CN106077652A - 一种激光熔覆叠层复合成形设备及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光熔覆叠层复合成形设备和成形方法，激光熔覆叠层复合成形设备，包括机架、固定在机架的Z向升降机构、纤维布送料机构和激光熔覆切割头二维运动机构；所述Z向升降机构用于带动熔覆平台的升降，所述纤维布送料机构用于使纤维布水平穿经在下的熔覆平台和在上的激光熔覆切割头之间的空间；所述激光熔覆切割头二维运动机构用于控制熔覆头在水平方向上的二维运动。本发明可以解决现有的激光熔覆沉积增材制造技术所制造的实体零件比强度和比刚度方面难于满足要求的技术问题。

Description

一种激光熔覆叠层复合成形设备及成形方法

技术领域

本发明属于增材制造（3D打印）成形技术领域，具体地说是一种激光熔覆叠层复合成形设备及成形方法。

背景技术

激光熔覆沉积增材制造技术（Laser cladding deposition, LCD），是在激光熔覆技术和3D打印技术的基础上发展起来的一种金属零件增材制造技术，主要是利用高能束激光将金属粉末熔化后沉积成形。该技术所制得的实体零件重量较大，存在比强度和比刚度难于满足要求的情况。

发明内容

本发明的目的就是提供一种激光熔覆叠层复合成形设备及成形方法，以解决现有的激光熔覆沉积增材制造技术所制造的实体零件比强度和比刚度方面难于满足要求的技术问题。

本发明是这样实现的：

激光熔覆叠层复合成形设备，包括机架、固定在机架的Z向升降机构、纤维布送料机构和激光熔覆切割头二维运动机构；所述Z向升降机构用于带动熔覆平台的升降，所述纤维布送料机构用于使纤维布水平穿经在下的熔覆平台和在上的激光熔覆切割头之间的空间；所述激光熔覆切割头二维运动机构用于控制熔覆头在水平方向上的二维运动。

所述的激光熔覆叠层复合成形设备中，所述Z向升降机构包括安装于机架的纵向丝杠、驱动所述纵向丝杠转动的纵向步进电机、螺接于所述纵向丝杠的纵向螺母、与所述纵向螺母固接的连接板、与所述连接板固接的水平设置的用于承载所述熔覆平台的支撑板以及加热冷却装置。

所述的激光熔覆叠层复合成形设备中，在所述机架上安装有与所述纵向丝杠平行设置的光杠，所述连接板上设置有滑块，所述滑块套接于所述光杠上。

所述的激光熔覆叠层复合成形设备中，所述纤维布送料机构包括纤维布卷、收布辊、供布辊以及驱动收布辊、供布辊转动的步进电机。

所述的激光熔覆叠层复合成形设备中，所述激光熔覆切割头二维运动机构包括X向运动机构、Y向运动机构和激光熔覆切割头；其中，所述X向运动机构具体包括X向步进电机、由所述X向步进电机驱动的X向丝杠、螺接于X向丝杠的X向螺母以及与所述X向螺母固接的支撑架；所述Y向运动机构包括安装于支撑架上的Y向丝杠、驱动所述Y向丝杠转动的Y向步进电机、螺接于所述Y向丝杠的Y向螺母以及固接于所述Y向螺母上的板件，在所述板件上安装有激光熔覆切割头。

激光熔覆叠层复合成形方法，包括以下步骤：

（A）在机架上安装Z向升降机构，所述Z向升降机构包括安装于机架的纵向丝杠、驱动所述纵向丝杠转动的纵向步进电机、螺接于所述纵向丝杠的螺母、与所述螺母固接的连接板、与所述连接板固接的水平设置的用于承载所述熔覆平台的支撑板以及安装于所述熔覆平台的加热冷却装置。

（B）在机架上部安装激光熔覆切割头二维运动机构，所述激光熔覆切割头二维运动机构包括X向运动机构、Y向运动机构以及激光熔覆切割头；其中，所述X向运动机构具体包括X向步进电机、由所述X向步进电机驱动的X向丝杠、螺接于X向丝杠的X向螺母以及与所述X向螺母固接的支撑架；所述Y向运动机构包括安装于支撑架上的Y向丝杠、驱动所述Y向丝杠转动的Y向步进电机、螺接于所述Y向丝杠的Y向螺母以及固接于所述Y向螺母上的板件，在所述板件上安装有激光熔覆切割头。

（C）在机架上安装纤维布送料机构，所述纤维布送料机构用于使纤维布水平穿经在下的熔覆平台和在上的激光熔覆切割头之间的空间；所述纤维布送料机构包括纤维布卷、收布辊、供布辊及驱动所述收布辊、供布辊转动的步进电机；

（D）在所述支撑板上设置好熔覆平台，在所述熔覆平台上铺设基板，利用纵向步进电机驱动熔覆平台向上移动，直到熔覆平台上的基材与纤维布相接触或距离纤维布0.1-0.3mm；

（E）控制激光熔敷切割头运动机构使其在纤维布成形区域内按预定形状和高度有选择地进行金属或陶瓷材料的激光熔覆；

（F）当前层激光熔覆完毕后，控制激光熔敷切割头停止输送粉末，并利用激光将成形区域外的纤维布切割，使成形区域与纤维布分离；

（G）利用纵向步进电机驱动熔覆平台向下移动一个激光熔覆的高度，再启动纤维布送料机构，带动纤维布卷转动，将纤维布继续移送至成形区域；

（H）重复（E）步至（G）步，各熔覆层之间通过熔覆金属或陶瓷材料粘接为一体，直到工艺完成，得到完整的零件。

本发明将激光熔覆沉积增材制造技术进行改造，使金属或陶瓷粉末受激光熔覆作用后按预定形状有选择地沉积到纤维布上，然后在纤维布上浸润铺展并将纤维包裹在金属或陶瓷内部，依靠金属或陶瓷凝固后形成纤维增强金属基（或陶瓷基）复合材料。这种自上而下将纤维布渗透，进而将纤维布包裹于金属或陶瓷粉末中的工艺，使得不同层之间的对接面仍是熔融的金属或陶瓷粉末，从而无需另外施加粘结剂。另外，由于纤维布是经供布辊和收布辊输送，因此，可以根据实际需求来对纤维布的品种、密度、经纬线材质等各种参数指标进行选择，同时还可调节纤维布的送布张力，其与无法进行各种参数调节的纤维相比，使用纤维布更适合机械化、标准化的工业化生产制造，只要按预定工艺执行，无须对每个沉积层进行水平方向的切削修整，从而可大大提高加工效率。而且，由于纤维布中纤维的密度、材质、纤维布的位置、张力等参数均可按预定标准进行调控，因此，所加工零件会更加符合预期，其比强度和比刚度更易于控制，从而可得到密度均匀、形状复杂、性能优越也更符合预期的实体零件。

附图说明

图1是本发明设备的立体结构示意图；

图2是图1的主视图；

图3是Z向升降机构的结构示意图；

图4是激光熔覆切割头运动机构的结构示意图;

图5是纤维增强金属基或陶瓷基复合材料激光熔覆叠层制造示意图。

图6是最终制备得到的一个零件的内部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。但是，该说明不对本发明构成任何限制。

如图1、图2所示，本发明的激光熔覆成形设备包括机架、固定在机架的Z向升降机构1、纤维布送料机构2和激光熔覆切割头二维运动机构3。机架包括内支撑框架4和外支撑框架5；Z向升降机构和纤维布送料机构安装于内支撑框架上，激光熔覆切割头二维运动机构3安装于外支撑框架上。纤维布送料机构用于使纤维布水平穿经在下的熔覆平台和在上的激光熔覆切割头之间的空间。激光熔覆切割头二维运动机构用于控制熔覆头在水平方向上的二维运动。

图1、图2、图3所示， Z向升降机构包括安装于机架的纵向丝杠1-2、驱动纵向丝杠转动的纵向步进电机1-6、螺接于所述纵向丝杠的纵向螺母1-5、与纵向螺母1-5固接的连接板1-3、与连接板1-3固接的支撑板1-11以及设置于支撑板的熔覆平台1-8。在支撑板1-11和熔覆平台1-8之间设置有隔热布1-10。制备零件时需要的基板1-9固定于熔覆平台1-8上。本发明在内支撑框架上还安装有与纵向丝杠平行的纵向左光杠1-12和纵向右光杠1-1，在连接板1-3上固接有光杠左滑块1-7和光杠右滑块1-4，光杠左滑块1-7套接于纵向左光杠1-12，光杠右滑块1-4套接于纵向右光杠1-1上。在熔覆平台上还按现有技术常规设置有通电加热、通水冷却的加热冷却装置，以减少成形零件的热应力。

图1、图2、图4所示，激光熔覆切割头二维运动机构包括X向运动机构、Y向运动机构和激光熔覆切割头。其中，X向运动机构包括X向步进电机3-1、由X向步进电机3-1驱动的X向丝杠3-2、螺接于X向丝杠3-2的X向螺母以及与所述X向螺母固接的支撑架3-4。其中，X向步进电机3-1安装于外部支撑框架上，在外部支撑框架上还安装有X向左导轨3-9和X向右导轨3-3，支撑架3-4底面设置有套接于X向左导轨3-9和X向右导轨3-3的滑块。Y向运动机构包括安装于支撑架3-4上的Y向丝杠3-7、驱动Y向丝杠3-7转动的Y向步进电机3-8、螺接于Y向丝杠的Y向螺母以及固接于Y向螺母上的板件3-10，在板件3-10上安装有激光熔覆切割头3-5。本发明中，激光熔覆切割头兼有激光熔覆头和激光切割头的作用，根据需要既可以控制粉末输出并对其进行熔化，以起到激光熔覆头的作用；也可以停止粉末输出，通过调高输出功率进行激光切割，以起到激光切割头的作用。

图1、图2所示，纤维布送料机构包括纤维布卷、系列收布辊、供布辊及驱动收布辊、供布辊转动的收布电机和供布电机。固定于内支撑框架上的系列收布辊、供布辊分列于Z向升降机构的两侧，在Z向升降机构的左侧自上至下排布有上供布辊2-6、中供布辊2-7以及下供布辊2-8，在Z向升降机构的右侧自上至下排布有上收布辊2-5、中收布辊2-4以及下收布辊2-1，上供布辊2-6和上收布辊2-5所在的纵向位置相平且位于激光熔覆切割头下方，以使其输送的纤维布2-2的位置便于激光熔覆切割头3-5向平置段的纤维布进行金属或陶瓷激光熔覆为宜。供布电机2-9用于驱动下供布辊2-8，收布电机2-3用于驱动下收布辊2-1。本发明设置供布电机和收布电机，利用这两个电机正反转形成张力，即，首先由供布电机正向转动，驱动供布辊至纤维布至适当位置，再由收布电机反向转动使纤维布张紧，由此避免在熔覆过程中纤维布产生松弛。

参考图1、图2、图3、图4、图5和图6，本发明的激光熔覆成形方法，包括以下步骤：

（A）在机架上安装Z向升降机构；

（B）在机架上部安装激光熔覆切割头二维运动机构；

（C）在机架上安装纤维布送料机构；

（D）设置好熔覆平台，在熔覆平台上铺设基板，利用纵向步进电机驱动熔覆平台向上移动，直到熔覆平台上的基材与纤维布相接触或距离纤维布0.1-0.3mm；

（E）控制激光熔敷切割头二维运动机构使激光熔敷切割头在纤维布成形区域内按预定尺寸、形状和高度有选择地按预定的层厚进行金属或陶瓷材料的激光熔覆；

（F）当前层n层激光熔覆完毕后，控制激光熔敷切割头行使切割功能，将成形区域外的纤维布切割，使成形区域与纤维布分离（参考图5）；

（G）利用纵向步进电机驱动熔覆平台向下移动一个激光熔覆的高度，再启动纤维布送料机构，带动纤维布卷转动，将纤维布继续移送至成形区域；

（H）重复（E）步进行n+1层激光熔覆（参考图5），再重复（F）、（G）步。

在激光熔覆过程中，各熔覆层之间通过熔覆金属或陶瓷材料相粘接为一体，直到完成整个零件的加工。图6所示，所制备的零件中，在每一层的熔覆金属或陶瓷材料6内均有均布的纤维织物构成的纤维增强体7。

本发明中所有的机械传动方式可以采用滚珠丝杠、皮带传动及液压传动等已知传动方式中的一种或多种。

Claims (6)

1.一种激光熔覆叠层复合成形设备，其特征在于，包括机架、固定在机架的Z向升降机构、纤维布送料机构和激光熔覆切割头二维运动机构；所述Z向升降机构用于带动熔覆平台的升降，所述纤维布送料机构用于使纤维布水平穿经在下的熔覆平台和在上的激光熔覆切割头之间的空间；所述激光熔覆切割头二维运动机构用于控制熔覆头在水平方向上的二维运动。

2.根据权利要求1所述的激光熔覆叠层复合成形设备，其特征在于，所述Z向升降机构包括安装于机架的纵向丝杠、驱动所述纵向丝杠转动的纵向步进电机、螺接于所述纵向丝杠的纵向螺母、与所述纵向螺母固接的连接板、与所述连接板固接的水平设置的用于承载所述熔覆平台的支撑板以及加热冷却装置。

3.根据权利要求2所述的激光熔覆叠层复合成形设备，其特征在于，在所述机架上安装有与所述纵向丝杠平行设置的光杠，所述连接板上设置有滑块，所述滑块套接于所述光杠上。

4.根据权利要求1所述的激光熔覆叠层复合成形设备，其特征在于，所述纤维布送料机构包括纤维布卷、收布辊、供布辊以及驱动收布辊、供布辊转动的步进电机。

5.根据权利要求1所述的激光熔覆叠层复合成形设备，其特征在于，所述激光熔覆切割头二维运动机构包括X向运动机构、Y向运动机构和激光熔覆切割头；其中，所述X向运动机构具体包括X向步进电机、由所述X向步进电机驱动的X向丝杠、螺接于X向丝杠的X向螺母以及与所述X向螺母固接的支撑架；所述Y向运动机构包括安装于支撑架上的Y向丝杠、驱动所述Y向丝杠转动的Y向步进电机、螺接于所述Y向丝杠的Y向螺母以及固接于所述Y向螺母上的板件，在所述板件上安装有激光熔覆切割头。

6.一种激光熔覆叠层复合成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

（A）在机架上安装Z向升降机构，所述Z向升降机构包括安装于机架的纵向丝杠、驱动所述纵向丝杠转动的纵向步进电机、螺接于所述纵向丝杠的螺母、与所述螺母固接的连接板、与所述连接板固接的水平设置的用于承载所述熔覆平台的支撑板以及安装于所述熔覆平台的加热冷却装置；

（B）在机架上部安装激光熔覆切割头二维运动机构，所述激光熔覆切割头二维运动机构包括X向运动机构、Y向运动机构以及激光熔覆切割头；其中，所述X向运动机构具体包括X向步进电机、由所述X向步进电机驱动的X向丝杠、螺接于X向丝杠的X向螺母以及与所述X向螺母固接的支撑架；所述Y向运动机构包括安装于支撑架上的Y向丝杠、驱动所述Y向丝杠转动的Y向步进电机、螺接于所述Y向丝杠的Y向螺母以及固接于所述Y向螺母上的板件，在所述板件上安装有激光熔覆切割头；

（C）在机架上安装纤维布送料机构，所述纤维布送料机构用于使纤维布水平穿经在下的熔覆平台和在上的激光熔覆切割头之间的空间；所述纤维布送料机构包括纤维布卷、收布辊、供布辊及驱动所述收布辊、供布辊转动的步进电机；

（D）在所述支撑板上设置好熔覆平台，在所述熔覆平台上铺设基板，利用纵向步进电机驱动熔覆平台向上移动，直到熔覆平台上的基材与纤维布相接触或距离纤维布0.1-0.3mm；

（E）控制激光熔敷切割头运动机构使其在纤维布成形区域内按预定形状和高度有选择地进行金属或陶瓷材料的激光熔覆；

（F）当前层激光熔覆完毕后，控制激光熔敷切割头停止输送粉末，并利用激光将成形区域外的纤维布切割，使成形区域与纤维布分离；

（G）利用纵向步进电机驱动熔覆平台向下移动一个激光熔覆的高度，再启动纤维布送料机构，带动纤维布卷转动，将纤维布继续移送至成形区域；

（H）重复（E）步至（G）步，各熔覆层之间通过熔覆金属或陶瓷材料粘接为一体，直到工艺完成，得到完整的零件。