CN106378450B - 一种适用于多种材料激光选区熔化增材制造设备与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于多种材料激光选区熔化增材制造设备与方法。本设备激光头包括光纤发射端和成型喷头，成型喷头由两条端部相交的粉末通道构成的V字型喷嘴，V字型喷嘴的两个粉末通道分布在光纤发射端的两侧；光纤发射端、成型喷头和粉末通道构成了激光成型喷头；当光纤发射端发射的激光光束与V字型喷嘴出口的粉末相遇时，激光光束将粉末在出口处熔化，并形成向下流动的熔滴；V字型喷嘴的两个粉末通道分别通过各自管路，与其对应的两个粉末供给系统连通。本设备可实现两种异种材料在Z轴方向梯度成型，也可实现在同一层中，不同区域内异种材料的成型，实现两种以上材料在XY平面和Z方向上不同区域、不同梯度的复合成型。

Description

一种适用于多种材料激光选区熔化增材制造设备与方法
技术领域
本发明涉及激光选区熔化成型系统，尤其涉及一种适用于多种材料激光选区熔化增材制造设备与方法。
背景技术
随着科学技术的发展，用于金属零件快速成型的方法多种多样，其中激光选区熔化是在激光选区烧结的基础上发展起来的，目前被广泛应用的快速成型方法。
SLM技术的基本原理：先在计算机上利用Pro/e、UG等三维造型软件设计出零件的三维实体模型，然后通过切片软件对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，由轮廓数据生成填充扫描路径，设备将按照这些填充扫描线，控制激光束选区熔化各层的金属粉末，逐步堆叠成三维金属零件。激光束开始扫描前，铺粉装置先把金属粉末平推到成形缸的基板上，激光束再按当前层的填充扫描线，选区熔化基板上的粉末，加工出当前层，然后成形缸下降一个层厚的距离，粉料缸上升一定厚度的距离，铺粉装置再在已加工好的当前层上铺好金属粉末，设备调入下一层轮廓的数据进行加工，如此层层加工，直到整个零件加工完毕！整个加工过程在通有惰性气体保护的加工室中进行，以避免金属在高温下与其他气体发生反应。
目前主要的激光选区熔化设备都是对单一的某种粉末材料进行加工，市场上应用最多的是316L不锈钢、Co-Cr(Mo)合金和Ti6Al4V。科研型材料主要包括陶瓷材料、铁基混合粉末、纯金、WC-Co混合粉末等。上述的材料SLM成型的致密度可以优化控制在95％以上，甚至几乎100％的致密度，其力学性能与铸锻件的性能可相媲美。目前，金属增材制造装备成型零件主要以单一材料为主，成型零件各个部分呈现相同性能，随着航空航天，船舶制造，汽车零部件等行业的发展，单一成分零件性能已难以满足要求，因此有必要具有自主知识产权的多种材料激光选区熔化增材制造装备、对其成型制造工艺进行研究，从而将金属增材制造装备成型尺寸和成型质量提升到机加工水平。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种适用于多种材料激光选区熔化增材制造设备与方法。不仅可以根据待加工零件的要求，采用铺粉方式作业或者通过成型喷头边出粉边熔化作业，还可以进行单一材质加工和或者自由变换为多种材质同时加工。
本发明通过下述技术方案实现：
一种适用于多种材料激光选区熔化增材制造设备，包括激光器、成型室6、设置在成型室6底部的成型缸9、设置在成型室6内的激光头8，以及驱动激光头在XY平面移动的导轨机构5；所述激光头8包括连接激光器的光纤发射端131和成型喷头81，所述成型喷头81由两条端部相交的粉末通道82构成的V字型喷嘴，所述V字型喷嘴的两个粉末通道分布在光纤发射端131的两侧；光纤发射端131、成型喷头81和粉末通道82构成了激光成型喷头；
当光纤发射端131发射的激光光束与V字型喷嘴出口的粉末相遇时，激光光束将粉末在出口处熔化，并形成向下流动的熔滴15；
所述V字型喷嘴的两个粉末通道分别通过各自管路，与其对应的两个粉末供给系统连通。
该两个粉末供给系统的结构相同，均包括一个储粉罐2和一个气泵混合器3，储粉罐2通过取粉管连接气泵混合器3，由气泵混合器3通过输粉管33将粉末输送至成型喷头81相应的粉末通道内；
这两个储粉罐2内可分别盛装不同材质的粉末。
该两个粉末供给系统并排设置在成型室6一侧外部的上方；所述成型室6内还设有两个安装在直线导轨机构上的、且可沿着水平导轨在成型室6内往复移动的粉末斗4，每个粉末斗4的下方安装有V字型出粉通道的铺粉刷7；
粉末斗4的底部设有带阀门的下粉口，铺粉时，该阀门打开，粉末斗4内的粉末掉落至铺粉刷7的V字型出粉通道内；粉末斗4在水平导轨机构上往复移动，驱动携带有粉末的铺粉刷7，将粉末平铺在成型室6内的零件10的成型区域；每个储粉罐2的底部设有带阀门的出粉口，当粉末斗4需要补粉、且移动至与其对应的储粉罐2下方停止时，该出粉口的阀门打开并为与之对应的粉末斗4进行补粉。
所述激光器包括彼此光路连接的振镜集成系统1和激光光纤集成系统12，在该光路上设置有扩束镜14；所述光纤发射端131通过光纤13与激光光纤集成系统12连接。
所述成型室6的侧底部设有用于回收粉末的粉末收集缸11；所述成型室6的中底部设有可升降的成型缸9；所述粉末收集缸11设置在成型缸9的左侧。
所述输粉管33为柔性耐热导管。
一种适用于多种材料激光选区熔化增材制造设备的运行方法，包括如下运行步骤：
选用铺粉刷7铺粉作业时的运行步骤
在零件的加工过程中，若选用铺粉刷7铺粉作业时，先将激光头8移离成型区域，以免阻挡铺粉刷7运动。
将两个粉末斗4移到至与其对应的储粉罐2下方停止；两个储粉罐2内盛装不同材质的粉末。
将储粉罐2出粉口的阀门打开并为与之对应的粉末斗4进行加粉，当粉末达到预定高度时，关闭阀门；铺粉作业开始时，打开粉末斗4的阀门，粉末斗4内的粉末掉落至铺粉刷7的V字型出粉通道内；两个粉末斗4在水平导轨机构上往复移动，驱动携带有粉末的铺粉刷7，将其中一个粉末斗4内粉末平铺在成型室6内的零件10的成型区域，具体过程如下：
先关闭其中一个粉末斗4的阀门，粉末斗4由右向左移动，在经过成型区域时，未关闭阀门的粉末斗4往下输送粉末，粉末掉落至铺粉刷7的V字型出粉通道内，在铺粉刷7运动下，粉末平铺在成型室6内的零件10的成型区域，当铺粉刷7到达成型室6的左端时停止移动，关闭该粉末斗4的阀门，完成一次铺粉行程；此时，激光头8移动至工作位置，激光器向光纤发射端131发射激光，对铺平的粉末进行选区激光熔化；当该层粉末选区熔化完成后，光纤发射端131停止发射激光，成型缸9下降一个粉末层厚，粉末斗4和铺粉刷7在水平导轨机构的驱动下向右移动，此时打开另一个装有不同材质粉末的粉末斗4的阀门，当经过成型缸区域时，该铺粉刷7将粉末平铺在零件10的成型区域，铺粉刷7到达成型室6的右端时停止移动，该粉末斗4的阀门关闭，完成二次铺粉行程；此时，激光头8移动至工作位置，激光器向光纤发射端131发射激光，对铺平的粉末进行选区激光熔化；如此往复直至加工完成；实现了两种异种材料在Z轴方向梯度成型。
选用成型喷头81喷粉作业时的运行步骤
水平导轨机构驱动粉末斗4和铺粉刷7停止在成型室6的右侧，即储粉罐2的下方位置；
启动气泵混合器3；气泵混合器3将两个和/或一个储粉罐2中的粉末通过输粉管33运送到成型喷头81的一条和/或两条粉末通道82构成的V字型喷嘴出口处，与此同时，光纤发射端131发射的激光光束与V字型喷嘴出口的粉末相遇，激光光束将粉末在出口处熔化，并形成向下流动的熔滴15，使粉末边输出边熔化，通过成型喷头81的移动，实现零件的分区成型，直至加工完成。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明的激光头通过光纤发射端131、成型喷头81和粉末通道82的组合，构成了激光成型喷头；当光纤发射端131发射的激光光束与V字型喷嘴出口的粉末相遇时，激光光束将粉末在出口处熔化，并形成向下流动的熔滴15；这种结构的激光成型喷头，在保留传统激光头工作模式外，而且还可以在粉末供给系统的协调配合下，边出粉边熔化，易于控制，可更为自由的选择熔粉区域。同时，选用激光成型喷头喷粉作业时，因为无需采用传统铺粉对粉末进行分层平铺方式，因此，也不会造成多种材质的粉末之间相互混合，有效的防止了粉末之间的混合污染，大大节约了材料资源，降低加工成本。
具体说，在选用成型喷头81喷粉作业时的运行过程中，实现粉末的边输出边熔化，通过成型喷头81的移动可实现零件的分区成型不同区域不同材料，也可实现零件的分层成型，不同层采用不同材料；可以实现更为自由的选择熔粉区域，而且不会造成该加工的粉末与其他粉末相互混合，有效的防止了粉末之间的混合污染，也节约了材料资源，降低加工成本。
将铺粉刷7铺粉作业(以下简称第一成型系统)和成型喷头81喷粉作业(以下简称第二成型系统)时运行步骤相结合使用，在第一成型系统成型过程中，每完成数层粉末的选区熔化后，可以接着使用第二成型系统，进行更为自由的选区熔粉。第一成型系统可以实现两种异种材料在Z轴方向梯度成型，第二成型系统可以实现在在同一层中，不同区域内异种材料的成型。两者的结合使用，实现两种以上材料在XY平面和Z方向上不同区域、不同梯度的复合成型。
本发明可根据实际生产需要，仅仅使用第一成型系统，或者仅仅使用第二成型系统。因此，本设备可以在单材料激光选区熔化设备和多材料选区激光熔化设备之间进行自由切换，应用更广、更灵活。
附图说明
图1为本发明适用于多种材料激光选区熔化增材制造设备结构示意图。
图2为图1所示激光头8的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1、2所示。本发明公开了一种适用于多种材料激光选区熔化增材制造设备，包括激光器、成型室6、设置在成型室6底部的成型缸9、设置在成型室6内的激光头8，以及驱动激光头在XY平面移动的导轨机构5；所述激光头8包括连接激光器的光纤发射端131和成型喷头81，所述成型喷头81由两条端部相交的粉末通道82构成的V字型喷嘴，所述V字型喷嘴的两个粉末通道分布在光纤发射端131的两侧；
当光纤发射端131发射的激光光束与V字型喷嘴出口的粉末相遇时，激光光束将粉末在出口处熔化，并形成向下流动的熔滴15；
所述V字型喷嘴的两个粉末通道分别通过各自管路，与其对应的两个粉末供给系统连通。
该两个粉末供给系统的结构相同，均包括一个储粉罐2和一个气泵混合器3，储粉罐2通过取粉管连接气泵混合器3，由气泵混合器3通过输粉管33将粉末输送至成型喷头81相应的粉末通道内。本发明可根据实际应用，增加粉末供给系统的数量，以实现2中以上的粉末供给。
这两个储粉罐2内可分别盛装不同材质的粉末。
该两个粉末供给系统并排设置在成型室6一侧外部的上方；所述成型室6内还设有两个安装在直线导轨机构上的、且可沿着水平导轨在成型室6内往复移动的粉末斗4，每个粉末斗4的下方安装有V字型出粉通道的铺粉刷7；
粉末斗4的底部设有带阀门的下粉口，铺粉时，该阀门打开，粉末斗4内的粉末掉落至铺粉刷7的V字型出粉通道内；粉末斗4在水平导轨机构上往复移动，驱动携带有粉末的铺粉刷7，将粉末平铺在成型室6内的零件10的成型区域；每个储粉罐2的底部设有带阀门的出粉口，当粉末斗4需要补粉、且移动至与其对应的储粉罐2下方停止时，该出粉口的阀门打开并为与之对应的粉末斗4进行补粉。本发明可根据实际应用，增加粉末斗4和铺粉刷7的数量，可对两种以上不同材质的粉末的进行平铺。
所述激光器包括彼此光路连接的振镜集成系统1和激光光纤集成系统12，在该光路上设置有扩束镜14；所述光纤发射端131通过光纤13与激光光纤集成系统12连接。
所述成型室6的侧底部设有用于回收粉末的粉末收集缸11；所述成型室6的中底部设有可升降的成型缸9；所述粉末收集缸11设置在成型缸9的左侧。
所述输粉管33为柔性耐热导管。所述铺粉刷7是由两块柔性材质的刮板制成。
本发明适用于多种材料激光选区熔化增材制造设备的运行方法，可通过如下步骤实现：
一、选用铺粉刷7铺粉作业时的运行步骤
在零件的加工过程中，若选用铺粉刷7铺粉作业时，先将激光头8移离成型区域，以免阻挡铺粉刷7运动。
将两个粉末斗4移到至与其对应的储粉罐2下方停止；两个储粉罐2内盛装不同材质的粉末。将储粉罐2出粉口的阀门打开并为与之对应的粉末斗4进行加粉，当粉末达到预定高度时，关闭阀门；铺粉作业开始时，打开粉末斗4的阀门，粉末斗4内的粉末掉落至铺粉刷7的V字型出粉通道内；两个粉末斗4在水平导轨机构上往复移动，驱动携带有粉末的铺粉刷7，将其中一个粉末斗4内粉末平铺在成型室6内的零件10的成型区域，具体过程如下：
先关闭其中一个粉末斗4的阀门，粉末斗4由右向左移动，在经过成型区域时，未关闭阀门的粉末斗4往下输送粉末，粉末掉落至铺粉刷7的V字型出粉通道内，在铺粉刷7运动下，粉末平铺在成型室6内的零件10的成型区域，当铺粉刷7到达成型室6的左端时停止移动，关闭该粉末斗4的阀门，完成一次铺粉行程；此时，激光头8移动至工作位置，激光器向光纤发射端131发射激光，对铺平的粉末进行选区激光熔化；当该层粉末选区熔化完成后，光纤发射端131停止发射激光，成型缸9下降一个粉末层厚，粉末斗4和铺粉刷7在水平导轨机构的驱动下向右移动，此时打开另一个装有不同材质粉末的粉末斗4的阀门，当经过成型缸区域时，该铺粉刷7将粉末平铺在零件10的成型区域，铺粉刷7到达成型室6的右端时停止移动，该粉末斗4的阀门关闭，完成二次铺粉行程；此时，激光头8移动至工作位置，激光器向光纤发射端131发射激光，对铺平的粉末进行选区激光熔化；如此往复直至加工完成；实现了两种异种材料在Z轴方向梯度成型。
当两个粉末斗4分别装有相同的粉末时，实现的是传统单一材料激光选区熔化，当装有不同的粉末时，就实现了两种异种材料在Z轴方向梯度成型。
本发明解决了目前SLM技术只能打印单一材料的限制，为合金设计提供了新的途径，本发明可以同时成型铜合金、铝合金、钛合金等任意2种以上(含2种)粉末材料。
二、选用成型喷头81喷粉作业时的运行步骤
水平导轨机构驱动粉末斗4和铺粉刷7停止在成型室6的右侧，即储粉罐2的下方位置；
启动气泵混合器3；气泵混合器3将两个和/或一个储粉罐2中的粉末通过输粉管33运送到成型喷头81的一条和/或两条粉末通道82构成的V字型喷嘴出口处，与此同时，光纤发射端131发射的激光光束与V字型喷嘴出口的粉末相遇，激光光束将粉末在出口处熔化，并形成向下流动的熔滴15，使粉末边输出边熔化，通过成型喷头81的移动，实现零件的分区成型，直至加工完成。
在成型喷头81喷粉作业时的运行步骤中，两个储粉罐2内盛装的粉末材质(金属)不同。
在选用成型喷头81喷粉作业时的运行过程中，实现粉末的边输出边熔化，通过成型喷头81的移动可实现零件的分区成型不同区域不同材料，也可实现零件的分层成型，不同层采用不同材料；可以实现更为自由的选择熔粉区域，而且不会造成该加工的粉末与其他粉末相互混合，有效的防止了粉末之间的混合污染，也节约了材料资源，降低加工成本。
将铺粉刷7铺粉作业(以下简称第一成型系统)和成型喷头81喷粉作业(以下简称第二成型系统)时运行步骤相结合使用，在第一成型系统成型过程中，每完成数层粉末的选区熔化后，可以接着使用第二成型系统，进行更为自由的选区熔粉。第一成型系统可以实现两种异种材料在Z轴方向梯度成型，第二成型系统可以实现在在同一层中，不同区域内异种材料的成型。两者的结合使用，实现两种以上材料在XY平面和Z方向上不同区域、不同梯度的复合成型。
在完成加工后，将成型室6多余的粉末清除到位于粉末收集缸11中，避免了粉末浪费和污染。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于多种材料激光选区熔化增材制造设备，包括激光器、成型室（6）、设置在成型室（6）底部的成型缸（9）、设置在成型室（6）内的激光头（8），以及驱动激光头在XY平面移动的导轨机构（5）；其特征在于：所述激光头（8）包括连接激光器的光纤发射端（131）和成型喷头（81），所述成型喷头（81）由两条端部相交的粉末通道（82）构成的V字型喷嘴，所述V字型喷嘴的两个粉末通道分布在光纤发射端（131）的两侧；光纤发射端（131）、成型喷头（81）和粉末通道（82）构成了激光成型喷头；
当光纤发射端（131）发射的激光光束与V字型喷嘴出口的粉末相遇时，激光光束将粉末在出口处熔化，并形成向下流动的熔滴（15）；
所述V字型喷嘴的两个粉末通道分别通过各自管路，与其对应的两个粉末供给系统连通；
该两个粉末供给系统的结构相同，均包括一个储粉罐（2）和一个气泵混合器（3），储粉罐（2）通过取粉管连接气泵混合器（3），由气泵混合器（3）通过输粉管（33）将粉末输送至成型喷头（81）相应的粉末通道内；
这两个储粉罐（2）内分别盛装不同材质的粉末；
该两个粉末供给系统并排设置在成型室（6）一侧外部的上方；所述成型室（6）内还设有两个安装在直线导轨机构上的、且可沿着水平导轨在成型室（6）内往复移动的粉末斗（4），每个粉末斗（4）的下方安装有V字型出粉通道的铺粉刷（7）；
粉末斗（4）的底部设有带阀门的下粉口，铺粉时，该阀门打开，粉末斗（4）内的粉末掉落至铺粉刷（7）的V字型出粉通道内；粉末斗（4）在水平导轨机构上往复移动，驱动携带有粉末的铺粉刷（7），将粉末平铺在成型室（6）内的零件（10）的成型区域；
每个储粉罐（2）的底部设有带阀门的出粉口，当粉末斗（4）需要补粉、且移动至与其对应的储粉罐（2）下方停止时，该出粉口的阀门打开并为与之对应的粉末斗（4）进行补粉。
2.根据权利要求1所述适用于多种材料激光选区熔化增材制造设备，其特征在于，所述激光器包括彼此光路连接的振镜集成系统（1）和激光光纤集成系统（12），在该光路上设置有扩束镜（14）；所述光纤发射端（131）通过光纤（13）与激光光纤集成系统（12）连接。
3.根据权利要求2所述适用于多种材料激光选区熔化增材制造设备，其特征在于，所述成型室（6）的侧底部设有用于回收粉末的粉末收集缸（11）；所述成型室（6）的中底部设有可升降的成型缸（9）；所述粉末收集缸（11）设置在成型缸（9）的左侧。
4.根据权利要求2所述适用于多种材料激光选区熔化增材制造设备，其特征在于，所述输粉管（33）为柔性耐热导管。
5.权利要求1至3中任一项所述适用于多种材料激光选区熔化增材制造设备的运行方法；其特征在于包括如下运行步骤：
选用铺粉刷（7）铺粉作业时的运行步骤
在零件的加工过程中，若选用铺粉刷（7）铺粉作业时，先将激光头（8）移离成型区域，以免阻挡铺粉刷（7）运动；
将两个粉末斗（4）移到至与其对应的储粉罐（2）下方停止；两个储粉罐（2）内盛装不同材质的粉末；
将储粉罐（2）出粉口的阀门打开并为与之对应的粉末斗（4）进行加粉，当粉末达到预定高度时，关闭阀门；铺粉作业开始时，打开粉末斗（4）的阀门，粉末斗（4）内的粉末掉落至铺粉刷（7）的V字型出粉通道内；两个粉末斗（4）在水平导轨机构上往复移动，驱动携带有粉末的铺粉刷（7），将其中一个粉末斗（4）内粉末平铺在成型室（6）内的零件（10）的成型区域，具体过程如下：
先关闭其中一个粉末斗（4）的阀门，粉末斗（4）由右向左移动，在经过成型区域时，未关闭阀门的粉末斗（4）往下输送粉末，粉末掉落至铺粉刷（7）的V字型出粉通道内，在铺粉刷（7）运动下，粉末平铺在成型室（6）内的零件（10）的成型区域，当铺粉刷（7）到达成型室（6）的左端时停止移动，关闭该粉末斗（4）的阀门，完成一次铺粉行程；此时，激光头（8）移动至工作位置，激光器向光纤发射端（131）发射激光，对铺平的粉末进行选区激光熔化；当该层粉末选区熔化完成后，光纤发射端（131）停止发射激光，成型缸（9）下降一个粉末层厚，粉末斗（4）和铺粉刷（7）在水平导轨机构的驱动下向右移动，此时打开另一个装有不同材质粉末的粉末斗（4）的阀门，当经过成型缸区域时，该铺粉刷（7）将粉末平铺在零件（10）的成型区域，铺粉刷（7）到达成型室（6）的右端时停止移动，该粉末斗（4）的阀门关闭，完成二次铺粉行程；此时，激光头（8）移动至工作位置，激光器向光纤发射端（131）发射激光，对铺平的粉末进行选区激光熔化；如此往复直至加工完成；实现了两种异种材料在Z轴方向梯度成型；
选用成型喷头（81）喷粉作业时的运行步骤
水平导轨机构驱动粉末斗（4）和铺粉刷（7）停止在成型室（6）的右侧，即储粉罐（2）的下方位置；
启动气泵混合器（3）；气泵混合器（3）将两个和/或一个储粉罐（2）中的粉末通过输粉管（33）运送到成型喷头（81）的一条和/或两条粉末通道（82）构成的V字型喷嘴出口处，与此同时，光纤发射端（131）发射的激光光束与V字型喷嘴出口的粉末相遇，激光光束将粉末在出口处熔化，并形成向下流动的熔滴（15），使粉末边输出边熔化，通过成型喷头（81）的移动，实现零件的分区成型，直至加工完成。
6.根据权利要求5所述适用于多种材料激光选区熔化增材制造设备的运行方法；其特征在于，所述成型喷头（81）喷粉作业时的运行步骤中，两个储粉罐（2）内盛装的粉末材质不同。
7.根据权利要求5所述适用于多种材料激光选区熔化增材制造设备的运行方法；其特征在于，所述粉末为金属粉末。
8.根据权利要求5所述适用于多种材料激光选区熔化增材制造设备的运行方法；其特征在于，所述铺粉刷（7）是由两块柔性材质的刮板制成。
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