CN104550952A

CN104550952A - 一种激光快速打印水泵壳体的装置及方法

Info

Publication number: CN104550952A
Application number: CN201410788436.1A
Authority: CN
Inventors: 任旭东; 随赛; 袁寿其; 佟艳群; 刘厚林; 王勇; 左成亚; 吴坤; 卢加兴; 王德顺
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2015-04-29

Abstract

本发明涉及一种激光快速成型水泵壳体的装置和方法，包括中央控制处理器，二氧化碳激光器，光学扫描系统，成型零件，温度探测器，金属粉末，粉末缸A，成型缸，粉末缸B，铺粉滚轮和工作台。利用铺粉滚筒在两个粉末缸的出粉处不断运动铺粉，并结合从光学扫描系统中发出的呈一定规律的激光扫描，最终形成满足特定形状的水泵壳体，本发明有效解决了水泵壳体因传统制造方法而产生的裂纹、应力集中等严重影响水泵质量性能的问题，在大幅度提高水泵生产制造效率的同时，提高了水泵壳体组织的致密性和均匀性，改善了水泵壳体的综合性能指标。

Description

一种激光快速打印水泵壳体的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种应用选择性激光烧结技术快速打印水泵壳体的装置和方法，尤其适用于水泵的新品开发和单件零件生产。

背景技术

随着科技进步和全球市场一体化的形成, 制造工业已经从单品种、大批量、长周期向品种多、批量小、周期短的方向发展。为此, 快速响应市场需求,已成为制造业发展的重要走向。近年来, 工业化国家一直在不遗余力地开发先进的制造技术以提高制造工业的发展水平。随着计算机、微电子、信息化、自动化、新材料和现代化企业管理技术的发展,产生了一批新的制造技术和制造模式, 制造工程与科学取得了前所未有的成就。本世纪60 年代发展起来的快速成型(Rapid Prototyping , RP) 技术, 就是在这种背景下产生的。而选择性激光烧结技术（Selective Laser Sintering, SLS）是快速成型技术中发展最成熟、应用最广泛的成型技术，它能在很短的时间内直接制造产品样品, 无需传统的机械加工设备和工艺, 从而显著地缩短了产品投放市场的周期, 增强了企业的竞争能力。

选择性激光烧结技术（SLS ）是采用激光有选择地分层烧结固体粉末,并使烧结成形的固化层,层层叠加生成所需形状的零件。首先由CAD 产生零件模型,并用分层切片软件对其进行处理,获得各截面形状的信息参数,作为激光束进行二维扫描的轨迹,由激光发出的光束在计算机的控制下,根据几何形体各层截面的坐标数据有选择地对材料粉末层进行扫描,在激光辐照的位置上粉末烧结在一起,一层烧结完成后,再铺粉进行下一层扫描烧结,新的一层和前一层自然地烧结在一起,最终生成三维形状的零件。目前选择性激光烧结技术在实际生产中的应用，主要是以烧结聚碳酸酯粉、尼龙粉、蜡粉等高分子聚合物粉末来成型零件，而在利用激光烧结技术来直接打印金属零件方面的研究和应用并不多。

发明内容

本发明的目的旨在解决水泵壳体因传统制造方法而产生的裂纹、形状精度低和应力集中等严重困扰水泵综合性能的问题，提供了一种利用选择性激光烧结技术快速成型水泵壳体的装置和方法。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种激光快速成型水泵壳体的装置，包括中央控制处理器、二氧化碳激光器、光学扫描系统、温度探测器和工作台，所述工作台的台面下安装有成型缸、粉末缸A和粉末缸B，所述粉末缸A和粉末缸B位于所述成型缸的两侧，所述工作台的台面上还安装有铺粉滚轮，所述温度探测器、所述二氧化碳激光器、所述光学扫描系统、所述温度探测器、所述成型缸、所述粉末缸A、所述粉末缸B和所述铺粉滚轮分别于所述中央控制处理器连接。

本发明还提供了一种激光快速成型水泵壳体的方法，其具体步骤如下：

第一步：首先由中央控制处理器对零件模型进行分层切片处理,并获得各截面形状的信息参数,作为光学扫描系统进行二维扫描的轨迹。

第二步：粉末缸A内的活塞在中央控制处理器的控制下开始上升，将缸A内的金属粉末推出缸外，同时铺粉滚轮在中央控制处理器的控制下也开始启动，由粉末缸A运动到粉末缸B，将金属粉末铺匀在成型缸内，完成初层的铺粉工作；随后，中央控制处理器控制粉末缸B内的活塞上升，将缸B内的金属粉末推出缸外，以待下次铺粉工作的进行。

第三步：中央控制处理器控制二氧化碳激光器发出激光束，经由光学扫描系统的调节与转换，照射到成型缸工作表面。由中央控制处理器控制的光学扫描系统根据几何形体各层截面的坐标数据和形状参数有选择地对金属材料粉末层进行扫描,在激光束辐照的位置上粉末烧结在一起,一层烧结完成后,成型缸在中央控制处理器的控制下，下移一定距离（待成型零件的切片厚度），然后铺粉滚轮再进行铺粉，光学扫描系统开始下一层扫描烧结,新的一层和前一层自然地烧结在一起,如此反复，最终生成三维水泵壳体零件。

上述方案中，所述第四步中，在选择性激光烧结成型水泵壳体部件的过程中，温度检测仪在中央控制处理器的控制下，对成型界面的温度进行检测并反馈给中央控制处理器，以便使中央控制处理器根据实际所采用金属粉末的特性来合理选择激光参数。

上述方案中，烧结完成的水泵壳体零件还需要进行渗金属、高温渗环氧树脂和静电镀镍后工艺处理

上述方案中，用于选择性激光烧结的二氧化碳激光器的工艺参数为：激光的功率密度为10⁵~10⁶W/cm²，激光束的使用功率为200~1000W，激光束光斑尺寸为2mm×1mm，激光脉宽为5ns~20ns，扫描速度为1~5mm/s。

本发明的创新之处就在于充分利用了选择性激光烧结技术在成型薄壁、中空等形状复杂零件方面的优势，来快速成型因传统铸造方法造型、脱模困难而难以成型的水泵壳体部件，有效解决了水泵壳体因传统制造方法而产生的裂纹、应力集中等严重影响水泵质量性能的问题，降低了零件内的残余拉应力水平，在大幅度提高水泵生产制造效率的同时，提高了水泵壳体组织的致密性和均匀性，改善了水泵壳体的综合性能指标。

本发明的具体优点如下所述：(1) 制造速度快、成本低, 节省时间和节约成本,为传统制造方法注入新的活力。(2) 采用非接触加工的方式,没有传统加工的残余应力问题,没有工具更换和磨损之类的问题,无切割、噪音和振动等,有利于环保。(3) 生产周期短,可实现快速铸造、快速模具制造,特别适合于新品开发和单件零件生产。(4) 具有高度的柔性,在计算机的控制下可方便迅速地制作出传统加工方法难以实现的复杂形状的零件,例如具有复杂凹凸部分及中空的零件。(5) 技术高度集成,综合集成了计算机技术、数控技术、激光技术和材料技术。

附图说明

图1 利用选择性激光烧结技术快速成型水泵壳体部件示意图。

图2 实施例中打印的水泵壳体结构示意图。

图中，1、中央控制处理器 2、二氧化碳激光器 3、光学扫描系统 4、成型零件 41、水泵进水口 42、泵体 43、水泵出水口 5、温度探测器 6、金属粉末 7、粉末缸A 8、成型缸 9、粉末缸B 10、铺粉滚轮 11、工作台。

具体实施方式

下面结合附图对本装置作进一步详细说明

如图1所示，一种激光快速成型水泵壳体的装置，包括中央控制处理器1，二氧化碳激光器2，光学扫描系统3，成型零件4，温度探测器5，金属粉末6，粉末缸A 7，成型缸8，粉末缸B 9，铺粉滚轮10，工作台11。

利用上述的激光快速成型水泵壳体的装置进行成型打印的方法，首先由中央控制处理器1对零件模型进行分层切片处理,并获得各截面形状的信息参数,作为光学扫描系统3进行二维扫描的轨迹。然后中央控制处理器1控制粉末缸A7内的活塞开始上升，将粉末缸A7内的金属粉末推出缸外，同时铺粉滚轮10也开始启动，由粉末缸A7运动到粉末缸B9，将金属粉末铺匀在成型缸8内，完成初层的铺粉工作；随后，粉末缸B9内的活塞上升，将粉末缸B9内的金属粉末推出缸外，以待下次铺粉工作的进行。二氧化碳激光器2发出激光束，经由光学扫描系统3的调节与转换，照射到成型缸工作表面。随后光学扫描系统3根据几何形体各层截面的坐标数据和形状参数有选择地对金属材料粉末层进行扫描,同时温度检测仪5在中央控制处理器1的控制下，对成型界面的温度进行检测并反馈给中央控制处理器1，以便使中央控制处理器1根据实际所采用金属粉末的特性来合理选择激光参数。在激光束辐照的位置上粉末烧结在一起,一层烧结完成后,成型缸8下移一定距离（下移距离为待成型零件的切片厚度），然后铺粉滚轮10再进行铺粉，光学扫描系统3开始进行下一层扫描烧结,新的一层和前一层自然地烧结在一起,如此反复，最终生成三维水泵壳体零件。

实施例一

金属粉末采用316L不锈钢粉末，粉末尺寸为200~400目，打开二氧化碳激光器和光学扫描系统，调节激光功率为500W, 扫描速度为3mm/s, 激光光斑尺寸为2mm×1mm；成形所用基体材料为45^#钢，厚度为10mm，表面涂上一层增强基体吸光的涂层，中央控制处理器已获得对三维水泵壳体部件进行分层切片处理的各截面形状的信息参数，各截面层厚0.5mm,粉末缸A中的活塞上移0.8mm，铺粉滚轮在中央控制处理器的控制下开始工作，由粉末缸A向粉末缸B运动，将316L金属粉末均匀地铺在加工平面上，当铺粉滚轮运动到粉末缸B的后端时，粉末缸B的活塞上移0.8mm，中央控制处理器调节扫描器的角度，使得激光束依据各截面形状的信息参数在加工平面上进行扫描，同时温度检测器也开始收集温度数据并反馈到中央控制处理器，以便中央控制处理器适时地调节加工参数，使金属粉末在合适的温度下均匀地烧结成0.5mm的片层，待第一层的水泵壳体截面片层烧结完成，成型缸的活塞下移0.5mm，铺粉滚轮再次将粉末铺平后，激光束依照零件片层的第二层信息参数加工；激光扫过之后，所形成的第二个片层也烧结在第一层上，如此反复，一个三维水泵的水泵进水口 42、泵体 43和水泵出水口就同时被叠加制造出来了。选择性激光烧结完成后，取出成型件，经检测发现，成型的水泵壳体表面无裂纹、气孔等缺陷，且其表面压应力值远大于拉应力，可作为原型件或功能件使用。

Claims

1.一种激光快速成型水泵壳体的装置，其特征在于，包括中央控制处理器（1）、二氧化碳激光器（2）、光学扫描系统（3）、温度探测器（5）和工作台（11），所述工作台（11）的台面下安装有成型缸（8）、粉末缸A（7）和粉末缸B（9），所述粉末缸A（7）和粉末缸B（9）位于所述成型缸（8）的两侧，所述工作台（11）的台面上还安装有铺粉滚轮（10），所述温度探测器（5）、所述二氧化碳激光器（2）、所述光学扫描系统（3）、所述温度探测器（5）、所述成型缸（8）、所述粉末缸A（7）、所述粉末缸B（9）和所述铺粉滚轮（10）分别于所述中央控制处理器（1）连接。

2.一种激光快速成型水泵壳体的方法，其具体步骤如下：

第一步：首先由中央控制处理器（1）对零件模型进行分层切片处理,并获得各截面形状的信息参数,作为光学扫描系统（3）进行二维扫描的轨迹；

第二步：粉末缸A（7）内的活塞在中央控制处理器（1）的控制下开始上升，将缸A（7）内的金属粉末（6）推出缸外，同时铺粉滚轮（10）在中央控制处理器（1）的控制下也开始启动，由粉末缸A（7）运动到粉末缸B（9），将金属粉末（6）铺匀在成型缸（8）内，完成初层的铺粉工作；随后，中央控制处理器（1）控制粉末缸B（9）内的活塞上升，将缸B（9）内的金属粉末（6）推出缸外，以待下次铺粉工作的进行；

第三步：中央控制处理器（1）控制二氧化碳激光器（2）发出激光束，经由光学扫描系统（3）的调节与转换，照射到成型缸（8）工作表面；

由中央控制处理器（1）控制的光学扫描系统（3）根据几何形体各层截面的坐标数据和形状参数有选择地对金属材料粉末层进行扫描,在激光束辐照的位置上粉末烧结在一起,一层烧结完成后,成型缸（8）在中央控制处理器（1）的控制下，下移一定距离（待成型零件的切片厚度），然后铺粉滚轮（10）再进行铺粉，光学扫描系统（3）开始下一层扫描烧结,新的一层和前一层自然地烧结在一起,如此反复，最终生成三维水泵壳体零件（4）。

3.根据权利要求2所述的一种激光快速成型水泵壳体的方法，其特征在于，所述第四步中，在选择性激光烧结成型水泵壳体部件的过程中，温度检测仪（5）在中央控制处理器（1）的控制下，对成型界面的温度进行检测并反馈给中央控制处理器（1），以便使中央控制处理器(1)根据实际所采用金属粉末(6)的特性来合理选择激光参数。

4.根据权利要求2或3所述的一种激光快速成型水泵壳体的方法，其特征在于，烧结完成的水泵壳体零件（4）还需要进行渗金属、高温渗环氧树脂和静电镀镍后工艺处理。

5.根据权利要求4所述的一种激光快速成型水泵壳体的方法，其特征在于，用于选择性激光烧结的二氧化碳激光器(2)的工艺参数为：激光的功率密度为10⁵~10⁶W/cm²，激光束的使用功率为200~1000W，激光束光斑尺寸为2mm×1mm，激光脉宽为5ns~20ns，扫描速度为1~5mm/s。