CN102266942B - 直接制造大型零部件的选区激光熔化快速成型设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直接制造大型致密零件的选区激光熔化快速成型设备，主要包括激光器阵列、光学系统阵列、成型缸、成型缸立体式分段加热保温结构、成型缸重量平衡系统、基板调平装置、双回收缸、双贮粉箱、双定量送粉和落粉装置、铺粉装置、保护气氛罩、气体净化系统、控制系统。所采用的光学系统由多个光学系统单元、机械移动平台构建，可以任意扩展或缩减光学系统的覆盖范围。采用本发明制造的零件尺寸远大于目前国内外选区激光熔化技术所能制造的零件，在不改变成型精度、零件复杂程度和机械性能的同时，成型效率成倍提升。

Description

直接制造大型零部件的选区激光熔化快速成型设备

技术领域

本发明属于激光快速制造领域，具体涉及到一种大尺寸、高精度和复杂结构致密零部件的选区激光熔化快速成型设备，零部件可以为金属、非金属或金属与非金属的复合材料。

背景技术

目前激光直接快速制造零件有两种方式：一种是基于同步送粉或者送丝过程的激光熔覆直接制造技术(Direct Laser Fabrication-DLF)，它是将激光加工头固定在机床可Z向移动的运动轴上，利用聚焦激光束将同步送入的金属粉末或金属丝熔化，通过控制工作台在XY平面依规划轨迹的移动实现零部件的单层制造。在完成一个层面的制造后，Z向上升一定距离，然后重复前一过程，层层叠加直到实现零部件的三维成型；第二种是基于铺粉的选区激光熔化快速成型技术(Selective Laser Melting-SLM)，它的基本工作原理是在工作缸内平铺一定厚度的粉末，依照计算机的控制，激光束通过振镜扫描的方式按照三维零部件图形的切片处理结果选择性地熔化预置粉末层。随后工作缸下降一定距离并再次铺粉，激光束在振镜的带动下再次按照零部件的三维图形完成零部件下一层的制造。如此重复铺粉、扫描和工作缸下降等工序，从而实现三维零部件的制造。

基于自动送粉和送丝过程的激光熔覆直接制造技术可加工的零部件尺寸与机床可加工尺寸关系密切。该加工方式一般使用功率在1千瓦以上的Nd:YAG、CO₂或光纤激光器，激光聚焦后在工件表面形成较大的熔池，向熔池中送入合金粉末或者金属丝，所添加的材料熔凝后形成的单道熔覆层的高度和宽度较大，成型零部件的尺寸精度不高，需要进行后续的机械加工处理，同时机床整体移动的速度不高，不能提供较快的加工速度。此外，由于机床运动时质量大、惯性大、加速度小，不仅影响加工效率，而且对于转角、起停位置等的加工质量影响也较大。由于基于自动送粉和送丝的激光熔覆直接制造工艺自身技术原理特性的限制，该方法无法进行一些形状相对复杂的零件成型(如具有复杂内腔和悬空结构等)。

选区激光熔化快速成型技术可实现任意复杂形状零部件的成型，国内外已有若干相关专利公开。美国专利“PROCESS AND DEVICE FOR PRODUCING A SHAPED BODYBY SELECTIVE LASER MELTING”(专利号：US7047098)详细描述了一种利用三维数字模型制造致密零件的选区激光熔化成形方法及其设备。该设备中粉末由上方的贮粉腔体落入粉斗，粉斗下方设置有铺粉装置，该铺粉装置将粉末平铺至成形缸，并将多余的粉末送入回收腔体中。采用振镜扫描系统控制激光在加工平面的运动轨迹，聚焦激光束根据金属零部件三维模型的切片数据所形成的加工轨迹完成零件在该层图形中的熔化、凝固成形。然后，成型缸Z轴下降一定的高度，重复铺粉、激光选区熔化的过程，如此反复，最终获得三维零件。此专利所涉及的选区激光熔化快速成型设备的优点在于铺粉装置拥有独特的毛刷型避让结构及送粉量自控的机械结构，修正或避免成形过程中前一层加工平整度不够对铺粉精度的影响。其缺点在于尽管采用了落粉式的送粉结构，在一定程度上提高了加工效率，但单向送粉本身存在一定的效率上的缺陷。

国内专利文献“一种金属零件选区激光熔化快速成形方法及其装置”(专利公开号：CN 1603031A)公开了一种选区激光熔化快速成形装置。它采用送粉缸置于工作平面以下的顶粉式送粉方式，提高了成型缸中待加工粉末的松装密度，但是不利于成形效率的提升。它还采用铺粉辊进行铺粉，容易产生粘粉和抖动，较难获得又薄又均匀的高质量铺粉效果，最终影响零件的性能和质量。中国专利文献“一种直接制造金属零件的快速成形系统”(专利公开号：CN 1631582A)同样详细描述了一种选区激光快速成形系统。它采用相对高效的双向落粉铺粉结构，同时使用硬质刮板作为铺粉工具，提高了铺粉质量。但是，所选用的开放式落粉结构对整个加工环境造成了较大的粉尘污染，降低了激光的有效功率，并且其选用的激光运动控制结构由上下偏镜、滑块和导轨构成，扫描过程中上下偏镜随滑块在导轨上运动从而实现激光聚焦光斑在加工面上的移动，该结构具有运动速度慢、运动过程不稳定等缺陷，使其加工的零件精度和性能很难满足要求。此外，前两项专利还存在一个共同的缺点，设备所采用的光学系统均为只含有一个激光扫描振镜和光学聚焦镜系统，因此不仅所能加工的零件尺寸非常有限，加工效率也较低。

除公开的专利文献以外，国外已有多家设备制造商开发出选区激光熔化快速成形设备，主要以德国的EOS公司、CONCEPT Laser和美国的DTM公司为代表，它们设计制造的选区激光熔化快速成形设备已较为成熟。其中EOS公司的设备采用一台转动惯量小、响应速度快的扫描振镜，实现最高达7m/s的高速精确扫描，同时聚焦后光斑直径细至100μm，热影响区较小、成型零部件的尺寸精度高、表面粗糙度低，并且最小可以成型0.08mm左右的薄壁结构。而DTM公司采用激光熔化树脂等非金属粉末或混合粉末，实现粉末颗粒间之间的粘结，完成非金属零件的制造。但上述设备的加工零部件尺寸受限于激光振镜、f-θ组合透镜等光学器件，目前该公司的设备加工的最大加工幅面为250mm×250mm，无法进行更大尺寸零件的加工。而CONCEPT Laser公司则采用机械移动平台搭载一台激光扫描振镜，较大幅度的扩大了激光所能覆盖的加工区域，使选区激光熔化快速成形设备所能加工零件的尺寸显著加大，目前该公司设备的最大加工幅面为800mm×500mm。其缺点在于加工效率低下，一台小功率的激光器制造大尺寸零件无法满足快速成形技术对于生产周期的重要要求。

可见，目前激光直接快速制造零部件主要存在以下三方面问题：

(1)可加工零件的尺寸与尺寸精度相矛盾。基于自动送粉的激光熔覆直接制造零部件技术可以实现“米”级别的大尺寸零件的直接制造，但其尺寸精度则只能达到“毫米”级别；选区激光熔化快速成型技术可以实现的加工精度可达“微米”级别，但其加工尺寸受限于现有光学器件，不采用机械结构移动光学器件的情况下最大只能达到250mm×250mm的加工幅面。若采用机械结构移动光学系统，加工效率则大幅下降。

(2)可加工零件的形状复杂程度与零件的尺寸相矛盾。基于自动送粉的激光熔覆直接制造零部件技术只能直接成型大尺寸、简单形状的毛坯件；选区激光熔化快速成型零部件技术尽管不受零件复杂程度的影响，但零件的尺寸却远远小于前者。

(3)可加工零件的尺寸精度与加工效率相矛盾。高精度选区激光熔化快速成型技术的加工效率仅为2-20mm³/s，是低加工精度的自动送粉激光熔覆快速制造技术的五分之一甚至更低。

总之，现有激光快速直接制造零件方法无法实现大尺寸、高效率、高精度和高复杂程度制造的有机统一。

除此以外，无论从国内外的专利还是从国外现有工业化应用设备来看，现有设备要么精度不高、性能不好，要么成形效率低，要么无法进行大尺寸零件的加工等。因此，发明一种能够高效制造出精度高、性能优异的大尺寸零件的选区激光熔化成形设备具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的种种不足，本发明提出了一种直接制造大型零部件的选区激光熔化快速成型设备，该设备能够高效率、高精度地制造最大尺寸达到“米”级的大型复杂形状的零部件，且零部件的表面光洁度很高。

本发明公开了一种直接制造大型零部件的选区激光熔化快速成型设备，该设备包括基板，基板升降运动机构，成型缸，第一回收缸，铺粉装置以及控制系统，其特征在于，该设备包括激光器组，光学系统，成型缸重量平衡机构，以及第一送粉机构；

第一回收缸位于成型缸的一侧，两者的表面为同一平面并作为加工平面，铺粉装置在加工平面上运动；第一送粉机构分别位于光学系统一侧；光学系统位于成型缸上方，激光器组由至少一台激光器构成，激光器发出的激光束经由光学系统聚焦于成型缸表面；

成型缸内装有基板，基板下方设置有升降运动机构连接，升降运动机构带动基板在成型缸内上下运动，成型缸重量平衡机构位于设备的底部，并作用于升降运动机构上。

本发明具有以下技术效果：

(1)本发明将一台或数台乃至数十台激光器及对应的光学系统以固定阵列分布模式、移动平台模式或者上述两者的混合模式排列，只需通过增减激光器及光学系统的数量、或移动平台的大小和数量即可满足任意尺寸和形状零件的加工要求。

(2)本发明可以根据对于加工效率、平台搭建成本等不同的需求优化光学系统的搭建模式，其中固定阵列分布模式加工效率最高，而移动平台模式和混合模式可以在牺牲一定效率的条件下减少激光器和光学系统的数量以此大幅降低平台的建设成本。

(3)采用定量封闭落粉式双向送粉结构，实现了对成型缸的双向铺粉，简化了快速成型设备的结构并提高了激光熔化成型的效率，降低了成型设备的制造成本和零件的加工成本。

(4)本发明采用成型缸重量平衡机构使成型缸驱动电机的负载在整个激光成型过程中保持不变，从而确保设备的长期稳定运行和高度方向的加工精度。

本发明改进的技术方案具有以下技术效果：

(5)本发明采用并行扫描的方式分区进行零件成型，在保持高尺寸精度的前提下大幅度提高了成型效率，同时可以有效降低激光成型过程中产生的热应力。

(6)成型缸分段加热保温系统对成型零件进行全程热处理，大幅度减少零件内部的热应力，保证成型零件的尺寸精度和性能。

(7)本发明设计的加工区域保护罩能在短时间内达到激光成型对水氧含量的要求，并迅速排除激光成型过程中所产生的烟尘。

附图说明

图1为本发明选区激光熔化快速成型设备的第一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本发明选区激光熔化快速成型设备的第二种具体实施方式的结构示意图；

图3为本发明的一种光学系统单元的结构示意图；

图4为固定阵列分布模式光学系统的第一种具体实现方式示意图；

图5为固定阵列分布模式光学系统的第二种具体实现方式示意图；

图6为移动平台模式光学系统的第一种具体实现方式示意图；

图7为移动平台模式光学系统的第二种具体实现方式示意图；

图8为混合模式光学系统的第一种具体实现方式示意图；

图9为混合模式光学系统的第二种具体实现方式示意图；

图10为混合模式光学系统的第三种具体实现方式示意图；

图11为混合模式光学系统的第四种具体实现方式示意图；

图12为本发明的基板升降运动机构、分段式加热保温系统、成型缸重量平衡机构的结构示意图；

图13为本发明的成型缸重量平衡机构的第二种形式的结构示意图；

图14为本发明的第一种定量送粉机构和铺粉装置的结构示意图；

图15为本发明的第一种基板调平机构的结构示意图；

图16为本发明的保护气氛罩盖板上保护镜片的第一种具体实现方式示意图；

图17为本发明的保护气氛罩盖板上保护镜片的第二种具体实现方式示意图；

图18为本发明的第二种定量送粉机构和铺粉装置的结构示意图；

图19为本发明的第二种基板调平机构的部分结构示意图；

图20为本发明的内置光学系统实施方式的结构示意图；

图21为本发明的一种加装密封结构的光学系统单元的结构示意图；

图22为本发明的成型缸重量平衡机构的第三种形式的结构示意图。

具体实施方式

下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

如图1所示，本发明所涉及的选区激光熔化快速成型设备的一种具体实施方式包括激光器组1、光学系统3、基板8、基板升降运动机构13、成型缸7、成型缸重量平衡机构15、回收缸6、定量送粉机构2、铺粉装置12和控制系统14。

成型缸7表面及回收缸6的表面为同一平面即加工平面，铺粉装置12可以在加工平面上左右运动。光学系统3位于成型缸7的正上方，定量送粉机构2位于光学系统3的一侧。激光器组1发出的多束激光经由光学系统3聚焦于成型缸7表面。

成型缸7内装有基板8，基板8是成型零件的生长基底，其上方为粉末和待成型零件9，基板8由其下方的升降运动机构13带动在成型缸7内上下运动，成型缸重量平衡机构15位于设备的底部，并作用于升降运动机构13上。

在上述结构中，可以增设第二回收缸6’、第二送粉机构2’、保护气氛罩5、气体净化系统4、基板调平机构11和加热保温系统10中的至少一个，其中，第二回收缸6’和第二送粉机构2’必须同时增设。保护气氛罩5和气体净化系统4必须同时增设。当上述各部件均同时增设时，其结构如图2所示。

第二回收缸6’与第一回收缸6分别位于成型缸7的两侧，三者的表面为同一平面即加工平面，铺粉装置12可以在加工平面上左右运动，加工平面及铺粉装置12等所占用的空间由保护气氛罩5所笼罩，保护气氛罩5左右分别由进气口和排气口连通气体净化系统4(图2中为了绘图方便将气体净化系统4画成了左右两部分)。保护气氛罩5的上方是光学系统3、定量送粉机构2、2’，其中光学系统3位于中间，左右两侧各有一个定量送粉机构，激光器组1发出的多束激光经由光学系统3聚焦于成型缸7表面。

增设的基板调平机构11安装在基板8上方。

增设的加热保温系统10位于在成型缸7内，加热保温系统10为分段式，由基板8与升降运动机构13之间的加热结构和成型缸7内壁的加热结构共同构成。该加热结构可以是电阻丝、加热板、感应加热或者远红外加热等各种加热形式。

以图2所示结构为例，以工业控制计算机和运动控制卡为主体的控制系统14控制各机构协调运动。基本工作过程如下：

(1)打开保护气氛罩5，将基板8置于成型缸7内的加热结构上，通过基板调平机构11将基板8调整至水平。将保护气氛罩5密封并开启气体净化系统4，由进气口向罩内充入惰性气体，并保持循环，使罩内气体氛围控制在加工所需的范围内。

(2)将待成型零件的STL文件导入工业控制计算机并获得零件的切片数据，生成每一层的激光加工轨迹。

(3)定量送粉器2’将粉末按照设定的量送到成型缸7表面右侧，基板8下降一个切片的高度，铺粉装置12从右向左移动至回收缸6处，粉末即平铺在基板8上，激光器组1发出激光，光学系统3控制聚焦光斑按照加工轨迹在加工平面移动，实现当前层的加工。

(4)定量送粉器2将粉末按照设定的量送到成型缸7表面左侧，基板8下降一个切片的高度，铺粉装置12从左向右移动至回收缸6’处，在已沉积的金属层上均匀的平铺上一层新的粉末，激光器组1发出激光，光学系统3控制聚焦光斑按照加工轨迹在加工平面移动，实现当前层的加工。

(5)不断重复步骤(3)、(4)，最终实现零件由二维成型向三维成型的扩展，获得实体零件。

(6)在加工过程中，加热保温系统10随着基板8的不断下降分阶段的打开，确保始终只加热位于基板8上方的粉末和零件。同时，每增加一层时，控制系统14根据零件的切片厚度和粉末的松装密度计算出成型缸增加的重量，并控制成型缸重量平衡机构15提供同等重量的实时力进行平衡，使升降运动机构13承受的重量始终保持恒定，保证基板8平稳运动。

下面举例说明各部件的几种具体实现方式。

本发明所涉及的选区激光熔化快速成型设备的激光器组由一台或数台乃至数十台激光器组成，激光器可以是中、高功率的CO₂激光器、Nd:YAG激光器、光纤激光器和半导体激光器等，其数量由光学系统的设计结构所决定。

本发明所涉及的光学系统是实现选区激光熔化快速成型设备高效制造出精度高、性能优异的大尺寸零件的关键技术之一。本发明所涉及的光学系统可以采用固定阵列分布模式、移动平台模式或者上述两者的混合模式。各种模式下的基本组成结构为光学系统单元，如图3所示，每一个光学系统单元包括扩束镜17、XY激光扫描振镜18、f-θ组合透镜19，激光从出光口16发出，依次经过扩束镜17、XY激光扫描振镜18和f-θ组合透镜19聚焦在加工平面上，为防止烟尘、粉尘污染以上提到的光学器件，在f-θ组合透镜19与加工平面之间安装保护镜片20。光学系统单元也可由扩束镜和XYZ三维动态聚焦扫描振镜构成，激光从出光口16发出，依次经过扩束镜17和XYZ三维动态聚焦扫描振镜聚焦在加工平面上。根据采用的模式不同，本发明所涉及的光学系统还包括可以使光学系统单元在二维或者三维空间移动的相关机械结构。光学系统单元还可以采用现有技术中其它任意一种能够进行激光束聚集用于激光加工的光学器件。

图4～图11分别给出了固定阵列分布模式、移动平台模式、混合模式下的光路设计示意图，但本发明并不局限于这些示意图所描述的光学系统。不同的光学系统的动作只在每一层的激光扫描过程中存在差别，对于设备其他结构的运动过程不产生影响，在此不再赘述。

根据加工零件尺寸大小不同，固定阵列分布模式可以采用数台或数十台的激光器及对应的光学系统单元按阵列排列构成，可用于任意形状零件的成型。一台激光器可以对应一个光学系统单元，也可以通过分光对应多个光学系统单元。图4给出了固定阵列分布模式光学系统的第一种具体实现方式，若干光学系统单元21按照矩形阵列排列并固定在定位板22上，实际应用时只需将定位板22放置在如图2所示的光学系统所在的位置即可，光学系统单元21即为图3所示结构。光学系统单元21所对应的加工区域规划方法如下：基板被划分为若干相同或不同的区域，相邻区域之间有少量重合的部分，每个光学系统单元的扫场覆盖基板上的一个区域，该区域的大小和形状由光学系统所采用的器件(如XY激光扫描振镜和f-θ组合透镜或者XYZ三维动态聚焦扫描振镜等)决定。计算机将零件三维模型的XY平面分解成若干区域，与基板上划分的区域在形状、大小、位置上一一对应，激光扫描时每一个光学系统单元按照计算机分配的该单元所对应的区域内切片图形数据选区熔化粉末。激光加工时所有光学系统单元同时工作，重叠区域的加工可以选择一个光学系统单元扫描另一个光学系统单元不扫描的形式，也可以选择两个光学系统单元分别扫描的形式或者交替扫描形式，以确保结合部位的加工质量为准。

图5给出了固定阵列分布模式光学系统的第二种具体实现方式，若干光学系统单元21按照圆周阵列排列并固定在定位板22上，可用于大型圆环状零件的加工。图中每一条圆周点划线表示一个圆周阵列中光学系统单元布置的中心线，自内向外根据光学系统单元所能覆盖的范围层层排列，以确保所有光学系统单元组合后的加工区域覆盖整个零件。光学系统单元21所对应的加工区域规划方法与第一种实现方式相似，区别在于需要根据圆环零件的形状、大小以圆周阵列形式排列各区域。

采用图4和图5两种固定阵列分布模式的光学系统，分别对应加工不同形状的金属零部件，它们的共同优点是扫描过程中所有激光器和光学系统单元同时工作，每一层的选区熔化成型时间取决于扫描时间最长的那一组激光器和光学系统单元，单层加工时间短，加工效率很高。缺点是整个加工区域的覆盖需要很多光学系统单元及对应的激光器，设备搭建的成本较高。

光学系统单元21可以为矩形、圆周形式或者其它任意形式的阵列排列。

图6给出了移动平台模式光学系统的第一种具体实现方式，该光学系统采用XY滚珠丝杠搭载光学系统单元。在XY滚珠丝杠移动平台模式光学系统中，光学系统单元21直接安装在由X向丝杠23和Y向丝杠24构成的移动平台上，计算机通过控制XY滚珠丝杠移动平台移动光学系统单元21使其加工区域覆盖整个基板。光学系统单元21的加工区域规划方法如下：由若干形状、大小相同或者不同的区域拼合零件在XY平面的投影图形，相邻区域有少量重合部分，各区域的形状和大小由光学系统所采用的器件决定。在激光扫描加工时，计算机通过控制XY滚珠丝杠移动平台将光学系统单元21按照一定的顺序分别移动到每一个区域的上方，依次完成这些区域内的激光扫描过程。

图7给出了移动平台模式光学系统的第二种具体实现方式，由圆周环绕移动平台搭载光学系统单元21，加工区域的划分方式参照图5所示的圆周阵列分布模式的光学系统。激光加工时，光学系统单元21在圆形滑轨25上依次移动至每一个区域的上方，完成这些区域内图形的激光扫描过程。

此模式借助移动平台扩大了单台激光器和单个光学系统单元所能加工的零件尺寸，使选区激光熔化设备所能成型零件的尺寸不再受光学元器件的限制，但是，每一层的选区激光扫描任务都是由这一台激光器和光学系统单元完成，加工所需时间远远长于固定阵列分布模式，效率非常低。

光学系统单元21可以安装在除了XY滚珠丝杠和圆形滑轨以外的任意形式的二维和三维移动平台。

图8～图11是给出的四种混合模式光学系统的实现方式。图8是混合模式光学系统的第一种实现方式，它采用XY滚珠丝杠搭载矩形阵列模式光学系统26；图9中混合模式光学系统的第二种实现方式，它采用圆周环绕移动平台搭载矩形阵列模式光学系统26。矩形阵列模式光学系统26即如图4所示的矩形阵列模式光学系统，矩形阵列模式光学系统26分别取代图6中XY滚珠丝杠移动平台模式光学系统和图7中圆周环绕移动平台模式光学系统的光学系统单元21，即构成混合模式光学系统的第一种和第二种实现方式。根据矩形阵列模式光学系统26所覆盖的加工区域及移动平台的形状和运动特性拼合零件在XY平面的投影图形，激光扫描加工时，矩形阵列模式光学系统26依次移动至不同的加工区域上方，所有光学系统单元21、21’…同时加工该区域。

图10所示的混合模式光学系统的第三种实现方式。它以图6所示的移动平台模式光学系统27为基本组成单元，按照矩形阵列形式安装在定位板22上。各基本组成单元的加工区域的划分方法与混合模式的第一种实现方式相同，并且各基本组成单元的激光扫描加工同时进行。

图11给出的混合模式光学系统的第四种实现方式，采用圆周环绕移动平台搭载多个矩形阵列光学系统26，所有矩形阵列光学系统26均匀分散排列，且都可以在移动平台上运动。该模式下的光学系统在加工区域分配上与图9所示光学系统的区域分配相同，每个矩形阵列光学系统26和26’等需要进行若干区域的激光扫描加工，加工过程中各矩形阵列光学系统26和26’等同时扫描、同时移动，完成每一层的激光加工任务。

混合模式是固定阵列模式和移动平台模式的综合应用，采用多台激光器和多个光学系统单元同时扫描，加工效率介于上述两种模式之间，并且可以根据零部件的不同形状采用优化算法控制不同光学系统单元或者光学系统单元组成的阵列在移动平台上先后移动的次序和位置，以此进一步提高激光器和光学系统的利用效率，获得最优的效率、成本比。

如图12所示，本发明的分段式加热保温系统由两部分组成，一部分为位于成型缸7内壁的电阻丝32，电阻丝32自上而下分成若干段，在零件成型过程中随着基板8的下降依次打开；另一部分固定在基板8的下方，依次为加热板28、隔热用陶瓷纤维板29和具有冷却流道的冷却板30。在零件的成型过程中，根据零件的材料决定是否采用加热保温功能、设定加热保温的温度以及加热保温的时机。分段电阻丝的应用目的在于提高热量的利用效率，隔热板和冷却板则主要用于阻止加热产生的热量向基板升降运动机构和其他功能机构扩散，影响设备工作的稳定性。此加热系统还可以采用感应加热、远红外加热等不同的加热形式，具体方案以获得最高加热效率为准。

如图12所示，基板升降运动机构包括活塞31、圆形衔接板33、第一滚珠丝杠35、涡轮蜗杆减速器36和第一电机37。活塞31上端与冷却板30相连，下端与圆形衔接板33相连，滚珠丝杠35一端位于圆形衔接板33的中心位置并与之固定，另一端与涡轮蜗杆减速器36相连，涡轮蜗杆减速器36与第一电机37相连。工作时由第一电机37带动涡轮减速器36转动，从而带动滚珠丝杠35转动，并带动与之相连的圆形衔接板33、活塞31等同步运动，进而使基板8上下运动。

基板升降运动机构根据所需载荷的不同还可添加多套电机、涡轮蜗杆减速器结构共同作用于圆形衔接板上；也可以采用齿轮齿条结构替换滚珠丝杠，由电机带动齿轮旋转，齿条上下移动带动固定在其上端的活塞、圆形衔接板及基板等一致上下移动；还可以采用伺服液压传动机构直接作用于基板或加热保温系统下部，带动基板等上下移动。

如图12所示，成型缸重量平衡机构由至少二个液压机构38和钢丝绳、滑轮构成的连接机构34组成，在基板8下降的过程中，各液压机构38通过连接机构34的钢丝绳作用于圆形衔接板33上，提供实时作用力以平衡随着成型缸7内粉末不断积累、零件不断生长所产生的巨大负载，使升降运动机构13承受的重量始终保持恒定。该机构的构成形式不局限于采用钢丝绳和滑轮组成的连接结构，还可以根据设备尺寸的不同采用如图13所示的形式，即液压机构38直接作用在圆形衔接板33上。

本设备可以采用单个送粉机构也可以采用两个送粉机构，送粉机构可以为定量或非定量方式，送粉机构的具体结构可以采用现有的各种结构，也可以采用本实例提供的结构。下面说明定量送粉机构的一种具体实施方式的结构。如图14所示，定量送粉机构主要包括贮粉箱41，套筒42、滚筒43、输粉管44和第二电机49等。套筒42水平放置，筒壁上开有进粉槽和出粉槽，进粉槽的位置与贮粉箱41的出口39相对应，出粉槽与输粉管44相连通。滚筒43安装在套筒42内，其外围与套筒42内壁紧密贴合，并沿圆周开有至少一个贮粉凹槽40，第二电机49带动滚筒43在套筒42内旋转。需要注意的是：凹槽40的横截面、套筒42的进粉槽和出粉槽的横截面、出口39以及输粉管44的管口五者形状相匹配，最好均为细窄的长方形。送粉时，第二电机49带动滚筒43旋转，贮粉凹槽40的一个凹槽对准出口39时粉末进入贮粉凹槽40，同时与之相对的另一个凹槽则对准输粉管44的上管口，其内粉末随输粉管44下落，滚筒43每转动一定的角度，即可送出一定量的粉末。

根据零部件制造的要求不同，送粉机构可以为开放式或封闭式结构。当零件需要在保护气氛中制造时，必须采用封闭式的送粉机构，这种封闭式的送粉机构是指贮粉箱41为封闭式，仅通过输粉管44对外送粉。

本发明采用的定量送粉机构除了采用前述旋转式定量送粉机构，还可以采用平移式定量送粉机构。如图18所示，平移式定量送粉机构包括贮粉箱41、支架60、进粉槽59、出粉槽61、送粉板62、运动机构63和输粉管44。支架60上部和下部分别开有水平错开的进粉槽59和出粉槽61，进粉槽59的位置与贮粉箱41的出口39相对应，出粉槽61与输粉管44相连通。开有贮粉孔64的送粉板62水平安装在支架60中，送粉板62的右端连接运动机构63，运动机构63可以由电机和丝杠组合，也可以由高压气流和继电器组合，或者是其它能够推动送粉板62左右移动的结构形式。与旋转式定量送粉机构类似，进粉槽59、出粉槽61、贮粉孔64的横截面、出口39以及输粉管44的管口五者形状相匹配，最好均为细窄的长方形。送粉时，运动机构63带动送粉板62运动使贮粉孔64对准进粉槽59，贮粉箱41中的粉末依靠重力进入贮粉孔64，送粉板左移使贮粉孔64对准出粉槽61，贮粉孔64中的粉末沿输粉管44自由下落，即可送出一定量的粉末，通过左右移动的次数即可实现定量送粉。

使用两个送粉机构时，二者结构可以相同也可以不同。

如图22所示，成型缸重量平衡机构还可以由至少二套定量送粉组件构成，各定量送粉组件均包括第三定量送粉机构69，盛粉箱70、定向导轨71和钢丝绳、滑轮构成的连接结构34组成。定向导轨71垂直安装在设备底部，盛粉箱70活动安装在定向导轨71上，可以沿定向导轨71上下移动，第三定量送粉机构69的出粉口分别位于盛粉箱70的上方，在基板8下降的过程中，第三定量送粉机构69不断的向盛粉箱70送入粉末，送入粉末的重量与成型缸7内粉末积累和零件生长所产生的重量相同，保证基板8精确、稳定的上下运动。第三定量送粉机构69可以采用与第一、第二定量送粉机构相同结构，也可以采用当前应用较广的皮带轮送粉结构和熔覆用送粉器结构。

如图14所示，铺粉装置包括T型横梁45、位于横梁45两侧的导粉管46、刮板48、压块47和传动机构。导粉管46的上管口与输粉管44的下管口齐高，确保粉末在自由下落过程中不会对加工腔体造成污染。刮板48的材料可以是陶瓷、硬质金属合金或有机材质等，由压块47紧固在T型横梁45下端的凹槽中，刮板48下表面为光滑平面并紧贴加工平面，T型横梁45位于基板8上方。送粉前，T型横梁45在传动机构的带动下移动至右侧定量送粉机构的下方，并使左侧导粉管46的上管口与输粉管44管口对齐，粉末完全下落后，T型横梁水平移动至左侧回收缸，完成当前层的铺粉动作，同理适用于与之对称的左侧结构的铺粉过程，由此实现本设备的双向铺粉功能，大幅提高铺粉效率。T型横梁45的传动机构可采用电机带动的滚珠丝杠传动机构，也可采用电机带动的皮带轮传动机构，或者其他类型的直线传动机构。

在精度要求不高的条件下，铺粉装置也可以采用滚筒式铺粉机构。

如图15所示，基板调平机构包括导轨52、调平支架54。导轨52沿成型缸Y轴方向安装在T型横梁45上，并平行于加工平面，调平支架54安装在导轨52上，该支架水平部分前端开有上下贯穿圆孔55，用于装夹千分表，另有垂直圆孔的螺钉53紧固。为了达到更好的调平效果，基板8通过定位螺钉50与调平螺钉51安装在加热板28上，定位螺钉50与调平螺钉51均呈均匀分布，不局限于图15所示的三组螺钉。具体调平方法如下：以加工平面为基准，通过T型横梁45带动安装有千分表的调平支架54沿X轴方向左右移动，同时调平支架54可以沿Y向导轨52前后移动，从而显示基板8各位置的高度数值，并通过调整调平螺钉51的高低位置使基板8上表面与加工平面重合。

由于较大尺寸的基板重量很大，采用定位螺钉和调平螺钉进行调平在调平过程中准确性较差或受到人体力量限制，较难达到使用要求。为此本发明还可以采用另外一种机构取代定位螺钉和调平螺钉，该机构包括位于冷却板30和活塞31之间的固定杆68、支撑架66、66’、第三、第四电机67、67’、第二、第三滚珠丝杠65、65’，如图19所示，其中固定杆68的一端固定在活塞31上，另一端直接连接在冷却板30下面。第一、第二支撑架66、66’固定在活塞31上，第二滚珠丝杠65垂直安装在第一支撑架66上，其上端与冷却板30固定，下端与第三电机67相连。同理第二支撑架66’、第四电机67’、第三滚珠丝杠65’以相同的结构连接，即第三滚珠丝杠65’垂直安装在第二支撑架66’上，上端与冷却板30固定，下端与第四电机67’相连。为了便于调节，固定杆68与第一、第二支撑架66、66’连接所形成的三角形最好为等边三角形。调平过程中依靠第三、第四电机67、67’带动丝杠旋转，从而带动冷却板30运动，以三点确定一个平面的原理实现并保持基板8水平。

保护气氛罩在对加工腔体内进行密封的同时必须保证足够的通光面积以确保激光束经振镜偏转后可以完全聚焦在加工平面，因此须在保护气氛罩盖板上增设有保护镜片。图16、17分别为不同保护镜片类型的保护气氛罩的俯视图，其中图16所示为阵列分布的多个保护镜片57嵌于保护气氛罩盖板56上，主要与阵列分布模式的光学系统搭配，每一个保护镜片对应阵列分布模式中一个光学系统单元。图17所示为单一大型保护镜片58嵌于保护气氛罩盖板56上，主要与移动平台模式、混合模式的光学系统搭配。前者对于保护镜片的材料及制作要求不高，可随时更换出现故障的保护镜片，经济性较好；后者虽然成本较高，但可以满足移动平台模式和混合模式下光学系统单元随机定位的使用要求，在任意位置均可实现激光束的完全穿透。

气体净化系统通过进气口和排气口与保护气氛罩构成封闭循环，确保保护气氛罩内的水、氧含量达到使用要求。进气口与排气口均设置有粉尘过滤装置，防止加工过程中产生的微、纳米粉尘污染内外环境。

大型保护镜片的加工制造难度较大，为了更好的实现移动平台模式光学系统和混合模式光学系统也可将光学系统3整体置入气体保护罩5内。具体布置方法如图20所示，光学系统3固定在气体保护罩5的盖板下方，其他部件和结构位置基本不变。如图21所示，采用此结构，需要对每一个开放式的光学系统单元单独加装密封罩69，保护光学器件免受腔体内粉尘和烟尘的污染，光学系统单元的排列布置及扫描方式与外置光学系统一致。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (18)

1.一种直接制造大型零部件的选区激光熔化快速成型设备，该设备包括基板（8），基板升降运动机构（13），成型缸（7），第一回收缸（6），铺粉装置（12）以及控制系统（14），其特征在于，该设备包括激光器组（1），光学系统（3），成型缸重量平衡机构（15），以及第一送粉机构； 

第一回收缸（6）位于成型缸（7）的一侧，两者的表面为同一平面并作为加工平面，铺粉装置（12）在加工平面上运动；第一送粉机构位于光学系统（3）一侧；光学系统（3）位于成型缸（7）上方，激光器组（1）由至少一台激光器构成，激光器发出的激光束经由光学系统（3）聚焦于成型缸（7）表面； 

成型缸（7）内装有基板（8），基板（8）下方设置有升降运动机构（13），升降运动机构（13）带动基板（8）在成型缸（7）内上下运动，成型缸重量平衡机构（15）位于设备的底部，并作用于升降运动机构（13）上； 

成型缸重量平衡机构（15）在控制系统（14）控制下提供同等重量的实时力进行平衡，使升降运动机构（13）承受的重量始终保持恒定，保证基板（8）平稳运动。 

2.根据权利要求1所述的选区激光熔化快速成型设备，其特征在于，在基板（8）上方还设置有基板调平机构（11）。 

3.根据权利要求1所述的选区激光熔化快速成型设备，其特征在于，在成型缸（7）内设置加热保温系统（10）。 

4.根据权利要求3所述的选区激光熔化快速成型设备，其特征在于，加热保温系统（10）为分段式，由基板（8）与升降运动机构（13）之间的加热结构和成型缸（7）内壁的加热结构共同构成。 

5.根据权利要求3所述的选区激光熔化快速成型设备，其特征在于，该设备还包括第二送粉机构和第二回收缸（6’），第二送粉机构与第一送粉机构结构相同，位于光学系统的另一侧，第二回收缸（6’）位于成型缸（7）的另一侧，其表面位于加工平面 内。 

6.根据权利要求1所述的选区激光熔化快速成型设备，其特征在于，该设备还包括气体净化系统（4）和保护气氛罩（5），加工平面及铺粉装置（12）位于保护气氛罩（5）内，保护气氛罩（5）分别通过进气口和排气口连通气体净化系统（4）。 

7.根据权利要求1所述的选区激光熔化快速成型设备，其特征在于，光学系统由至少一个光学系统单元构成，各光学系统单元（21）按照阵列排列并固定在定位板（22）上，由激光器发出的激光束经光学系统单元（21）后进行并行分区扫描，使加工区域覆盖整个基板。 

8.根据权利要求1所述的选区激光熔化快速成型设备，其特征在于，光学系统由一个或按照阵列形式分布的多个光学子系统构成，光学子系统由安装在由X向丝杠（23）和Y向丝杠（24）构成的移动平台上的至少一个光学系统单元（21）构成，控制系统（14）通过控制移动平台带动光学系统单元（21），由激光器发出的激光束经光学系统单元（21）后进行并行分区扫描，使加工区域覆盖整个基板。 

9.根据权利要求1所述的选区激光熔化快速成型设备，其特征在于，光学系统由安装在圆形滑轨（25）上的至少一个光学子系统构成，光学子系统由一个或按照阵列形式分布的多个的光学系统单元（21）构成，由激光器发出的激光束经光学系统单元（21）后进行并行分区扫描，使加工区域覆盖整个基板。 

10.根据权利要求1所述的选区激光熔化快速成型设备，其特征在于，成型缸重量平衡机构由二至四套送粉组件构成，各送粉组件均包括定量送粉机构、盛粉箱、定向导轨和连接结构，定向导轨垂直安装在设备底部，盛粉箱活动安装在定向导轨上，沿定向导轨上下移动，定量送粉机构的出粉口位于盛粉箱的上方。 

11.根据权利要求1至10中任一所述的选区激光熔化快速成型设备，其特征在于，第一送粉机构为定量送粉机构，它包括贮粉箱（41），套筒（42）、滚筒（43）、输粉管 （44）和第二电机（49）；套筒（42）水平放置，筒壁上开有进粉槽和出粉槽，进粉槽的位置与贮粉箱（41）的出口（39）相对应，出粉槽与输粉管（44）相连通；滚筒（43）安装在套筒（42）内，其外围与套筒（42）内壁紧密贴合，并沿圆周开有至少一个贮粉凹槽（40），第二电机（49）与滚筒（43）相连。 

12.根据权利要求1至10中任一所述的选区激光熔化快速成型设备，其特征在于，第一送粉机构为定量送粉机构，它包括贮粉箱（41）、支架（60）、进粉槽（59）、出粉槽（61）、送粉板（62）、运动机构（63）和输粉管（44）；支架（60）上部和下部分别开有水平错开的进粉槽（59）和出粉槽（61），进粉槽（59）的位置与贮粉箱（41）的出口（40）相对应，出粉槽（61）与输粉管（44）相连通，开有贮粉孔（64）的送粉板（62）水平安装在支架（60）中，送粉板（62）的端部连接运动机构（63）。 

13.根据权利要求2所述的选区激光熔化快速成型设备，其特征在于，铺粉装置包括T型横梁（45）、位于横梁（45）两侧的导粉管（46）、刮板（48）、压块（47）和传动机构；导粉管（46）的上管口与第一送粉机构的出粉口齐高，刮板（48）由压块（47）紧固在T型横梁（45）下端的凹槽中，刮板（48）下表面为光滑平面并紧贴加工平面，T型横梁（45）位于基板（8）上方，T型横梁（45）与传动机构连接，T型横梁（45）在传动机构的带动下移动。 

14.根据权利要求4所述的选区激光熔化快速成型设备，其特征在于，分段式加热保温系统由两部分组成，一部分为位于成型缸（7）内壁的电阻丝（32），电阻丝（32）自上而下分成若干段，另一部分包括由上而下依次连接的加热板（28）、隔热用陶瓷纤维板（29）和具有冷却流道的冷却板（30），加热板（28）位于基板（8）下方，并与基板（8）固定连接。 

15.根据权利要求14所述的选区激光熔化快速成型设备，其特征在于，基板升降运动机构包括活塞（31）、圆形衔接板（33）、第一滚珠丝杠（35）、蜗轮蜗杆减速器（36）和第一电机（37）；活塞（31）上端与基板（8）或者加热保温系统（10）相连，下端与圆形衔接板（33）相连，第一滚珠丝杠（35）一端位于圆形衔接板（33）的中心位置并与之固定，另一端与蜗轮蜗杆减速器（36）相连，蜗轮蜗杆减速器（36）与 第一电机（37）相连。 

16.根据权利要求1至9中任一所述的选区激光熔化快速成型设备，其特征在于，成型缸重量平衡机构由至少二个液压机构（38）和连接机构（34）组成，液压机构（38）通过连接机构（34）作用于基板升降运动机构。 

17.根据权利要求13所述的选区激光熔化快速成型设备，其特征在于，基板调平机构包括导轨（52）和调平支架（54）；导轨（52）沿成型缸Y轴方向安装在T型横梁（45）上，并平行于加工平面，调平支架（54）安装在导轨（52）上，该调平支架水平部分前端开有用于装夹千分表的上下贯穿圆孔（55）。 

18.根据权利要求15所述的选区激光熔化快速成型设备，其特征在于，在冷却板（30）和活塞（31）之间设置有固定杆（68），第一、第二支撑架（66、66’），第三、第四电机（67、67’），以及第二、第三滚珠丝杠（65、65’）；固定杆（68）一端固定在活塞（31）的上面，另一端直接连接在冷却板（30）下面，第一、第二支撑架（66、66’）均固定在活塞（31）上，第二滚珠丝杠（65）垂直安装在第一支撑架（66）上，其一端与冷却板（30）相连并固定，另一端与第三电机（67）相连；第三滚珠丝杠（65’）垂直安装在第二支撑架（66’）上，其一端与冷却板（30）相连并固定，另一端与第四电机（67’）相连。 

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