CN106676514A - 一种用于激光选区熔化成形的变向吹气方法 - Google Patents

一种用于激光选区熔化成形的变向吹气方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于激光选区熔化技术领域，具体涉及一种用于激光选区熔化成形的变向吹气方法。本发明一种用于激光选区熔化成形的变向吹气方法，激光选区熔化成形技术通过激光束逐层熔化预铺金属粉末实现复杂结构金属零件的成形，成形过程中在粉床上方进行吹气形成气帘，吹走烟尘以保护成形面和聚焦透镜；在激光选区熔化成形过程中，设定激光扫描路径每层改变的角度，在每一层加工开始前，控制旋转吹气装置旋转，使气流方向始终与激光扫描路径平行。利用本发明方法，控制烟尘扩散效果好，粉床表面杂质残留减少，成形面光洁度提高，成形质量提高。

Description

一种用于激光选区熔化成形的变向吹气方法
技术领域
本发明属于激光选区熔化技术领域，具体涉及一种用于激光选区熔化成形的变向吹气方法。
背景技术
激光选区熔化成形(selective laser melting，简称SLM)是一种基于分层叠加制造原理的增材制造技术，是金属材料增材制造(additive manufacturing，AM)领域中最具发展潜力的技术之一。
成形过程中，通过激光束逐层熔化预铺金属粉末实现复杂结构金属零件的成形，在成形过程中，有烟尘产生，如果大量烟尘落在粉床表面会严重影响下一层成形。因此在粉床上方会进行吹气，形成气帘，吹走烟尘以保护成形面和聚焦透镜。
现有技术的吹气和吸气装置如图1所示，在成形过程中，激光按照一定的线长高速扫描，形成熔池，在同一层中，所有的激光扫描路径是平行的。但是相邻层的激光扫描路径需要进行变化，其原理类似于建筑用砖的横纵码放，如图2所示每层改变45°，虚线为成形区域的轮廓，实线为激光扫描路径，箭头为该层成形方向。
当该层成形方向与吹气方向相逆时，在熔池高温引起的气体膨胀作用下，烟尘杂质会向该层成形方向扩散，当遭遇逆向气流时，烟尘会产生涡旋扩散，导致在粉床表面沉积，或者扩散到别处，影响成形质量。当成形方向与气流方向相同时，贴近粉床处，熔池的高温也会对气流产生屏蔽，造成烟尘沉积。当该层成形方向与气流方向垂直时(既扫描路径与气流方向平行)，如图3所示，最有利于成形。
但是现有定向吹气方法，无法满足上述条件。因此，亟需研制一种用于激光选区熔化成形的变向吹气方法。，从而加速烟尘扩散，减少杂质颗粒在粉床上的堆积，提高成形质量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于激光选区熔化成形的变向吹气方法，采用变向吹气的方法，改善成形质量。
为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：
一种用于激光选区熔化成形的变向吹气方法，激光选区熔化成形技术通过激光束逐层熔化预铺金属粉末实现复杂结构金属零件的成形，成形过程中在粉床上方进行吹气形成气帘，吹走烟尘以保护成形面和聚焦透镜；在激光选区熔化成形过程中，设定激光扫描路径每层改变的角度，在每一层加工开始前，控制旋转吹气装置旋转，使气流方向始终与激光扫描路径平行，具体包括以下步骤：
(1)定义初始值
激光扫描路径和吹气装置的初始角度定义如下：
旋转吹气装置是长方体结构，设旋转吹气装置中与出风口所在面相互垂直并与激光选区熔化区域相互平行的两个面分别为上平面和下平面，在上平面的中心位置设置旋转轴控制旋转吹气装置旋转，下平面与激光选区熔化区域在同一平面上；
定义旋转吹气装置的长边是出风口所在面与下平面的相交边，下平面上与旋转吹气装置的长边相互垂直的另一条边为旋转吹气装置的短边；
激光选区熔化区域是边长为L的正方形区域，旋转吹气装置长边的长度为a，旋转吹气装置长边与激光选区熔化区域之间的距离为d，a＝L/(2cosβ)+L*sinβ，d＝L*tanβ/2；β是旋转吹气装置转动角度的最大值；
旋转吸气装置是与旋转吹气装置是对称的长方体结构，激光选区熔化区域设置在二者中间；
以激光选区熔化区域中铺粉轴运动方向为基准，定义在激光选区熔化区域所在平面内，垂直于铺粉轴运动的方向为激光扫描路径的0°方向；
定义在激光选区熔化区域所在平面内，激光扫描路径顺时针转动为负，逆时针转动为正；定义旋转吹气装置的长边平行于铺粉轴运动的方向时，为旋转吹气装置的0°方向；旋转吹气装置顺时针转动为负，逆时针转动为正；
(2)成形前设置
在成形前，设定成形过程中每加工一层激光扫描路径角度变化θ；
(3)成形过程中的调整
每层成形开始前，通过系统程序读取当前成形层数N，通过如下公式计算旋转吹气装置需要转动的角度α：
α＝[(N*θ)％180]-90，公式中的％为求余运算符；
旋转吸气装置也旋转相同角度α，始终与旋转吹气装置保持平行。
进一步对，如上所述的一种用于激光选区熔化成形的变向吹气方法，旋转吹气装置转动角度的最大值β＝35°，旋转吹气装置转动角度范围限定为-35～+35°；当步骤(3)中得出的α＞+35°时，α取35°；α＜-35°时，α取-35°。
本发明技术方案的有益效果在于：通过将单一方向的吹气装置改变为图4所示的旋转吹气装置。在SLM成形过程中，将会设定激光扫描路径每层改变的角度，在每一层加工开始前，控制步进电机，带动旋转吹气装置旋转，使气流方向始终与激光扫描路径平行。利用本发明方法，控制烟尘扩散效果好，粉床表面杂质残留减少，成形面光洁度提高，成形质量提高。
附图说明
图1是现有吹气装置示意图；
图2是扫描路径和该层成形方向示意图；
图3是扫描方向与气流方向平行示意图；
图4是初始值定义图；
图5是旋转吹气装置示意图。
图中：1旋转吹气装置，2旋转吸气装置，3激光选区熔化区域，4旋转轴，5出风口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进一步说明。
本发明一种用于激光选区熔化成形的变向吹气方法，激光选区熔化成形技术通过激光束逐层熔化预铺金属粉末实现复杂结构金属零件的成形，成形过程中在粉床上方进行吹气形成气帘，吹走烟尘以保护成形面和聚焦透镜；其特征在于：在激光选区熔化成形过程中，设定激光扫描路径每层改变的角度，在每一层加工开始前，控制旋转吹气装置旋转，使气流方向始终与激光扫描路径平行，具体包括以下步骤：
(1)定义初始值
激光扫描路径和吹气装置的初始角度定义如图4所示：
旋转吹气装置是长方体结构，设旋转吹气装置中与出风口所在面相互垂直并与激光选区熔化区域相互平行的两个面分别为上平面和下平面，在上平面的中心位置设置如图5所示的旋转轴控制旋转吹气装置旋转，下平面与激光选区熔化区域在同一平面上；
定义旋转吹气装置的长边是出风口所在面与下平面的相交边，下平面上与旋转吹气装置的长边相互垂直的另一条边为旋转吹气装置的短边；
激光选区熔化区域是边长为L的正方形区域，旋转吹气装置长边的长度为a，旋转吹气装置长边与激光选区熔化区域之间的距离为d，a＝L/(2cosβ)+L*sinβ，d＝L*tanβ/2；β是旋转吹气装置转动角度的最大值；
旋转吸气装置是与旋转吹气装置是对称的长方体结构，激光选区熔化区域设置在二者中间；
以激光选区熔化区域中铺粉轴运动方向为基准，定义在激光选区熔化区域所在平面内，垂直于铺粉轴运动的方向为激光扫描路径的0°方向；
定义在激光选区熔化区域所在平面内，激光扫描路径顺时针转动为负，逆时针转动为正；定义旋转吹气装置的长边平行于铺粉轴运动的方向时，为旋转吹气装置的0°方向；旋转吹气装置顺时针转动为负，逆时针转动为正；
(2)成形前设置
在成形前，设定成形过程中每加工一层激光扫描路径角度变化θ；
(3)成形过程中的调整
每层成形开始前，通过系统程序读取当前成形层数N，通过如下公式计算旋转吹气装置需要转动的角度α：
α＝[(N*θ)％180]-90，公式中的％为求余运算符；
旋转吸气装置也旋转相同角度α，始终与旋转吹气装置保持平行。
在本实施例中，旋转吹气装置转动角度的最大值β＝35°，旋转吹气装置转动角度范围限定为-35～+35°；当步骤(3)中得出的α＞+35°时，α取35°；α＜-35°时，α取-35°。

Claims (2)

1.一种用于激光选区熔化成形的变向吹气方法，激光选区熔化成形技术通过激光束逐层熔化预铺金属粉末实现复杂结构金属零件的成形，成形过程中在粉床上方进行吹气形成气帘，吹走烟尘以保护成形面和聚焦透镜；其特征在于：在激光选区熔化成形过程中，设定激光扫描路径每层改变的角度，在每一层加工开始前，控制旋转吹气装置旋转，使气流方向始终与激光扫描路径平行，具体包括以下步骤：
(1)定义初始值
激光扫描路径和吹气装置的初始角度定义如下：
旋转吹气装置是长方体结构，设旋转吹气装置中与出风口所在面相互垂直并与激光选区熔化区域相互平行的两个面分别为上平面和下平面，在上平面的中心位置设置旋转轴控制旋转吹气装置旋转，下平面与激光选区熔化区域在同一平面上；
定义旋转吹气装置的长边是出风口所在面与下平面的相交边，下平面上与旋转吹气装置的长边相互垂直的另一条边为旋转吹气装置的短边；
激光选区熔化区域是边长为L的正方形区域，旋转吹气装置长边的长度为a，旋转吹气装置长边与激光选区熔化区域之间的距离为d，a＝L/(2cosβ)+L*sinβ，d＝L*tanβ/2；β是旋转吹气装置转动角度的最大值；
旋转吸气装置是与旋转吹气装置是对称的长方体结构，激光选区熔化区域设置在二者中间；
以激光选区熔化区域中铺粉轴运动方向为基准，定义在激光选区熔化区域所在平面内，垂直于铺粉轴运动的方向为激光扫描路径的0°方向；
定义在激光选区熔化区域所在平面内，激光扫描路径顺时针转动为负，逆时针转动为正；定义旋转吹气装置的长边平行于铺粉轴运动的方向时，为旋转吹气装置的0°方向；旋转吹气装置顺时针转动为负，逆时针转动为正；
(2)成形前设置
在成形前，设定成形过程中每加工一层激光扫描路径角度变化θ；
(3)成形过程中的调整
每层成形开始前，通过系统程序读取当前成形层数N，通过如下公式计算旋转吹气装置需要转动的角度α：
α＝[(N*θ)％180]-90，公式中的％为求余运算符；
旋转吸气装置也旋转相同角度α，始终与旋转吹气装置保持平行。
2.如权利要求1所述的一种用于激光选区熔化成形的变向吹气方法，其特征在于：旋转吹气装置转动角度的最大值β＝35°，旋转吹气装置转动角度范围限定为-35～+35°；当步骤(3)中得出的α＞+35°时，α取35°；α＜-35°时，α取-35°。
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