CN104476196A

CN104476196A - 激光熔融及激光铣削复合3d打印设备

Info

Publication number: CN104476196A
Application number: CN201410849762.9A
Authority: CN
Inventors: 李军旗; 徐毅; 欧阳渺安; 聂炎; 都述宏
Original assignee: Yuanmeng Precision Technology Shenzhen Institute
Current assignee: Yuanmeng Precision Technology Shenzhen Institute
Priority date: 2014-12-30
Filing date: 2014-12-30
Publication date: 2015-04-01

Abstract

本发明涉及3D打印设备技术领域，公开了激光熔融及激光铣削复合3D打印设备，包括具有加工平台的基座；基座上设有铺粉结构；加工平台的上方设有激光发射结构以及激光铣削头；激光发射结构发射激光束对位于加工平台上的金属粉层进行熔融以形成单层或多层近似形体；激光铣削头发射激光束对形成的单层或多层近似形体进行铣削加工。3D打印设备将传统将以铣削为主的去除式精密加工与以激光束熔融3D打印为主的增量叠层制造工艺集成为一体，克服传统3D打印技术在尺寸和形状精度等方面的缺陷，克服切削加工对零部件复杂程度等方面的制约，不需要对加工后的零件进行二次加工，避免装夹困难、加工误差大、加工时零件出现变形以及难以加工的问题。

Description

激光熔融及激光铣削复合3D打印设备

技术领域

本发明涉及3D打印设备的技术领域，尤其涉及激光熔融及激光铣削复合3D打印设备。

背景技术

金属熔融3D打印技术(Selective Laser Melting，SLM)是利用高亮度激光直接熔化金属粉末材料，无需粘结剂，由3D模型直接成型出与铸件性能相当的任意复杂结构零件。

金属熔融3D打印技术虽然可以成型出达到铸造强度级别的零件，但是成型出的零件的形状误差大、表面光洁度不高，这样，成型后的零件则需要采用传统的机械加工方式对此进行二次加工，才能得到航空制造工业所要求的形状及表面精度。而航空航天行业大部分零件，如发动机喷嘴、叶片、蜂窝结构的燃烧室等，一般是复杂薄壁或点阵夹芯结构，或是尺寸较大的形状，或是自由曲面等形状，当采用金属熔融3D打印技术加工出来的零件，再放入机床进行二次加工时，则存在以下问题：

1)、装夹困难，或装夹后，由于坐标变换无法精确定位零件参考点，导致加工误差大；

2)、对于薄壁结构的零件，加工时，由于无支撑零件的面，导致零件应力变形；

3)、部分零件由于内部结构复杂，刀具无法伸入其内部，导致难以加工。

由于上述问题的存在，导致目前金属熔融3D打印技术虽然已经应用到飞机零件的生产制造中，但应用面较窄，仅应用于一些对精度、强度要求不高的零件，或者形状较简单及容易二次机械加工的零件的加工上，距离广泛应用还存在较大差距。

发明内容

本发明的目的在于提供激光熔融及激光铣削复合3D打印设备，旨在解决现有技术中，采用金属熔融3D打印技术加工的零件在机床进行二次加工，存在装夹困难、加工误差大、零件易变性及难以加工的问题。

本发明是这样实现的，激光熔融及激光铣削复合3D打印设备，包括基座，所述基座上设有沿竖向移动的加工平台；所述基座上设有用于将金属粉铺设在所述加工平台形成金属粉层的铺粉结构，所述铺粉结构位于所述加工平台的前端；所述加工平台的上方分别设有激光发射结构以及可在立体空间移动的激光铣削头；所述激光发射结构发射激光束对位于所述加工平台上的金属粉层进行熔融加工以形成单层或多层近似形体；所述激光铣削头发射激光束对形成在所述加工平台上的单层或多层近似形体进行铣削加工。

进一步地，所述基座上设有两个相间隔并排布置的导轨，所述加工平台位于两所述导轨之间；所述铺粉结构包括刮刀以及储粉箱，所述刮刀的两端分别活动连接于两所述导轨，所述刮刀的下端与所述加工平台之间具有间隙；所述储粉箱具有上端开口且用于装置金属粉的储粉腔，所述基座中设有与所述储粉腔的上端开口对齐的通孔；所述储粉箱的储粉腔中设有竖向移动且用于将金属粉运送至所述基座上的运粉台，所述运粉台分别与所述储粉腔的上端开口及通孔对齐布置。

进一步地，所述加工平台的两侧分别设有用于检测铺设在所述加工平台上的金属粉层厚度的传感器。

进一步地，所述激光发射结构包括发射激光束的激光发生器以及多个转动布置且用于对激光束进行反射的偏振镜，多个所述偏振镜相间隔布置在激光束的传输路线上。

进一步地，所述激光发射结构包括容置盒，多个所述偏振镜置于所述容置盒中，且所述容置盒的下端具有出射口，经所述偏振镜反射后的激光束从所述出射口射出。

进一步地，于所述激光发生器与容置盒之间设有准直扩束镜，由所述激光发生器射出的激光束通过所述准直扩束镜扩束后，进入所述容置盒中。

进一步地，两个所述导轨上活动连接有门架，所述门架包括两个相间隔布置的连接臂以及横梁，两个所述连接臂的下端分别活动连接在两个所述导轨上，所述横梁的两端分别连接在两个所述连接臂的上端；所述横梁上活动连接有横梁移动的移动端子，所述移动端子上活动连接有相对于所述移动端子上下移动的连接板，所述激光铣削头连接于所述连接板上。

进一步地，所述激光铣削头内设有供冷却水流通的冷却管路。

进一步地，所述激光熔融及激光铣削复合3D打印设备还包括回收箱，所述回收箱中具有用于装置回收所述基座上金属粉的回收腔，所述回收箱位于所述基座的下方，所述基座中设有连通所述回收腔的回收口。

进一步地，沿所述刮刀铺粉时的移动方向，所述回收口位于所述加工平台的后端。

与现有技术相比，本发明提供的激光熔融及激光铣削复合3D打印设备加工零件，利用激光发射结构发射的激光束逐层熔融金属粉层后，利用激光铣削头发出的激光束对单层或多层近似形体进行铣削加工，循环重复直至零件加工完毕，该3D打印设备将传统的以铣削为主的去除式精密加工与以激光束熔融3D打印为主的增量叠层制造工艺集成为一体，既能克服传统3D打印技术在尺寸和形状精度等方面的缺陷，也可以克服切削加工对零部件复杂程度等方面的制约，这样，则不需要对加工后的零件进行二次加工，避免现时装夹困难、加工误差大、加工时零件出现变形以及难以加工的问题，为3D打印技术开辟更加广阔的应用空间，为航空航天产业核心精密零部件的生产制造提供新的方法和手段；另外，采用激光束对单层或多层近似形体进行铣削加工，属于非接触式铣削加工，避免传统式刀具直接与单层或多层近似形体直接接触加工存在的缺陷，大大提高铣削加工的精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的激光熔融及激光铣削复合3D打印设备的立体示意图；

图2是本发明实施例提供的激光铣削头的立体示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

如图1～2所示，为本发明提供的较佳实施例。

本发明提供的3D打印设备1，复合了激光铣削加工及激光熔融，其可以用于成型各种零件，如航空制造工业所需的零件等。

激光熔融及激光铣削复合3D打印设备1包括基座100、铺粉结构、激光发射结构101以及激光铣削头114，其中，基座100作为整个3D打印设备1的基础，起到承载作用，基座100上设有沿竖直方向移动的加工平台109，金属粉被铺设在该加工平台109上；铺粉结构设置在基座100上，其位于加工平台109的前端，铺粉结构用于将金属粉等输送到加工平台109上，且金属粉在加工平台109上形成金属粉层；激光发射结构101位于加工平台109的上方，其发射可以在水平面移动的激光束，且该激光束用于对形成在加工平台109上的金属粉层进行熔融加工以形成单层或多层近似形体；激光铣削头114位于加工平台109的上方，其可以在空间中立体移动，该激光铣削头114可以发射激光束对加工平台109上熔融成型的单层或多层近似形体进行铣削加工。

参照图1所示，设定平行于加工平台109的XY平面为水平面，Z方向则为竖直方向，垂直于水平面的平面为竖直平面，这样，加工平台109可以在沿Z方向上下移动，激光发射结构101发射的激光束在XY平面移动，而激光铣削头114可以在X、Y、Z方向移动。

在上述的激光熔融及激光铣削复合3D打印设备1中，采用激光发射结构101发射激光束熔融金属粉层进行3D打印，利用激光铣削头114发射的激光束对激光发射结构101每次加工的单层或多层近似形体进行铣削加工，融合3D打印技术及铣削加工为一体。

在实际加工过程中，其具体操作过程如下：

1)、铺粉结构将金属粉输送至加工平台109上，并铺设在加工平台109上，形成金属粉层；按照3D打印技术，激光发射结构101对加工平台109上的金属粉层激光熔融加工，逐行逐层堆积形成单层或多层的近似形体；

2)、利用激光铣削头114发射的激光束对加工平台109上形成的单层或多层的近似形体构件进行铣削，以达到构件所需的尺寸及表面精度；

3)、重复循环上述步骤1)及步骤2)，一直到最后零件的形状加工完毕。

每次完成上述步骤1)及2)，加工平台109则会向下移动一定距离，以保证重新布置在加工平台109上的金属粉层与激光发射结构101发射的激光束的焦点之间的距离保持不变。在步骤1)中，利用激光发射结构101发出的激光束在水平面移动，在加工平台109上的金属粉层中成型单层或多层近似形体；在步骤2)中，利用激光铣削头114发射的激光束在立体空间移动，可以对各种类型的单层或多层近似形体全方位进行铣削。

利用本实施例提供的激光熔融及激光铣削复合3D打印设备1加工零件，利用激光束逐层熔融金属粉层后，利用激光铣削头114发射的激光束对单层或多层近似形体进行铣削加工，循环重复直至零件加工完毕，该3D打印设备将传统的以激光铣削为主的去除式精密加工与以激光束熔融3D打印为主的增量叠层制造工艺集成为一体，既能克服传统3D打印技术在尺寸和形状精度等方面的缺陷，也可以克服切削加工对零部件复杂程度等方面的制约，这样，则不需要对加工后的零件进行二次加工，避免现时装夹困难、加工误差大、加工时零件出现变形以及难以加工的问题，为3D打印技术开辟更加广阔的应用空间，为航空航天产业核心精密零部件的生产制造提供新的方法和手段。

另外，采用激光铣削头114发射的激光束对单层或多层近似形体进行铣削加工，属于非接触式铣削加工，避免传统式刀具直接与单层或多层近似形体直接接触加工存在的缺陷，大大提高铣削加工的精度。

本实施例中，在基座100上设有两排相间隔并行布置的导轨105，该两个导轨105布置在加工平台109的两侧；铺粉结构包括刮刀104以及储粉箱103，刮刀104的两端分别活动连接在两个导轨105上，这样，刮刀104则可以沿着导轨105在水平面上移动，且刮刀104的下端面与加工平台109之间具有间隙；储粉箱103具有上端开口的储粉腔，储粉箱103的储粉腔用于存储金属粉，该储粉箱103位于基座100的下方，且在基座100中，设有连通该储粉箱103上端开口的通孔，也就是说，通孔与储粉箱103的上端开口对齐，当然，该通孔也位于两个导轨105之间。

在储粉箱103中还设有可以上下移动的运粉台，该运粉台与储粉箱103的上端开口及基座100中的通孔分别对齐布置，这样，当刮刀104需要在加工平台109上铺设金属粉层时，运粉台上运载着金属粉，并向上移动，分别穿过储粉箱103的上端开口及基座100的通孔，直至金属粉显露在基座100上，这样，利用刮刀104则可以将金属粉刮至加工平台109上，形成金属粉层，当然，每次形成在加工平台109上的金属粉层的厚度，与刮刀104下端与加工平台109的间隙一致。

这样，根据实际加工需要，则可以选择每次铺设在加工平台109上的金属粉层的厚度，只需要调整刮刀104，调节刮刀104下端与加工平台109之间的间隙则可。

为了对铺设在加工平台109上的金属粉层的厚度进行检测，本实施例中，在加工平台109的两侧分别设有传感器107，该传感器107用于对铺设在加工平台109上的金属粉层的厚度进行检测，传感器107检测的信息通过反馈给控制中心，进而由控制中心对加工平台109与刮刀104之间的间隙进行调节。

具体地，为了更加准确的检测金属粉层的厚度，本实施例，在加工平台109的两侧，沿着加工平台109的侧边延伸，分别布置有多个上述的传感器107。

激光发射结构101包括激光发生器1011、准直扩束镜1013以及多个转动布置的偏振镜1012，其中，激光发生器1011用于产生激光束，激光发生器1011发出的激光束，通过准直扩束镜1013进行扩束，扩束后的激光束通过多个偏振镜1012的发射，且通过对多个偏振镜1012的转动调节，可以改变激光束的传输路径，实现激光束在水平面的移动，根据需要加工近似形体构件的形状要求，对应地调节多个偏振镜1012的转动角度。

偏振镜1012相间隔布置在激光束的传输路线上，用于对激光束进行反射，从而达到改变激光束传输方向的目的，使得激光束垂直射至加工平台109上。本实施例中，多个偏振镜1012设置在容置盒1014中，通过准直扩束镜1013的激光束进入容置盒1014中，通过多个偏振镜1012的反射，射至加工平台109的金属粉层上。

容置盒1014的下端设有出射口，在容置盒1014中通过偏振镜1012反射的激光束，通过容置盒1014的出射口发射出来；在容置盒1014的出射口中设有聚焦镜，利用该聚焦镜对激光束进行聚焦。这样，上述的准直扩束镜1013则位于激光发生器1011及容置盒1014之间，经过准直扩束镜1013扩束后的激光束进入容置盒1014中，由多个偏振镜1012进行反射处理，进而通过容置盒1014的出射口射出。

本实施例中，为了实现对多个偏振镜1012的自动控制，激光发射结构101还包括偏振控制器，该偏振控制器用于控制多个偏振镜1012的转动调节，当然，根据加工的需要，可以内嵌控制程序等，根据不同的加工，偏振控制器则对多个偏振镜1012进行不同的转动调节。

为了实现加工平台109上上下移动，上述的加工平台109下方连接有升降马达111，利用该升降马达111的动力驱动，驱动加工平台109的上下移动，当每次铺粉结构在加工平台109上铺设一层金属粉层后，升降平台则控制加工平台109下降固定距离，从而保证激光束焦点落在金属粉层上的距离不变。

本实施例中，在两个导轨105上设有门架106，该门架106包括两相间隔布置的连接臂1062以及横梁1061，两连接臂1062的下端分别活动连接在两导轨105上，且可以沿着导轨105移动，横梁1061连接在两连接臂1062的上端，这样，横梁1061则呈横跨状布置在两个导轨105之间。在横梁1061上活动连接有移动端子112，该移动端子112可以沿着横梁1061移动。

在上述的移动端子上还活动连接有连接板113，该连接板113可以相对移动端子上下移动，也就是沿着竖向移动，沿着Z方向移动。激光铣削头114连接在该连接板113上，这样，当连接板113在竖向移动时，激光铣削头114也随之在竖向移动。

在上述的结构中，横梁1061可以沿着两个导轨105移动，也就是沿着Y方向移动，移动端子112可以沿着横梁1061移动，也就是沿着X方向移动，连接板113相对于连接板113上下移动，也就是沿Z方向移动，这样，激光铣削头114则可以在立体空间移动。

另外，激光铣削头114内设有冷却管路115，该冷却管路115中供冷却水连通，这样，通过在冷却管路115内流通冷却水，则可以利用冷却水的流动，带走激光铣削头114中个构件工作过程中产生的热量，起到散热的效果，保证激光铣削头114较佳的工作效率及性能。

本实施例中，激光熔融及激光铣削复合3D打印设备1还包括金属粉回收结构，该金属粉回收结构用于将基座100上加工剩余的金属粉进行回收，这样，则有利于金属粉的循环利用。

具体地，金属粉回收结构包括回收箱110，该回收箱110中设有用于容置回收的金属粉的回收腔，回收箱110位于基座100的下方，在基座100中设有回收口，该回收口连通回收箱110的回收腔，这样，基座100上加工剩余的金属粉则可以通过回收口进入回收箱110的回收腔中，回收腔内的金属粉，进行残渣滤除，则可以重新循环使用。

本实施例中，回收口布置在加工平台109的侧边，当然，沿着刮刀104铺粉时的移动方向，回收口布置在加工平台109的后端。或者，作为其它实施例，回收口可以布置的加工平台109的两侧。

为了使得激光熔融及激光铣削复合3D打印设备1在加工的过程中，金属粉不会被氧化，从而使得成型的零件的性能较佳，本实施例中，激光熔融及激光铣削复合3D打印设备1还包括加工室，该加工室内具有加工空间，且该加工空间呈真空状态，或者，加工空间内充入惰性气体，上述的基座100布置在加工室的加工空间内，这样，可以减少环境对金属熔融或凝固时的影响，提高金属的机械以及物理性能，为激光熔融3D打印技术开辟更加广阔的应用空间，为高熔点金属的生产制造提供新的方法和手段。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.激光熔融及激光铣削复合3D打印设备，其特征在于，包括基座，所述基座上设有沿竖向移动的加工平台；所述基座上设有用于将金属粉铺设在所述加工平台形成金属粉层的铺粉结构，所述铺粉结构位于所述加工平台的前端；所述加工平台的上方分别设有激光发射结构以及可在立体空间移动的激光铣削头；所述激光发射结构发射激光束对位于所述加工平台上的金属粉层进行熔融加工以形成单层或多层近似形体；所述激光铣削头发射激光束对形成在所述加工平台上的单层或多层近似形体进行铣削加工。

2.如权利要求1所述的激光熔融及激光铣削复合3D打印设备，其特征在于，所述基座上设有两个相间隔并排布置的导轨，所述加工平台位于两所述导轨之间；所述铺粉结构包括刮刀以及储粉箱，所述刮刀的两端分别活动连接于两所述导轨，所述刮刀的下端与所述加工平台之间具有间隙；所述储粉箱具有上端开口且用于装置金属粉的储粉腔，所述基座中设有与所述储粉腔的上端开口对齐的通孔；所述储粉箱的储粉腔中设有竖向移动且用于将金属粉运送至所述基座上的运粉台，所述运粉台分别与所述储粉腔的上端开口及通孔对齐布置。

3.如权利要求1所述的激光熔融及激光铣削复合3D打印设备，其特征在于，所述加工平台的两侧分别设有用于检测铺设在所述加工平台上的金属粉层厚度的传感器。

4.如权利要求1至3任一项所述的激光熔融及激光铣削复合3D打印设备，其特征在于，所述激光发射结构包括发射激光束的激光发生器以及多个转动布置且用于对激光束进行反射的偏振镜，多个所述偏振镜相间隔布置在激光束的传输路线上。

5.如权利要求4所述的激光熔融及激光铣削复合3D打印设备，其特征在于，所述激光发射结构包括容置盒，多个所述偏振镜置于所述容置盒中，且所述容置盒的下端具有出射口，经所述偏振镜反射后的激光束从所述出射口射出。

6.如权利要求5所述的激光熔融及激光铣削复合3D打印设备，其特征在于，于所述激光发生器与容置盒之间设有准直扩束镜，由所述激光发生器射出的激光束通过所述准直扩束镜扩束后，进入所述容置盒中。

7.如权利要求1至3任一项所述的激光熔融及激光铣削复合3D打印设备，其特征在于，两个所述导轨上活动连接有门架，所述门架包括两个相间隔布置的连接臂以及横梁，两个所述连接臂的下端分别活动连接在两个所述导轨上，所述横梁的两端分别连接在两个所述连接臂的上端；所述横梁上活动连接有横梁移动的移动端子，所述移动端子上活动连接有相对于所述移动端子上下移动的连接板，所述激光铣削头连接于所述连接板上。

8.如权利要求1至3任一项所述的激光熔融及激光铣削复合3D打印设备，其特征在于，所述激光铣削头内设有供冷却水流通的冷却管路。

9.如权利要求1至3任一项所述的激光熔融及激光铣削复合3D打印设备，其特征在于，所述激光熔融及激光铣削复合3D打印设备还包括回收箱，所述回收箱中具有用于装置回收所述基座上金属粉的回收腔，所述回收箱位于所述基座的下方，所述基座中设有连通所述回收腔的回收口。

10.如权利要求9所述的激光熔融及激光铣削复合3D打印设备，其特征在于，沿所述刮刀铺粉时的移动方向，所述回收口位于所述加工平台的后端。