CN105039970A - 一种可更换粉缸双光束激光选区熔化成形设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可更换粉缸双光束激光选区熔化成形设备，包括两个光路系统、机架、工作台板、送粉缸、储粉缸、成形缸、回粉缸、成形腔以及分别带动成形缸及送粉缸上下运动的两个第一驱动机构；工作台板固定于机架上，成形腔固定于工作台板的上表面，回粉缸、成形缸、送粉缸及储粉缸从左到右依次固定于工作台板的下表面；成形腔的内部设有刮刀，机架上设有第二驱动机构；所述送粉缸及成形缸内均设有基板，送粉缸及成形缸的下端均设有缸体端盖，所述基板连接有第一活塞系统；储粉缸内设有第二活塞系统。本发明的成形效率高，能够有效的降低构件的变形及开裂。

Description

一种可更换粉缸双光束激光选区熔化成形设备

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，涉及一种可更换粉缸双光束激光选区熔化成形设备。

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(SelectiveLaserMelting，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。

但在激光成形过程中，由于高能激光提供热源将材料逐层熔化并迅速冷却，粉床受到循环热作用，温度梯度大，温度场不稳定，且不同材料体系的激光吸收率各异。激光金属成形过程中，有两个普遍规律：第一，对同一种材料，波长越长，材料对激光的吸收系数越低；波长越短，材料对激光的吸收系数越高；第二金属温度越高，对激光的吸收率越高。因此，对于Cu、Al等对激光吸收率较低的金属，利用SLM成形此类金属时存在很大困难。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，通过对粉末预热可降低成形过程中的温度梯度，改善温度场分布，有效控制成形件的变形和开裂问题。

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。现有激光选区成形设备大多采用对活塞加热的方式间接预热粉末，粉末预热均匀性及成形的效率很难保证。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种可更换粉缸双光束激光选区熔化成形设备，该设备成形的效率高，并且能够有效的降低构件的变形及开裂。

为达到上述目的，本发明所述的可更换粉缸双光束激光选区熔化成形设备包括两个光路系统、机架、工作台板、送粉缸、储粉缸、成形缸、回粉缸、成形腔以及分别带动成形缸及送粉缸上下运动的两个第一驱动机构；

工作台板固定于机架上，成形腔固定于工作台板的上表面，回粉缸、成形缸、送粉缸及储粉缸从左到右依次固定于工作台板的下表面，回粉缸顶部的开口、成形缸顶部的开口、送粉缸顶部的开口及储粉缸顶部的开口均与成形腔行连通；

成形腔的内部设有刮刀，机架上设有用于带动刮刀左右移动的第二驱动机构；

所述送粉缸及成形缸内均设有基板，送粉缸及成形缸的下端均设有缸体端盖，所述基板连接有用于推动基板上下移动的第一活塞系统；

储粉缸内设有第二活塞系统，储粉缸的下端设有储粉端盖；

两个光路系统产生的激光穿过成形腔照射到成形缸内的基板上。

第一活塞系统包括第一活塞体、活塞隔热板、缸体端盖、导向柱、丝杠、丝杠螺母、丝杠法兰、齿轮、共轭齿轮、电机及电机支座；

第一活塞体的上端固定于基板上，第一活塞体的内部设有活塞加热板，第一活塞体的下端固定有活塞端盖，活塞隔热板位于第一活塞体与活塞端盖之间，送粉缸及成形缸的缸体的外壁上均自上到下依次套接有缸体加热圈及缸体隔热圈，导向柱的上端及丝杠的上端均固定于活塞端盖的底部，导向柱的下端及丝杠的下端通过托板相连接，缸体端盖上设有用于对丝杠及导向柱进行运动导向的导套，丝杠螺母与丝杠的侧面相啮合，丝杠法兰通过轴承固定于导套上，齿轮安装于导套的下端，齿轮的共轭齿轮套接于电机的转动轴上，电机通过电机支座固定于缸体端盖上，齿轮的内侧与丝杠螺母的外侧相啮合。

第二活塞系统包括第二活塞体及电缸；

储粉缸的内壁珩磨，第二活塞体安装于储粉缸的内，第二活塞体的侧面与储粉缸的内壁之间设有第二活塞格莱圈及第二活塞导向环，第二活塞体与储粉缸的内壁之间有间隙，电缸通过电缸螺栓固定于储粉端盖上，电缸的活塞杆穿过储粉端盖后通过活塞螺栓固定于第二活塞体上。

所述第一驱动机构包括背板、滑块、滑台、提升架、电推缸、粉缸推架以及用于对粉缸推架进行导向的导向板；

背板固定于机架上，背板上固定有导轨，滑块位于所述导轨上，滑台固定于导轨的上，提升架安装于所述滑台上，电推缸安装于提升架上，成形缸放置于粉缸推架上，粉缸推架与电推缸的输出杆相连接，导向板固定于机架上。

所述第二驱动机构包括立板、刀架导轨、刀架滑块、支撑板、丝杠螺母组件、T形架、隔板、隔离钢带及刀架基座；

立板固定于工作台板上，刀架导轨固定于立板的上，刀架滑块位于刀架导轨上，支撑板与刀架滑块相连接，丝杠螺母组件与支撑板相连接，T形架的一端固定于支撑板上，T形架的另一端穿过隔板与刀架基座相连接，隔离钢带位于T形架与刀架基座之间，通过所述隔离钢带将成形腔左右相对隔开，隔板的上下位置平行设有隔离槽，刀架基座的侧面内嵌于所述隔离槽内，刮刀通过刀架固定于刀架基座上。

所述光路系统包括光路支架、动态聚焦镜、振镜、激光器、QBH接头、支架、光纤及准直扩束模块。

光路系统位于成形腔的上方，成形腔上开设有通光孔，通光孔上安装有保护玻璃片，并且所述通光孔位于成形缸的正上方，光路支架固定于成形腔上，动态聚焦镜固定于所述光路支架上，振镜通过支架固定于所述成形腔上，激光器产生的激光依次经QBH接头射出、准直扩束模块形成发射光斑、振镜进行二次反射、动态聚焦镜进行聚焦后穿过保护玻璃片及成形腔照射到成形缸内的基板上，激光器与QBH接头通过光纤相连接。

两个光路系统中的两台动态聚焦镜呈15-45°布置。

所述成形缸的侧面设有观察窗。

成形缸及送粉缸与第一活塞体的外侧面之间均设有第一活塞格莱圈及第一活塞导向环。

导向柱及丝杠均通过联接法兰及法兰螺栓固定在活塞端盖上。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的可更换粉缸双光束激光选区熔化成形设备中将回粉缸、成形缸、送粉缸及储粉缸从左到右依次固定于工作台板的下表面，将成形腔固定于工作台板的上表面，便于各粉缸的更换，减少更换粉缸对成形过程的影响，提高成形的效率。本发明采用两个光路系统，通过两个光路系统产生不同大小的光斑，利用大光斑对金属粉末进行预热及缓冷，提高材料对激光的吸收率，缓解应力，降低温度梯度，降低偏析、裂纹和孔隙等组织缺陷，利用小光斑成形，聚焦性能好，能量稳定，提高成形效率、精度和质量，同时实现对金属粉末的可控预热，使粉末受热均匀，改善温度梯度，减低构件变形和开裂。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的后视图；

图3为本发明的左视图；

图4为本发明中送粉缸23及成形缸的结构示意图；

图5为本发明中提升架31的原理图；

图6为本发明中第一活塞系统的原理图；

图7为本发明的侧视图。

其中，1为QBH接头、2为光纤、3为准直扩束模块、4为振镜、5为支架、6为动态聚焦镜、7为光路支架、8为通光孔、9为保护玻璃片、10为成形腔、11为工作台板、12为隔热板、13为观测窗、14为回粉缸、15为成形缸、16为导向板、17为粉缸推架、18为机架、19为刀架基座、20为刀架、21为刮刀21、22为隔离槽、23为送粉缸、24为储粉缸、25为电缸、26为电机、27为丝杠、28为导向柱、29为托板、30为背板、31为提升架、32为滑块、33为导轨、34为电推缸、35为滑台、36为隔板、37为T形架、38为隔离钢带、39为支撑板、40为刀架滑块40、41为丝杠螺母组件、42为刀架导轨、43为基板、44为第一活塞格莱圈、45为活塞加热板、46为第一活塞导向环、47为联接法兰、48为法兰螺栓、49为缸体隔热圈、50为缸体、51为缸体端盖、52为第二活塞体、53为第二活塞格莱圈、54为活塞螺栓、55为第二活塞导向环、56为立板、57为电缸螺栓、58为储粉端盖、59为导套、60为丝杠法兰、61为轴承、62为丝杠螺母、63为齿轮、64为共轭齿轮、65为电机支座、66为活塞隔热板、67为活塞端盖、68为第一活塞体、69为缸体加热圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1、图2、图3、图4、图5、图6及图7，本发明所述的可更换粉缸双光束激光选区熔化成形设备包括两个光路系统、机架18、工作台板11、送粉缸23、储粉缸24、成形缸15、回粉缸14、成形腔10以及分别带动成形缸15及送粉缸23上下运动的两个第一驱动机构；工作台板11固定于机架18上，成形腔10固定于工作台板11的上表面，回粉缸14、成形缸15、送粉缸23及储粉缸24从左到右依次固定于工作台板11的下表面，回粉缸14顶部的开口、成形缸15顶部的开口、送粉缸23顶部的开口及储粉缸24顶部的开口均与成形腔10行连通；成形腔10的内部设有刮刀21，机架18上设有用于带动刮刀21左右移动的第二驱动机构；所述送粉缸23及成形缸15内均设有基板43，送粉缸23及成形缸15的下端均设有缸体端盖51，所述基板43连接有用于推动基板43上下移动的第一活塞系统；储粉缸24内设有第二活塞系统，储粉缸24的下端设有储粉端盖58；两个光路系统产生的激光穿过成形腔10照射到成形缸15内的基板43上。

第一活塞系统包括第一活塞体68、活塞隔热板66、缸体端盖51、导向柱28、丝杠27、丝杠螺母62、丝杠法兰60、齿轮63、共轭齿轮64、电机26及电机支座65；第一活塞体68的上端固定于基板43上，第一活塞体68的内部设有活塞加热板45，第一活塞体68的下端固定有活塞端盖67，活塞隔热板66位于第一活塞体68与活塞端盖67之间，送粉缸23及成形缸15的缸体50的外壁上均自上到下依次套接有缸体加热圈69及缸体隔热圈49，导向柱28的上端及丝杠27的上端均固定于活塞端盖67的底部，导向柱28的下端及丝杠27的下端通过托板29相连接，缸体端盖51上设有用于对丝杠27及导向柱28进行运动导向的导套59，丝杠螺母62与丝杠27的侧面相啮合，丝杠法兰60通过轴承61固定于导套59上，齿轮63安装于导套59的下端，齿轮63的共轭齿轮64套接于电机26的转动轴上，电机26通过电机支座65固定于缸体端盖51上，齿轮63的内侧与丝杠螺母62的外侧相啮合。

第二活塞系统包括第二活塞体52及电缸25；储粉缸24的内壁珩磨，第二活塞体52安装于储粉缸24的内，第二活塞体52的侧面与储粉缸24的内壁之间设有第二活塞格莱圈53及第二活塞导向环55，第二活塞体52与储粉缸24的内壁之间有间隙，电缸25通过电缸螺栓57固定于储粉端盖58上，电缸25的活塞杆穿过储粉端盖58后通过活塞螺栓54固定于第二活塞体52上。

所述第一驱动机构包括背板30、滑块32、滑台35、提升架31、电推缸34、粉缸推架17以及用于对粉缸推架17进行导向的导向板16；背板30固定于机架18上，背板30上固定有导轨33，滑块32位于所述导轨33上，滑台35固定于导轨33的上，提升架31安装于所述滑台35上，电推缸34安装于提升架31上，成形缸15放置于粉缸推架17上，粉缸推架17与电推缸34的输出杆相连接，导向板16固定于机架18上。

所述第二驱动机构包括立板56、刀架导轨42、刀架滑块40、支撑板39、丝杠螺母组件41、T形架37、隔板36、隔离钢带38及刀架基座19；立板56固定于工作台板11上，刀架导轨42固定于立板56的上，刀架滑块40位于刀架导轨42上，支撑板39与刀架滑块40相连接，丝杠螺母组件41与支撑板39相连接，T形架37的一端固定于支撑板39上，T形架37的另一端穿过隔板36与刀架基座19相连接，隔离钢带38位于T形架37与刀架基座19之间，通过所述隔离钢带38将成形腔10左右相对隔开，隔板36的上下位置平行设有隔离槽22，刀架基座19的侧面内嵌于所述隔离槽22内，刮刀21通过刀架20固定于刀架基座19上。

所述光路系统包括光路支架7、动态聚焦镜6、振镜4、激光器、QBH接头1、支架5、光纤2及准直扩束模块3，光路系统位于成形腔10的上方，成形腔10上开设有通光孔8，通光孔8上安装有保护玻璃片9，并且所述通光孔8位于成形缸15的正上方，光路支架7固定于成形腔10上，动态聚焦镜6固定于所述光路支架7上，振镜4通过支架5固定于所述成形腔10上，激光器产生的激光依次经QBH接头1射出、准直扩束模块3形成发射光斑、振镜4进行二次反射、动态聚焦镜6进行聚焦后穿过保护玻璃片9及成形腔10照射到成形缸15内的基板43上，激光器与QBH接头1通过光纤2相连接，两个光路系统中的两台动态聚焦镜6呈15-45°布置。通过控制振镜4两个轴的转动和动态聚焦镜6，产生两个大小不同的重叠光斑，利用大光斑对金属粉末进行预热和缓冷，提高材料对激光的吸收率，缓解应力，降低温度梯度，降低偏析、裂纹和孔隙等组织缺陷，利用小光斑成形，聚焦性能好，能量稳定，提高成形效率、精度和质量。

需要说明的是，所述成形缸15的侧面设有观察窗13，成形缸15及送粉缸23与第一活塞体68的外侧面之间均设有第一活塞格莱圈44及第一活塞导向环46，导向柱28及丝杠27均通过联接法兰47及法兰螺栓48固定在活塞端盖67上。

本发明的具体工作过程为：

将成形缸15和送粉缸23分别放置在粉缸推架17上，将粉缸推架17沿导向板16推放到工作台板11下方位置，利用电推缸34运动使提升架31运动，进而使成形缸15和送粉缸23与工作台板11下表面贴合，利用螺栓将成形缸15和送粉缸23固定在工作台板11，保证固定可靠。然后将基板43放置到成形缸15和送粉缸23中并调平，将刮刀21固定在刀架20上，调整使刮刀21与基板43和工作台板11保持平行。其次将金属粉末放置到送粉缸23中，向成形腔10内充入惰性气体，通过置换和纯化处理，使成形腔10内的水氧含量控制在100ppm以内。然后启动电源通过活塞加热板45和缸体加热圈69对金属粉末进行预热，并控制预热温度始终处于200℃左右；通过控制电机26使送粉缸23的第一活塞体68向上运动，同时丝杠螺母组件41带动刮刀向成形缸15方向运动，将送粉缸23内的金属粉末刮到成形缸15的基板43上，多余的粉末进入储粉缸23，此时激光器产生的激光束通过光纤2经QBH接口1和准直扩束模块3进入振镜4，按照成形预设激光扫描轨迹，控制振镜4两个镜片运动，将激光束经动态聚焦镜6聚焦后形成大小不同的重叠双光斑进入成形腔10内，在成形缸15的基板43上熔化成形，形成单层轨迹；储粉缸24向上运动，将多余的金属粉末通过刮刀21的运动再次刮送到成形缸15已成形的金属粉末上，多余的粉末进入回粉缸13，实现双向铺粉，如此循环往复，直至三维实体零件成形完成；成形后零件在成形腔10内冷却到接近温时，取出成形件进行后处理，完成整个成形过程。

Claims (10)

1.一种可更换粉缸双光束激光选区熔化成形设备，其特征在于，包括两个光路系统、机架(18)、工作台板(11)、送粉缸(23)、储粉缸(24)、成形缸(15)、回粉缸(14)、成形腔(10)以及分别带动成形缸(15)及送粉缸(23)上下运动的两个第一驱动机构；

工作台板(11)固定于机架(18)上，成形腔(10)固定于工作台板(11)的上表面，回粉缸(14)、成形缸(15)、送粉缸(23)及储粉缸(24)从左到右依次固定于工作台板(11)的下表面，回粉缸(14)顶部的开口、成形缸(15)顶部的开口、送粉缸(23)顶部的开口及储粉缸(24)顶部的开口均与成形腔(10)行连通；

成形腔(10)的内部设有刮刀(21)，机架(18)上设有用于带动刮刀(21)左右移动的第二驱动机构；

所述送粉缸(23)及成形缸(15)内均设有基板(43)，送粉缸(23)及成形缸(15)的下端均设有缸体端盖(51)，所述基板(43)连接有用于推动基板(43)上下移动的第一活塞系统；

储粉缸(24)内设有第二活塞系统，储粉缸(24)的下端设有储粉端盖(58)；

两个光路系统产生的激光穿过成形腔(10)照射到成形缸(15)内的基板(43)上。

2.根据权利要求1所述的可更换粉缸双光束激光选区熔化成形设备，其特征在于，第一活塞系统包括第一活塞体(68)、活塞隔热板(66)、缸体端盖(51)、导向柱(28)、丝杠(27)、丝杠螺母(62)、丝杠法兰(60)、齿轮(63)、共轭齿轮(64)、电机(26)及电机支座(65)；

第一活塞体(68)的上端固定于基板(43)上，第一活塞体(68)的内部设有活塞加热板(45)，第一活塞体(68)的下端固定有活塞端盖(67)，活塞隔热板(66)位于第一活塞体(68)与活塞端盖(67)之间，送粉缸(23)及成形缸(15)的缸体(50)的外壁上均自上到下依次套接有缸体加热圈(69)及缸体隔热圈(49)，导向柱(28)的上端及丝杠(27)的上端均固定于活塞端盖(67)的底部，导向柱(28)的下端及丝杠(27)的下端通过托板(29)相连接，缸体端盖(51)上设有用于对丝杠(27)及导向柱(28)进行运动导向的导套(59)，丝杠螺母(62)与丝杠(27)的侧面相啮合，丝杠法兰(60)通过轴承(61)固定于导套(59)上，齿轮(63)安装于导套(59)的下端，齿轮(63)的共轭齿轮(64)套接于电机(26)的转动轴上，电机(26)通过电机支座(65)固定于缸体端盖(51)上，齿轮(63)的内侧与丝杠螺母(62)的外侧相啮合。

3.根据权利要求2所述的可更换粉缸双光束激光选区熔化成形设备，其特征在于，第二活塞系统包括第二活塞体(52)及电缸(25)；

储粉缸(24)的内壁珩磨，第二活塞体(52)安装于储粉缸(24)的内，第二活塞体(52)与储粉缸(24)的内壁之间有间隙，电缸(25)通过电缸螺栓(57)固定于储粉端盖(58)上，电缸(25)的活塞杆穿过储粉端盖(58)后通过活塞螺栓(54)固定于第二活塞体(52)上。

4.根据权利要求1所述的可更换粉缸双光束激光选区熔化成形设备，其特征在于，所述第一驱动机构包括背板(30)、滑块(32)、滑台(35)、提升架(31)、电推缸(34)、粉缸推架(17)以及用于对粉缸推架(17)进行导向的导向板(16)；

背板(30)固定于机架(18)上，背板(30)上固定有导轨(33)，滑块(32)位于所述导轨(33)上，滑台(35)固定于导轨(33)的上，提升架(31)安装于所述滑台(35)上，电推缸(34)安装于提升架(31)上，成形缸(15)放置于粉缸推架(17)上，粉缸推架(17)与电推缸(34)的输出杆相连接，导向板(16)固定于机架(18)上。

5.根据权利要求1所述的可更换粉缸双光束激光选区熔化成形设备，其特征在于，所述第二驱动机构包括立板(56)、刀架导轨(42)、刀架滑块(40)、支撑板(39)、丝杠螺母组件(41)、T形架(37)、隔板(36)、隔离钢带(38)及刀架基座(19)；

立板(56)固定于工作台板(11)上，刀架导轨(42)固定于立板(56)的上，刀架滑块(40)位于刀架导轨(42)上，支撑板(39)与刀架滑块(40)相连接，丝杠螺母组件(41)与支撑板(39)相连接，T形架(37)的一端固定于支撑板(39)上，T形架(37)的另一端穿过隔板(36)与刀架基座(19)相连接，隔离钢带(38)位于T形架(37)与刀架基座(19)之间，通过所述隔离钢带(38)将成形腔(10)左右相对隔开，隔板(36)的上下位置平行设有隔离槽(22)，刀架基座(19)的侧面内嵌于所述隔离槽(22)内，刮刀(21)通过刀架(20)固定于刀架基座(19)上。

6.根据权利要求1所述的可更换粉缸双光束激光选区熔化成形设备，其特征在于，所述光路系统包括光路支架(7)、动态聚焦镜(6)、振镜(4)、激光器、QBH接头(1)、支架(5)、光纤(2)及准直扩束模块(3)；

光路系统位于成形腔(10)的上方，成形腔(10)上开设有通光孔(8)，通光孔(8)上安装有保护玻璃片(9)，并且所述通光孔(8)位于成形缸(15)的正上方，光路支架(7)固定于成形腔(10)上，动态聚焦镜(6)固定于所述光路支架(7)上，振镜(4)通过支架(5)固定于所述成形腔(10)上，激光器产生的激光依次经QBH接头(1)射出、准直扩束模块(3)形成发射光斑、振镜(4)进行二次反射、动态聚焦镜(6)进行聚焦后穿过保护玻璃片(9)及成形腔(10)照射到成形缸(15)内的基板(43)上，激光器与QBH接头(1)通过光纤(2)相连接。

7.根据权利要求6所述的可更换粉缸双光束激光选区熔化成形设备，其特征在于，两个光路系统中的两台动态聚焦镜(6)呈15-45°布置。

8.根据权利要求1所述的可更换粉缸双光束激光选区熔化成形设备，其特征在于，所述成形缸(15)的侧面设有观察窗(13)。

9.根据权利要求3所述的可更换粉缸双光束激光选区熔化成形设备，其特征在于，

成形缸(15)及送粉缸(23)与第一活塞体(68)的外侧面之间均设有第一活塞格莱圈(44)及第一活塞导向环(46)；

第二活塞体(52)的侧面与储粉缸(24)的内壁之间设有第二活塞格莱圈(53)及第二活塞导向环(55)。

10.根据权利要求2所述的可更换粉缸双光束激光选区熔化成形设备，其特征在于，导向柱(28)及丝杠(27)均通过联接法兰(47)及法兰螺栓(48)固定在活塞端盖(67)上。