CN104959605B - 一种制备镁合金人工骨的激光选区熔覆设备 - Google Patents
一种制备镁合金人工骨的激光选区熔覆设备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及激光熔覆技术领域，公开了一种制备镁合金人工骨的激光选区熔覆设备，其包括光纤激光器、振镜系统、气体保护装置和用于承载镁合金粉末的烧结平台，所述光纤激光器与振镜系统相连，所述气体保护装置罩于所述烧结平台上，所述振镜系统位于气体保护装置的上方；所述气体保护装置包括保护壳体，所述保护壳体的下部敞口，与所述烧结平台的上端对应连接，所述保护壳体的上表面设有高透玻璃，所述保护壳体的相对两侧设有进气通道，所述进气通道呈向上倾斜设置，用于从上向下通入保护气体；所述振镜系统包括依次设置的扩束镜、聚焦透镜和振镜。本发明能够防止镁蒸汽污染高透玻璃，保证镁合金人工骨的成形质量。
Description
技术领域
本发明涉及激光熔覆技术领域，特别是涉及一种制备镁合金人工骨的激光选区熔覆设备。
背景技术
近年来，镁合金作为人工骨材料受到了特别的关注和重视，与其他生物材料相比，镁合金具有如下优势：(1)可降解性，镁合金能在体内环境下以腐蚀的方式完全降解。(2)生物相容性，镁是人体含量第四丰富的阳离子，能促进骨细胞的增殖及分化，是人体不可缺少的营养元素。(3)力学相容性，镁合金的弹性模量约为45GPa，接近人体骨的弹性模量，能有效缓解应力遮挡效应；镁合金的密度约为1.79g/cm3，与人骨的密度(1.75g/cm3)较为接近，符合理想人工骨的要求。因而镁合金被誉为新一代的革命性生物医用材料。
激光选区熔覆技术是一种快速成型技术。用激光选区熔覆加工镁合金粉末，可以成型几乎任意几何形状的镁合金部件，特别适合于制备具有复杂内部结构的镁合金零件，因此可准确地设计和优化镁合金人工骨的微孔结构，能调节所制备的人工骨的孔隙率、孔径及孔分布等参数，有效解决了传统工艺中无法实现空间复杂孔道制作的技术难题。
但由于镁的化学性质极为活泼，可以和空气中的氧气、氮气等气体发生反应，因此镁合金对熔覆氛围要求极为苛刻。并且烧结过程中有可能局部过热而使部分镁气化，镁蒸气在热对流的作用下可能附着于气体保护装置顶部的高透玻璃表面，影响激光的透过率。而且镁合金粉末是由大量微米级颗粒组成的一种分散体系，其中的颗粒彼此分离，颗粒之间存在着小的间隙，容易影响熔覆成型的零件致密度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何防止镁蒸汽污染高透玻璃，并减小镁粉颗粒之间的孔隙，保证零件致密度。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种制备镁合金人工骨的激光选区熔覆设备，其包括光纤激光器、振镜系统、气体保护装置和用于承载镁合金粉末的烧结平台，所述光纤激光器与所述振镜系统相连，所述气体保护装置罩于所述烧结平台上，所述振镜系统位于所述气体保护装置的上方；所述气体保护装置包括保护壳体，所述保护壳体的下部敞口，与所述烧结平台的上端对应连接，所述保护壳体的上表面设有高透玻璃，所述保护壳体的相对两侧设有进气通道，所述进气通道呈向上倾斜设置，用于从上向下通入保护气体；所述振镜系统包括依次设置的扩束镜、聚焦透镜和振镜，所述光纤激光器发出的激光光束依次通过所述扩束镜、聚焦透镜和振镜后，反射穿过所述高透玻璃作用在所述烧结平台上。
其中，所述进气通道与所述保护壳体在水平方向的连接角度为钝角。
其中，所述进气通道的横截面沿其轴线从上向下逐渐增大。
其中，所述进气通道与所述保护壳体的连接处设有滤网。
其中，所述振镜连接到外部控制器，通过外部控制器控制所述振镜的转动角度。
其中，所述振镜系统通过支架设于所述气体保护装置的上方。
其中，所述烧结平台上依次设有送粉缸、成形缸和余量缸，所述送粉缸和成形缸中设有可上下调节的托板，所述烧结平台中位于所述托板的上方设有滚筒。
其中，所述支架设有透光孔，所述透光孔正对所述成形缸所在的区域。
其中，所述光纤激光器发出的激光平行进入所述振镜系统，所述高透玻璃水平设于所述保护壳体的上表面。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的一种制备镁合金人工骨的激光选区熔覆设备，采用激光依次经过扩束镜、聚焦透镜和振镜，能够减少振镜的偏转对激光焦点的影响；将进气通道设置呈向上倾斜，保护气体从进气通道的上部流入可以形成从上至下的气流，从而防止镁蒸气污染高透玻璃。
附图说明
图1为本发明一种制备镁合金人工骨的激光选区熔覆设备的整体结构示意图；
图2为图1的另一个角度的示意图；
图3为本发明中的气体保护装置的结构示意图；
图4为图3中的进气通道拆开后的示意图；
图5为本发明的振镜系统的内部示意图；
图6为本发明的烧结平台的立体示意图；
图7为本发明的烧结平台的纵剖图。
图中：1：光纤激光器；2：气体保护装置；2-1：进气通道；2-2：高透玻璃；2-3：滤网；2-4：保护壳体；3：振镜系统；3-1：扩束镜；3-2：聚焦透镜；3-3：振镜；4：支架；4-1：透光孔；5：烧结平台；5-1：托板；5-2：送粉缸；5-3：成形缸；5-4：余量缸；5-5：滚筒。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1-3所示，为本发明提供的一种制备镁合金人工骨的激光选区熔覆设备，其包括光纤激光器1、振镜系统3、气体保护装置2和用于承载镁合金粉末的烧结平台5，所述光纤激光器1与所述振镜系统3相连，具体可以通过光缆连接，用于为所述振镜系统3提供激光，所述气体保护装置2罩于所述烧结平台5上，所述振镜系统3位于所述气体保护装置2的上方；所述气体保护装置2包括保护壳体2-4，所述保护壳体2-4的下部敞口，与所述烧结平台5的上端对应密封连接，内部形成镁合金粉末的烧结空间，所述保护壳体2-4的上表面设有高透玻璃2-2，以减少反光，确保激光光束的透过率，所述保护壳体2-4的相对两侧设有进气通道2-1，所述进气通道2-1的端部设有进气口，所述进气通道2-1呈向上倾斜设置，具体地，所述进气通道2-1与所述保护壳体2-4优选在水平方向的连接角度为钝角，用于从上向下通入保护气体，所述保护气体优选氩气，通入保护气体一是起到在镁合金粉末与激光光束相互作用时，提供保护气体氛围，防止镁合金粉末颗粒熔化时周围空气中氧气和氮气与镁合金粉末颗粒发生反应而影响到成形质量；二是保护气体从上方进入保护壳体2-4中，形成向下的气流，能够有效阻碍镁粉烧结过程中产生的烟雾上飘而污染高透玻璃2-2；如图5所示，所述振镜系统3包括依次设置的扩束镜3-1、聚焦透镜3-2和振镜3-3，所述光纤激光器1发出的激光光束依次通过所述扩束镜3-1、聚焦透镜3-2和振镜3-3后反射并穿过所述高透玻璃2-2作用在所述烧结平台5上，所述激光先扩束、然后聚焦、然后再反射，能够减少振镜3-3的偏转对激光焦点的影响。
如图4所示，所述进气通道2-1的横截面沿其轴线从上向下逐渐增大，从而可以起到减缓气体流速的作用，所述横截面的形状可以为梯形、圆形、多边形等。所述进气通道2-1与所述保护壳体2-4的连接处设有滤网2-3，当进气时可以打散进气气团，使气体流入更均匀，进而减少气体对镁合金粉末的冲击力。
为了支撑和固定所述振镜系统3，所述振镜系统3通过支架4设于所述气体保护装置2的上方。
其中，所述振镜3-3连接到外部控制器，通过外部控制器控制所述振镜3-3的转动角度，进而可以实现激光光斑在烧结平台5的X轴和Y轴方向上移动，可制得各种结构与形状的人工骨。
如图6和图7所示，所述烧结平台5上依次设有送粉缸5-2、成形缸5-3和余量缸5-4，所述送粉缸5-2和成形缸5-3中设有可上下调节的托板5-1，所述烧结平台5中位于所述托板5-1的上方设有滚筒5-5。先将待烧结粉末填充至送粉缸5-2，然后通入保护气体一段时间以排出空气，然后将送粉缸5-2中的托板5-1上升一个高度，成形缸5-3中托板5-1下降一个高度，通过滚筒5-5的转动将送粉缸5-2中的粉末均匀的铺展在成形缸5-3的托板5-1上，多余粉末送进余量缸5-4。然后打开激光进行一层镁粉的烧结，烧结完成后重复上述步骤，直到加工完成。采用滚筒5-5进行铺粉时，可以通过滚筒5-5自身的转动和挤压对镁粉粉层产生压力，消除各层镁粉颗粒之间形成的孔洞、孔隙，减少空气的残存。
其中，所述支架4设有透光孔4-1，所述透光孔4-1正对所述成形缸5-3所在的区域，以保证激光反射后照射到所述成形缸5-3区域，进行烧结工作。
其中，所述光纤激光器1发出的激光平行进入所述振镜系统3，以平行光的形式射出，能够减少激光对振镜3-3的损坏，所述高透玻璃2-2水平设于所述保护壳体2-4的上表面，保证激光尽量靠近高透玻璃2-2的法线方向入射，可以有效地减少激光的能量损失。
由以上实施例可以看出，本发明结构设计新颖，能够防止镁蒸汽污染高透玻璃2-2，也能够减小镁粉颗粒之间的孔隙。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种制备镁合金人工骨的激光选区熔覆设备，其特征在于，包括光纤激光器、振镜系统、气体保护装置和用于承载镁合金粉末的烧结平台，所述光纤激光器与所述振镜系统相连，所述气体保护装置罩于所述烧结平台上，所述振镜系统位于所述气体保护装置的上方；所述气体保护装置包括保护壳体，所述保护壳体的下部敞口，与所述烧结平台的上端对应连接，所述保护壳体的上表面设有高透玻璃，所述保护壳体的相对两侧设有进气通道，所述进气通道呈向上倾斜设置，用于从上向下通入保护气体，所述进气通道的横截面沿其轴线从上向下逐渐增大；所述振镜系统包括依次设置的扩束镜、聚焦透镜和振镜，所述光纤激光器发出的激光光束依次通过所述扩束镜、聚焦透镜和振镜后，反射穿过所述高透玻璃作用在所述烧结平台上。
2.如权利要求1所述的制备镁合金人工骨的激光选区熔覆设备，其特征在于，所述进气通道与所述保护壳体在水平方向的连接角度为钝角。
3.如权利要求1所述的制备镁合金人工骨的激光选区熔覆设备，其特征在于，所述进气通道与所述保护壳体的连接处设有滤网。
4.如权利要求1所述的制备镁合金人工骨的激光选区熔覆设备，其特征在于，所述振镜连接到外部控制器，通过外部控制器控制所述振镜的转动角度。
5.如权利要求1所述的制备镁合金人工骨的激光选区熔覆设备，其特征在于，所述振镜系统通过支架设于所述气体保护装置的上方。
6.如权利要求5所述的制备镁合金人工骨的激光选区熔覆设备，其特征在于，所述烧结平台上依次设有送粉缸、成形缸和余量缸，所述送粉缸和成形缸中设有可上下调节的托板，所述烧结平台中位于所述托板的上方设有滚筒。
7.如权利要求6所述的制备镁合金人工骨的激光选区熔覆设备，其特征在于，所述支架设有透光孔，所述透光孔正对所述成形缸所在的区域。
8.如权利要求1所述的制备镁合金人工骨的激光选区熔覆设备，其特征在于，所述光纤激光器发出的激光平行进入所述振镜系统，所述高透玻璃水平设于所述保护壳体的上表面。
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