CN104708003A - 一种皮秒激光器复合加工slm设备及激光快速成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种皮秒激光器复合加工SLM设备，包括用于放置零部件的承载平台，承载平台上设置有密封舱体，密封舱体的上部设置有振镜单元，振镜单元通过光束处理单元与皮秒激光器和普通激光器相连接；本发明还提供了两种利用上述皮秒激光器复合加工SLM设备进行激光快速成型的方法，包括将零件的三维立体模型进行分层切片，对每层的二维模型先进行主体烧结，再进行轮廓烧结。解决了现有技术中存在的SLM设备工作过程复杂，且零件表面处理精度不高，使零件后期的额外处理工作繁琐，且耗费人力的问题。

Description

一种皮秒激光器复合加工SLM设备及激光快速成形方法
技术领域
本发明属于激光快速成形技术领域，具体涉及一种皮秒激光器复合加工SLM设备，本发明还涉及一种激光快速成形方法。
背景技术
选择性激光熔化SLM是激光立体成形的一种方法，是快速成形技术的最新技术手段，SLM设备是激光快速成形设备。但是，现阶段的选择性激光熔化SLM设备均是单激光进行加工烧结，形成的零件需要再次加工才能使其表面光滑，并且整个工作过程复杂，其对零件表面处理的精度不高，使零件后期的表面处理工作也比较繁琐，耗费人力和大量时间。
发明内容
本发明的目的是提供一种皮秒激光器复合加工SLM设备，解决了现有技术中存在的SLM设备工作过程复杂，且零件表面处理精度不高的问题。
本发明的另一目的是提供采用上述设备进行激光快速成形的方法。
本发明的再一目的是提供采用上述设备进行激光快速成形的方法。
本发明所采用的第一种技术方案是，一种皮秒激光器复合加工SLM设备，包括用于放置成形工件的承载平台，承载平台上设置有铺粉系统，承载平台上部连接有密封舱体，密封舱体顶部连接有振镜单元，振镜单元通过光束处理单元分别与皮秒激光器和普通激光器连接，光束处理单元包括与普通激光器、皮秒激光器相对应的角度可调的第一镜片和第二镜片，第一镜片为反射镜或分光镜，第二镜片为反射镜或分光镜。
本发明第一种技术方案的特点还在于，
光束处理单元位于振镜单元与皮秒激光器、普通激光器之间，且光束处理单元与振镜单元之间设置有水平的光轨管。
光束处理单元设置在振镜单元内部。
皮秒激光器和普通激光器均与激光扩束准直镜组连接。
本发明所采用的第二种技术方案是，当第一镜片为反射镜时，一种皮秒激光器复合加工SLM设备的激光快速成形方法，包括以下步骤：
步骤1：根据零件形状在计算机中生成零件的三维立体模型；
步骤2：将步骤1中得到的零件三维立体模型进行分层切片处理，得到零件的二维平面数据，根据零件二维平面数据得到零件每层的主体扫描路径和轮廓扫描路径，并生成相应的加工程序；
步骤3：启动铺粉系统，在承载平台上铺设零件成形粉末；
步骤4：启动普通激光器，使普通激光器的激光束依次经过第二镜片和第一镜片进入振镜单元内，启动加工程序，使从振镜单元出射的激光束从最底一层二维平面开始按照零件主体扫描路径完成零件最底一层主体的烧结；
步骤5：调整第一镜片和第二镜片，使第一镜片和第二镜片与皮秒激光器和普通激光器发出的激光束平行，然后启动皮秒激光器，使皮秒激光器发出的皮秒激光束直接进入振镜单元，从振镜单元出射的激光束对步骤4中得到的零件最底一层主体部分按照零件轮廓扫描路径完成其轮廓的烧结；
步骤6：重复步骤3-5，直至完成整个零件的烧结。
本发明所采用的第三种技术方案是，当第一镜片为分光镜时，一种皮秒激光器复合加工SLM设备的激光快速成形方法，包括以下步骤：
步骤1：根据零件形状在计算机中生成零件的三维立体模型；
步骤2：将步骤1中得到的零件三维立体模型进行分层切片处理，得到零件的二维平面数据，根据零件二维平面数据得到零件每层的主体扫描路径和轮廓扫描路径，并生成相应的加工程序；
步骤3：启动铺粉系统，在承载平台上铺设零件成形粉末；
步骤4：启动普通激光器，使普通激光器的激光束依次经过第二镜片和第一镜片进入振镜单元内，启动加工程序，使从振镜单元出射的激光束从最底一层二维平面开始按照零件主体扫描路径完成零件最底一层主体的烧结；
步骤5：启动皮秒激光器，使皮秒激光器发出的皮秒激光束经过第一镜片进入振镜单元，从振镜单元出射的激光束对步骤4中得到的零件最底一层主体部分按照零件轮廓扫描路径完成其轮廓的烧结；
步骤6：重复步骤3-5，直至完成整个零件的烧结。
本发明第二种技术方案及第三种技术方案的特点还在于，
普通激光器和皮秒激光器均与能够调节激光束的直径和发散角的激光扩束准直镜组连接。
本发明的有益效果是，采用普通激光器和皮秒激光器复合加工，通过光束处理单元完成激光传输，普通激光器的激光束通过角度可调的第一镜片和第二镜片进入振镜单元，并且振镜单元能够实现激光束的偏转，改变光束角度以及光斑大小从而实现图像的扫描过程，并根据零件主体扫描路径进行零件主体的烧结，皮秒激光器的激光束通过角度可调的分光镜或反射镜并经光轨管进入振镜单元，然后根据零件轮廓扫描路径进行零件轮廓的烧结，皮秒激光器能够对零件的轮廓进行精细加工，保证了零件尺寸的精度以及表面光洁度的要求，加工完成的零件表面不需要再进行打磨工作，本发明采用普通激光器和皮秒激光器配合工作，使零件一次成形，减少了工序，并且大大减少了工作量以及工作流程，获得的金属零件表面的粗糙度高达Ra30-50μm。
附图说明
图1是本发明一种皮秒激光器复合加工SLM设备的第一种实施例结构示意图；
图2是本发明一种皮秒激光器复合加工SLM设备的第三种实施例结构示意图。
图中，1.载粉桶，2.密封舱体，3.集粉桶a，4.振镜单元，5.激光扩束准直镜组，6.普通激光器，7.皮秒激光器，8.刮刀，9.集粉桶b，10.电机组，11.工作平台，12.承载平台，13.约束缸，14.第一镜片，15.第二镜片，16.光轨管，17.光束处理单元，18.聚焦镜，19.X轴振镜，20.Y轴振镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种皮秒激光器复合加工SLM设备的实施例一：
一种皮秒激光器复合加工SLM设备，如图1所示，包括工作平台11，工作平台11上设置有电机组10，电机组10上设置有约束缸13，约束缸13用于装成形的零件，约束缸13上连接有放置零件的承载平台12，承载平台12上设置有铺粉系统，铺粉系统包括设置在约束缸13两侧的集粉桶a3和集粉桶b9，铺粉系统还包括设置在承载平台12上的刮刀8和设置在承载平台12上方的载粉桶1，承载平台12上设置有密封舱体2，铺粉系统在密封舱体2内部，密封舱体2的上部设置有振镜单元4，振镜单元4包括X轴振镜19和Y轴振镜20，以及设置在X轴振镜19和Y轴振镜20下方的聚焦镜18，振镜单元4通过两个激光扩束准直镜组5分别与一个皮秒激光器7和一个普通激光器6连接，振镜单元4内还设置有角度可调的第一镜片14和第二镜片15，第一镜片14为反射镜，第二镜片15为分光镜或反射镜，且第一镜片14和第二镜片15分别与皮秒激光器7和普通激光器6相对应。
本发明一种皮秒激光器复合加工SLM设备的实施例二：
在实施例一的基础上，所述第一镜片还可以为分光镜。
本发明一种皮秒激光器复合加工SLM设备的实施例三：
一种皮秒激光器复合加工SLM设备，如图2所示，包括工作平台11，工作平台11上设置有电机组10，电机组10上设置有约束缸13，约束缸13用于装成形的零件，约束缸13上连接有放置零件的承载平台12，承载平台12上设置有铺粉系统，铺粉系统包括设置在约束缸13两侧的集粉桶a3和集粉桶b9，铺粉系统还包括设置在承载平台12上的刮刀8和设置在承载平台12上方的载粉桶1，承载平台12上设置有密封舱体2，铺粉系统在密封舱体2内部，密封舱体2的上部设置有振镜单元4，振镜单元4包括X轴振镜19和Y轴振镜20，以及设置在X轴振镜19和Y轴振镜20下方的聚焦镜18，振镜单元4通过光轨管16与光束处理单元17连接，光束处理单元17通过2个激光扩束准直镜组5分别与一个皮秒激光器7和一个普通激光器6连接，光束处理单元17内还设置有角度可调的第一镜片14和第二镜片15，第一镜片14为反射镜，第二镜片15为分光镜或反射镜，其中第一镜片14和第二镜片15分别与皮秒激光器7与普通激光器6相对应。
本发明一种皮秒激光器复合加工SLM设备的实施例四：
在实施例三的基础上，所述第一镜片还可以为分光镜。
本发明一种皮秒激光器复合加工SLM设备的使用方法是，载粉桶1内装入零件成形粉末，零件成形粉末的颗粒直径为20-50μm，密封舱体2内温度保持在28℃，密封舱体2内的氧气含量为0-0.2％，其余为惰性气体；刮刀8在电机组10的驱动下将载粉桶1中的零件成形粉末刮至承载平台12上，并且将多余的零件成形粉末刮至集粉桶a3或集粉桶b9内；
然后普通激光器6的激光束通过激光扩束准直镜组5，经第二镜片15和第一镜片14的反射进入振镜单元4，激光束经过X轴振镜19和Y轴振镜20的反射穿过聚焦镜18将激光束照射在承载平台12上，并且随着X轴振镜19和Y轴振镜20的偏转，即可实现激光束在承载平台12上的移动，并且根据零件主体的扫描路径完成零件最底一层主体的激光烧结；
当第一镜片14为反射镜时，调整第一镜片14和第二镜片15，使其分别与皮秒激光器7和普通激光器6各自发出的激光束平行，启动皮秒激光器7，皮秒激光器7的激光束通过激光扩束准直镜组5和光轨管16进入振镜单元4，皮秒激光器7的激光束对承载平台12上零件最底一层主体进行轮廓激光烧结，然后刮刀8重复刮粉动作，普通激光器和皮秒激光器交替逐层完成零件主体及轮廓的烧结并且将加工成形的零件放置在约束缸13内。
当第一镜片14为分光镜时，启动皮秒激光器7，皮秒激光器7的激光束通过激光扩束准直镜组5、第一镜片14和光轨管16进入振镜单元4，皮秒激光器7的激光束对承载平台12上零件最底一层主体进行轮廓激光烧结，然后刮刀8重复刮粉动作，普通激光器和皮秒激光器交替逐层完成零件主体及轮廓的烧结并且将加工成形的零件放置在约束缸13内。
本发明一种激光快速成形方法的具体步骤包括：
步骤1，根据零件形状，在计算机中生成零件的三维立体模型CAD数据；
步骤2，将步骤1中得到的三维立体模型数据进行分层切片，并生成一组二维平面模型数据，然后得到每一层二维平面模型的主体扫描路径和轮廓扫描路径，其中轮廓为零件的表面部分，主体为零件除表面以外的部分；
步骤3，启动铺粉系统，通过刮刀8将载粉桶1内的零件成形粉末平铺在承载平台上；
步骤4，启动普通激光器6，使普通激光器6的激光束经过激光扩束准直镜组5，再经第二镜片15进入第一镜片14，第一镜片14为反射镜，第二镜片15为分光镜或反射镜，第一镜片14使激光束进入振镜单元4内，振镜单元4通过X轴振镜19和Y轴振镜20改变激光束的角度，并且实现激光束在承载平台12上的移动，从而使激光束按照零件最底一层未烧结的二维平面模型主体扫描路径移动并进行激光烧结工作，得到已烧结的零件最底一层主体部分；
步骤5，使第一镜片14与第二镜片15分别与皮秒激光器7和普通激光器6各自发出的激光束平行，启动皮秒激光器7，皮秒激光器7的激光束通过激光扩束准直镜组5进入光束处理单元17内，，再经过光轨管16进入振镜单元4内，振镜单元4通过X轴振镜19和Y轴振镜20改变激光束的角度，实现激光束在承载平台12上的移动，使激光束对步骤4中得到的已烧结的零件最底一层主体部分按照其轮廓扫描路径移动进行轮廓激光烧结工作；
步骤6，重复步骤3-5，直至完成零件的整体烧结，得到完整的零件。
本发明另一种激光快速成形方法的具体步骤包括：
步骤1，根据零件形状，在计算机中生成零件的三维立体模型CAD数据；
步骤2，将步骤1中得到的三维立体模型数据进行分层切片，并生成一组二维平面模型数据，然后得到每一层二维平面模型的主体扫描路径和轮廓扫描路径，其中轮廓为零件的表面部分，主体为零件除表面以外的部分；
步骤3，启动铺粉系统，通过刮刀8将载粉桶1内的零件成形粉末平铺在承载平台上；
步骤4，启动普通激光器6，使普通激光器6的激光束经过激光扩束准直镜组5，再经第二镜片15进入第一镜片14，第一镜片14为分光镜，第二镜片15为分光镜或反射镜，第一镜片14使激光束进入振镜单元4内，振镜单元4通过X轴振镜19和Y轴振镜20改变激光束的角度，并且实现激光束在承载平台12上的移动，从而使激光束按照零件最底一层未烧结的二维平面模型主体扫描路径移动并进行激光烧结工作，得到已烧结的零件最底一层主体部分；
步骤5，启动皮秒激光器7，皮秒激光器7的激光束通过激光扩束准直镜组5进入光束处理单元17内，经过第一振镜14后再经过光轨管16进入振镜单元4内，振镜单元4通过X轴振镜19和Y轴振镜20改变激光束的角度，实现激光束在承载平台12上的移动，使激光束对步骤4中得到的已烧结的零件最底一层主体部分按照其轮廓扫描路径移动进行轮廓激光烧结工作；
步骤6，重复步骤3-5，直至完成零件的整体烧结，得到完整的零件。
使用本发明一种皮秒激光器复合加工SLM设备及激光快速成形方法，能够直接加工出终端金属零件产品，不需要后续处理工艺或零件表面处理；能够使金属的致密度达到100％，零件机械性能与锻造工艺相当；并且还可以用于制造复杂形状的工件。

Claims (7)

1.一种皮秒激光器复合加工SLM设备，其特征在于，包括用于放置成形工件的承载平台(12)，承载平台(12)上设置有铺粉系统，承载平台(12)上部连接有密封舱体(2)，密封舱体(2)顶部连接有振镜单元(4)，振镜单元(4)通过光束处理单元(17)分别与皮秒激光器(7)和普通激光器(6)连接，光束处理单元(17)包括与普通激光器(6)、皮秒激光器(7)相对应的角度可调的第一镜片(14)和第二镜片(15)，所述第一镜片(14)为反射镜或分光镜，所述第二镜片(15)为反射镜或分光镜。
2.根据权利要求1所述的一种皮秒激光器复合加工SLM设备，其特征在于，所述光束处理单元(17)位于振镜单元(4)与皮秒激光器(7)、普通激光器(6)之间，且光束处理单元(17)与振镜单元(4)之间设置有水平的光轨管(16)。
3.根据权利要求1所述的一种皮秒激光器复合加工SLM设备，其特征在于，所述光束处理单元(17)设置在振镜单元(4)内部。
4.根据权利要求1所述的任一种皮秒激光器复合加工SLM设备，其特征在于，所述皮秒激光器(7)和普通激光器(6)均与激光扩束准直镜组(5)连接。
5.一种如权利要求1-4所述的任一种皮秒激光器复合加工SLM设备的激光快速成形方法，其特征在于，当第一镜片(14)为反射镜时，包括以下步骤：
步骤1：根据零件形状在计算机中生成零件的三维立体模型；
步骤2：将步骤1中得到的零件三维立体模型进行分层切片处理，得到零件的二维平面数据，根据零件二维平面数据得到零件每层的主体扫描路径和轮廓扫描路径，并生成相应的加工程序；
步骤3：启动铺粉系统，在承载平台(12)上铺设零件成形粉末；
步骤4：启动普通激光器(6)，使普通激光器(6)的激光束依次经过第二镜片(15)和第一镜片(14)进入振镜单元(4)内，启动加工程序，使从振镜单元(4)出射的激光束从最底一层二维平面开始按照零件主体扫描路径完成零件最底一层主体的烧结；
步骤5：调整第一镜片(14)和第二镜片(15)，使第一镜片(14)和第二镜片(15)与皮秒激光器(7)和普通激光器(6)发出的激光束平行，然后启动皮秒激光器(7)，使皮秒激光器(7)发出的皮秒激光束直接进入振镜单元(4)，从振镜单元(4)出射的激光束对步骤4中得到的零件最底一层主体部分按照零件轮廓扫描路径完成其轮廓的烧结；
步骤6：重复步骤3-5，直至完成整个零件的烧结。
6.一种如权利要求1-4所述的任一种皮秒激光器复合加工SLM设备的激光快速成形方法，其特征在于，当第一镜片(14)为分光镜时，包括以下步骤：
步骤1：根据零件形状在计算机中生成零件的三维立体模型；
步骤2：将步骤1中得到的零件三维立体模型进行分层切片处理，得到零件的二维平面数据，根据零件二维平面数据得到零件每层的主体扫描路径和轮廓扫描路径，并生成相应的加工程序；
步骤3：启动铺粉系统，在承载平台(12)上铺设零件成形粉末；
步骤4：启动普通激光器(6)，使普通激光器(6)的激光束依次经过第二镜片(15)和第一镜片(14)进入振镜单元(4)内，启动加工程序，使从振镜单元(4)出射的激光束从最底一层二维平面开始按照零件主体扫描路径完成零件最底一层主体的烧结；
步骤5：启动皮秒激光器(7)，使皮秒激光器(7)发出的皮秒激光束经过第一镜片(14)进入振镜单元(4)，从振镜单元(4)出射的激光束对步骤4中得到的零件最底一层主体部分按照零件轮廓扫描路径完成其轮廓的烧结；
步骤6：重复步骤3-5，直至完成整个零件的烧结。
7.根据权利要求5或6所述的一种皮秒激光器复合加工SLM设备的激光快速成形方法，其特征在于，所述普通激光器(6)和皮秒激光器(7)均与能够调节激光束的直径和发散角的激光扩束准直镜组(5)连接。
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