CN106424724A - 选择性激光熔化slm成形定向加热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种选择性激光熔化SLM成形定向加热装置，属于激光熔化SLM成形技术领域，提供了一种结构简单，使用方便，能够保证温度均匀分布，防止成形过程中由于温度分布不均引起的成形件曲翘变形的选择性激光熔化SLM成形定向加热装置，所采用的技术方案为成型腔的顶部设置有远红外热成像仪、烧结成形激光系统和定向加热激光器，成型腔的侧部设置有主控系统，所述远红外热成像仪、烧结成形激光系统和定向加热激光器均与主控系统相连接；本发明广泛用于SLM成形的定向加热。

Description

选择性激光熔化SLM成形定向加热装置
技术领域
本发明涉及一种选择性激光熔化SLM成形定向加热装置，属于激光熔化SLM成形技术领域。
背景技术
3D打印也称为“增材制造”，它是新兴的一种快速成型技术。与传统的减材制造工艺不同，3D打印是以数据设计文件为基础，将材料逐层沉积或黏合以构造成三维物体的技术，集CAD，机械自动化等技术于一体。与传统制造业相比，3D打印免去了开模具、铸造或锻造、切割、部件组装等复杂的过程，可以一次成形，具有快速性、高柔性、高效性等特点，其应用领域广阔，包括：航空航天、武器装备、工业设计与制造、模具、医疗以及时装、电影、建筑、创意设计等。
根据采用的材料形式和工艺实现方法的不同，目前广泛应用且较为成熟的典型增材制造技术主要包括：光固化成形（SLA）、选择性激光烧结（SLS）、激光选区熔化（SLM）、熔融沉积制造（FDM）、电子束熔化（EBM）等。SLM成形技术是目前高端制造领域应用较多的一种3D打印技术。SLM成形技术是在计算机程序的控制下利用高能量密度激光束进行扫描，将预先铺设好的金属粉末层进行选择性熔化并与基体冶金结合，然后不断逐层铺粉并扫描，最终完成三维金属零部件的制造过程。该设备可制造复杂形状的金属零件，其成型件力学性能好、精度高，在医疗、航空航天、产品研发等领域均有重要应用，例如医疗植入体的制造、航空发动机的特殊部件制造、带冷却通道的模具制造等，特别是在航空航天领域，通过特殊结构的设计，可实现轻量化等特殊要求。
SLM成形过程中，由于成形件尺寸不同，在尺寸较大或厚壁部位冷却较慢，然而在尺寸较小或薄壁部分冷却快，因此成形件内部温度分布不均，容易引起成形件翘曲变形，降低制品性能，甚至成为废件。尤其是成形薄壁复杂件时，由于成形件内温度分布不均，极易引起成形件曲翘变形，降低成品率。
发明内容
为解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种结构简单，使用方便，能够保证温度均匀分布，防止成形过程中由于温度分布不均引起的成形件曲翘变形的选择性激光熔化SLM成形定向加热装置。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为选择性激光熔化SLM成形定向加热装置，包括：成型腔，所述成型腔的顶部设置有远红外热成像仪、烧结成形激光系统和定向加热激光器，成型腔的侧部设置有主控系统，所述远红外热成像仪、烧结成形激光系统和定向加热激光器均与主控系统相连接。
优选的，所述定向加热激光器包括L型定向管、激光器，所述L型定向管安装在成型腔的顶部，且L型定向管的一端设置有聚焦镜，另一端设置有扩束镜和激光器，所述L型定向管内还设置有扫描振镜。
优选的，所述成型腔的顶部设置有透明密封板，所述远红外热成像仪通过升降机构安装在成型腔的顶部，且位于透明密封板的上方。
优选的，所述升降机构包括滑轨、底板、丝杠和步进电机，所述滑轨竖直安装在成型腔顶部，所述滑轨顶部设置有横梁，所述底板滑动安装在滑轨上，所述横梁上设置有步进电机，所述底板上设置有丝母，所述丝母内设置有丝杠，所述丝杠与步进电机相连接，所述远红外热成像仪安装在底板的底部，底板的顶部设置有报警器，所述步进电机和报警器均与主控系统相连接。
优选的，所述远红外热成像仪的外部罩有防护壳，所述防护壳上盖有耐高温透明有机玻璃，所述防护壳上还设置有红外线测距装置，所述红外线测距装置与主控系统相连接。
优选的，所述防护壳上还设置有吹风管道，所述吹风管道位于耐高温透明有机玻璃的下方，所述吹风管道上设置有进气管。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明能够测量成形过程中每层成形件不同位置的温度分布，分析成形件内部温度分布是否均匀，然后根据成形件内部温度情况启动定向加热装置，对冷却速率较快的部位进行定向加热，实现成形件不同部位温度均匀分布，防止成形过程中由于温度分布不均引起的成形件曲翘变形，提高成形制品质量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中升降机构的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，选择性激光熔化SLM成形定向加热装置，包括：成型腔1，成型腔1的顶部设置有远红外热成像仪25、烧结成形激光系统13和定向加热激光器，成型腔1的侧部设置有主控系统23，远红外热成像仪25、烧结成形激光系统13和定向加热激光器均与主控系统23相连接。
其中，定向加热激光器包括L型定向管14、激光器17，L型定向管14安装在成型腔1的顶部，且L型定向管14的一端设置有聚焦镜19，另一端设置有扩束镜16和激光器17，L型定向管14内还设置有扫描振镜15。激光器主要采用长脉冲激光器，长脉冲激光器与扩束镜16之间通过光纤18连接，扫描振镜15安装在聚焦镜19上方，能够将脉冲激光光斑精确定位在加工面的任一位置，扫描振镜15下方安装聚焦镜19。长脉冲激光器和扫描振镜15均与控制系统23相连，从而实现对零件截面轮廓的定向加热。定向加热激光系统中的长脉冲激光器功率要小于烧结成形激光系统中的激光器，定向加热激光系统中的长脉冲激光器主要是对成形件截面进行加热处理，无法使成形粉末或成形件进行熔化。
成型腔1的顶部设置有透明密封板21，远红外热成像仪25通过升降机构安装在成型腔1的顶部，且位于透明密封板21的上方。升降机构包括滑轨5、底板6、丝杠8和步进电机9，滑轨5竖直安装在成型腔1顶部，滑轨5顶部设置有横梁10，底板6滑动安装在滑轨5上，横梁10上设置有步进电机9，底板6上设置有丝母7，丝母7内设置有丝杠8，丝杠8与步进电机9相连接，远红外热成像仪25安装在底板6的底部，底板6的顶部设置有报警器12，步进电机9和报警器12均与主控系统23相连接。远红外热成像仪25的外部罩有防护壳24，防护壳24上盖有耐高温透明有机玻璃22，防护壳24上还设置有红外线测距装置11，红外线测距装置11与主控系统23相连接。防护壳24上还设置有吹风管道3，吹风管道3位于耐高温透明有机玻璃22的下方，吹风管道3上设置有进气管4。
远红外热成像仪25安装在运动机构的底板6上，底板6两侧分别安装两个竖直放置的滑轨5和一个丝杠8，滑轨5和丝杠8上端有横梁10固定。丝杠8顶端安装步进电机9，用于驱动底板6及底板6上的远红外热成像仪25上下运动。在底板6上同时安装有报警器12，当远红外热成像仪25测得零件不同部位温差较大时，报警器12将会启动进行报警，从而提醒操作者调整工艺参数。底板6材质为铝合金，用于减轻整个装置的重量。底板两侧的滑轨5和丝杠8为不锈钢，与丝杠配合的螺母7材质为铜合金。
远红外热成像系统外面安装防护壳24，该壳体为方形铝合金结构，用于保护整个远红外热成像系统。在防护壳24侧壁上安装有红外线测距装置11，用于测量远红外热成像仪25与成形件之间的距离，当距离不合适时，控制系统23通过调整丝杠顶端的步进电机9，使远红外热成像仪25上下运动，从而达到最优的测温成像距离。在防护壳24上安装耐高温透明有机玻璃22，防护壳前面安装有吹风管道3，吹风管道通过螺栓26固定在防护壳24侧壁上，吹风管道3通过进风管4与供气系统相连。吹风管道3末端为水平方向，通风以后，风向为水平方向从保护镜22前吹过，防止成形过程中有灰尘落在上面。在耐高温透明有机玻璃22下方（成形腔壁顶端）安装密封板21，用螺栓20将其固定在成形腔1顶部壁2上，其材料也是耐高温透明有机玻璃，用于密封成形腔1。
远红外热成像仪25能够连续拍摄270幅图像，测温范围在0~1500℃，测温误差控制在±5℃范围内，能够实时进行监控成形件截面温度分布情况，并且将测温结果实时反馈给主控系统。
远红外热成像系统、烧结成形激光系统13和定向加热激光系统均与主控系统23相连接，能够根据成形件截面形状及温度分布自动调整定向加热激光器17的功率、光束及扫面面积，对成形件局部进行加热。
远红外热成像系统、烧结成形激光系统13和定向加热激光系统均与主控系统23相连。成形过程中，远红外热成像仪25对每层成形截面温度进行测量，并将截面温度反馈给主控系统23，主控系统23根据成形件截面温度分布规律，调整定向加热激光器17功率、光束和运动轨迹，对成形制品不同温度的部位进行不同功率和光束的激光扫描，使成形制品内部温度分布趋于均匀，从而避免成形过程中由于成形件内部温度分布不均引起的翘曲变形。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包在本发明范围内。

Claims (6)

1.选择性激光熔化SLM成形定向加热装置，包括：成型腔，其特征在于：所述成型腔的顶部设置有远红外热成像仪、烧结成形激光系统和定向加热激光器，成型腔的侧部设置有主控系统，所述远红外热成像仪、烧结成形激光系统和定向加热激光器均与主控系统相连接。
2.根据权利要求1所述的选择性激光熔化SLM成形定向加热装置，其特征在于：所述定向加热激光器包括L型定向管、激光器，所述L型定向管安装在成型腔的顶部，且L型定向管的一端设置有聚焦镜，另一端设置有扩束镜和激光器，所述L型定向管内还设置有扫描振镜。
3.根据权利要求1或2所述的选择性激光熔化SLM成形定向加热装置，其特征在于：所述成型腔的顶部设置有透明密封板，所述远红外热成像仪通过升降机构安装在成型腔的顶部，且位于透明密封板的上方。
4.根据权利要求3所述的选择性激光熔化SLM成形定向加热装置，其特征在于：所述升降机构包括滑轨、底板、丝杠和步进电机，所述滑轨竖直安装在成型腔顶部，所述滑轨顶部设置有横梁，所述底板滑动安装在滑轨上，所述横梁上设置有步进电机，所述底板上设置有丝母，所述丝母内设置有丝杠，所述丝杠与步进电机相连接，所述远红外热成像仪安装在底板的底部，底板的顶部设置有报警器，所述步进电机和报警器均与主控系统相连接。
5.根据权利要求4所述的选择性激光熔化SLM成形定向加热装置，其特征在于：所述远红外热成像仪的外部罩有防护壳，所述防护壳上盖有耐高温透明有机玻璃，所述防护壳上还设置有红外线测距装置，所述红外线测距装置与主控系统相连接。
6.根据权利要求5所述的选择性激光熔化SLM成形定向加热装置，其特征在于：所述防护壳上还设置有吹风管道，所述吹风管道位于耐高温透明有机玻璃的下方，所述吹风管道上设置有进气管。
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