。通常的处理办法是：将成形平台下降一定距离(h)→复位刮刀→检查卡刮刀部位情况并进行一定处理(必要时打开成形舱门进行处理)→将成形平台上升一定距离(≤h)→重新铺粉→重新烧结(如果打开成形舱门，则需再次填充保护气进行成形室的洗气工作)，需要一直有操作人员进行成形状态的监控以及卡刮刀后的手动处理。

针对卡刮刀这一问题，中国专利cn106945288a提供了一种刮刀故障自动处理方法，在刮刀从成形面的一侧向另一侧移动进行当前层粉末铺设过程中，如果确定刮刀传动机构伺服电机的当前扭矩值≥伺服驱动器中预设的扭矩固定值，则执行自动故障处理程序，重新铺粉。然而，该方法虽然使用自动刮刀故障处理系统，减少了处理卡刮刀情况的时间，降低了人为干预，却并不能避免卡刮刀现象的出现。

粉末床增材制造逐层铺粉、逐层选择性成形的特点，注定了成形每层材料均需进行铺粉操作，因而刮刀将与零件表面不断进行接触和刮蹭，刮蹭现象的不断累积则会出现卡刮刀现象，尤其当一次成形零件数量较多时刮蹭现象将更为严重，卡刮刀风险将明显提高，使得成形零件结构变形、质量下降甚至是报废。

有鉴于此，本领域技术人员亟待于研制一种新的方法，以克服上述问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中粉末床增材制造工艺中卡刮刀的缺陷，提供一种用于粉末床增材制造的刮刀自动判断和选择方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种用于粉末床增材制造的刮刀自动判断和选择方法，其特点在于，所述方法包括以下步骤：步骤s1、进行待烧结截面信息计算判断；步骤s2、刮刀自动更换机构进行联动操作；步骤s3、零件实际成形。

根据本发明的一个实施例，所述步骤s1中还包括：

步骤s11、计算出下一层单个独立区域的烧结面积si，并使用pi(li，(li+bi))对每个独立区域的铺粉区间(沿铺粉方向)进行位置标识，其中li表示下一层中第i个独立区域最右侧距离基板最右侧的距离；

步骤s12、判断是否需要使用软刮刀；

步骤s13、判断是否需要降低铺粉速度为原速度的1/2-1/3。

根据本发明的一个实施例，所述步骤s12中包括：如果计算发现下一层中αi＜45°且li之间数值差异＜20mm，则判断初始烧结区域存在多个尖角薄弱结构，需要使用软刮刀；其中αi表示下一层中第i个独立区域初始烧结轮廓角度。

根据本发明的一个实施例，所述步骤s12中包括：如果计算发现下一层中xi/yij≥8:1～10:1占比超过50％，且xi/yit≥3:1～5:1，或者yij/xi≥8:1～10:1占比超过50％，且yit/xi≥3:1～5:1，则判断烧结区域为狭长形结构，容易出现翘曲变形现象，需要使用软刮刀；

其中xi表示下一层中第i个独立区域垂直于刮刀方向的总长度，yij表示下一层中第i个独立烧结区域沿x方向分布的y方向的长度，yit表示每个独立区域沿y方向的总长度。

根据本发明的一个实施例，所述步骤s12中包括：如果计算发现下一层中烧结区域中超过50％部位零件壁厚小于2mm，则需要使用软刮刀。

根据本发明的一个实施例，所述步骤s13中包括：如果计算发现下一层中dit/hit＞5:1且hi/hit＞3:1～5:1，则判断零件为大高宽比结构，且烧结区域达到较大高度，容易出现刮蹭现象，需要降低铺粉速度为原速度的1/2-1/3；

其中dit表示第i个独立区域对应零件的等效直径，hit表示第i个独立区域对应零件的总成形高度，hi表示下一层第i个独立区域成形高度。

根据本发明的一个实施例，所述步骤s13中包括：如果计算发现下一层中li相同的位置，(y1t+……+ynt)/r＞50％，则判断刮刀铺粉时与零件存在很大的接触面，容易出现刮蹭现象，需要降低铺粉速度为原速度的1/2-1/3；其中li下一层中第i个独立区域最右侧距离基板最右侧的距离。

根据本发明的一个实施例，所述步骤s13中包括：如果计算发现下一层中支撑结构之间、零件实体之间或支撑结构与零件实体之间，li数值不相包含，则判断相应支撑结构与其他支撑结构或实体，或相应零件实体与支撑结构或实体间距较大，独自承担刮刀作用力，容易出现支撑被刮刀碰撞碎裂的现象，需要降低铺粉速度为原速度的1/2-1/3。

根据本发明的一个实施例，所述步骤s3中包括：在成形过程中进行当前层金属粉末铺设时，计算下一层需要使用的刮刀类型或铺粉速度；在进行当前层成形时，刮刀机构处于静止状态，此时进行刮刀的更换。

根据本发明的一个实施例，所述步骤s3中还包括：在当前层成形结束，进行下一层金属粉末铺设时，程序自动设定成形区域不同位置的铺粉速度，并执行铺粉工作；如此不断往复，完成零件加工。

本发明的积极进步效果在于：

本发明用于粉末床增材制造的刮刀自动判断和选择方法在传统铺粉控制系统基础上增加了成形截面判定系统，与现有方法相比，其具有以下优势：

一、避免卡刮刀。在粉末床增材制造过程中，通过截面判定后自适应选取刮刀，避免薄弱结构的破坏，从而避免卡刮刀并降低薄弱结构变形的风险。同时，自动调整刮刀铺粉速度，降低弹粉风险，进一步避免卡刮刀。

二、提高零件成形质量和批次稳定性。在粉末床增材制造过程中，弹粉、卡刮刀出现的次数减少，可提高铺粉质量，减少成形件的局部变形，提高每层的成形质量，从而提高零件的成形质量和批次稳定性。

三、提高生产效率。在进行多个零件成形时，卡刮刀的风险十分高，采用此方法避免卡刮刀，无需花费时间进行卡刮刀问题的处理，提高生产效率。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1为本发明用于粉末床增材制造的刮刀自动判断和选择方法中成形零件摆放位置示意图。

图2为本发明用于粉末床增材制造的刮刀自动判断和选择方法中成形零件中一截面的示意图。

图3为本发明用于粉末床增材制造的刮刀自动判断和选择方法中成形零件中另一截面的示意图。

图4为本发明用于粉末床增材制造的刮刀自动判断和选择方法中成形零件中又一截面的示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。

此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。

此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。

一种用于粉末床增材制造的刮刀自动判断和选择方法，其特点在于，所述方法包括步骤：步骤s1、进行待烧结截面信息计算判断；步骤s2、刮刀自动更换机构进行联动操作；步骤s3、零件实际成形。

根据本发明的一个实施例，所述步骤s1中还包括：

步骤s11、计算出下一层单个独立区域的烧结面积si，并使用pi(li，(li+bi))对每个独立区域的铺粉区间(沿铺粉方向)进行位置标识，其中li表示下一层中第i个独立区域最右侧距离基板最右侧的距离。

步骤s12、判断是否需要使用软刮刀。所述步骤s12中包括：如果计算发现下一层存在以下情况，则判定为需要使用软刮刀：

一、αi＜45°且li之间数值差异＜20mm，则判断初始烧结区域存在多个尖角薄弱结构。其中αi表示下一层中第i个独立区域初始烧结轮廓角度。

二、xi/yij≥8:1～10:1占比超过50％，且xi/yit≥3:1～5:1，或者yij/xi≥8:1～10:1占比超过50％，且yit/xi≥3:1～5:1，则判断烧结区域为狭长形结构，容易出现翘曲变形现象。

其中xi表示下一层中第i个独立区域垂直于刮刀方向的总长度，yij表示下一层中第i个独立烧结区域沿x方向分布的y方向的长度，yit表示每个独立区域沿y方向的总长度。

三、烧结区域中超过50％部位零件壁厚小于2mm。

步骤s13、判断是否需要降低铺粉速度为原速度的1/2-1/3。所述步骤s13中包括：如果计算发现下一层存在以下情况，则判定为需降低铺粉速度为原速度的1/2～1/3：

一、dit/hit＞5：1且hi/hit＞3:1～5:1，则判断零件为大高宽比结构，且烧结区域达到较大高度，容易出现刮蹭现象。

其中dit表示第i个独立区域对应零件的等效直径，hit表示第i个独立区域对应零件的总成形高度，hi表示下一层第i个独立区域成形高度。

二、li相同的位置，(y1t+……+ynt)/r＞50％，则判断刮刀铺粉时与零件存在很大的接触面，容易出现刮蹭现象。

其中li下一层中第i个独立区域最右侧距离基板最右侧的距离。

三、支撑结构之间、零件实体之间或支撑结构与零件实体之间，li数值不相包含，则判断相应支撑结构与其他支撑结构或实体，或相应零件实体与支撑结构或实体间距较大，独自承担刮刀作用力，容易出现支撑被刮刀碰撞碎裂的现象。

此处，对于上述各个变量进行定义，在此假设刮刀从右侧向左移动进行铺粉，铺粉方向为x方向，刮刀方向为y方向，设备程序可区分每个零件实体和支撑。

li——下一层中第i个独立区域最右侧距离基板最右侧的距离，以距离最近的为l1，依次编号；

αi——下一层中第i个独立区域初始烧结轮廓角度，编号与li对应；

yij——下一层中第i个独立烧结区域沿x方向分布的y方向的长度(mm)，i编号与li对应，j从独立区域右侧开始编号，x方向间隔距离为1mm，每个独立区域沿y方向的总长度为yit；

xi——下一层中第i个独立区域垂直于刮刀方向的总长度(mm)，编号与xi对应；

dit——第i个独立区域对应零件的等效直径(mm)；

hi——下一层第i个独立区域成形高度(mm)；

hit——第i个独立区域对应零件的总成形高度(mm)；

r——刮刀长度(mm)。

进一步优选地，所述步骤s3中还包括：在成形过程中进行当前层金属粉末铺设时，计算下一层需要使用的刮刀类型或铺粉速度；在进行当前层成形时，刮刀机构处于静止状态，此时进行刮刀的更换。

更进一步地，所述步骤s3中还包括：在当前层成形结束，进行下一层金属粉末铺设时，程序自动设定成形区域不同位置的铺粉速度，并执行铺粉工作；如此不断往复，完成零件加工。

图1为本发明用于粉末床增材制造的刮刀自动判断和选择方法中成形零件摆放位置示意图。图2为本发明用于粉末床增材制造的刮刀自动判断和选择方法中成形零件中一截面的示意图。图3为本发明用于粉末床增材制造的刮刀自动判断和选择方法中成形零件中另一截面的示意图。图4为本发明用于粉末床增材制造的刮刀自动判断和选择方法中成形零件中又一截面的示意图。

根据上述描述，以一个更具体的实施例为例，本发明用于粉末床增材制造的刮刀自动判断和选择方法包括以下步骤：

一、使用ugnx7.5对某叶片进行模型预处理，原材料为gh3536合金粉末，零件内部含有复杂形腔结构，且存在多处壁面厚度不足1mm的薄壁结构和细小尖角结构。将零件进行适当余量添加后，导出stl文件，采用magics19.0进行支撑设计并输出切片文件。

二、将切片文件导入到激光选区熔化成形设备中，为了提高生产效率，在成形区域中排布6个零件(即一次成形6个零件)，具体摆放位置如图1所示。

其中，附图标记1-6为叶片结构，附图标记7为试样，附图标记8为成形平台有效成形区域。其设置成形工艺参数为：层厚40μm，激光功率270w，扫描速度900mm/s，激光光斑直径100μm，扫描间距110μm。

三、进行当前层金属粉末铺粉时，如果下一层成形截面特征如图2所示，经过计算分析，判断存在孤立的支撑结构(图2中红线之间的区域)，容易出现支撑被刮刀碰撞碎裂的现象，则系统自动在下次铺粉刮刀移动至该区域时，自动将铺粉速度降低为原来的1/2～1/3，施加较小的力于该区域的成形表面，则可避免支撑结构的破损，消除卡刮刀的源头。其中，附图标记101、201、301、401、501、601均表示叶片截面，附图标记701表示试样截面，并使用竖直线标示出需要特别注意的区域。

四、进行当前层金属粉末铺粉时，如果下一层成形截面特征如图3所示，经过计算分析，判断截面102、202、302、402、502、602的右侧均存在明显的尖角结构，且结构为狭长形，容易在硬刮刀作用下出现翘曲变形，则在当前粉末铺设结束后，系统自动将刮刀更换为软刮刀。

如此可在铺粉时不对该结构施加任何作用力，避免尖角结构的变形，防止卡刮刀现象的出现。另外，附图标记702表示试样截面。

五、进行当前层金属粉末铺粉时，如果一层成形截面特征如图4所示，经过计算分析，判断存在尖角结构且较为密集，则在当前粉末铺设结束后，系统自动将刮刀更换为软刮刀。

如此可在铺粉时不对该结构施加任何作用力，保证结构的完成性，避免卡刮刀现象的出现。其中，附图标记103、203、303、403、503、603均表示叶片截面。

因此，通常，在增材制造过程中出现卡刮刀现象，是由于刮刀与成形零件的不断刮蹭造成局部位置发生了变形、出现凸起或是局部破损，使得成形表面偏离原始模型位置，在后续成形中缺陷逐渐累积，刮蹭现象不断加重，最终卡住刮刀，无法进行后续成形。如果能在最初可能出现严重刮蹭现象的部位，选用合适的刮刀和铺粉速度，则可消除缺陷源，更不会出现后续的卡刮刀现象。

基于此，本发明用于粉末床增材制造的刮刀自动判断和选择方法利用上述提到的方法进行刮刀调节时，首先是进行待烧结截面信息计算判断，然后刮刀自动更换机构进行联动操作，其目的在于自主选择合适的刮刀及铺粉速度，避免出现卡刮刀现象。

本发明的基本构思具体为：所使用成形设备具有自动更换刮刀的传动机构，可选择的刮刀有硬刮刀(金属刮刀、陶瓷刮刀等)和软刮刀(毛刷刮刀、橡胶刮刀等)。由于硬刮刀铺粉质量较软刮刀好，默认选择硬刮刀进行铺粉工作，在刮刀进行当前层金属粉末铺设过程中，系统对下一层待成形截面进行信息分析。

如果该截面信息显示成形区域存在较多易破损或易卡刮刀的结构，则触发刮刀传动机构，将刮刀更换为软刮刀。如不存在此类结构则继续使用硬刮刀，同时判断成形截面是否存在较大的烧结区域或局部细小、尖角等结构。如果存在，则在烧结此区域时将刮刀铺粉速度降低，减小刮刀对成形面的剪切作用力，避免刮蹭情况加重带来的铺粉不均以及随之而来的卡刮刀现象。

另外，本发明中提到的术语解释如下：铺粉是使用刮刀将金属粉末均匀铺在成形表面或成形平台上。刮刀是用于铺设金属粉末的工具，包括金属刮刀、陶瓷刮刀、软刮刀等。支撑是一种用于辅助粉末床增材制造过程的结构。卡刮刀是指刮刀进行铺粉时被已成形区域局部凸起挡住，不能继续铺粉过程的现象。

综上所述，本发明用于粉末床增材制造的刮刀自动判断和选择方法在传统铺粉控制系统基础上增加了成形截面判定系统，与现有方法相比，其具有以下优势：

一、避免卡刮刀。

在粉末床增材制造过程中，通过截面判定后自适应选取刮刀，避免薄弱结构的破坏，从而避免卡刮刀并降低薄弱结构变形的风险。同时，自动调整刮刀铺粉速度，降低弹粉风险，进一步避免卡刮刀。

二、提高零件成形质量和批次稳定性。

在粉末床增材制造过程中，弹粉、卡刮刀出现的次数减少，可提高铺粉质量，减少成形件的局部变形，提高每层的成形质量，从而提高零件的成形质量和批次稳定性。

三、提高生产效率。

在进行多个零件成形时，卡刮刀的风险十分高，采用此方法避免卡刮刀，无需花费时间进行卡刮刀问题的处理，提高生产效率。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。