CN105478768B - 3d打印模具激光熔覆设备及渐层工艺 - Google Patents

Abstract

3D打印模具激光熔覆设备，包括螺旋混粉喷粉机、激光器及喷氮装置，所述螺旋混粉喷粉机包括混粉装置、控制设备、给气装置、喷嘴以及复数个粉仓；各粉仓均通过一送粉管与该混粉装置连接，该喷嘴与混粉装置的底部连接；各所述送粉管以及喷嘴均连接至给气装置；各所述粉仓的出粉端以及喷嘴的进粉端均设置有一流量控制器；各所述流量控制器及给气装置均与所述控制设备连接；所述激光器设置有一激光头，所述喷氮装置设置有一氮气喷头，所述激光头、喷嘴以及氮气喷头均通过一机械手的带动实现激光熔覆。本发明优点如下：可以将各种粉末以不同比率变化均匀混合，并实时提供给激光熔覆打印模具，且可以实现模具的渐层，使模具内软外硬，提高模具使用寿命。

Description

3D打印模具激光熔覆设备及渐层工艺

技术领域

本发明涉及激光熔覆领域，特别涉及一种3D打印模具激光熔覆设备及渐层工艺。

背景技术

3D打印模具激光熔覆是先进制程工艺之一，一般3D打印模具激光熔覆常使用的方式是：采用人工或自动的方式在送粉器的粉仓中进行合金调配，在3D打印模具激光熔覆过程中，是根据模具的形状从下到上一层一层地堆栈上去，且在堆栈时，同一层使用的都是相同的熔覆材料，而不同层之间使用的是不同比率的熔覆材料。但是以上方式存在有如下缺陷：1、送粉器无法将各种粉末充分搅拌均匀，因此激光熔覆的效果比较差；2、无法达到模具外面硬，里面软的效果，因此激光熔覆后的模具的使用寿命比较短；3、在激光熔覆过程中激光熔覆材料与模具基层材料存在界面接合脆弱问题，这也会大大降低模具的使用寿命。

现有技术中实现模具外面硬，里面软的工艺如下：先采用人工或自动的方式调配合金粉末，再将调配好的粉末在混粉器中均匀混合并在沉积模具中完成梯度粉体堆积，在具体堆积时，模具的外层堆积有材质较硬的合金粉末，模具的内部堆积有材质逐渐变软的合金粉末，然后经过冷压成型后再烧结得到外面硬，里面软的模具，但是这种烧结方式存在如下不足：合金粉末的堆积比较困难，工艺复杂，虽然可以实现模具外面硬，里面软，但存在有较多不稳定因素(例如堆积的合金粉末发生移动、烧结时温度的变化等)，因此实现效果比较差，模具的使用寿命也比预期的短。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一，在于提供一种3D打印模具激光熔覆设备，通过该设备将各种粉末均匀混合，并激光熔覆打印模具。

本发明是这样实现技术问题之一的：3D打印模具激光熔覆设备，包括一螺旋混粉喷粉机、一激光器以及一喷氮装置；

所述螺旋混粉喷粉机包括一混粉装置、一喷嘴、一控制设备、一给气装置以及复数个粉仓；

各粉仓均通过一送粉管与该混粉装置连接，该喷嘴与混粉装置的底部连接；所述混粉装置包括一混粉仓体以及一设置在该混粉仓体内的搅拌机构，所述混粉仓体的底部设置有一出粉口；所述喷嘴与混粉装置之间设置有一缓冲仓；各所述送粉管均通过一第一送气管连接至所述给气装置；各所述送粉管的出粉端均朝向所述混粉仓体的内部弯曲一预设角度；所述喷嘴通过一第二送气管连接至所述给气装置；各所述粉仓的出粉端以及喷嘴的进粉端均设置有一流量控制器；各所述流量控制器以及给气装置均与所述控制设备连接；

所述激光器设置有一激光头，所述喷氮装置设置有一氮气喷头，所述激光头、喷嘴以及氮气喷头均通过一机械手的带动实现激光熔覆。

进一步地，所述搅拌机构包括一转轴、一轴承以及一支撑架；所述轴承固定设置在所述混粉仓体的顶端；所述支撑架固定设置在所述出粉口上；所述转轴上设置有复数片扇叶，且该转轴的上端与所述轴承连接，轴承的下端与所述支撑架抵接；每所述扇叶上均设置有复数根搅拌杆以及复数个小孔，每所述扇叶匀相对转轴向下倾斜30～45°。

进一步地，所述支撑架为十字架，该十字架的交叉处设置有一凹槽，所述转轴的下端抵接于该凹槽中。

进一步地，所述预设角度为45°。

进一步地，所述混粉仓体与缓冲仓结合在一起形成一倒置的葫芦状结构，该缓冲仓上设置有至少一泄气阀，每所述泄气阀均与所述控制设备连接。

进一步地，每所述粉仓上均设置有一氩气给气装置，每所述氩气给气装置均与所述控制设备连接。

本发明要解决的技术问题之二，在于提供一种3D打印模具激光熔覆渐层工艺，通过该渐层工艺来实现模具的渐层，并达到模具内软外硬的效果。

本发明是这样实现技术问题之二的：3D打印模具激光熔覆渐层工艺，所述渐层工艺使用上述3D打印模具激光熔覆设备；所述渐层工艺包括：

(1)将激光熔覆所需的高碳合金钢粉、锌粉、铬粉以及中碳合金钢粉均各自放入一粉仓中；

(2)采用激光熔覆打印模具的转化层：

A1、设置高碳合金钢粉、锌粉、铬粉以及中碳合金钢粉的出粉百分比，其中，高碳合金钢粉占86.5％，锌粉占0.5％，铬粉占5％～13％，中碳合金钢粉占0％～8％；且从打印的起始位置到中心位置处，铬粉的出粉百分比从13％线性递减至5％，中碳合金钢粉的出粉百分比从0％线性递增至8％，高碳合金钢粉和锌粉的出粉百分比保持不变；从中心位置到打印的结束位置处，铬粉的出粉百分比从5％线性递增至13％，中碳合金钢粉的出粉百分比从8％线性递减至0％，高碳合金钢粉和锌粉的出粉百分比保持不变；

A2、利用控制设备控制各流量控制器按照设置的出粉百分比往各送粉管输送各粉末，并控制给气装置将各粉末以螺旋雾化的方式喷进混粉仓体；利用搅拌机构将各粉末搅拌均匀，并将搅拌后的混合粉末通过缓冲仓输送至喷嘴；

A3、利用给气装置将混合粉末快速喷出，同时利用激光头对混合粉末进行激光熔覆，利用氮气喷头向混合粉末喷氮气；

(3)采用激光熔覆并配合转化层堆栈模具的第二层：

B1、设置高碳合金钢粉、铬粉以及中碳合金钢粉的出粉百分比，其中，高碳合金钢粉占87％，铬粉占5％～13％，中碳合金钢粉占0％～8％；且从打印的起始位置到中心位置处，铬粉的出粉百分比从13％线性递减至5％，中碳合金钢粉的出粉百分比从0％线性递增至8％，高碳合金钢粉的出粉百分比保持不变；从中心位置到打印的结束位置处，铬粉的出粉百分比从5％线性递增至13％，中碳合金钢粉的出粉百分比从8％线性递减至0％，高碳合金钢粉的出粉百分比保持不变；

B2、利用控制设备控制各流量控制器按照设置的出粉百分比往各送粉管输送各粉末，并控制给气装置将各粉末以螺旋雾化的方式喷进混粉仓体；利用搅拌机构将各粉末搅拌均匀，并将搅拌后的混合粉末通过缓冲仓输送至喷嘴；

B3、利用给气装置将混合粉末快速喷出，同时利用激光头对混合粉末进行激光熔覆，利用氮气喷头向混合粉末喷氮气；

(4)、按照(3)中的B1、B2、B3继续激光熔覆堆栈模具的上一层，直到堆栈完模具的顶层才停止。

本发明具有如下优点：1、可以通过计算机控制输送不同比率的激光熔覆材料粉，同时经过螺旋雾化喷粉，叶片搅拌得到均匀的混合粉末，并激光熔覆打印模具，实现高质量的激光熔覆效果；2、可以实现全自动均匀混粉，无需人工干预，可以减少对员工的健康造成的伤害，并降低生产成本；3、设置有转化层，可以有效解决激光熔覆材料与模具基层材料之间存在的界面接合脆弱问题，提高模具的使用寿命；4、激光熔覆后经热处理的模具内软外硬，效果极佳，可以大大提高模具的使用寿命。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明中螺旋混粉喷粉机的结构示意图。

图2是本发明中混粉装置的纵向剖视图。

图3是本发明中支撑架的结构示意图。

图4是本发明中混粉装置顶部的横向剖视图。

图5是本发明中电路连接框图。

图6是本发明使用激光熔覆设备打印模具的结构示意图。

具体实施方式

请参照图1至图6所示，3D打印模具激光熔覆设备，包括一螺旋混粉喷粉机100、一激光器200以及一喷氮装置300；所述螺旋混粉喷粉机100包括一混粉装置1、一控制设备2、一给气装置3、一喷嘴4以及复数个粉仓5；

各粉仓5均通过一送粉管6与该混粉装置1连接，该喷嘴4与混粉装置1的底部连接；其中，各所述粉仓5内装有激光熔覆所需的各种熔覆材料粉(包括高碳合金钢粉、锌粉、铬粉以及中碳合金钢粉)，在工作时，各粉仓5内的熔覆材料粉通过送粉管6进入混粉装置1中混匀，再送到喷嘴4进行激光熔覆。

所述混粉装置1包括一混粉仓体11以及一设置在该混粉仓体11内的搅拌机构12，用于将各种熔覆材料粉搅拌均匀，以提高激光熔覆的质量，所述混粉仓体11的底部设置有一出粉口(未图示)，搅拌后的熔覆材料混合粉末从该出粉口往下掉。

所述喷嘴4与混粉装置1之间设置有一缓冲仓7，用于气压的缓冲，防止气压过大。各所述送粉管6均通过一第一送气管81连接至所述给气装置3，各所述送粉管6的出粉端均朝向所述混粉仓体11的内部弯曲一预设角度，在工作时，通过给气装置3往各送粉管6中输送高压气体，实现各种熔覆材料粉的螺旋雾化喷粉，并带动搅拌机构12进行搅拌混粉；优选的，所述预设角度为45°。

所述喷嘴4通过一第二送气管82连接至所述给气装置3，以通过该给气装置3为喷嘴4提供高压气体，实现超音速即时送粉给激光使用。各所述粉仓5的出粉端以及喷嘴4的进粉端均设置有一流量控制器9；各所述流量控制器9均以及给气装置3与所述控制设备2(例如计算机)连接。在工作时，可以通过控制设备2控制给气装置3进行给气；可以通过控制设备2控制各粉仓5的出粉量，以得到不同比率的熔覆材料混合粉，也可以通过控制设备2控制喷嘴4的出粉量。

请重点参照图2所示，所述搅拌机构12包括一转轴121、一轴承122以及一支撑架123；所述轴承122固定设置在所述混粉仓体11的顶端；所述支撑架123固定设置在所述出粉口上；所述转轴121上设置有复数片扇叶1211，且该转轴121的上端与所述轴承122连接，轴承122的下端与所述支撑架123抵接。每所述扇叶1211上均设置有复数根搅拌杆1211a以及复数个小孔1211b；其中，搅拌杆1211a的作用是搅拌各种熔覆材料粉，使种熔覆材料粉均匀混合；小孔1211b的作用是使搅拌后的熔覆材料混合粉往下掉。所述支撑架123为十字架(即该支撑架123将出粉口分隔成四个粉末落入区域)，该十字架的交叉处设置有一凹槽1231，所述转轴121的下端抵接于该凹槽1231中，为了方便转轴121的下端与凹槽1231的抵接，在具体实施时，可以将转轴121的底部设计成尖端结构。为了确保熔覆材料混合粉都能够往下掉，每所述扇叶1211匀相对转轴121向下倾斜30～45°。

所述缓冲仓7上设置有至少一泄气阀71，每所述泄气阀71均与所述控制设备2连接。在工作时，可以通过控制设备2控制泄气阀71进行泄气，以防止内部气压过高。所述混粉仓体11与缓冲仓7结合在一起形成一倒置的葫芦状结构，这样设置的目的是：一方面，使上半部分的混粉仓体11空间足够大以及使混粉仓体11内的搅拌机构12受力更加均匀，以方便对各种熔覆材料粉进行充分搅拌；另一方面，使下半部分的缓冲仓7在进行泄气时，熔覆材料混合粉不会跟随气体跑出去，因为缓冲仓7的中间部分为一半径渐扩的变径结构，在具体实施时，可以将泄气阀71设置在变径结构的位置，这使得在泄气过程中即使熔覆材料混合粉跟随气体发生微小的偏移，也不会跑出缓冲仓7。

为了防止熔覆材料粉因堵塞等原因而无法往下送粉，每所述粉仓5上均设置有一氩气给气装置10，每所述氩气给气装置10均与所述控制设备2连接，在工作时，可以通过控制设备2控制氩气给气装置10往粉仓5输送氩气，利用高气压将熔覆材料粉往下压，以确保熔覆材料粉能够正常输送，不会发生堵塞现象。

请重点参照图6所示，所述激光器200设置有一激光头201，所述喷氮装置300设置有一氮气喷头301，所述激光头201、喷嘴4以及氮气喷头301均通过一机械手400的带动实现激光熔覆，机械手400可以带动激光头201、喷嘴4或氮气喷头301移动，以实现模具的打印。在工作时，当喷嘴4喷出混合粉末时，激光头201就对混合粉末进行激光熔覆，同时氮气喷头301会喷出氮气，以将氧气赶走，防止在激光熔覆过程中因为温度过高而导致氧气燃烧，并影响到激光熔覆的效果。

3D打印模具激光熔覆渐层工艺，所述渐层工艺使用上述3D打印模具激光熔覆设备；所述渐层工艺包括：

(1)将激光熔覆所需的高碳合金钢粉、锌粉、铬粉以及中碳合金钢粉均各自放入一粉仓5中；

(2)采用激光熔覆打印模具的转化层，在激光熔覆过程中，激光熔覆材料与模具基层材料存在界面接合脆弱问题，因此需要采用激光熔覆打印模具的转化层，使转化层材料的热膨胀系数介于激光熔覆材料与模具基层材料之间，这可以大大增加模具的使用寿命：

A1、设置高碳合金钢粉、锌粉、铬粉以及中碳合金钢粉的出粉百分比(可以通过控制设备2来进行准确设置，在转化层中加入锌粉是因为锌粉的热膨胀系数介于熔覆材料与模具基层材料之间，可以有效解决激光熔覆材料与模具基层材料之间存在的界面接合脆弱问题)，其中，高碳合金钢粉占86.5％，锌粉占0.5％，铬粉占5％～13％，中碳合金钢粉占0％～8％；且从打印的起始位置到中心位置处，铬粉的出粉百分比从13％线性递减至5％，中碳合金钢粉的出粉百分比从0％线性递增至8％，高碳合金钢粉和锌粉的出粉百分比保持不变；从中心位置到打印的结束位置处，铬粉的出粉百分比从5％线性递增至13％，中碳合金钢粉的出粉百分比从8％线性递减至0％，高碳合金钢粉和锌粉的出粉百分比保持不变；

A2、利用控制设备2控制各流量控制器9按照设置的出粉百分比往各送粉管6输送各粉末，并控制给气装置3将各粉末以螺旋雾化的方式喷进混粉仓体11；利用搅拌机构12将各粉末搅拌均匀，并将搅拌后的混合粉末通过缓冲仓7输送至喷嘴4；

A3、利用给气装置3将混合粉末快速喷出，同时利用激光头201对混合粉末进行激光熔覆，利用氮气喷头301向混合粉末喷氮气；

(3)采用激光熔覆并配合转化层堆栈模具的第二层：

B1、设置高碳合金钢粉、铬粉以及中碳合金钢粉的出粉百分比，其中，高碳合金钢粉占87％，铬粉占5％～13％，中碳合金钢粉占0％～8％；且从打印的起始位置到中心位置处，铬粉的出粉百分比从13％线性递减至5％，中碳合金钢粉的出粉百分比从0％线性递增至8％，高碳合金钢粉的出粉百分比保持不变；从中心位置到打印的结束位置处，铬粉的出粉百分比从5％线性递增至13％，中碳合金钢粉的出粉百分比从8％线性递减至0％，高碳合金钢粉的出粉百分比保持不变；

B2、利用控制设备2控制各流量控制器9按照设置的出粉百分比往各送粉管6输送各粉末，并控制给气装置3将各粉末以螺旋雾化的方式喷进混粉仓体11；利用搅拌机构12将各粉末搅拌均匀，并将搅拌后的混合粉末通过缓冲仓7输送至喷嘴4；

B3、利用给气装置3将混合粉末快速喷出，同时利用激光头201对混合粉末进行激光熔覆，利用氮气喷头301向混合粉末喷氮气；

(4)、按照(3)中的B1、B2、B3继续激光熔覆堆栈模具的上一层，直到堆栈完模具的顶层才停止。

综上所述，本发明具有如下有益效果：1、可以通过计算机控制输送不同比率的激光熔覆材料粉，同时经过螺旋雾化喷粉，叶片搅拌得到均匀的混合粉末，并激光熔覆打印模具，实现高质量的激光熔覆效果；2、可以实现全自动均匀混粉，无需人工干预，可以减少对员工的健康造成的伤害，并降低生产成本；3、设置有转化层，可以有效解决激光熔覆材料与模具基层材料之间存在的界面接合脆弱问题，提高模具的使用寿命；4、激光熔覆后经热处理的模具内软外硬，效果极佳，可以大大提高模具的使用寿命。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (6)

1.一种3D打印模具激光熔覆设备，其特征在于：包括：一螺旋混粉喷粉机、一激光器以及一喷氮装置；

所述螺旋混粉喷粉机包括一混粉装置、一喷嘴、一控制设备、一给气装置以及复数个粉仓；

各粉仓均通过一送粉管与该混粉装置连接，该喷嘴与混粉装置的底部连接；所述混粉装置包括一混粉仓体以及一设置在该混粉仓体内的搅拌机构，所述混粉仓体的底部设置有一出粉口；所述喷嘴与混粉装置之间设置有一缓冲仓；各所述送粉管均通过一第一送气管连接至所述给气装置；各所述送粉管的出粉端均朝向所述混粉仓体的内部弯曲一预设角度；所述喷嘴通过一第二送气管连接至所述给气装置；各所述粉仓的出粉端以及喷嘴的进粉端均设置有一流量控制器；各所述流量控制器以及给气装置均与所述控制设备连接；

所述激光器设置有一激光头，所述喷氮装置设置有一氮气喷头，所述激光头、喷嘴以及氮气喷头均通过一机械手的带动实现激光熔覆；

所述搅拌机构包括一转轴、一轴承以及一支撑架；所述轴承固定设置在所述混粉仓体的顶端；所述支撑架固定设置在所述出粉口上；所述转轴上设置有复数片扇叶，且该转轴的上端与所述轴承连接，轴承的下端与所述支撑架抵接；每所述扇叶上均设置有复数根搅拌杆以及复数个小孔，每所述扇叶匀相对转轴向下倾斜30～45°。

2.根据权利要求1所述的3D打印模具激光熔覆设备，其特征在于：所述支撑架为十字架，该十字架的交叉处设置有一凹槽，所述转轴的下端抵接于该凹槽中。

3.根据权利要求1所述的3D打印模具激光熔覆设备，其特征在于：所述预设角度为45°。

4.根据权利要求1所述的3D打印模具激光熔覆设备，其特征在于：所述混粉仓体与缓冲仓结合在一起形成一倒置的葫芦状结构，该缓冲仓上设置有至少一泄气阀，每所述泄气阀均与所述控制设备连接。

5.根据权利要求1所述的3D打印模具激光熔覆设备，其特征在于：每所述粉仓上均设置有一氩气给气装置，每所述氩气给气装置均与所述控制设备连接。

6.一种3D打印模具激光熔覆渐层工艺，其特征在于：所述渐层工艺使用如权利要求1至5任意一项所述的3D打印模具激光熔覆设备；所述渐层工艺包括：

(1)将激光熔覆所需的高碳合金钢粉、锌粉、铬粉以及中碳合金钢粉均各自放入一粉仓中；

(2)采用激光熔覆打印模具的转化层：

A1、设置高碳合金钢粉、锌粉、铬粉以及中碳合金钢粉的出粉百分比，其中，高碳合金钢粉占86.5％，锌粉占0.5％，铬粉占5％～13％，中碳合金钢粉占0％～8％；且从打印的起始位置到中心位置处，铬粉的出粉百分比从13％线性递减至5％，中碳合金钢粉的出粉百分比从0％线性递增至8％，高碳合金钢粉和锌粉的出粉百分比保持不变；从中心位置到打印的结束位置处，铬粉的出粉百分比从5％线性递增至13％，中碳合金钢粉的出粉百分比从8％线性递减至0％，高碳合金钢粉和锌粉的出粉百分比保持不变；

A2、利用控制设备控制各流量控制器按照设置的出粉百分比往各送粉管输送各粉末，并控制给气装置将各粉末以螺旋雾化的方式喷进混粉仓体；利用搅拌机构将各粉末搅拌均匀，并将搅拌后的混合粉末通过缓冲仓输送至喷嘴；

A3、利用给气装置将混合粉末快速喷出，同时利用激光头对混合粉末进行激光熔覆，利用氮气喷头向混合粉末喷氮气；

(3)采用激光熔覆并配合转化层堆栈模具的第二层：

B1、设置高碳合金钢粉、铬粉以及中碳合金钢粉的出粉百分比，其中，高碳合金钢粉占87％，铬粉占5％～13％，中碳合金钢粉占0％～8％；且从打印的起始位置到中心位置处，铬粉的出粉百分比从13％线性递减至5％，中碳合金钢粉的出粉百分比从0％线性递增至8％，高碳合金钢粉的出粉百分比保持不变；从中心位置到打印的结束位置处，铬粉的出粉百分比从5％线性递增至13％，中碳合金钢粉的出粉百分比从8％线性递减至0％，高碳合金钢粉的出粉百分比保持不变；

B2、利用控制设备控制各流量控制器按照设置的出粉百分比往各送粉管输送各粉末，并控制给气装置将各粉末以螺旋雾化的方式喷进混粉仓体；利用搅拌机构将各粉末搅拌均匀，并将搅拌后的混合粉末通过缓冲仓输送至喷嘴；

B3、利用给气装置将混合粉末快速喷出，同时利用激光头对混合粉末进行激光熔覆，利用氮气喷头向混合粉末喷氮气；

(4)、按照(3)中的B1、B2、B3继续激光熔覆堆栈模具的上一层，直到堆栈完模具的顶层才停止。