CN104384514B - 一种水泵大型金属零件的3d打印装置及打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水泵大型金属零件的3D打印装置及方法，属于3D打印技术领域。所述的3D打印制造装置包括激光系统、铺粉系统、气氛保护系统、粉末回收系统和计算机系统；还包括封闭的成型腔，成型腔的上方设有激光系统，可以提供两道激光束；所述成型腔底部设有铺粉系统，包括两个铺粉辊桶和两个送粉缸；所述成型腔和送粉缸下侧设有驱动装置；所述成型腔一侧设有气氛保护系统；所述成型腔一侧设有真空泵；所述计算机可以通过数据线与所述驱动装置、激光系统、铺粉系统相连。本发明不仅可以直接制造出各种形状的金属零件，而且由于使用两道激光打印，可以大幅度提高打印速度和打印的致密度。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印制造技术领域，特别是指一种水泵大型金属零件的3D打印装置及方法。
背景技术
3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。它无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。
SLS（选择性激光烧结）利用粉末材料在激光照射下烧结的原理，由计算机控制层层堆结成型。SLS技术同样是使用层叠堆积成型，所不同的是，它首先铺一层粉末材料，将材料预热到接近熔化点，再使用激光在该层截面上扫描，使粉末温度升至熔化点，然后烧结形成粘接，接着不断重复铺粉、烧结的过程，直至完成整个模型成型。
激光烧结技术可以使用非常多的粉末材料，并制成相应材质的成品，激光烧结的成品精度好、强度高，但是最主要的优势还是在于金属成品的制作。激光烧结可以直接烧结金属零件，也可以间接烧结金属零件，最终成品的强度远远优于其他3D打印技术。SLS家族最知名的是德国EOS的M系列。
中国专利申请CN201310288137.7公开了一种金属零件3D打印的装置及方法，虽然可以用于打印一些铝合金零件，但是使用范围有限，无法适用于其他金属材料的打印，而且所提供的装置和方法打印效率低，打印成的零件致密度不够高，另外其提供的装置及方法对于未用于打印的粉末回收不够理想。
发明内容
本发明的目的是针对目前金属零件3D打印中存在的问题，旨在提供一种水泵大型金属零件的3D打印装置及方法，该装置及方法不仅可以大幅提高打印速度和打印的致密度，而且可以有效利用资源，减少浪费。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种水泵大型金属零件3D打印装置，其特征在于，包括第一激光器；扫描系统、第二激光器、工作台面、真空泵和封闭腔，所述第一激光器和所述第二激光器发射的激光共同通过扫描系统发出，所述工作台面上依次设有第一铺粉辊筒和第二铺粉辊筒，所述工作台面下方依次设有第一收集粉料缸、第一送粉缸、成型缸、第二送粉缸和第二收集粉料缸，所述工作台面、所述第一收集粉料缸、所述第一送粉缸、所述成型缸、所述第二送粉缸和所述第二收集粉料缸均位于所述封闭腔内，所述扫描系统位于所述封闭腔上部，所述封闭腔上开有进气口和出气口，所述封闭腔内还装有氧浓度传感器，所述真空泵用来给所述封闭腔抽真空。
上述方案中，所述扫描系统与所述封闭腔的上壁面之间设有保护镜。
上述方案中，所述成型缸下部安装有第三收集粉料缸，所述第三收集粉料缸上设有震动装置。
上述方案中，所述第一激光器、所述扫描系统、所述第二激光器、所述第一铺粉辊筒、所述第二铺粉辊筒、所述第一收集粉料缸、所述第一送粉缸、所述成型缸、所述第二送粉缸、所述第三收集粉料缸、所述第二收集粉料缸、所述真空泵和所述氧浓度传感器均与计算机相连。
上述方案中，所述出气口处设有气体净化装置。
上述方案中，所述第一铺粉辊筒和所述第二铺粉辊筒之间间隔150-250mm，与第一激光器和第二激光器发出的激光束的间隔保持一致。
本发明还提供了一种水泵大型金属零件3D打印方法，包含如下步骤：
A．绘制零件的CAD实体模型，并沿Z向进行分层切片成一系列二维图形，切片层厚度为0.10-0.50mm，将得到的数据导入计算机系统中；
B．计算机根据得到的二维图形生成所有切片层的激光扫描路径；
C．打开真空泵，当封闭腔内气压低于0.1Pa时关闭真空泵，通过进气口往封闭腔中通保护气体氩气，打开气体净化装置；
D．当氧浓度传感器检测到封闭腔内氧气浓度低于50ppm时，送粉缸上升一高度，具体高度由送粉缸的设计尺寸和所需加工零件的尺寸确定，此时第一铺粉辊筒和第二铺粉辊筒（10）均位于所述第二送粉缸（12）左侧，第一铺粉辊筒（9）开始右移向成型缸（8）上表面铺设金属粉末；待第一铺粉辊筒（9）向右前进大于30mm以后，第一道激光由扫描系统2发出，按照计算机设定的扫描路径扫描铺设好的金属粉末；第一铺粉辊筒（9）前进150mm后送粉缸（12）再上升一高度，由送粉缸的设计尺寸和所需加工零件的尺寸确定，第二铺粉辊筒（10）开始右移铺粉；第二铺粉辊筒（10）前进大于30mm后，第二道激光由扫描系统2发出，按照计算机设定的扫描路径扫描铺设好的金属粉末；当两辊筒都移动到粉料缸（6）的右侧时，送粉缸（5）上升一高度，此时的第二铺粉辊筒（10）和第一铺粉辊筒（9）先后开始向左移动进行重复上述工作过程。所述扫描系统2射出的两道激光束间隔相差150-200mm，与所述第一铺粉辊筒（9）和所述第二铺粉辊筒（10）之间间隔对应；
E．判断零件是否打印完成，若未完成，则成型缸下降0.10-0.50mm，并重复步骤D；若打印完成，则成型缸底部打开，成型缸中未打印粉末进入粉料缸中，停止通氩气，关闭气体净化装置；
G．取出零件，后期加工。
上述方案中，所述两台激光器功率均为2000w,波长为1065nm， 激光速度5-15mm/s,扫描宽度为2-4mm。
上述方案中，所述两台激光器发出的两道激光束在打印时错开半个扫描宽度。
上述方案中，所述第一铺粉辊筒和所述第二铺粉辊筒之间间隔150-250mm，与第一激光器和第二激光器发出的激光束的间隔保持一致，并且第一道激光束与第一铺粉辊筒的距离不小于30mm，第二道激光束与第二铺粉辊筒的距离不小于30mm。
本发明的有益效果：（1）只需要建立零件的三维模型，通过计算机集成系统就可以完成零件的制造，实现了数字化制造。（2）本发明采用两道激光同时打印零件，大大提高了打印速度，而且由于两道激光束间距较近，第二道光束对前一打印层有重熔的效果，可以提高3D打印的致密度。（3）本发明的铺粉系统采用异步双辊筒的形式，与激光束配合良好，简化了整个制造装置。（4）本发明所采用的两道激光束在打印过程中错开半个扫描宽度，使扫描线恰好落在前一道扫描线的“凹谷”处，提高了打印的致密度。（5）本发明所采用的金属粉末可以回收再利用，材料利用率高，所设计的粉末回收系统可以有效回收未利用的金属粉末，减少了浪费。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明装置的制造方法流程图。
图3是本发明所述激光扫描轨迹示意图。
图中：1-第一激光器；2-扫描系统；3-第二激光器；4-氧浓度传感器；5-第一送粉缸；6-第一收集粉料缸；7-第三收集粉料缸；8-成型缸；9-第一铺粉辊筒；10-第二铺粉辊筒；11-金属零件；12-第二送粉缸；13-第二收集粉料缸；14-真空泵；15-气体净化装置；16-保护镜；17-计算机；18-工作台面；19-封闭腔；20-进气口；21-出气口。
具体实施方式
如图1所示，一种水泵大型金属零件3D打印装置，包括第一激光器1；扫描系统2、第二激光器3、工作台面18、真空泵14和封闭腔19，所述第一激光器1和所述第二激光器3发射的激光共同通过扫描系统2发出，扫描系统2与所述封闭腔19的上壁面之间设有保护镜16，所述工作台面18上依次设有第一铺粉辊筒9和第二铺粉辊筒10，所述第一铺粉辊筒9和所述第二铺粉辊筒10之间间隔150mm，第一激光器1和第二激光器3发出的激光束的间隔也保持在150m；所述工作台面18下方依次设有第一收集粉料缸6、第一送粉缸5、成型缸8、第二送粉缸12和第二收集粉料缸13，送粉结束后的多余粉末可以由第一收集粉料缸6、第二收集粉料缸13回收；所述工作台面18、所述第一收集粉料缸6、所述第一送粉缸5、所述成型缸8、所述第二送粉缸12和所述第二收集粉料缸13均位于所述封闭腔19内，成型缸8下部安装有第三收集粉料缸7，所述第三收集粉料缸7上设有震动装置，打印完成后通过震动装置实现成型缸内的多余粉末由第三收集粉料缸7回收；所述扫描系统2位于所述封闭腔19上部，所述封闭腔19上开有进气口20和出气口21，出气口21处设有气体净化装置15，用来将保护气体提前净化后排出封闭腔19；所述封闭腔19内还装有氧浓度传感器4，所述真空泵14用来给所述封闭腔19抽真空。所述第一激光器1、所述扫描系统2、所述第二激光器3、所述第一铺粉辊筒9、所述第二铺粉辊筒10、所述第一收集粉料缸6、所述第一送粉缸5、所述成型缸8、所述第二送粉缸12、所述第三收集粉料缸7、所述第二收集粉料缸13、所述真空泵14和所述氧浓度传感器4均与计算机17相连。
结合图2和图3，利用上述3D打印装置进行打印金属零件的方法，包括如下步骤：
A．绘制零件的CAD实体模型，并沿Z向进行分层切片成一系列二维图形，切片层厚度为0.2mm，将得到的数据导入计算机系统中；
B．根据得到的二维图形生成所有切片层的激光扫描路径；
C．打开真空泵14，当封闭腔内气压低于0.1Pa时关闭真空泵14，通过进气口往封闭腔中通保护气体氩气至氧浓度传感器4检测到封闭腔内氧气浓度低于50ppm；
D．第二送粉缸12上升3mm，第一铺粉辊筒9开始向成型缸8上表面铺设金属粉末；第一铺粉辊筒9前进30mm后，由第一激光器1发出的第一道激光由计算机系统控制，按照所得到的扫描路径扫描铺设好的金属粉末；第一铺粉辊筒9前进150mm后第二送粉缸再上升3mm，第二铺粉辊筒10开始铺粉；第二铺粉辊筒10前进30mm后，由第二激光器2发出的第二道激光开始扫描铺设好的金属粉末；当两铺粉辊筒都移动到粉料缸6的右侧时，送粉缸5上升3mm，此时的第二铺粉辊筒10和第一铺粉辊筒9重复上述工作过程。第一激光器1和第二激光器3均采用光纤激光器，功率均为2000w,波长为1065nm， 激光速度10mm/s,扫描宽度为3mm；第一激光器1和第二激光器3射出的两道激光束间隔相差150mm，两道激光束在打印时错开半个扫描宽度，使后一道扫描线恰好落在前一道扫描线的“凹谷”处；
E．判断零件是否打印完成，若未完成，则成型缸8下降0.20mm，并重复步骤D；若打印完成，则成型缸8底部打开，成型缸8中未打印粉末在震动装置的作用下进入第三收集粉料缸7中，停止通氩气，关闭气体净化装置15；
G．取出零件，后期加工。
所提供装置的封闭腔中可以设计多种传感器，用于监视封闭腔的工作环境和工作状态。所述装置中激光系统、铺粉系统和驱动装置均由计算机系统集中控制，只需要建立零件的三维模型，通过计算机集成系统就可以完成零件的制造，真正实现了数字化制造。研究表明通过上述方法打印出的金属零件其致密度能提高近一倍，打印效率也能提高一倍左右。此外，用于打印的金属粉末的利用率高，回收效果理想，有效节约了资源。
Claims (8)
1.一种水泵大型金属零件3D打印装置，其特征在于，包括第一激光器（1）；扫描系统（2）、第二激光器（3）、工作台面（18）、真空泵（14）和封闭腔（19），所述第一激光器（1）和所述第二激光器（3）发射的激光共同通过扫描系统（2）发出，所述工作台面（18）上依次设有第一铺粉辊筒（9）和第二铺粉辊筒（10），所述工作台面（18）下方依次设有第一收集粉料缸（6）、第一送粉缸（5）、成型缸（8）、第二送粉缸（12）和第二收集粉料缸（13），所述工作台面（18）、所述第一收集粉料缸（6）、所述第一送粉缸（5）、所述成型缸（8）、所述第二送粉缸（12）和所述第二收集粉料缸（13）均位于所述封闭腔（19）内，所述扫描系统（2）位于所述封闭腔（19）上部，所述封闭腔（19）上开有进气口（20）和出气口（21），所述封闭腔（19）内还装有氧浓度传感器（4），所述真空泵（14）用来给所述封闭腔（19）抽真空，所述第一铺粉辊筒（9）和所述第二铺粉辊筒（10）之间间隔150-250mm，与第一激光器（1）和第二激光器（3）发出的激光束的间隔保持一致。
2.根据权利要求1所述的一种水泵大型金属零件3D打印装置，其特征在于，所述扫描系统（2）与所述封闭腔（19）的上壁面之间设有保护镜（16）。
3.根据权利要求2所述的一种水泵大型金属零件3D打印装置，其特征在于，所述成型缸（8）下部安装有第三收集粉料缸（7），所述第三收集粉料缸（7）上设有震动装置。
4.根据权利要求3所述的一种水泵大型金属零件3D打印装置，其特征在于，所述第一激光器（1）、所述扫描系统（2）、所述第二激光器（3）、所述第一铺粉辊筒（9）、所述第二铺粉辊筒（10）、所述第一收集粉料缸（6）、所述第一送粉缸（5）、所述成型缸（8）、所述第二送粉缸（12）、所述第三收集粉料缸（7）、所述第二收集粉料缸（13）、所述真空泵（14）和所述氧浓度传感器（4）均与计算机（17）相连。
5.根据权利要求4所述的一种水泵大型金属零件3D打印装置，其特征在于，所述出气口（21）处设有气体净化装置（15）。
6.一种利用权利要求5所述的水泵大型金属零件3D打印装置进行3D打印的方法，包含如下步骤：
A．绘制零件的CAD实体模型，并沿Z向进行分层切片成一系列二维图形，切片层厚度为0.10-0.50mm，将得到的数据导入计算机系统中；
B．计算机根据得到的二维图形生成所有切片层的激光扫描路径；
C．打开真空泵（14），当封闭腔内气压低于0.1Pa时关闭真空泵（14），通过进气口（20）往封闭腔中通保护气体氩气，打开气体净化装置（15）；
D．当氧浓度传感器（4）检测到封闭腔内氧气浓度低于50ppm时，第二送粉缸（12）上升一定高度，此时第一铺粉辊筒（9）和第二铺粉辊筒（10）均位于第二送粉缸（12）左侧，第一铺粉辊筒（9）开始右移向成型缸（8）上表面铺设金属粉末；待第一铺粉辊筒（9）向右前进大于30mm以后，第一道激光束由扫描系统(2)发出，按照计算机设定的扫描路径扫描铺设好的金属粉末；第一铺粉辊筒（9）前进150mm后第二送粉缸（12）继续上升一定高度，第二铺粉辊筒（10）开始右移铺粉；第二铺粉辊筒（10）前进大于30mm后，第二道激光束由扫描系统（2）发出，按照计算机设定的扫描路径扫描铺设好的金属粉末，两台激光器发出的两道激光束在打印时错开半个扫描宽度；当两辊筒都移动到第一收集粉料缸（6）的右侧时，第一送粉缸（5）上升一高度，第二铺粉辊筒（10）和第一铺粉辊筒（9）先后开始向左移重复上述工作过程；所述扫描系统（2）射出的两道激光束间隔相差150-200mm，与所述第一铺粉辊筒（9）和所述第二铺粉辊筒（10）之间间隔对应；
E．判断零件是否打印完成，若未完成，则成型缸（8）下降0.10-0.50mm，并重复步骤D；若打印完成，则成型缸（8）底部打开，成型缸（8）中未打印粉末进入第三收集粉料缸（7）中，停止通氩气，关闭气体净化装置（15）；
F．取出零件，后期加工。
7.根据权利要求6所述的一种水泵大型金属零件3D打印装置进行3D打印的方法，其特征在于，两台激光器功率均为2000w,波长为1065nm， 激光速度5-15mm/s,扫描宽度为2-4mm。
8.根据权利要求6所述的一种水泵大型金属零件3D打印装置进行3D打印的方法，其特征在于，所述第一铺粉辊筒（9）和所述第二铺粉辊筒（10）之间间隔150-250mm，与第一激光器（1）和第二激光器（3）发出的激光束的间隔保持一致，并且第一道激光束与第一铺粉辊筒（9）的距离不小于30mm，第二道激光束与第二铺粉辊筒（10）的距离不小于30mm。
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