CN107498046B - 一种激光增材用粉末床装置及其激光增材方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光增材用粉末床装置及其激光增材方法和应用，两块铜夹板对称设置在底座顶端的左右两侧，铜夹板上设有跑道型的通孔，底座上设有螺纹柱，上螺母、下螺母均与的螺纹柱通过螺纹配合，下螺母设置在铜夹板的底端，上螺母设置在铜夹板的顶端；任一铜夹板的顶端设有冷却水管，冷却水管呈“∏”形设置在铜夹板的边缘位置，冷却水管的进水端口通过供水管道与水箱相连通，冷却水管的出水端口连接有排水管道；底座设置在玻璃罩内，玻璃罩的顶端设有玻璃盖，玻璃罩的左侧壁上设有通过惰性保护气体的进气口，右侧壁上设有过惰性保护气体的出气口，玻璃罩的左右侧壁还均设有使得供水管道通过的进水口和使得排水管道通过的出水口。

Description

一种激光增材用粉末床装置及其激光增材方法和应用

技术领域

本发明涉及激光增材制造及工艺技术领域，特别是涉及一种激光增材用粉末床装置及其激光增材方法和应用。

背景技术

激光增材制造是上世纪九十年代中期发展起来高端成形技术，最近几年发展成为一项集光、机、电及新材料于一体的先进制造技术。其中基于粉末床的激光增材制造包含激光选区熔化技术(Selective Laser Melting，简称SLM)、选择性激光烧结(selectivelaser sintering，SLS)和选择性电子束融化(selective electron beam melting，SEBM)等工艺。SLM技术是由SLS技术发展过来的，它们之间存在着一些区别。SLS技术制造工艺过程复杂，制造出的零件性能和精度受成形工艺过程制约和影响。SLM技术这些方面进行了一些改进，成形的零部件性能良好，精度高，工艺过程简单。但要获得成形较好的成形零件，铺粉装置是必不可少的技术方面之一。目前，基于粉末床的SLM增材制造技术已被广泛应用于汽车、航空航天、医疗卫生等领域。如果这一前沿技术取得非常大的突破，将会推动制造业跨越式进步和变革。

SLM技术采用预置铺粉的方法，在基材的上表面铺设一定厚度和面积的金属粉末床，然后通保护气，打开激光对金属粉末进行选择性熔化，并且移动激光或者放置基材的工作台。只需要重复铺粉和激光加工，即可得到需要的金属零件。

在基于粉末床的激光增材制造过程中，需要将粉末熔化，凝固这一过程，使上下两层粉末粘结，实现逐层累积过程。在这一过程中，金属粉末经历固-液-固复杂变化，这其中的导热过程十分复杂。并且热量在粉床中的传导过程与实体中的不一样。SLM工艺一般采用光斑细小的激光束，成形精度非常高，而常规的粉末床装置铺粉范围则比成形范围大很多，很多金属粉末没有成形，形成大量“冗余”粉末。并且当激光扫描一道成形时，会造成周围的金属粉末受热发生氧化，甚至熔化，导致下一道成形产生缺陷。极细小的光斑作用在基板上，能量大，使基板发生变形，使得下次铺粉不均匀。很多粉末床结构复杂，成本非常高。

发明内容

本发明的目的是在于克服现有装置和设备对金属粉末的浪费和在成形过程中基材受热变形，提出一种简易新型粉末床装置对这些方面进行了改善，并且操作方便，制作简单，对实现单件小尺寸和精细复杂的金属零件进行高精度制造。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

本发明公开了一种激光增材用粉末床装置，包括玻璃罩、玻璃盖、底座、铜夹板、冷却水管、螺纹柱、上螺母和下螺母；

两块铜夹板对称设置在底座顶端的左右两侧，两块铜夹板之间形成的缝隙用于夹持基材，所述铜夹板上设有跑道型的通孔，所述底座上设有螺纹柱，所述螺纹柱穿过所述的通孔，所述上螺母、下螺母均与所述的螺纹柱通过螺纹配合，所述下螺母设置在铜夹板的底端，用于调节铜夹板的高度，所述上螺母设置在铜夹板的顶端，用于调节铜夹板的左右位置；

任一铜夹板的顶端设有冷却水管，所述冷却水管呈“∏”形设置在铜夹板的边缘位置，所述冷却水管的进水端口通过供水管道与水箱相连通，所述冷却水管的出水端口连接有排水管道；

所述底座设置在玻璃罩内，所述玻璃罩的顶端设有玻璃盖，所述玻璃盖上设有激光可通过的空隙，所述玻璃罩的左侧壁上设有通过惰性保护气体的进气口，所述进气口通过管道与保护气瓶相连接，右侧壁上设有过惰性保护气体的出气口，所述玻璃罩的左右侧壁还均设有使得供水管道通过的进水口和使得排水管道通过的出水口。

优选的，所述进水口、出水口的直径均为6-8mm，所述进气口为圆形孔，直径为8-10mm，所述出气口为矩形孔，边长10-15mm。

优选的，所述铜夹板上设有用于固定冷却水管的凹槽，所述凹槽的宽度为6-10mm，所述凹槽的深度为3-5mm，所述凹槽的中线与铜夹板的边缘的距离为6-10mm，所述冷却水管外径6-10mm，冷却水管内径4-8mm。

优选的，所述底座的材质为Q235，厚度优选6-10mm范围，并且开四个螺纹孔，螺纹孔的直径为6-12mm，所述螺纹柱的底端通过螺纹连接的方式设置在螺纹孔内。

优选的，所述惰性保护气体采用氩气。

优选的，两块铜夹板之间的距离可调范围为0-100mm，可以成形零部件高度范围0-40mm。

本发明另一方面，还包括所述激光增材用粉末床装置的激光增材方法，包括以下步骤：

1)、加工基材，使其厚度一致，对其表面进行打磨和清洗；

2)、调整两块铜夹板之间的距离，使其等于基材的宽度，利用铜夹板夹紧基材，并且基材和夹板上表面相平。然后抬高铜夹板的高度，使铜夹板上表面高于基材上表面，高度差为需要铺粉的厚度。

3)、将金属粉末均匀的铺在基板上，刮平且压实，使金属粉末均匀分布，粉末粒径为300-600目，铺粉厚度为0.05-1mm；

4)、通过进气口向玻璃罩内通入惰性保护气，保护气流量为5-25L/min，排出空气，产生保护氛围，向冷却水管内通入冷却水；

5)、打开激光成形，设置激光增材制造工艺参数，成形后再重新开始步骤1，实现多层多道成形，得到所需要的金属零件。

优选的，所述步骤4)中，激光光斑直径为0.2-0.8mm，离焦量-1-1mm，激光功率为50-600W，扫描速度为10-60mm/s，搭接率为20％-40％。

优选的，所述步骤4)中，采用机床控制粉末床装置的移动，实现材料的连接过程，完成所有的激光选区增材制造过程。

本发明另一方面，还包括所述激光增材用粉末床装置在零部件成型工艺上的应用，其中：激光光斑直径为0.2-0.8mm，离焦量-1-1mm，激光功率为50-600W，扫描速度为10-60mm/s，搭接率为20％-40％。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明可以放入各种规格大小的矩形基材，当成形件尺寸比较小时，选择与成形件尺寸相当的基材，这样可以减少金属粉末铺粉面积，从而降低金属粉末的实际用量，从而降低材料成本。

(2)本发明加入了冷却水装置，当激光作用在金属粉末时，对未被激光作用的金属粉末起冷却作用，减少金属粉末受热熔化。当进行第二道成形时，由于未受激光作用的粉末没有熔化，第二道成形没有受到影响，以后基本上下一道成形都不会受前一道影响。

(3)本发明加入了冷却水装置，减小基材受热变形。基材受热发生变形会导致金属粉末的铺设造成影响，粉末厚度变得不一样，成形变差，本发明改善了基材变形。

(4)本发明结构简单，操作方便，降低成本。提出的技术路线是基于SLM熔化成形方法，设备结构相对比较简单，制造难度低，从而降低了成本。

(5)本发明可以成形比较小和精细复杂的零件，并且对成形单件零件非常的方便。

附图说明

图1是本简易型粉末床装置简图。

图2是去掉玻璃板和玻璃罩的主视图。

图3是去掉玻璃板和玻璃罩的左视图。

图4是本简易型粉末床装置爆炸图。

图5是玻璃盖三视图，其中(a)为左视图，(b)为前视图，(c)为俯视图。

图6是玻璃罩三视图，其中(a)为左视图，(b)为前视图，(c)为俯视图。

图7是底座三视图，其中(a)为左视图，(b)为前视图，(c)为俯视图。

图8是冷却水管三视图，其中(a)为左视图，(b)为前视图，(c)为俯视图。

图9是铜夹板三视图，其中(a)为左视图，(b)为前视图，(c)为俯视图。

图10是本简易型粉末床装置装配图，其中(a)为俯视图，(b)为图(a)中A-A面的剖面图，(c)图(a)中B-B面的剖面图。

图11是选区熔化不同激光功率下单道成形图。

图12是选区熔化不同功率下单道成形图。

图13是选区熔化多道多层成形图，有一层多道和两层多道。

图14是选区熔化三道五层成形图。

图15中(a)是成形英文字母“L”的作业示意图，(b)是(a)中A的放大图。

图16是英文字母“L”尺寸图，(a)为左视图，(b)为前视图，(c)为俯视图。

图17(a)-(d)是英文字母“L”成形图。

图中：1-玻璃罩，2-玻璃盖，3-底座，4-铜夹板，5-冷却水管，6-螺纹柱，7-上螺母，8-下螺母，9-进气口，10-出气口，11-进水口，12-出水口，13-通孔，14-螺纹孔，15-基材。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。

如图所示，本发明公开了一种激光增材用粉末床装置，包括玻璃罩1、玻璃盖2、底座3、铜夹板4、冷却水管5、螺纹柱6、上螺母7和下螺母8；

两块铜夹板4对称设置在底座3顶端的左右两侧,两块铜夹板4之间形成的缝隙用于夹持基材15，铜夹板4上设有跑道型的通孔13，底座3上设有螺纹柱6，螺纹柱6穿过所述的通孔13，上螺母7、下螺母8均与所述的螺纹柱6通过螺纹配合，下螺母8设置在铜夹板4的底端，用于调节铜夹板4的高度，上螺母7设置在铜夹板4的顶端，用于调节铜夹板4的左右位置；

任一铜夹板4的顶端设有冷却水管5，冷却水管5呈“∏”形设置在铜夹板4的边缘位置，所述冷却水管5的进水端口通过供水管道与水箱相连通，所述冷却水管5的出水端口连接有排水管道；

所述底座3设置在玻璃罩1内，所述玻璃罩1的顶端设有玻璃盖2，玻璃盖2上设有激光可通过的空隙，所述玻璃罩1的左侧壁上设有通过惰性保护气体的进气口9，所述进气口9通过管道与保护气瓶相连接，右侧壁上设有过惰性保护气体的出气口10，所述玻璃罩1的左右侧壁还均设有使得供水管道通过的进水口11和使得排水管道通过的出水口12。

采用逐层激光选区熔化金属粉末，熔化后的合金粉末冷却、凝固形成具有一定厚度的沉积层，并成为所成形金属的一部分。当继续铺下一层后，将夹板向上升一定的高度，重新铺设粉末，再加激光重新作用，如此不断循环直至完成所有制造。

在上述技术方案中，两块铜夹板4之间距离可以随意调整，让距离刚好可以夹紧基材15，使铜夹板4比基材15高，高度差恰好是铺粉厚度。加上激光，激光作用在金属粉末上，形成第一层成形层。然后通过下螺母8往上旋转一定高度，铜夹板4向上抬高一定高度，高度为第二次铺粉厚度，如此反复进行，直到要成形零部件的高度。两夹板之间的距离可调范围为0-100mm，可以成形零部件高度范围0-40mm。

铜夹板4和冷却水管5的材料为铜。玻璃罩1上面的玻璃盖2是两块有机玻璃，方便激光从它们之间通过，作用到金属粉末上。惰性保护气体从靠近玻璃罩1底部进气口9进入，排出玻璃罩里面的空气。采用保护气氛围，在激光打开前打开保护气，排走多余空气，在成形过程也不停的通着保护气。

在上述技术方案中，底座3连有四个螺纹柱6，用来固定夹板。螺纹柱6上有八个螺母，铜夹板下面有四个下螺母8，通过下螺母8把铜夹板往上抬高粉末层厚度。铜夹板上面四个上螺母7，通过上螺母7用来固定铜夹板。

作为优选方案，所述进水口11、出水口12的直径均为6-8mm，所述进气口9为圆形孔，直径为8-10mm，所述出气口10为矩形孔，边长10-15mm。

作为优选方案，所述铜夹板4上设有用于固定冷却水管5的凹槽，所述凹槽的宽度为6-10mm，所述凹槽的深度为3-5mm，所述凹槽的中线与铜夹板4的边缘的距离为6-10mm，所述冷却水管5外径6-10mm，冷却水管内径4-8mm。

作为优选方案，所述底座的材质为Q235，厚度优选6-10mm范围，并且开四个螺纹孔14，螺纹孔14的直径为6-12mm，所述螺纹柱6的底端通过螺纹连接的方式设置在螺纹孔14内。

作为优选方案，所述惰性保护气体采用氩气。

另一方面，本发明的激光增材用粉末床装置的激光增材方法，包括以下步骤：

1)、加工基材15，使其厚度一致，对其表面进行打磨和清洗；

2)、调整两块铜夹板4之间的距离，使其等于基材15的宽度，利用铜夹板4夹紧基材15，并且基材15和夹板上表面相平。然后抬高铜夹板4的高度，使铜夹板4上表面高于基材15上表面，高度差为需要铺粉的厚度。

2)、将金属粉末均匀的铺在基板上，刮平且压实，使金属粉末均匀分布，粉末粒径为300-600目，铺粉厚度为0.05-1mm；

3)、通过进气口9向玻璃罩1内通入惰性保护气，保护气流量为5-25L/min，排出空气，产生保护氛围，向冷却水管5内通入冷却水；

4)、打开激光成形，设置激光增材制造工艺参数，成形后再重新开始步骤1，实现多层多道成形，得到所需要的金属零件。

作为优选方案，所述步骤4)中，激光光斑直径为0.2-0.8mm，离焦量-1-1mm，激光功率为50-600W，扫描速度为10-60mm/s，搭接率为20％-40％。

作为优选方案，所述步骤4)中，采用机床控制粉末床装置的移动，实现材料的连接过程，完成所有的激光选区增材制造过程。

实施例1：

本发明实施例的设备采用Nd:YAG激光波长1.06um，聚焦透镜焦距80mm，基材厚度为6mm，实验所用保护气为Ar气，基材材料为Q235，316L不锈钢粉末，粉末粒径为500目，所选参数如表1和表2所示。采用了不同激光功率和不同扫描速度单层单道成形，成形分别对应图11，图12。

表1

表2

实施例2：

本发明实施例的设备采用Nd:YAG激光波长1.06um，聚焦透镜焦距80mm，基材厚度为6mm，实验所用保护气为Ar气，基材材料为Q235，316L不锈钢粉末，粉末粒径为500目，所选参数如表3所示。两条熔道中心线距离为0.4mm，进行两层多道成形，结果对应图13所示。

表3

实施例3：

本发明实施例的设备采用Nd:YAG激光波长1.06um，聚焦透镜焦距80mm，基材厚度为6mm，实验所用保护气为Ar气，基材材料为Q235，316L不锈钢粉末，粉末粒径为500目，所选参数如表4所示。两条熔道中心线距离为0.4mm，进行五层三道成形，结果对应图14所示

表4

实施例4：

本发明实施例的设备采用Nd:YAG激光波长1.06um，聚焦透镜焦距80mm，基材厚度为6mm，实验所用保护气为Ar气，基材材料为Q235，316L不锈钢粉末，粉末粒径为500目，所选参数如表5所示。两条熔道中心线距离为0.5mm，进行多层多道层。本实例进行多层多道成形出英文字母“L”，字母尺寸如图16所示，20层多道成形，成形高度为8mm，成形结果如图17所示。

表5

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光增材用粉末床装置，其特征在于，包括玻璃罩、玻璃盖、底座、铜夹板、冷却水管、螺纹柱、上螺母和下螺母；

两块铜夹板对称设置在底座顶端的左右两侧，两块铜夹板之间形成的缝隙用于夹持基材，所述铜夹板上设有跑道型的通孔，所述底座上设有螺纹柱，所述螺纹柱穿过所述的通孔，所述上螺母、下螺母均与所述的螺纹柱通过螺纹配合，所述下螺母设置在铜夹板的底端，用于调节铜夹板的高度，所述上螺母设置在铜夹板的顶端，用于调节铜夹板的左右位置；

任一铜夹板的顶端设有冷却水管，所述冷却水管呈“∏”形设置在铜夹板的边缘位置，所述冷却水管的进水端口通过供水管道与水箱相连通，所述冷却水管的出水端口连接有排水管道；

所述底座设置在玻璃罩内，所述玻璃罩的顶端设有玻璃盖，所述玻璃盖上设有激光可通过的空隙，所述玻璃罩的左侧壁上设有通过惰性保护气体的进气口，所述进气口通过管道与保护气瓶相连接，右侧壁上设有过惰性保护气体的出气口，所述玻璃罩的左右侧壁还均设有使得供水管道通过的进水口和使得排水管道通过的出水口。

2.如权利要求1所述的一种激光增材用粉末床装置，其特征在于，所述进水口、出水口的直径均为6-8mm，所述进气口为圆形孔，直径为8-10mm，所述出气口为矩形孔，边长10-15mm。

3.如权利要求1所述的一种激光增材用粉末床装置，其特征在于，所述铜夹板上设有用于固定冷却水管的凹槽，所述凹槽的宽度为6-10mm，所述凹槽的深度为3-5mm，所述凹槽的中线与铜夹板的边缘的距离为6-10mm，所述冷却水管外径6-10mm，冷却水管内径4-8mm 。

4.如权利要求1所述的一种激光增材用粉末床装置，其特征在于，所述底座的材质为Q235，厚度优选6-10mm范围，并且开四个螺纹孔，螺纹孔的直径为6-12mm，所述螺纹柱的底端通过螺纹连接的方式设置在螺纹孔内。

5.如权利要求1所述的一种激光增材用粉末床装置，其特征在于，所述惰性保护气体采用氩气。

6.如权利要求1所述的一种激光增材用粉末床装置，其特征在于，两块铜夹板之间的距离可调范围为0-100mm，可以成形零部件高度范围0-40mm。

7.如权利要求1-6任一项所述的激光增材用粉末床装置的激光增材方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）、加工基材，使其厚度一致，对其表面进行打磨和清洗；

2）、调整两块铜夹板之间的距离，使其等于基材的宽度，利用铜夹板夹紧基材，并且基材和夹板上表面相平，然后抬高铜夹板的高度，使铜夹板上表面高于基材上表面，高度差为需要铺粉的厚度；

3）、将金属粉末均匀的铺在基板上，刮平且压实，使金属粉末均匀分布，粉末粒径为300-600目，铺粉厚度为0.05-1mm；

4）、通过进气口向玻璃罩内通入惰性保护气，保护气流量为5-25L/min，排出空气，产生保护氛围，向冷却水管内通入冷却水；

5）、打开激光成形，设置激光增材制造工艺参数，成形后再重新开始步骤1，实现多层多道成形，得到所需要的金属零件。

8.如权利要求7所述的激光增材方法，其特征在于，所述步骤5）中，激光光斑直径为0.2-0.8mm，离焦量-1-1mm，激光功率为50-600W，扫描速度为10-60mm/s，搭接率为20%-40%。

9.如权利要求7所述的激光增材方法，其特征在于，所述步骤5）中，采用机床控制粉末床装置的移动，实现材料的连接过程，完成所有的激光选区增材制造过程。

10.如权利要求1-6任一项所述的激光增材用粉末床装置在零部件成型工艺上的应用，其中：激光光斑直径为0.2-0.8mm，离焦量-1-1mm，激光功率为50-600W，扫描速度为10-60mm/s，搭接率为20%-40%。