CN107225245B - 金属粉末3d激光成型铺粉装置及成型方法 - Google Patents

金属粉末3d激光成型铺粉装置及成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属粉末3D激光成型铺粉装置及成型方法，通过金属粉末3D激光成型铺粉装置，利用送粉轴和松香酒精喷嘴喷出粘结剂形成金属粉末预置层，然后加热；接着用激光束对金属粉末预置层熔化烧结，形成激光熔积层，制得所需的金属制件。解决了现有技术中成型精度低、粉末利用率低的问题，且避免了常规需要较多辅助粉末、尺寸受限的问题。

Description

金属粉末3D激光成型铺粉装置及成型方法
技术领域
本发明属于3D激光成型技术领域，特别是涉及一种金属粉末3D激光成型铺粉装置及成型方法。
背景技术
现有的同步送粉激光增材制造过程中粉末利用率不高，并且在金属铺粉激光3D成型过程中辅助支撑粉末较多，成型工件尺寸容易受制于铺粉箱体大小；使得金属粉末3D激光成型技术大规模应用受到限制。
具体来说，同步送粉，是利用气载式送粉器，将激光熔覆粉末直接输送入光斑内，随着光斑在工件表面的移动，形成熔覆层。但是利用气体送粉粉末浪费大，而且边界形状精度不易控制，即造成了粉末利用率不高，成型精度偏低。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种金属粉末3D激光成型铺粉装置，解决了现有技术中成型精度低、粉末利用率低的问题，且避免了常规需要较多辅助粉末、尺寸受限的问题。
本发明实施例的另一目的在于提供一种金属粉末3D激光成型方法。
本发明所采用的技术方案是，金属粉末3D激光成型铺粉装置，包括出粉装置，出粉装置内部上方为装粉槽，装粉槽底面向开口处倾斜一定的角度，装粉槽下方通过开口与一个倾斜粉道连接，倾斜粉道背面的出粉装置上设置有圆柱孔，圆柱孔的大小小于倾斜粉道上方张开弧度的大小；倾斜粉道下方出粉口直至出粉装置的底部；倾斜粉道最下方开口通过螺钉连接尺寸不同的出粉板件，出粉板件通过螺钉固定在出粉装置上；所述出粉装置上还设置方形槽孔；步进电机通过螺钉固定在出粉装置的方形槽孔的位置；步进电机通过齿轮与送粉轴连接，送粉轴设置在圆柱孔的位置。
进一步的，所述送粉轴上设置有阵列槽孔。
进一步的，所述出粉装置上圆柱孔的位置设置有两个上下通过螺栓连接的半圆形托板，半圆形托板用于固定及调节送粉轴的位置，使得送粉轴压紧圆柱孔的上半部分。
进一步的，所述倾斜粉道下方的出粉口为0.3mm-1.2mm的单个圆孔、阵列圆孔、或不同尺寸槽孔。
进一步的，松香酒精喷嘴通过螺栓固定连接在离出粉口较近的出粉装置的侧端，且松香酒精喷嘴安装时可使其喷射液体方向和出粉口送粉方向在4-8毫米高度范围内有交点。
进一步的，所述松香酒精喷嘴为微喷射喷嘴或雾化喷嘴。
进一步的，所述雾化喷嘴，利用流量泵控制送入液体的流量。
进一步的，所述微喷射喷嘴利用数控系统控制喷嘴开闭频率来控制喷射的流量。
本发明所采用的另一技术方案是，一种金属粉末3D激光成型铺粉装置的成型方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
步骤1，金属粉末预置层的制备
选取金属粉末过150目筛后烘干，配置松香酒精溶液作为粘结剂，质量浓度为1％-7％；
将金属粉末3D激光成型铺粉装置固定在机械手中，利用三维软件设计零件模型，导出快速成型格式，导入分层切片软件设置参数进行切片，得到切片数据，然后将切片数据导入机械手的控制系统，使得机械手带着金属粉末3D激光成型铺粉装置在所需成型的部位行走扫描，同时开动送粉轴和松香酒精喷嘴，出粉口流出的粉末利用松香酒精喷嘴喷出的粘结剂在需成型区域表面相遇，形成一层厚度为0.1mm-0.8mm含有松香酒精的金属粉末预置层；当整个需成型的区域平面扫面完成后，利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动功率密度为10w/mm2-30w/mm2，扫描速度7mm/s-15mm/s的光束对含有松香酒精的金属粉末预置层扫描加热，使酒精完全挥发形成松香为粘结相且具有一定粘结强度的金属粉末预置层；
步骤2，制备金属粉末激光熔积层
利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动高能量密度的激光束对具有一定粘结强度的金属粉末预置层扫描熔化烧结，形成一层金属粉末激光熔积层，其中激光束功率密度200w/mm2-300w/mm2，扫描速度5mm/s-7mm/s；利用数控系统带动金属粉末3D激光成型铺粉装置上升一个金属粉末激光熔积层的高度，重复熔化烧结的过程制备出所需的金属成型件。
进一步的，所述步骤1的金属粉末为熔点在2000摄氏度以下的金属粉末。
本发明的有益效果是由送粉量精确可控且出粉孔形状可调的送粉机构和一个流量精确可控的松香酒精粘结剂喷嘴组合而成的铺粉装置，并配以相应的工艺，使得金属粉末利用率在96％以上，并具有好的成型精度，避免了激光同步送粉3D成型工艺粉末利用率低、成型精度不高的问题；同时也避免了常规箱体铺粉激光3D成型工艺需要较多只起支撑作用的辅助粉末、尺寸受制于铺粉箱体大小的问题，在激光再制造和激光增材制造领域有重要的应用价值和巨大的社会效益。结构简单、操作方便、粉末输送连续均匀且边界形状精度可控。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中出粉装置的剖视图。
图2是本发明实施例中出粉装置的立体图。
图3是本发明实施例中出粉装置的轴侧剖面图。
图4是本发明实施例中金属粉末3D激光成型铺粉装置的主视图。
图5是本发明实施例中金属粉末3D激光成型铺粉装置的俯视图。
图6是本发明实施例中送粉轴的结构示意图。
图7是本发明实施例中半圆形托板的结构示意图。
图8是本发明实施例得到的金属粉末激光溶积层图片。
图中，1.装粉槽，2.圆柱孔，3.倾斜粉道，4.螺钉，5.出粉板件，6.方形槽孔，7.出粉装置，8.齿轮，9.松香酒精喷嘴，10.送粉轴，11.步进电机，12.半圆形托板，13.阵列槽孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
金属粉末3D激光成型铺粉装置，结构如图1-7所示，包括出粉装置7，出粉装置7的结构如图1-3所示；出粉装置7内部上方为装粉槽1，装粉槽1为底面向开口处倾斜一定的角度，装粉槽1下方通过开口与一个倾斜粉道3连接，倾斜粉道3背面的出粉装置7上设置有圆柱孔2，圆柱孔2的大小小于倾斜粉道3上方张开弧度的大小；倾斜粉道3下方出粉口直至出粉装置7的底部；倾斜粉道3下方开口处通过螺钉4连接尺寸不同的出粉板件5，在出粉装置7上还设置方形槽孔6。
如图4-5所示，步进电机11通过螺钉固定在出粉装置7的方形槽孔6的位置；步进电机11通过齿轮8与送粉轴10连接，送粉轴10设置在圆柱孔2的位置；如图4、7所示，在出粉装置7上圆柱孔2的位置设置有两个上下通过螺栓连接的半圆形托板12，半圆形托板12用于固定及调节送粉轴10的位置，使得送粉轴10压紧圆柱孔2的上半部分；松香酒精喷嘴9通过螺栓固定连接在离出粉口较近的出粉装置7的侧端。且松香酒精喷嘴安装时可使其喷射液体方向和出粉口送粉方向在4-8毫米高度范围内有交点。
如图6所示，送粉轴10上设置有阵列槽孔13。
倾斜粉道3下方的出粉口可以为0.3mm-1.2mm的单个圆孔、阵列圆孔、不同尺寸槽孔，用于控制铺粉的边界形状精度。
送粉轴10上有一系列并具有一定宽度和深度的送粉槽(阵列槽孔13)，通过由步进电机11和齿轮8组成的驱动装置带动送粉轴10旋转且控制转速，实现粉末均匀连续供应；出粉装置7的出粉口形状可以通过更换不同的出粉板件进行调整。送粉轴10上槽口的宽度、深度和数量，形状可按工艺要求进行调整。
通过步进电机控制送粉轴10的转速和铺粉装置的行走扫描速度，将本发明的铺粉装置固定在机械手中，将所建立的三维模型利用切片软件进行切片，将得到的切片数据导入机械手控制系统，使机械手带着铺粉装置在所需成型的部位行走扫描。可使含有松香酒精粘结剂的金属粉末预置层厚度为0.1mm-0.8mm可调从而达到控制送粉量的目的。
松香酒精喷嘴9为微喷射喷嘴或雾化喷嘴。雾化喷嘴，适用于大面积激光成型；微喷射喷嘴，适用于高精度、小面积成型。当松香酒精喷嘴9采用雾化喷嘴时利用流量泵控制送入液体的流量，当松香酒精喷嘴9采用微喷射喷嘴时利用数控系统控制喷嘴开闭频率来控制喷射的流量。
金属粉末3D激光成型方法，具体按照以下步骤进行：
步骤1，金属粉末预置层的制备
选取金属粉末过150目筛后烘干，保证金属粉末具有良好的流动性能；配置松香酒精溶液作为粘结剂；
将金属粉末3D激光成型铺粉装置固定在机械手中，利用三维软件设计零件模型，导出快速成型格式，导入分层切片软件设置参数进行切片，得到切片数据，然后将切片数据导入机械手的控制系统，使得机械手带着金属粉末3D激光成型铺粉装置在所需成型的部位行走扫描，同时开动送粉轴10和松香酒精喷嘴9，出粉口流出的粉末利用松香酒精喷嘴9喷出的松香酒精粘结剂在需成型区域表面相遇，形成一层厚度约为0.1mm-0.8mm含有松香酒精的金属粉末预置层；当整个需成型的区域平面扫面完成后，利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动功率密度为10w/mm2-30w/mm2，扫描速度7mm/s-15mm/s的光束对含有松香酒精的金属粉末预置层扫描加热，使酒精完全挥发形成松香为粘结相且具有一定粘结强度的金属粉末预置层；
步骤2制备金属粉末激光熔积层
利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动高能量密度的激光束对具有一定粘结强度的金属粉末预置层扫描熔化烧结，形成一层金属粉末激光熔积层，其中激光束功率密度200w/mm2-300w/mm2，扫描速度5mm/s-7mm/s；利用数控系统带动金属粉末3D激光成型铺粉装置上升一个金属粉末激光熔积层的高度，重复熔化烧结的过程制备出所需的金属成型件。最后得到的如图8所示。
其中，松香酒精粘结剂起粘结和造渣作用，质量浓度为1％-6％；
金属粉末预置层的厚度在0.1mm-0.8mm；其厚度通过送粉速度和铺粉装置的行走扫描速度配合控制。
有两种金属粉末预置层边界形状控制方法，一种是利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动铺粉装置在需要成型的区域进行扫描的同时开动送粉机构和雾化喷嘴，出粉口流出的粉末和利用雾化喷嘴喷出的松香酒精粘结剂在需成型区域表面相遇，形成一层厚度为0.1mm-0.8mm含有松香酒精的金属粉末预置层，金属粉末预置层的边界形状精度通过送粉口大小和送粉速度的配合控制，此种控制方法可用于大面积铺粉，边界形状要求不高的应用领域；另一种是利用数控系统带动铺粉装置在需要成型的区域进行扫描的同时开动送粉机构和微喷射喷嘴，送粉口流出的粉末和利用微喷射喷嘴喷出的松香酒精粘结剂在需成型区域表面相遇，形成一层厚度为0.1mm-0.8含有松香酒精的金属粉末预置层，利用微喷射系统控制松香酒精粘结剂喷涂区域的形状来达到控制铺粉边界形状精度的目的，此种控制方法可应用于对边界形状精度要求高的应用领域。
本发明使用简单高效的机械装置送粉，送粉口流出的粉末和利用微喷射喷嘴或雾化喷嘴喷出的松香酒精粘结剂在需成型区域表面相遇，形成一层厚度约为0.1mm-0.8mm含有松香酒精粘结剂的金属粉末预置层；金属粉末预置层的边界形状精度和厚度通过送粉口形状大小和送粉速度、以及送粉轴上的槽口的宽度、深度和数量的配合控制。并配以相应的工艺，可使得金属粉末利用率在96％以上，并具有好的成型精度，避免了激光同步送粉3D成型工艺粉末利用率低、成型精度不高的问题；同时也避免了常规箱体铺粉激光3D成型工艺需要较多只起支撑作用的辅助粉末、尺寸受制于铺粉箱体大小的问题，在激光再制造和激光增材制造领域有重要的应用价值和巨大的社会效益。
实施例1：
步骤1，金属粉末预置层的制备。
数据建模：利用三维软件设计零件模型，导出快速成型格式，导入分层切片软件设置参数进行切片，得到切片数据；选取金属粉末过150目筛后烘干，保证粉末具有良好的流动性能；配置松香酒精溶液作为粘结剂质量浓度为1％；设计送粉量精确可控且出粉孔形状可调的送粉机构和流量精确可控的松香酒精喷嘴9组成的铺粉装置；将烘干后粉末装入装分槽，利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动上述铺粉装置在需要成型的区域进行扫描的同时开动送粉机构和松香酒精粘结剂喷嘴，送粉口流出的粉末和利用雾化喷嘴喷出的松香酒精粘结剂在需成型区域表面相遇，形成一层厚度约为0.3mm含有松香酒精的金属粉末预置层；当整个需成型的区域平面扫面完成后，利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动功率密度为10w/mm2，扫描速度15mm/s的光束对含有松香酒精的金属粉末预置层扫描加热，使酒精完全挥发形成松香为粘结相且具有一定粘结强度的金属粉末预置层。
步骤2制备金属粉末激光熔积层
利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动高能量密度的激光束对上述具有一定粘结强度的金属粉末预置层扫描熔化烧结，形成一层金属粉末激光熔积层，其中激光束功率密度200w/mm2，扫描速度7mm/s；利用数控系统带动铺粉装置上升一个金属粉末激光熔积层的高度，重复上述过程制备出所需的金属成型件。
实施例2
所选松香酒精质量浓度为6％；步骤1中利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动功率密度为30w/mm2，扫描速度7mm/s的光束对含有松香酒精的金属粉末预置层扫描加热，步骤2中激光束功率密度300w/mm2，扫描速度5mm/s；其它过程同实施例1。
实施例3
所选松香酒精质量浓度为4％；步骤1中利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动功率密度为20w/mm2，扫描速度10mm/s的光束对含有松香酒精的金属粉末预置层扫描加热，步骤2中激光束功率密度250w/mm2，扫描速度6mm/s；其它过程同实施例1。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种金属粉末3D激光成型铺粉装置的成型方法，其特征在于，
采用一种金属粉末3D激光成型铺粉装置，包括出粉装置(7)，出粉装置(7)内部上方为装粉槽(1)，装粉槽(1)底面向开口处倾斜一定的角度，装粉槽(1)下方通过开口与一个倾斜粉道(3)连接，倾斜粉道(3)背面的出粉装置(7)上设置有圆柱孔(2)，圆柱孔(2)的大小小于倾斜粉道(3)上方张开弧度的大小；倾斜粉道(3)下方出粉口直至出粉装置(7)的底部；倾斜粉道(3)最下方开口通过螺钉(4)连接尺寸不同的出粉板件(5)，出粉板件(5)通过螺钉(4)固定在出粉装置(7)上；所述出粉装置(7)上还设置方形槽孔(6)；步进电机(11)通过螺钉固定在出粉装置(7)的方形槽孔(6)的位置；步进电机(11)通过齿轮(8)与送粉轴(10)连接，送粉轴(10)设置在圆柱孔(2)的位置，
然后按照以下步骤进行：
步骤1，金属粉末预置层的制备
选取金属粉末过150目筛后烘干，配置松香酒精溶液作为粘结剂，质量浓度为1％-7％；
将金属粉末3D激光成型铺粉装置固定在机械手中，利用三维软件设计零件模型，导出快速成型格式，导入分层切片软件设置参数进行切片，得到切片数据，然后将切片数据导入机械手的控制系统，使得机械手带着金属粉末3D激光成型铺粉装置在所需成型的部位行走扫描，同时开动送粉轴(10)和松香酒精喷嘴(9)，出粉口流出的粉末利用松香酒精喷嘴(9)喷出的粘结剂在需成型区域表面相遇，形成一层厚度为0.1mm-0.8mm含有松香酒精的金属粉末预置层；当整个需成型的区域平面扫面完成后，利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动功率密度为10w/mm2-30w/mm2，扫描速度7mm/s-15mm/s的光束对含有松香酒精的金属粉末预置层扫描加热，使酒精完全挥发形成松香为粘结相且具有一定粘结强度的金属粉末预置层；
步骤2，制备金属粉末激光熔积层
利用数据建模得到的切片数据控制数控系统带动高能量密度的激光束对具有一定粘结强度的金属粉末预置层扫描熔化烧结，形成一层金属粉末激光熔积层，其中激光束功率密度200w/mm2-300w/mm2，扫描速度5mm/s-7mm/s；利用数控系统带动金属粉末3D激光成型铺粉装置上升一个金属粉末激光熔积层的高度，重复熔化烧结的过程制备出所需的金属成型件。
2.根据权利要求1所述的金属粉末3D激光成型铺粉装置的成型方法，其特征在于，所述步骤1的金属粉末为熔点在2000摄氏度以下的金属粉末。
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