CN104988496A - 一种能够实现金属粉末微区熔化及精加工的复合系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能够实现金属粉末微区熔化及精加工的复合系统，其特征在于，该复合系统由光纤激光振镜扫描机构和激光雕刻机构复合而成，所述光纤激光振镜扫描机构具有XY工作台，激光雕刻机构的激光雕刻头安装在XY工作台的Y轴上，在制件制作若干层后，由切片软件控制的XY工作台带动激光雕刻头按照切片软件控制的路线对制件进行激光雕刻。本发明的有益之处在于：将光纤激光振镜扫描机构与激光雕刻机构复合后，在增材制造的过程中，由激光振镜扫描机构进行分区快速扫描，由激光雕刻机构对之间内外边界线进行雕刻，快速扫描与雕刻交替进行，从而可获得尺寸精确的制件。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合系统，具体涉及一种能够实现金属粉末微区熔化及精加工的复合系统，属于增材制造设备领域。
背景技术
采用选择性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术制造金属零件时，由于金属粉末被快速移动的激光束扫描后立即快速熔化凝固，所以可以实现直接制造任意复杂的金属零件。
在制造金属零件时，通常使用动态聚焦方式的激光振镜扫描机构，该机构的激光束经扩束镜扩束后得到均匀的平行光束，然后平行光束通过动态聚焦和光束放大后依次投射到X轴、Y轴振镜上，并相应反射到工作台面上形成平面上的扫描点。理论上，该机构可以实现工作平面上任意复杂图形的扫描。实际上，该机构在安装和运行过程中，输入光束的偏心误差、振镜机构的温度漂移和零点漂移等都会使扫描图形与理论图形产生较大误差，虽然通过特征点的误差信息可以进行校正，但是还是有一定的误差。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种复合系统，该复合系统能够实现金属粉末的微区熔化及精加工。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种能够实现金属粉末微区熔化及精加工的复合系统，其特征在于，该复合系统由光纤激光振镜扫描机构和激光雕刻机构复合而成，
前述光纤激光振镜扫描机构包括：密闭的工作腔(2)，设置在前述工作腔(2)上方的光纤激光扫描装置(1)，设置在前述工作腔(2)内、在水平方向上同时具有X轴和Y轴且由切片软件控制的XY工作台(4)，安装在前述XY工作台(4)上的双向铺粉装置(3)，以及设置在前述工作腔(2)下方的工作缸(10)，前述工作缸(10)的活塞(13)上安装有模型基板(12)，双向铺粉装置(3)在模型基板(12)上铺一层金属粉末，光纤激光扫描装置(1)使金属粉末熔化、凝固，活塞(13)带动制件(11)下降一层的距离，双向铺粉装置(3)继续铺粉，进入下一个工作循环；
前述激光雕刻机构设置于工作腔(2)内，激光雕刻机构具有激光雕刻头(6)，前述激光雕刻头(6)通过Y轴上的滑块(7)安装在前述XY工作台(4)的Y轴上，在制件(11)制作若干层后，XY工作台(4)带动激光雕刻头(6)按照切片软件控制的路线对制件(11)进行激光雕刻。
前述的能够实现金属粉末微区熔化及精加工的复合系统，其特征在于，前述XY工作台(4)的X轴和Y轴的结构相同，都包括：滚动导轨(401)，与前述滚动导轨(401)平行设置的滚珠丝杆(402)，安装在前述滚动导轨(401)和滚珠丝杆(402)上的滑块(403)，以及驱动前述滚珠丝杆(402)转动的伺服电机(404)。
前述的能够实现金属粉末微区熔化及精加工的复合系统，其特征在于，前述激光雕刻机构包括：激光雕刻头(6)、反射镜(5)、扩束镜(8)和光纤输入头(9)，激光束由光纤输入头(9)输入到扩束镜(8)中，经扩束镜(8)扩束和反射镜(5)反射后进入到激光雕刻头(6)中，在激光雕刻头(6)中聚焦为小直径光斑，最后照射到雕刻表面上。
前述的能够实现金属粉末微区熔化及精加工的复合系统，其特征在于，前述激光雕刻头(6)包括：安装在反射镜座(601)上的反射镜片(602)、安装在可调聚焦透镜镜座(604)上的聚焦透镜(605)、以及联接反射镜座(601)和可调聚焦透镜镜座(604)的联接座(603)，反射镜片(602)和聚焦透镜(605)按飞行路线布置，激光束经反射镜片(602)反射后进入聚焦透镜(605)聚焦为小直径光斑，最后照射到雕刻表面上。
本发明的有益之处在于：
(1)将光纤激光振镜扫描机构和激光雕刻机构复合后，在增材制造的过程中，光纤激光振镜扫描机构对粉床进行快速扫描，使选区金属熔化，激光雕刻机构对内外边界线进行雕刻，快速扫描与雕刻交替进行，从而可获得尺寸精确的制件；
(2)激光扫描熔化区的温度不会对激光雕刻造成影响，雕刻激光束的外光路系统相对比较简单，精度稳定性好，可扩大激光扫描熔化金属材料适用范围。
附图说明
图1是本发明的复合体系的一个具体实施例的结构示意图；
图2是图1中的XY工作台和激光雕刻机构的俯视图；
图3是图1中的激光雕刻头的结构示意图。
图中附图标记的含义：1-光纤激光扫描装置、2-工作腔、3-双向铺粉装置、4-XY工作台、5-反射镜、6-激光雕刻头、7-滑块、8-扩束镜、9-光纤输入头、10-工作缸、11-制件、12-模型基板、13-活塞、401-滚动导轨、402-滚珠丝杆、403-滑块、404-伺服电机、601-反射镜座、602-反射镜片、603-联接座、604-可调聚焦透镜镜座、605-聚焦透镜。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
本发明的复合系统由光纤激光振镜扫描机构和激光雕刻机构复合而成，其同时具备两个机构各自的优点，能够实现金属粉末微区熔化及精加工。具体的，由激光振镜扫描机构进行分区快速扫描，由激光雕刻头对内外边界线进行雕刻，这样快速扫描与雕刻复合交替进行可获得尺寸精确的制件。
下面详细介绍光纤激光振镜扫描机构和激光雕刻机构的具体结构。
首先介绍光纤激光振镜扫描机构的结构。
参照图1，光纤激光振镜扫描机构包括：工作腔2、光纤激光扫描装置1、XY工作台4、双向铺粉装置3和工作缸10，其中，工作腔2是一个密闭的腔体，光纤激光扫描装置1设置在工作腔2的上方，XY工作台4(XY工作台4具有高的运动刚度)和双向铺粉装置3设置在工作腔2内，XY工作台4由切片软件控制并且在水平方向上同时具有X轴和Y轴，双向铺粉装置3安装在XY工作台4上，其在XY工作台4上能够沿X轴方向运动，工作缸10设置在工作腔2的下方，工作缸10的活塞13上安装有模型基板12，双向铺粉装置3在模型基板12上铺一层金属粉末，光纤激光扫描装置1使金属粉末熔化、凝固，活塞13带动制件11下降一层的距离，双向铺粉装置3继续铺粉，进入下一个工作循环。
参照图2，XY工作台4同时具有X轴和Y轴，其X轴和Y轴的结构相同，都包括：滚动导轨401(有足够的支承刚性)、滚珠丝杆402、滑块403和伺服电机404，其中，滚珠丝杆402与滚动导轨401平行设置，滑块403(用于带动整个Y轴移动)安装在滚动导轨401和滚珠丝杆402上，伺服电机404用来驱动滚珠丝杆402转动。由于采用了伺服电机404驱动滚珠丝杆402转动，所以XY工作台4的摩摖阻力较小，可提高滑块403的动态特性。
接下来介绍激光雕刻机构的结构。
参照图1和图2，激光雕刻机构设置于工作腔2内，其具有激光雕刻头6，该激光雕刻头6通过Y轴上的滑块7安装在XY工作台4的Y轴上(停留在XY工作台4的0点位置)，在制件11制作若干层后，需要复合加工时，XY工作台4带动激光雕刻头6按照切片软件控制的路线对制件11进行激光雕刻。
在本实施例中，激光雕刻机构包括：激光雕刻头6、反射镜5、扩束镜8和光纤输入头9，激光束由光纤输入头9输入到扩束镜8中，经扩束镜8扩束和反射镜5反射后进入到激光雕刻头6中，在激光雕刻头6中聚焦为小直径光斑，最后照射到雕刻表面上。
参照图3，激光雕刻头6包括：反射镜座601、反射镜片602、可调聚焦透镜镜座604、聚焦透镜605以及联接座603，其中，反射镜片602安装在反射镜座601上，聚焦透镜605安装在可调聚焦透镜镜座604上，联接座603联接反射镜座601和可调聚焦透镜镜座604，聚焦透镜605、反射镜片602以及反射镜5按飞行路线布置，激光束经反射镜5、反射镜片602反射后进入聚焦透镜605聚焦为小直径光斑。
激光振镜扫描机构具有快速熔化金属粉末的功能，但在其相应的热力学和动力学规律的作用下，会导致制件变形，从而影响制件的尺寸精度。
激光雕刻以XY数控技术为基础、以激光为加工媒介，利用激光在平面上扫描的图形与理论图形无误差、加工材料在激光照射下瞬间熔化和气化的物理变性，能使激光达到精密切削的目的。
本发明将激光振镜扫描机构与激光雕刻机构进行了复合，复合后的系统由激光振镜扫描机构进行分区快速扫描，由激光雕刻机构对之间内外边界线进行雕刻，在增材制造的过程中快速扫描与雕刻交替进行，所以本发明的复合系统同时具备两个机构各自的优点，从而可获得尺寸精确的制件。
此外，在本发明的复合系统中，激光扫描熔化区的温度不会对激光雕刻造成影响，雕刻激光束的外光路系统相对比较简单，精度稳定性好，因此本发明的复合系统可扩大激光扫描熔化金属材料适用范围。
需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种能够实现金属粉末微区熔化及精加工的复合系统，其特征在于，该复合系统由光纤激光振镜扫描机构和激光雕刻机构复合而成，
所述光纤激光振镜扫描机构包括：密闭的工作腔(2)，设置在所述工作腔(2)上方的光纤激光扫描装置(1)，设置在所述工作腔(2)内、在水平方向上同时具有X轴和Y轴且由切片软件控制的XY工作台(4)，安装在所述XY工作台(4)上的双向铺粉装置(3)，以及设置在所述工作腔(2)下方的工作缸(10)，所述工作缸(10)的活塞(13)上安装有模型基板(12)，双向铺粉装置(3)在模型基板(12)上铺一层金属粉末，光纤激光扫描装置(1)使金属粉末熔化、凝固，活塞(13)带动制件(11)下降一层的距离，双向铺粉装置(3)继续铺粉，进入下一个工作循环；
所述激光雕刻机构设置于工作腔(2)内，激光雕刻机构具有激光雕刻头(6)，所述激光雕刻头(6)通过Y轴上的滑块(7)安装在所述XY工作台(4)的Y轴上，在制件(11)制作若干层后，XY工作台(4)带动激光雕刻头(6)按照切片软件控制的路线对制件(11)进行激光雕刻。
2.根据权利要求1所述的能够实现金属粉末微区熔化及精加工的复合系统，其特征在于，所述XY工作台(4)的X轴和Y轴的结构相同，都包括：滚动导轨(401)，与所述滚动导轨(401)平行设置的滚珠丝杆(402)，安装在所述滚动导轨(401)和滚珠丝杆(402)上的滑块(403)，以及驱动所述滚珠丝杆(402)转动的伺服电机(404)。
3.根据权利要求1所述的能够实现金属粉末微区熔化及精加工的复合系统，其特征在于，所述激光雕刻机构包括：激光雕刻头(6)、反射镜(5)、扩束镜(8)和光纤输入头(9)，激光束由光纤输入头(9)输入到扩束镜(8)中，经扩束镜(8)扩束和反射镜(5)反射后进入到激光雕刻头(6)中，在激光雕刻头(6)中聚焦为小直径光斑，最后照射到雕刻表面上。
4.根据权利要求3所述的能够实现金属粉末微区熔化及精加工的复合系统，其特征在于，所述激光雕刻头(6)包括：安装在反射镜座(601)上的反射镜片(602)、安装在可调聚焦透镜镜座(604)上的聚焦透镜(605)、以及联接反射镜座(601)和可调聚焦透镜镜座(604)的联接座(603)，反射镜片(602)和聚焦透镜(605)按飞行路线布置，激光束经反射镜片(602)反射后进入聚焦透镜(605)聚焦为小直径光斑，最后照射到雕刻表面上。
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