CN105014071A - 一种金属激光选区熔化成形双活塞可控预热粉缸 - Google Patents
一种金属激光选区熔化成形双活塞可控预热粉缸 Download PDFInfo
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Abstract
一种金属激光选区熔化成形双活塞可控预热粉缸，可在单活塞和双活塞两种状态下分别工作。其中，当在单活塞状态下工作时，首先，对成形缸内的大活塞基板进行调平；然后，利用缸体加热圈对缸体四周进行加热，利用活塞加热板对活塞盖板进行加热，实现对成形缸和送粉缸内的金属粉末的间接加热。当在双活塞状态下工作时，首先将小活塞基板调平；然后利用缸体加热圈和活塞加热板对小活塞成形缸和小活塞送粉缸内的粉末进行均匀加热。本发明采用一体式双活塞设计，小活塞可更换拆卸，已实现不同大小尺寸金属构件的激光成形，节省粉末，同时能够对粉缸进行全方位的加热，实现对粉末的可控预热，使粉末受热均匀，改善温度梯度，减低构件变形和开裂。
Description
技术领域：
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种金属激光选区熔化成形双活塞可控预热粉缸。
背景技术：
增材制造技术(又称为“3D打印”)是近年来迅速发展起来的高端数字化快速制造技术，适用于复杂构件的近净成形，采用增材制造技术制造出的成形件具有优异的力学性能，适合多种材料的快速成形，且材料利用率高。激光选区激光熔化成形技术(Selective Laser Melting，SLM)是增材制造的典型代表，它将传统的三维制造工艺转变为平面制造-累积叠加工艺，通过粉末逐层熔化实现三维复杂精密零部件的制造，由于粉末处于静止状态可设计制造辅助支撑结构，因此适合几乎任意复杂形状金属零部件的制造，可广泛应用于航空航天、汽车、模具、医疗等行业。
激光选区激光熔化具有以下优点：1)直接成形终端金属产品，省掉中间过渡环节；2)可得到冶金结合的金属实体，密度接近100％；3)SLM制造的工件有高的拉伸强度；较低的粗糙度(Rz30-50mm)，高的尺寸精度(<0.1mm)；4)适合各种复杂形状的工件，尤其适合内部有复杂异型结构(如空腔)、用传统方法无法制造的复杂工件；5)适合单件和小批量模具和工件快速成型。
但在金属复杂构件激光成形过程中，由于构件成形前期基材温度较低，而成形后期激光持续扫描，能量循环累积导致构件温度过高，致使成形构件内部组织、应力应变分布状态差异较大，产生裂纹、翘曲变形等问题，严重影响成形质量。研究表明通过对基材进行预热能够有效消除成形件的内应力。同时预热提高了金属材料对激光的吸收率，提高了能量利用率。粉缸作为激光选区激光熔化成形设备的核心部件之一，成形过程中，通过加热粉缸侧壁和活塞底部，可实现成形粉末和成形件的间接加热，有效控制成形件的变形和开裂问题。
发明专利“选择性激光选区熔化SLM设备送粉筒预热装置和预热方法”，申请号“201310024599.8”，提出了一种利用金属感应线圈预热粉缸的方向，但该方法产生的感应电流在成形件上的分布是不均匀的，在表面强，而在内部很弱，影响成形质量。因此对粉末进行均匀加热是降低构件变形开裂，提高成形质量的有效途径之一。
此外，现有激光选区熔化成形设备粉缸尺寸固定，在制造尺寸较小构件时浪费严重，因此设计一种大小可更换的粉缸对于成形不同大小构件时提高粉末利用率具有重要作用。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种金属激光选区熔化成形双活塞可控预热粉缸，采用一体式双活塞设计，小活塞可更换拆卸，以实现不同大小尺寸金属构件的激光成形，节省粉末，同时能够对粉缸进行全方位的加热，实现对粉末的可控预热，使粉末受热均匀，改善温度梯度，减低构件变形和开裂。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：
一种金属激光选区熔化成形双活塞可控预热粉缸，包括缸体，该缸体上开设有两个大小相同的成形缸和送粉缸，该缸体的顶部固定在工作台板上，其底部自上而下依次设置有底板隔热板和缸底端盖，缸体周向的上部设置有缸体加热圈，下部设置有缸体隔热板，缸体加热圈和缸体隔热板的外侧由内至外依次设置有缸体隔热圈和压条；
成形缸和送粉缸内均自下而上依次设置有活塞端盖、大活塞体和活塞盖板，两个活塞端盖的底部分别与缸体底部设置的两个电缸的活塞杆相连，两个大活塞体的顶部均开设有台阶孔，台阶孔内均设置有活塞隔热板，活塞隔热板与活塞盖板之间设置有活塞加热版；成形缸内的活塞加热版顶部设置有大活塞基板；成形缸内的大活塞体、活塞盖板及大活塞基板能够在成形缸内上下伸缩，送粉缸内的大活塞体和活塞盖板能够在送粉缸内上下伸缩。
本发明进一步的改进在于：该缸体的顶部与工作台板之间还设置有台板隔热板。
本发明进一步的改进在于：缸体周向的最外层和缸体的底部还包裹有不锈钢板。
本发明进一步的改进在于：每个大活塞体的周向上均设置有活塞导向圈和活塞格莱圈；每个活塞盖板的周向上均设置有盖板导向环。
本发明进一步的改进在于：缸体、大活塞体和活塞盖板均采用因瓦合金或耐热磨具钢制成；缸体加热圈和活塞加热板均采用铸铝加热板或陶瓷加热块制成；缸体隔热圈、底板隔热板和活塞隔热板均采用A-800耐高温隔热板或聚四氟乙烯制成。
一种金属激光选区熔化成形双活塞可控预热粉缸，包括缸体，该缸体上开设有两个大小相同的成形缸和送粉缸，该缸体的顶部固定在工作台板上，其底部自上而下依次设置有底板隔热板和缸底端盖，缸体周向的上部设置有缸体加热圈，下部设置有缸体隔热板，缸体加热圈和缸体隔热板的外侧由内至外依次设置有缸体隔热圈和压条；
成形缸和送粉缸内均自下而上依次设置有活塞端盖、大活塞体和活塞盖板，两个活塞端盖的底部分别与缸体底部设置的两个电缸的活塞杆相连，两个大活塞体的顶部均开设有台阶孔，台阶孔内均设置有活塞隔热板，活塞隔热板与活塞盖板之间设置有活塞加热版；成形缸内的大活塞体、活塞盖板及大活塞基板能够在成形缸内上下伸缩，送粉缸内的大活塞体和活塞盖板能够在送粉缸内上下伸缩；
成形缸内壁和送粉缸内壁在活塞盖板的顶部均设置有小活塞缸套，两个小活塞缸套的中心处分别为小活塞成形缸和小活塞送粉缸；两个活塞盖板顶部的中心处自下而上依次设置有连杆和小活塞体，小活塞成形缸内的小活塞体顶部设置有小活塞基板；小活塞成形缸内的小活塞体和小活塞基板能够在小活塞成形缸内上下伸缩，小活塞送粉缸内的小活塞体能够在小活塞送粉缸内上下伸缩。
本发明进一步的改进在于：该缸体的顶部与工作台板之间还设置有台板隔热板。
本发明进一步的改进在于：缸体周向的最外层和缸体的底部还包裹有不锈钢板。
本发明进一步的改进在于：每个大活塞体的周向上均设置有活塞导向圈和活塞格莱圈；每个活塞盖板的周向上均设置有盖板导向环；每个小活塞体的周向上均设置有小活塞格莱圈和小活塞导向环。
本发明进一步的改进在于：缸体、大活塞体、小活塞体、小活塞缸套和活塞盖板均采用因瓦合金或耐热磨具钢制成；缸体加热圈和活塞加热板均采用铸铝加热板或陶瓷加热块制成；缸体隔热圈、底板隔热板和活塞隔热板均采用A-800耐高温隔热板或聚四氟乙烯制成。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明一种金属激光选区熔化成形双活塞可控预热粉缸，可在单活塞和双活塞两种状态下分别工作。其中，当在单活塞状态下工作时，首先，对成形缸内的大活塞基板进行调平；然后，利用缸体加热圈对缸体四周进行加热，利用活塞加热板对活塞盖板进行加热，实现对成形缸和送粉缸内的金属粉末的间接加热，由于金属具有良好的热传导特性，通过热传导实现粉末均匀受热。同时利用缸体隔热圈、底板隔热圈和活塞隔热板对产生的热量隔离，以防止高温影响粉缸其他部件，尤其是电缸。开始工作时，送粉缸内盛满金属粉末，成形缸内的大活塞体位于最高位置。工作过程中，电缸带动送粉缸内的大活塞体向上运动，金属粉末被刮送到成形缸中，电缸带动成形缸内的大活塞体向下运动。
进一步，利用活塞格莱圈防止运动过程中金属粉末通过活塞与基板之间的缝隙下落，同时起到密封作用，活塞导向环和盖板导向环用于大活塞体顺利运动导向。
当在双活塞状态下工作时，其运动过程与单活塞是类似，首先将小活塞基板调平；然后利用利用缸体加热圈和活塞加热板对小活塞成形缸和小活塞送粉缸内的粉末进行均匀加热。开始工作时，送粉缸内盛满金属粉末，成形缸内的大活塞体位于最高位置。工作过程中，电缸通过带通大活塞体运动带动小活塞体上下运动。
进一步的，利用小活塞格莱圈和小活塞导向环的密封和导向作用，保证小活塞体顺利运动。
综上所述，本发明通过在大活塞上部安装有小活塞，小活塞可拆卸，可实现不同大小尺寸零件的成形，避免了采用大活塞打印较小体积零件所造成的材料浪费，节省了成本。因此，本发明采用一体式粉缸设计，克服了以往常用的拼接式粉缸设计由于装配带来的误差，安装精度高，结构更加紧凑。
附图说明：
图1为本发明单活塞粉缸结构的剖视图；
图2为本发明单活塞粉缸结构的俯视图；
图3为本发明双活塞粉缸结构的剖视图；
图4为本发明双活塞粉缸结构的俯视图。
图中：1、缸体，2、台板垫圈，3、台板隔热板，4、工作台板，5、缸体加热圈，6、缸体隔热圈，7、螺钉，8、压条，9、不锈钢板，10、缸体隔热板，11、底板螺栓，12、底板垫圈，13、底板隔热板，14、缸底端盖，15、电缸，16、大活塞体，17、活塞端盖，18、端盖螺栓，19、端盖垫圈，20、活塞导向圈，21、连接螺钉，22、隔热垫圈，23、活塞格莱圈，24、电缸螺栓，25、盖板导向环，26、盖板螺栓，27、活塞隔热板，28、调整螺栓，29、活塞加热版，30、活塞盖板，31、活塞螺栓，32、大活塞基板，33、成形缸，34、送粉缸，35、固定螺栓，36、销钉，37、调平螺栓，38、压紧螺栓，39、连杆螺栓，40、小活塞缸套，41、连杆，42、小活塞格莱圈，43、小活塞导向环，44、小活塞体，45、条活塞调整螺栓，46、小活塞基板，47、小活塞成形缸，48、小活塞送粉缸，49、缸套螺栓，50、小活塞调平螺栓，51、小活塞压紧螺栓。
具体实施方式：
下面结合说明书附图对本发明做进一步说明：
本发明一种金属激光选区熔化成形双活塞可控预热粉缸，可在单活塞和双活塞两种状态下分别工作。
如图1和图2所示，为单活塞状态下结构图，其中，缸体1通过固定螺栓35和销钉36固定在工作台板4上，缸体1和工作台板4之间设置有台板隔热板3，台板隔热板3上固定螺栓35孔位置设置有台板垫圈2，台板垫圈2用于缸体1表面与工作台板4表面的刚性可靠结合，防止台板隔热板3变形影响安装精度，台板隔热板3采用耐高温材料制成，具有一定的承力作用，起到隔热作用，用于防止缸体1的热量传导到工作台板4上，影响加工精度。缸体1上设置有大小相同的成形缸33和送粉缸34，成形缸33和送粉缸34内壁面珩磨，并进行热处理，保证具有足够的表面硬度和耐磨性。成形缸33和送粉缸34中均安装有大活塞体16，大活塞体16周向上安装有活塞导向圈20和活塞格莱圈23，活塞导向圈20和活塞格莱圈23均采用耐高温材料制成，活塞格莱圈23起到密封作用，活塞导向圈20起到大活塞体16导向作用，兼具一定的密封作用。大活塞体16与缸体1内壁面之间应设置一定的间隙，防止由于大活塞体16受热膨胀发生卡死现象，影响运动灵活性。大活塞体16通过盖板螺栓26与活塞盖板30固定，活塞盖板30周向上设置有盖板导向环25，盖板导向环25起到密封和导向的作用，大活塞体16的顶部均开设有台阶孔，台阶孔内安装有活塞隔热板27，活塞隔热板27与活塞盖板30之间安装有活塞加热板29，活塞隔热板27通过大活塞体16内部的台阶孔实现定位，活塞加热板29通过活塞螺栓31实现定位。大活塞基板32通过调整螺栓28与活塞盖板30连接，通过分别调节调平螺栓37和压紧螺栓38，保证大活塞基板32与工作台板3之间的平行度。大活塞体16底部通过端盖螺栓18安装有活塞端盖17，活塞端盖17采用耐高温隔热材料制成，活塞端盖17上端盖螺栓18孔位置设置有金属材料制成的端盖垫圈19，活塞端盖17与大活塞体16底部通过连接螺钉21固定。大活塞体16底部上表面设置有隔热垫圈22，电缸15通过电缸螺栓24与大活塞体16固定，隔热垫圈22和端盖垫圈19的作用是防止大活塞体16上的热量传导到电缸15上，影响电缸15的传动精度。缸底端盖14通过底板螺栓11与缸体1底部固定，缸底端盖14与缸体1之间设置有底板隔热板13，底板隔热板13上底板螺栓11的位置设置有底板垫圈12。缸体1外壁上部位置安装有缸体加热圈5，缸体加热圈5的材料为铸铝加热材料，用于对缸体1侧壁加热，缸体1外壁下部位置安装有缸体隔热板10，缸体加热圈5和缸体隔热板10外侧设置有缸体隔热圈6，缸体隔热圈外侧设置有压条8，通过螺钉7将压条8、缸体隔热圈6，缸体加热圈5、缸体隔热板10和缸体1外壁固定，缸体隔热圈6外侧为不锈钢板9，不锈钢板9将缸底侧面及底部包裹，形成整体结构。
如图3和图4所示，为双活塞状态下结构图，其中缸体1及大活塞体16结构与单活塞状态下结构相同，不再赘述。在单活塞状态下结构中去掉大活塞基板32，增加的小活塞缸套40分别通过缸套螺栓49安装在小活塞成形缸47和大活塞送粉缸48中，小活塞缸套40外壁分别与小活塞成形缸47和大活塞送粉缸48相贴合，小活塞缸套40内壁进行珩磨和热处理，保证足够硬度和耐磨性。小活塞缸套40中安装有小活塞体44，小活塞体44壁面上分别设置有小活塞导向环43和小活塞格莱圈42，小活塞导向环43和小活塞格莱圈42均采用耐高温材料制成，小活塞导向环43起到导向和密封作用，小活塞格莱圈42起到密封作用。小活塞体44上部通过小活塞调整螺栓45与小活塞基板45连接，通过调节小活塞调平螺栓50和小活塞压紧螺栓51实现小活塞基板46与工作台板1之间的平行度。小活塞体44底部通过连杆螺栓39与连杆41固定，连杆41通过连杆螺栓39与活塞盖板30固定，从而实现大活塞体16运动带动小活塞体44同步运动。
上述缸体1、大活塞体16、小活塞体44、小活塞缸套40和活塞盖板30均采用因瓦合金或耐热磨具钢制成；缸体加热圈5和活塞加热板29均采用铸铝加热板或陶瓷加热块制成；缸体隔热圈6、底板隔热板13和活塞隔热板27均采用A-800耐高温隔热板或聚四氟乙烯制成。
本发明的工作过程：在单活塞状态下开始工作时，首先，对成形缸33内的大活塞基板32进行调平，大活塞基板32上设置有三个调平螺栓盲孔和三个压紧螺栓孔，在活塞盖板30上对应位置设置有三个调平螺栓孔和三个压紧螺栓盲孔，基板调平后，用压紧螺栓38将大活塞基板32调平。然后，利用缸体加热圈5对缸体1四周进行加热，利用活塞加热板29对活塞盖板30进行加热，实现对成形缸33和送粉缸34内的金属粉末的间接加热，由于金属具有良好的热传导特性，通过热传导实现粉末均匀受热。同时利用缸体隔热圈6、底板隔热圈27和活塞隔热板13对产生的热量隔离，以防止高温影响粉缸其他部件，尤其是电缸15。开始工作时，送粉缸34内盛满金属粉末，成形缸33内的大活塞体16位于最高位置。工作过程中，电缸15带动送粉缸34内的大活塞体16向上运动，金属粉末被刮送到成形缸33中，电缸15带动成形缸33内的大活塞体16向下运动。运动过程中活塞格莱圈23、活塞导向环20和盖板导向环25有如下作用，活塞格莱圈23防止运动过程中金属粉末通过活塞与基板之间的缝隙下落，同时起到密封作用，活塞导向环20和盖板导向环25用于大活塞体16顺利运动导向。
在双活塞状态下工作时如图2所示，其运动过程与单活塞是类似，首先利用小活塞调平螺栓50和小活塞压紧螺栓51将小活塞基板46调平。然后利用利用缸体加热圈5和活塞加热板29对小活塞成形缸47和小活塞送粉缸48内的粉末进行均匀加热。开始工作时，送粉缸34内盛满金属粉末，成形缸33内的大活塞体16位于最高位置。工作过程中，电缸15通过带通大活塞体16运动带动小活塞体44上下运动，利用小活塞格莱圈42和小活塞导向环43的密封和导向作用，保证小活塞体44顺利运动。
Claims (10)
1.一种金属激光选区熔化成形双活塞可控预热粉缸，其特征在于：包括缸体(1)，该缸体(1)上开设有两个大小相同的成形缸(33)和送粉缸(34)，该缸体(1)的顶部固定在工作台板(4)上，其底部自上而下依次设置有底板隔热板(13)和缸底端盖(14)，缸体(1)周向的上部设置有缸体加热圈(5)，下部设置有缸体隔热板(10)，缸体加热圈(5)和缸体隔热板(10)的外侧由内至外依次设置有缸体隔热圈(6)和压条(8)；
成形缸(33)和送粉缸(34)内均自下而上依次设置有活塞端盖(17)、大活塞体(16)和活塞盖板(30)，两个活塞端盖(17)的底部分别与缸体(1)底部设置的两个电缸(15)的活塞杆相连，两个大活塞体(16)的顶部均开设有台阶孔，台阶孔内均设置有活塞隔热板(27)，活塞隔热板(27)与活塞盖板(30)之间设置有活塞加热版(29)；成形缸(33)内的活塞加热版(29)顶部设置有大活塞基板(32)；成形缸(33)内的大活塞体(16)、活塞盖板(30)及大活塞基板(32)能够在成形缸(33)内上下伸缩，送粉缸(34)内的大活塞体(16)和活塞盖板(30)能够在送粉缸(34)内上下伸缩。
2.根据权利要求1所述的一种金属激光选区熔化成形双活塞可控预热粉缸，其特征在于：该缸体(1)的顶部与工作台板(4)之间还设置有台板隔热板(3)。
3.根据权利要求1所述的一种金属激光选区熔化成形双活塞可控预热粉缸，其特征在于：缸体(1)周向的最外层和缸体(1)的底部还包裹有不锈钢板(9)。
4.根据权利要求1所述的一种金属激光选区熔化成形双活塞可控预热粉缸，其特征在于：每个大活塞体(16)的周向上均设置有活塞导向圈(20)和活塞格莱圈(23)；每个活塞盖板(30)的周向上均设置有盖板导向环(25)。
5.根据权利要求1所述的一种金属激光选区熔化成形双活塞可控预热粉缸，其特征在于：缸体(1)、大活塞体(16)和活塞盖板(30)均采用因瓦合金或耐热磨具钢制成；缸体加热圈(5)和活塞加热板(29)均采用铸铝加热板或陶瓷加热块制成；缸体隔热圈(6)、底板隔热板(13)和活塞隔热板(27)均采用A-800耐高温隔热板或聚四氟乙烯制成。
6.一种金属激光选区熔化成形双活塞可控预热粉缸，其特征在于：包括缸体(1)，该缸体(1)上开设有两个大小相同的成形缸(33)和送粉缸(34)，该缸体(1)的顶部固定在工作台板(4)上，其底部自上而下依次设置有底板隔热板(13)和缸底端盖(14)，缸体(1)周向的上部设置有缸体加热圈(5)，下部设置有缸体隔热板(10)，缸体加热圈(5)和缸体隔热板(10)的外侧由内至外依次设置有缸体隔热圈(6)和压条(8)；
成形缸(33)和送粉缸(34)内均自下而上依次设置有活塞端盖(17)、大活塞体(16)和活塞盖板(30)，两个活塞端盖(17)的底部分别与缸体(1)底部设置的两个电缸(15)的活塞杆相连，两个大活塞体(16)的顶部均开设有台阶孔，台阶孔内均设置有活塞隔热板(27)，活塞隔热板(27)与活塞盖板(30)之间设置有活塞加热版(29)；成形缸(33)内的大活塞体(16)、活塞盖板(30)及大活塞基板(32)能够在成形缸(33)内上下伸缩，送粉缸(34)内的大活塞体(16)和活塞盖板(30)能够在送粉缸(34)内上下伸缩；
成形缸(33)内壁和送粉缸(34)内壁在活塞盖板(30)的顶部均设置有小活塞缸套(40)，两个小活塞缸套(40)的中心处分别为小活塞成形缸(47)和小活塞送粉缸(48)；两个活塞盖板(30)顶部的中心处自下而上依次设置有连杆(41)和小活塞体(44)，小活塞成形缸(47)内的小活塞体(44)顶部设置有小活塞基板(46)；小活塞成形缸(47)内的小活塞体(44)和小活塞基板(46)能够在小活塞成形缸(47)内上下伸缩，小活塞送粉缸(48)内的小活塞体(44)能够在小活塞送粉缸(48)内上下伸缩。
7.根据权利要求1所述的一种金属激光选区熔化成形双活塞可控预热粉缸，其特征在于：该缸体(1)的顶部与工作台板(4)之间还设置有台板隔热板(3)。
8.根据权利要求1所述的一种金属激光选区熔化成形双活塞可控预热粉缸，其特征在于：缸体(1)周向的最外层和缸体(1)的底部还包裹有不锈钢板(9)。
9.根据权利要求1所述的一种金属激光选区熔化成形双活塞可控预热粉缸，其特征在于：每个大活塞体(16)的周向上均设置有活塞导向圈(20)和活塞格莱圈(23)；每个活塞盖板(30)的周向上均设置有盖板导向环(25)；每个小活塞体(44)的周向上均设置有小活塞格莱圈(42)和小活塞导向环(43)。
10.根据权利要求1所述的一种金属激光选区熔化成形双活塞可控预热粉缸，其特征在于：缸体(1)、大活塞体(16)、小活塞体(44)、小活塞缸套(40)和活塞盖板(30)均采用因瓦合金或耐热磨具钢制成；缸体加热圈(5)和活塞加热板(29)均采用铸铝加热板或陶瓷加热块制成；缸体隔热圈(6)、底板隔热板(13)和活塞隔热板(27)均采用A-800耐高温隔热板或聚四氟乙烯制成。
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