CN105215358A - 铝材的送粉式激光增材制造系统及方法 - Google Patents

铝材的送粉式激光增材制造系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种铝材的送粉式激光增材制造系统及方法，其中方法具体步骤为，步骤一：建立零件三维模型；步骤二：生成扫描路径；步骤三：对密闭加工腔体抽取真空；步骤四：向密闭加工腔体注入保护性气体；步骤五：向密闭加工腔送入粉末原材料；步骤六：开启波长为700nm-900nm的激光融化粉末原材料；步骤七：判断是否完成零件成形，否，则进入步骤八，是，则进入九；步骤八：调整密闭加工腔中材料沉积部件高度，进入步骤五；步骤九：清理零件表面粉末；步骤十：取出成形零件。系统设置有控制系统、激光发射系统和成形系统，该系统整体结构简单，布局合理，快速高效的实现铝材粉末的激光增材制造。

Description

铝材的送粉式激光增材制造系统及方法
技术领域
本发明涉及一种增材制造技术领域，具体涉及一种铝材的送粉式激光增材制造系统及方法。
背景技术
激光快速成形技术是基于上世界70年代末期的激光多层熔覆技术发展起来的一类技术。该技术通过采用计算机设计数字化模型，并通过计算机智能控制，将材料逐层累加成型，最终实现具有三维复杂结构的实体零部件，是一项典型的数字化制造、绿色智能制造技术。目前的激光快速成形技术主要包括立体光刻技术、分层实体制造技术、激光近净成形技术、选择性激光烧结成形技术、选择性激光熔化成形技术等，其中金属结构的激光快速成形主要依赖于激光近净成形技术、选择性激光烧结成形技术、选择性激光熔化成形技术等实现。
铝由于具有密度小，强度高，耐低温，导电、导热性好，延展性好等优点，使得铝、铝合金及铝基复合材料在国民经济和国防工业的各个方面获得广泛应用。目前发展的用于铝、铝合金及铝基复合材料的激光快速成形技术主要依赖于选择性激光烧结成形和选择性激光熔化成形技术，其所采用的激光光源主要为光纤激光器和Nd:YAG激光器。由于铝、铝合金及铝基复合材料在进行激光成形过程中，存在较高的反射率，其在激光快速成形方面的研究落后于其它金属材料，因此，迫切需要发展适合于铝、铝合金及铝基复合材料的激光快速成形方法。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种，利用波长为700nm-900nm的激光，对铝、铝合金及铝基复合的粉末材料的送粉式激光增材制造方法，可减小激光反射，使其更加节能，同时成形速度更快，成形品质更好，具体技术方案如下：
一种铝材的送粉式激光增材制造方法，其特征在于：具体步骤为，
步骤一：建立零件三维模型；
步骤二：生成扫描路径；
步骤三：对密闭加工腔体抽取真空；
步骤四：向密闭加工腔体注入保护性气体；
步骤五：向密闭加工腔送入粉末原材料；
步骤六：开启波长为700nm-900nm的激光融化粉末原材料；
步骤七：判断是否完成零件成形，否，则进入步骤八，是，则进入九；
步骤八：调整密闭加工腔中材料沉积部件高度，进入步骤五；
步骤九：清理零件表面粉末；
步骤十：取出成形零件。
为更好的实现本发明，铝材的送粉式激光增材制造方法可进一步为：
所述粉末原材料为铝，或者为铝合金，或者为铝基复合材料，且该粉末原材料粒径范围为1nm-1mm，粉末制造方便，溶解效率高，成形产品更加精准。
所述波长为700nm-900nm的激光为连续激光，或者为脉冲激光，或者为准连续激光。
所述加工腔体抽取真空的气压范围为1×10-5Pa到1×104Pa。
采用上述铝材的送粉式激光增材制造方法的制造系统，包括控制系统(1)、激光发射系统(2)和成形系统(3)，其特征在于：所述激光发射系统(2)设有光源机构(4)，该光源机构(4)发出的激光依次经光闸(5)、扩束镜(6)、衰减器(7)和振镜(8)进入所述成形系统(3)；所述成形系统(3)设有密闭加工腔体(9)，在该密闭加工腔体(9)设有运动机构(10)，在该运动机构(10)的输出端上设有材料沉积头(11)，所述光源机构(4)发出的激光对准所述材料沉积头(11)，所述密闭加工腔体(9)外部还设置有抽真空装置(12)、保护气体注入机构(13)和送粉装置(14)，所述抽真空装置(12)的抽真空口和所述保护气体注入机构(13)气体输出口均穿过所述密闭加工腔体(9)腔壁与该密闭加工腔体(9)相通，所述送粉装置(14)出粉口均穿过所述密闭加工腔体(9)腔壁与所述材料沉积头(11)相通；
所述光闸(5)、衰减器(7)、振镜(8)、运动机构(10)、材料沉积头(11)、抽真空装置(12)、保护气体注入机构(13)和送粉装置(14)的控制端分别与所述控制系统(1)相连。
为更好的实现本发明，采用上述铝材的送粉式激光增材制造方法的制造系统可进一步为：
所述激光发射系统(2)中的激光光源为半导体激光器，或者为固体激光器，或者为光纤激光器，且该激光光源发出的激光波长为700nm-900nm。激光光源采用波长为700nm-900nm发射功率低，且针对铝材粉末折射率较低，能耗损失小，融化效率也将大大提高。
所述材料沉积头(11)由同轴送粉打印头和侧向送粉打印头组合而成，从不同角度进行送粉，满足不通成形环境的需要，使其不发明打印范围更加广泛。
本发明的有益效果为：结合大量实验和铝材的特性，利用波长为700nm-900nm的激光溶解铝材，如铝粉、铝合金粉和铝基符合材料粉，吸收效率高，成形速度快；在保护气体的环境下输送粉末原材料以及打印成形，可保证粉末原材料在激光溶解过程中不与空气发生化学反应，使其成形效果更好；整个铝材的送粉式激光增材制造方法工艺简单，对硬件要求低，实现容易，可最大限度的降低成形成本，且成形速度快，成形产品质量好，有效解决了对粉末铝材的激光增材制造问题；采用铝材的送粉式激光增材制造方法的制造系统，结构简单，整体布局合理，所有加工系统采用控制系统集中控制，操作方便，控制精准，智能化程度高；其中密闭加工腔体及其与之配合的抽真空装置和保护气体注入机构的设置，使其整个加工过程在保护气体的环境下进行加工，避免外界空气影响产品成形，同时也可有效避免外界环境对其加工过程的干扰，整个制造过程更加安全；采用送粉方式进行原材料供应，成形质量好，速度快，通过对激光和送粉的同时控制，更好的实现不同需求的增材制造需求。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明制造系统的结构示意图；
图3为AlSi10Mg铝合金粉体的激光吸收图谱；
图4为加工产品的表面粗糙度测试图；
图5为AlSi10Mg铝合金成型件表面形貌图；
图6为AlSi10Mg铝合金成型件表面粗糙度测试图；
图7为AlSi10Mg铝合金成型件微观组织图；
图8为采用本发明所制备的AlSi10Mg铝合金成型件的硬度测试结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1所示：一种铝材的送粉式激光增材制造方法，具体步骤为，
步骤一：根据加工零件，利用计算机建立零件三维模型；
步骤二：将加工零件切成二维平面生成扫描路径，并将该扫描路径传送到制造系统中；
步骤三：对制造系统中的密闭加工腔体抽取真空，在气压达到1×10-5Pa时，停止抽真空作业；
步骤四：利用保护气体输送装置向密闭加工腔体注入氩气；
步骤五：向密闭加工腔送入粒径范围为2nm-0.5mm铝合金粉末原材料，；
步骤六：开启波长为808nm的连续激光融化铝合金粉末原材料；
步骤七：控制系统根据扫描路径，判断是否完成零件成形，否，则进入步骤八，是，则进入九；
步骤八：调整密闭加工腔中材料沉积部件高度，进入步骤五；
步骤九：清理零件表面粉末；
步骤十：取出成形零件。
如图3所示：采用上述铝材的送粉式激光增材制造方法的制造系统，设置有控制系统1、激光发射系统2和成形系统3，所述激光发射系统2设有光源机构4，该光源机构4中的激光器为半导体激光器，发出的808nm的连续激光依次经光闸5、扩束镜6、衰减器7和振镜8进入所述成形系统3；
所述成形系统3设有密闭加工腔体9，在该密闭加工腔体9设有运动机构10，在该运动机构10的输出端上设有材料沉积头11，所述光源机构4发出的激光对准所述材料沉积头11，材料沉积头11由同轴送粉打印头和侧向送粉打印头组合而成；
所述密闭加工腔体9外部设置有抽真空装置12、保护气体注入机构13和送粉装置14，所述抽真空装置12的抽真空口和所述保护气体注入机构13气体输出口均穿过所述密闭加工腔体9腔壁与该密闭加工腔体9相通，所述送粉装置14出粉口均穿过所述密闭加工腔体9腔壁与所述材料沉积头11相通，在作业过程中，先对密闭加工腔体9进行抽真空作业，在真空达到1×10-5Pa时候停止抽真空，然后输入氩气；
所述光闸5、衰减器7、振镜8、运动机构10、材料沉积头11、抽真空装置12、保护气体注入机构13和送粉装置14的控制端分别与所述控制系统1相连。
根据对铝合金粉对激光吸收率的大量实验，如图3，得出激光波长范围为800nm～850nm时，铝合金粉的吸收率有一个峰值，吸收率超过70％，本实施例中采用波长为808nm的激光作为加工光源，充分利用铝合金粉的吸收率峰值，可最大限度节省能源，提高成形效率，如图4所示，采用上述增材制造系统和方法加工零件成形速度快，表面光泽好，且更加平整，如图5所示，激光波长范围为800nm～850nm时，铝合金成型件表面光滑、致密，具有较高的成型质量，如图6所示，激光波长范围为800nm～850nm时，铝合金成型件表面最高精度Ra可达0.62μm，具有较高的表面质量；如图7所示，加工件晶粒十分细小，组织致密，经测量平均晶粒尺寸小于1μm。灰色的胞状结构为Al基体，白色的纤维状的为Si相。根据测试结构，可得出采用本发明的方法和系统所成形的产品，品质高，外观美观，具有很高的应用价值；如图8所示，采用本发明的激光选区熔化成型方法及系统所制备的AlSi10Mg铝合金成型件在不同工艺条件下的硬度测试结果，可以看出，维氏硬度值基本稳定在HV110～HV130之间波动，均值为HV120±3，大于传统AlSi10Mg铸材的HV95～HV105，说明成型件具有优异的力学性能。

Claims (7)

1.一种铝材的送粉式激光增材制造方法，其特征在于：具体步骤为，
步骤一：建立零件三维模型；
步骤二：生成扫描路径；
步骤三：对密闭加工腔体抽取真空；
步骤四：向密闭加工腔体注入保护性气体；
步骤五：向密闭加工腔送入粉末原材料；
步骤六：开启波长为700nm-900nm的激光融化粉末原材料；
步骤七：判断是否完成零件成形，否，则进入步骤八，是，则进入九；
步骤八：调整密闭加工腔中材料沉积部件高度，进入步骤五；
步骤九：清理零件表面粉末；
步骤十：取出成形零件。
2.根据权利要求1所述铝材的送粉式激光增材制造方法，其特征在于：所述粉末原材料为铝，或者为铝合金，或者为铝基复合材料，且该粉末原材料粒径范围为1nm～1mm。
3.根据权利要求1所述铝材的送粉式激光增材制造方法，其特征在于：所述波长为700nm-900nm的激光为连续激光，或者为脉冲激光，或者为准连续激光。
4.根据权利要求1所述铝材的送粉式激光增材制造方法，其特征在于：所述加工腔体抽取真空的气压范围为1×10-5Pa到1×104Pa。
5.采用权利要求1所述铝材的送粉式激光增材制造方法的制造系统，包括控制系统(1)、激光发射系统(2)和成形系统(3)，其特征在于：所述激光发射系统(2)设有光源机构(4)，该光源机构(4)发出的激光依次经光闸(5)、扩束镜(6)、衰减器(7)和振镜(8)进入所述成形系统(3)；
所述成形系统(3)设有密闭加工腔体(9)，在该密闭加工腔体(9)设有运动机构(10)，在该运动机构(10)的输出端上设有材料沉积头(11)，所述光源机构(4)发出的激光对准所述材料沉积头(11)，所述密闭加工腔体(9)外部还设置有抽真空装置(12)、保护气体注入机构(13)和送粉装置(14)，所述抽真空装置(12)的抽真空口和所述保护气体注入机构(13)气体输出口均穿过所述密闭加工腔体(9)腔壁与该密闭加工腔体(9)相通，所述送粉装置(14)出粉口均穿过所述密闭加工腔体(9)腔壁与所述材料沉积头(11)相通；
所述光闸(5)、衰减器(7)、振镜(8)、运动机构(10)、材料沉积头(11)、抽真空装置(12)、保护气体注入机构(13)和送粉装置(14)的控制端分别与所述控制系统(1)相连。
6.根据权利要求5所述铝材的送粉式激光增材制造方法的制造系统，其特征在于：所述激光发射系统(2)中的激光光源为半导体激光器，或者为固体激光器，或者为光纤激光器，且该激光光源发出的激光波长为700nm-900nm。
7.根据权利要求5所述铝材的送粉式激光增材制造方法的制造系统，其特征在于：所述材料沉积头(11)由同轴送粉打印头和侧向送粉打印头组合而成。
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Effective date of registration: 20180112

Address after: No. 266, fangzheng Avenue, water and soil Town, Beibei District, Chongqing City, Chongqing

Patentee after: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of the Chinese Academy of Sciences

Address before: 400714 Beibei City, soil and water district, the town of Fangzheng Avenue, No. 256

Patentee before: CHONGQING SAILING SCIENCE AND TECHNOLOGY CO., LTD.

CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Chen Yong

Inventor after: Duan Xuanming

Inventor after: Cao Hongzhong

Inventor after: Wang Linzhi

Inventor after: Wang Guoyu

Inventor after: Fan Shuqian

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