摘要
随着3D打印技术的快速发展，定量铺粉器作为粉末床融合（Powder Bed Fusion, PBF）3D打印技术中的关键部件之一，逐渐成为研究的热点。其主要功能是精确地将粉末材料均匀地铺设在打印平台上，以确保每一层粉末的厚度和分布均匀，从而提高打印精度和表面质量。在设计定量铺粉器时，除了要保证其高效的粉末铺设能力外，还需要考虑粉末流动性、层间附着性以及与其他打印部件的协同工作。为此，定量铺粉器的设计通常涉及到多种机械结构的优化，包括粉末分配系统、传动装置、刮刀结构和粉末存储装置等。
本设计通过对现有定量铺粉器的工作原理和结构进行分析，提出了一种新型的定量铺粉器结构方案。该方案通过结合振动筛理与刮刀系统，利用振动控制粉末的流动性，使粉末均匀且精确地铺设在每一层打印区域。同时，刮刀结构采用可调节设计，可以根据不同打印材料的特性和打印层的厚度要求进行调节，从而确保铺粉过程的稳定性和高效性。为了进一步提高铺粉精度，设计中还集成了粉末厚度自动检测系统，通过反馈机制实时调整铺粉速度与刮刀位置，确保打印过程中的粉末层厚一致性。总体而言，该定量铺粉器设计不仅能够提高3D打印的效率与质量，还为今后的粉末床打印设备提供了新的结构优化方向。
关键词：3D打印机；铺粉器；结构设计；solidworks
目录
1 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 国内研究现状 2
1.2.2 国外研究现状 3
1.3 研究内容 5
2 铺粉器的总体设计 7
2.1 总体设计要求 7
2.2 总体设计方案 7
3 铺粉器的结构设计 9
3.1粉仓 9
3.2定量送粉装置 10
3.3铺粉装置 15
4 三维建模和有限元分析 17
4.1 三维设计 17
4.2 工艺性分析 19
4.3 有限元分析 20
5 总结和展望 22
5.1 总结 22
5.2 展望 23
参考文献 24
致谢 25
附录 26
外文翻译 27
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
随着3D打印技术不断发展，尤其在金属、陶瓷等高材料的制备过程中，PBF(PowderBedFusion)因其完美的制件分辨率和复杂的结构制备优势受到广泛关注。这其中，铺粉过程是其关键环节，铺粉过程的好坏会直接影响制件质量、生产效率与资源浪费程度。其中铺粉器是目前常用的关键装置，其主要功能是将粉末均匀分布在每个制件打印层上，保证每层厚度一致性并最大程度利用打印资源。然而现有的铺粉工艺通常采用机械刮刀通过手动或自动铺粉的方式，受制粉过程中流动特性、粒子形状的影响以及外部环境的干扰，很难实现均匀、精密的铺粉效果。为此，近年来众多学者设计并提出基于震动、气动力、动态刮刀等多种先进铺粉原理，以期实现更精确铺粉效果和更稳定的铺粉工作效率。当下关于定量铺粉器的研究点在于通过精密的机械设计和新型传感技术实现对粉末层厚度的实时控制并调整，以提高打印质量并减少材料消耗。同时，随着工业4.0、智能生产的发展，对于智能化自动的要求越来越高，因此如何在保证高精度铺粉的同时，实现设备的自主调控和智能管理也成为了一大要点。因此，定量铺粉器的设计研发不仅是保证3d打印质量的关键步骤，更是实现3d打印向规模化、智能化方向迈进的重要一步。
1.1.2 研究意义
定量铺粉器的设计对3D打印机的建造有重要的研究意义，特别是应用于粉末床融合(PBF)过程中，其设计及建造过程对打印质量和打印效率以及材料的使用效果也有影响。首先，定量铺粉器最主要的任务是将粉末均匀且平稳铺设在打印台上，保证每一层粉末的高度一致。若该项工序没有做到高度一致性，则打印层面的质量会有一定差异性，进而打印层的物理性能、表面形貌及结构精度也会有一定的差异。由此可见，铺粉器的性能和精度的优化可提高打印产品的质量，进而降低后续修复的劳动强度和成本的消耗。其次，随着3D打印应用的广泛，特别是像航天航空、医疗制造、汽车制造等对产品要求精确度、稳定性高的领域，单一的铺粉方式已经无法符合现有科技的要求了。深入研究新的定量铺粉器的设计，可以推进粉末床式3D打印技术向效率高、精确性高、自动化高的方向发展，从而满足工业生产的要求。最后，随着3D打印的范围越来越大和打印速度越来越快，定量铺粉器的研制也有着巨大的经济利益。因此，优化铺粉器不仅有助于提升打印过程中产能利用率，降低打印能源消耗和损耗量，更好地为打印过程增加更多的附加价值，同时随着智能制造以及数字技术的发展，精密铺粉器智能的研究将成为一种趋势。通过引入先进的传感器和控制反馈系统，在实际的打印过程中，实时反馈和调整铺粉厚度和铺粉质量，实现三维打印过程的更精确高效和自适应。铺粉器的结构设计与技术革新同样对于促进3d打印技术的向小型化、小型化、高精度、大型化发展意义重大。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内研究现状
近些年，我国对三维打印定量铺粉器结构进行了较多研究，尤其是其对于PBF技术的重要性被广泛关注，在铺粉准确性、均匀性、材料利用率和自动化智能设计方面为重点。我们着力于铺粉器结构及控制系统的优化，着力于提升打印粉末层的铺粉准确性以弥补传统铺粉器粉末流动性差、铺粉不均匀的劣势。前期的研究多为机械式刮刀、震动以及空气推进法结合，对机械构造进行改善使得铺粉器更有效地均匀投放粉末。国内大学、研究机构等众多研究者也在对各种铺粉方式开展研究，并提出了诸如振动补偿控制技术、负压吸附输送技术、智能反馈感应技术等铺粉精确控制技术，以提高铺粉精确度、打印成型精度。
国内的学者提出的一些针对铺粉器的具体设计思路较为经典。例如，针对震动式铺粉器提出的铺粉控制，可以利用精准的振动力控制系统将粉末依靠机械抖动运动，从而能够较为均匀地分布在打印盘上；在这一点下，有学者提出采用多种频率、振幅的振动控制系统，从而更好地适应粉末材料的需求，在对金属粉末以及陶瓷类的铺装方面更是效果显著；再例如，针对刮刀设计的创新方面，可以建立一种可以自行调节的刮刀系统，根据不同的物质黏合力、流动特性而自我设定刮刀工作参数，如刮刀速度、刮刀与粉末接触角度等等，提高了铺粉的均匀性与精确性。此外，研究者还开发了混合式粉末分配和传输系统，它结合了传统刮刀铺粉和现代化气流传输系统，以更准确控制粉末的铺粉厚度及层间黏结。。
图1.1 国内研究的铺粉器
随着智能制造技术的发展，我国已获得关于定量铺粉器自动化研究方面的一定成果，通过即时的传感器输入、图像识别技术和自身反应控制程序，在定量铺粉器内部已经实现了对于铺粉层厚、铺粉均匀性的即时监测与调整，极大地提高了铺粉器的精确度和灵活性，可使铺粉器在不同打印条件和材质特性下自动调整铺粉参数，从而保证打印质量。目前，在国内已有研究成果的基础上，我们初步进行集约化、自动化、自我反应控制系统的研究，特别是在3D打印机中的粉末铺放的自我调整系统，正在向智能化的方向发展，部分厂商也在应用我们所做的科
