[发明专利]纤维毛刷刮刀

说明书

技术领域

本发明涉及一种在激光快速成型过程中应用的碳纤维毛刷刮刀，主要用于快速成型过程中的铺粉过程，用于提高成形件的精度，提高刮刀使用寿命，属于快速成型领域。

背景技术

自20世纪90年代以来，市场环境发生了巨大的变化。表现为一方面消费者需求日趋个性化和多样化；另一方面则是产品制造商们都着眼于全球市场的激烈竞争。

面对一个快速变化且无法预料的买方市场，制造商们不但要很快地设计出符合人们消费需求的产品，而且必须提高制造的速度，抢占市场，因此传统的大批量生产模式已经无法满足快速响应市场需求。为此，近十几年来工业化国家一直在努力地开发先进制造技术，以便在激烈的全球竞争中占有一席之地。与此同时，计算机、微电子、信息、自动化、新材料和现代企业管理技术的发展日新月异，这些技术、产业的发展与进步，给产品设计、加工制造、质量检测、生产管理和企业经营都有带来了重大变革，一批新的制造技术和制造模式应运而生，制造工程与科学取得了前所未有的发展。

快速成型技术就是在这种背景下产生并得以发展的。快速成型技术的发展，使得产品设计和制造的周期大大缩短，提高了产品设计和制造的一次成功率，降低产品开发成本，从而给制造业带来了根本性的变化。快速成型技术(RP)是计算机辅助设计及制造技术、逆向工程技术、分层制造技术(SFF)、材料去除成形(MPR)、材料增加成形(MAP)技术的集成。通俗地说，快速成型技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。在市场竞争日益激烈的情况下，产品创新和上市速度以及制造技术的柔性必然成为企业的核心竞争力。快速成型技术和虚拟现实技术一起，都是产品数字化开发的重要手段和有力工具，同时也已经成为先进制造技术群不可分割的组成部分，在制造业获得越来越广泛的应用。与传统的制造过程相比，采用激光快速成型和激光快速制模技术后，可以将产品试制和批量生产的模具准备工作并行作业，明显缩短新产品设计和试制周期，并节省产品开发费用。

其中激光快速成型技术(图1)中应用比较广泛的为选区激光熔化(图2)。选区激光熔化(SLM-Selective Laser Melting)是一种金属件直接成型方法，是快速成型技术的最新发展。该技术基于快速成型的最基本思想，用逐层添加方式根据CAD数据直接成型具有特定几何形状的零件，成型过程中金属粉末完全熔化，产生冶金结合。该技术突破了传统加工方法去除成型的概念，采用添加材料的方法成型零件，最大程度的减少了材料的浪费；成型过程几乎不受零件复杂程度的限制，因而具有很大的柔性，特别适合于单件小批量产品的制造。

虽然快速成型技术原理上可以成型许多复杂形状的金属零件，但是其在实际加工过程中仍存在致密度不够、尺寸精度低、表面质量差等问题。刮刀是激光快速成型设备的一个重要组成部分，对成型件的质量有重要影响，上述问题产生的一个重要原因就是传统刮刀自身存在着缺陷。传统刮刀自身缺陷主要有以下几个方面：

1.铺粉过程中，刮刀推动粉末前进，会在刮刀与粉末以及粉末与工件表面产生摩擦力，摩擦力的大小不仅影响铺粉过程，还会对已经成型的工件造成影响。由于常用的粉末粒径在5-45um，而铺粉厚度一般在20um，当粒径大于铺粉层厚度的粉末颗粒进入到刮刀和工件之间时，会受到挤压。对于硬度较大的粉末颗粒来说，较大的挤压力会将粉末颗粒压入工件表面，当工件带有细微结构时，这些细微结构会在压力的作用下发生变形，影响加工的精度；对于硬度较小的粉末颗粒来说，压力会使粉末颗粒发生塑性变形。无论以上哪种情况，均会增加刮刀与工件间的摩擦力，不仅会影响铺粉的均匀性，同时加速刮刀的磨损。

2.由于粉末熔化后的金属液滴存在较大的表面涨力，所以金属溶液在凝固过程中易发生球化现象，金属液滴凝固后在成型层的表面产生半球状的凸起，刮刀在经过这些地方时很容易与这些凸起发生碰撞，使还没有完全凝固的成型层发生翘曲变形或使成型件发生位移，从而降低了加工的精度。刮刀与凸起碰撞时二者受力分析如下(图3)。

成型件凸起处所受力F₁在水平和竖直方向的分量分别为：

F₂＝F₁*sinθ F₃＝F₁*cosθ

当凸起位于成型件的悬空结构处时，会使成型件受到一个方向向下的力矩M₁，大小为：

M₁＝F₂*L