粉体流动性及铺展特性的检测设备及其检测方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种基于粉床增材制造粉体流动性及铺粉过程结果质量(铺展特性)的检测设备及方法。

背景技术

基于粉床的增材制造技术是一种现广泛推广应用的增材制造技术，材料是增材制造技术发展的重要物质基础，它的发展决定了增材制造能否更广泛应用。增材制造粉末材料主要包括金属材料、聚合物材料、陶瓷材料和复合材料等。增材制造铺粉工艺阶段，铺覆出平整均匀和高密度的粉床是成型优良性能成型件的前提。粉体流动性越好，则铺展特性越好，而粉体流动性取决于粉体物性参数及环境影响。

目前运用较多的粉体流动性的表征方法有：休止角、流出速度法、Hausner指数法、Carr流动性指数法、剪切法等。休止角和流出速度法适用于自由流动的粉体，由于增材制造粉末的粘附和粉末对壁面的摩擦，导致粉末很难流过流量计的小孔，因此，上述表征方法不适用于增材制造粉末的流动性表征。FT4粉末流变仪和Mercury Scientific的REVOLUTION粉末分析仪可以表征粉末在动态条件下的流动性。但是，粉末的流动行为很大程度上取决于其颗粒特性和外部负载条件。上述的表征方法不是基于薄粉末层铺展过程，这使得它们难以准确描述增材制造粉末流动性特性。粉末的铺展性是一个重要的指标，它与粉末的流动性相关但又不同，因此现有市场需求适用于增材制造粉末流动性及其铺展特性的检测设备与方法。

发明内容

本发明提供了粉体流动性及铺展特性的检测设备及其检测方法，其克服了背景技术存在的不足。

本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之一是：粉体流动性及铺展特性的检测设备，包括：

机架，包括上工作平台，该上工作平台水平布置；

铺粉装置，包括送粉缸、成型缸、刮刀机构、第一驱动装置和第二驱动装置；该送粉缸的缸底设有送粉基板，该第一驱动装置传动连接送粉基板以驱动送粉基板在成型缸内上下移动；该成型缸的缸底为成型基板；该第二驱动装置传动连接刮刀机构以带动刮刀机构水平移动，该刮刀机构、送粉缸和成型缸配合且通过刮刀机构水平移动将送粉缸内的粉体刮至成型缸内及在成型基板上刮平实现铺粉以形成粉末层；及

检测装置，包括摄像机、相机和称重传感器，该摄像机和刮刀机构固装在一起以跟踪记录铺粉过程中粉末的流动形态，该相机装设在机架上且朝下拍摄成型基板上的粉末层，该称重传感器装设在机架上且设于成型基板下以获取粉末层重量值。

一实施例之中：该送粉缸和成型缸水平并排布置，该刮刀机构包括刮刀，该刮刀位于送粉缸和成型缸之上。

一实施例之中：该送粉缸和成型缸齐平布置。

一实施例之中：该刮刀机构还包括刮刀架，该刮刀架能水平滑动连接在机架上，该刮刀固设在刮刀架上；该摄像机和刮刀架固装在一起；该第一驱动装置包括第一驱动器和丝杆螺母机构，该丝杆螺母机构传动连接第一驱动器和刮刀架。

一实施例之中：该第二驱动装置包括第二驱动器和升降杆机构，该升降杆机构传动连接第二驱动器和送粉基板。

一实施例之中：该检测装置还包括控制系统，该控制系统连接第一驱动装置、第二驱动装置、摄像机、相机和称重传感器。

一实施例之中：该机架还包括下工作平台和顶架，该上工作平台、下工作平台和顶架相对固定，该上工作平台和下工作平台上下水平间隔固定，该顶架具有位于上工作平台之上的连接杆，该称重传感器固设在下工作平台上，该相机固设在连接杆上。

本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之二是：所述的粉体流动性及铺展特性的检测设备的检测方法，包括：

步骤1，送粉缸内填充粉体；

步骤2，第二驱动装置带动送粉基板上升指定高度以将粉体推出；

步骤3，刮刀机构水平移动以将送粉缸内的粉体刮至成型缸内且在成型基板上刮平，刮刀机构水平移动过程中摄像头实时采集刮刀机构前方粉堆的雪崩角，雪崩角角度越小表明粉体的流动性能越好；

步骤4，刮刀机构完成刮平动作，相机拍摄成型基板上的粉末层且处理拍摄的数据，称重传感器获得粉末层重量值且依据该重量值获得粉末层密度。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

铺粉过程中的雪崩角能表征粉体的流动性能；相机拍摄成型基板上的粉末层且依据拍摄的数据能获取覆盖率，称重传感器能获取粉末层重量值且依据该重量值能获得粉层密度，覆盖率和粉层密度能表征粉体的铺展性能；可以直接用于增材制造粉体的流动性及其铺展特性的表征，具有设计合理，结构简单，节省时间，减少材料浪费，可代替昂贵打印设备对打印材料进行前期验证，减少高额设备损耗，表征参数适用于增材制造需要等优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是本具体实施方的检测设备的立体示意图。

图2是本具体实施方的检测设备的正视示意图。

图3是本具体实施方的雪崩角示意图。

图4是本具体实施方的粉末层覆盖率处理过程图。

具体实施方式

请查阅图1和图2，粉体流动性及铺展特性的检测设备，包括机架12，该机架12设有能用于铺设粉体的铺粉装置及能用于测量粉体流动性及其铺展特性的检测装置。

该机架12包括相对固定的上工作平台9、下工作平台11和顶架，该上、下工作平台9、11平行且都与水平面平行布置；该上工作平台9和下工作平台11上下水平间隔固定，该顶架具有位于上工作平台9之上的连接杆7。

该铺粉装置包括送粉缸15、成型缸17、刮刀机构、第一驱动装置和第二驱动装置；该送粉缸15的缸底设有送粉基板4，该第一驱动装置传动连接送粉基板4以驱动送粉基板4在成型缸15内上下移动，送粉缸15开口朝上布置；该成型缸17的缸底为成型基板8，成型缸17开口朝上布置；该第二驱动装置传动连接刮刀机构以带动刮刀机构水平移动，该刮刀机构、送粉缸15和成型缸17配合以通过刮刀机构水平移动将送粉缸15内的粉体刮至成型缸17内及在成型基板8上刮平实现铺粉。该送粉缸15和成型缸17水平并排布置在上工作平台9，该送粉缸15和成型缸17齐平布置。具体结构中：该刮刀机构包括刮刀5和刮刀架3，该刮刀架3能水平滑动连接在机架12上，该刮刀5固设在刮刀架3上，该刮刀5位于送粉缸15和成型缸17之上，该第一驱动装置包括第一驱动器2和丝杆螺母机构1，该丝杆螺母机构1传动连接第一驱动器2和刮刀架3，该第一驱动器如为伺服电机；该第二驱动装置包括第二驱动器13和升降杆机构14，该升降杆机构14传动连接第二驱动器13和送粉基板4，该第二驱动器如伺服电机。

该检测装置包括微型摄像机6、工业相机16和称重传感器，该称重传感器如为电子天平秤10；该微型摄像机6和刮刀架3固装在一起且如位于成型基板8左侧，以跟随刮刀一起进行运动，以跟踪记录成型基板8上铺粉过程中粉末的流动形态；该工业相机16装设在连接杆7上且朝下拍摄成型基板8上的粉末层，该工业相机拍照的范围为整个成型基板，并与成型基板成水平平行；该电子天平秤10装设在下工作平台11上且设于成型基板8下以获取粉末层重量值。

该检测装置还包括控制系统，该控制系统连接第一驱动器、第二驱动器、摄像机、相机和称重传感器，该控制系统如PLC。

所述的粉体流动性及铺展特性的检测设备的检测方法，包括：

步骤1，送粉缸15内填充粉体；

步骤2，第二驱动装置带动送粉基板4上升指定高度以将粉体推出；

步骤3，刮刀5水平移动以将送粉缸15内的粉体刮至成型缸17内且在成型基板8上刮平，刮刀5水平移动过程中摄像头实时采集刮刀机构前方粉堆的雪崩角，能达到实时追踪效果，能实时采集铺粉过程的雪崩角，雪崩角角度越小表明粉体的流动性能越好，雪崩角如图3所示；

步骤4，刮刀机构完成刮平动作以形成粉末层，相机拍摄成型基板上的粉末层，将拍摄图像传入计算机中并对图像进行处理，可以对成型基板8上的粉末层覆盖率进行测量计算，最终获取成型基板8上所铺设的粉末层的覆盖率，

覆盖率C＝(S

称重传感器获得粉末层重量值，记录电子秤10上的显示读数，读取粉末层的铺粉重量，依据刮刀与成型基板8之间的高度差及铺粉重量可以得到该粉末层的密度，

粉末层密度P

其中：粉体的流动性能主要通过铺粉过程中的雪崩角进行表征，粉体的铺展性能通过覆盖率和粉层密度进行表征，可以直接用于粉体的流动性能评估，具有节省时间，减少材料浪费，可代替昂贵打印设备对打印材料进行前期验证，减少高额设备损耗，表征参数适用于增材制造需要等优点。

该步骤4的图像进行处理例如：工业相机对其成型基板上的粉末层进行拍照，将采集的照片导入Labview软件，通过Labview程序，完成粉末覆盖率的获取，该获取具体操步骤：首先，打开Labview软件以及所开发的程序；其次，导入照片，通过编辑的程序对照片进行灰度化处理；然后将经过灰度化的照片进行二次处理，即二值化；通过选取一个合适的阈值以区分铺设的粉末层与背景(成型基板)，从而获得二值化的图像；最终读取二值化后的图像信息，将其转化为粉末层覆盖率；如附图4所示，为图像的处理过程：图像拍摄-灰度化-二值化。

下面以氧化铝球形粉末的性能检测为例，结合附图对本发明进行详细说明。将待测的氧化铝球形粉末放入送粉缸15中；通过PLC的控制面板调节铺粉厚度及刮刀5的行进速度；第二驱动装置驱动送粉基板上升以上升粉体；刮刀5将送粉基板4上的粉末刮至成型基板8上，当刮刀5进行铺粉过程的同时，布置于刮刀左侧的微型摄像头6会对铺粉的过程中成型基板8上粉末层的变化进行跟踪记录；通过计算机的相关软件对图像进行处理分析，得到铺粉过程中的雪崩角；完成此次的铺粉动作后，工业相机16会对成型基板8进行拍照，并对通过相关软件，可以得到成型基板8上的粉末层覆盖率。在铺粉装置完成一次铺粉后，记录其电子秤10上的显示读数，以此来读取粉末的铺粉重量，通过计算机的数据处理后，所得到的雪崩角、粉末层覆盖率、粉末层密度均显示在控制系统的显示器上。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。