CN107520444A - 沉积设备与沉积方法 - Google Patents

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Abstract

一种沉积设备与沉积方法。此沉积设备包含承装件、多个激光器以及承载体。承装件配置以装载材料。激光器设于承载件的周围，且配置以同时对此材料发射多个激光光束来将此材料熔化成沉积液。承载体设于承装件与激光器的下方，且配置以承接沉积液。由于可利用多个激光器来同时对承载件所供应的材料发射多道激光光束，因此无需使用高功率激光器即可顺利将沉积材料熔化成沉积液，故可大幅降低激光器的成本，进而可减少直接沉积制程的成本。此外，可以金属焊条取代金属颗粒或粉末，因此可解决金属颗粒或粉末飞溅的问题，而可提高沉积材料的利用率，降低沉积材料的浪费，并可提升沉积的一致性与精确性与沉积层表面的光洁度。

Description

沉积设备与沉积方法
技术领域
本发明是有关于一种沉积设备与沉积方法，且特别是有关于一种直接沉积设备与直接沉积方法。
背景技术
直接金属沉积(DMD)技术是一种激光制造工艺，可用以生产各种形状的高精度模具与精密零件，亦可应用于工程变更、或修补工具与零件。目前常见的一种直接金属沉积技术是以工业激光光束聚焦到工件基材上，而在工件基材上形成熔池，再利用设于工业激光器周围的喷嘴将金属粉末注入到熔池中。于制程期间，控制系统根据预设的几何图案移动激光光束，激光光束在移动时将金属颗粒/粉末熔化成液态金属，而液态金属直接沉积在工件基材上进而形成所需的零件。
在这样的直接金属沉积技术中，由于喷嘴为传送金属颗粒/粉末到熔池的组件，因此对于沉积层的冶金性能、沉积效率、沉积过程的一致性与精确性、以及沉积层的表面光洁度具有直接的影响，故喷嘴在沉积设备中为相当关键的组件。
然而，现有沉积设备的喷嘴在金属颗粒/粉末沉积或激光熔覆程序上具有非常低的效率，且容易造成金属颗粒/粉末的沉积，而造成原料的浪费。此外，目前的激光直接金属沉积技术大多使用高功率激光，而高功率激光的造价极高，导致激光直接金属沉积加工的成本高昂。
因此，本领域亟需可有效减少液态金属与金属粉末飞溅，而可减少原料浪费的低成本且高效率的直接沉积设备与直接沉积方法。
发明内容
因此，本发明的一目的就是在提供一种沉积设备与沉积方法，其是利用多个激光器来同时对承载件所供应的材料发射多道激光光束。由于可同时对沉积材料施加多道激光光束，因此无需使用高功率激光器即可顺利将沉积材料熔化成沉积液，故大幅降低激光器的成本，进而可减少直接沉积制程的成本。
本发明的另一目的是在提供一种沉积设备与沉积方法，其可以金属焊条取代金属颗粒或粉末，因此可解决金属颗粒或粉末飞溅的问题，而可提高沉积材料的利用率，降低沉积材料的浪费，并可提升沉积的一致性与精确性与沉积层表面的光洁度。
根据本发明的上述目的，提出一种沉积设备。此沉积设备包含承装件、多个激光器以及承载体。承装件配置以装载材料。激光器设于承载件的周围，且配置以同时对此材料发射多个激光光束来将此材料熔化成沉积液。承载体设于承装件与激光器的下方，且配置以承接沉积液。
依据本发明的一实施例，上述的材料为焊条，且上述的承装件为夹具而适用以夹持焊条。
依据本发明的一实施例，上述的承装件是一可动装置，且适用以相对于承载体移动。
依据本发明的一实施例，上述的承载体是一可动装置，且适用以相对于承装件移动。
依据本发明的一实施例，上述的激光器的功率为约30W至约1000W。
依据本发明的一实施例，上述的激光器在承装件的周围上等距设置。
依据本发明的一实施例，上述的沉积设备还包含罩体，此罩体配置以罩覆住承装件与激光器。
依据本发明的一实施例，上述的沉积设备还包含电荷耦合元件设于承装件上，此电荷耦合元件配置以监控沉积液。
依据本发明的一实施例，上述的沉积设备还包含至少一气体喷嘴，其中承装件的底部具有材料供应孔，此至少一气体喷嘴设于承装件的底部且位于材料供应孔的外围，此至少一气体喷嘴配置以喷射钝气而在材料供应孔的外围形成气墙。
根据本发明的上述目的，另提出一种沉积方法。在此方法中，利用承装件的底部的材料供应孔供应一材料。于承装件的底部的下方对此材料同时发射多个激光光束，以将此材料熔化成沉积液。利用一承载体承接此沉积液。
依据本发明的一实施例，上述的材料为焊条，且上述的承装件为夹具，此焊条夹设于材料供应孔中。
依据本发明的一实施例，上述的材料为粉末，且上述的承装件为喷头，粉末从材料供应孔喷放。
依据本发明的一实施例，对上述的材料同时发射激光光束包含利用多个激光器发射这些激光光束，且这些激光器的功率为约30W至约1000W。
依据本发明的一实施例，上述的激光器设于承装件的周围，且在此周围上等距设置。
依据本发明的一实施例，上述的沉积方法还包含利用罩体罩覆住承装件与激光器。
依据本发明的一实施例，上述供应材料时包含利用至少一喷嘴喷射钝气，以在材料供应孔的外围形成气墙。
依据本发明的一实施例，上述利用承载体承接沉积液时包含根据一预设图案而相对于承装件移动承载体。
依据本发明的一实施例，上述利用承载体承接沉积液时包含根据一预设图案而相对于承载体移动承装件。
依据本发明的一实施例，上述利用承载体承接沉积液时包含利用电荷耦合元件监控沉积液。
附图说明
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：
图1是绘示依照本发明的一实施方式的一种沉积设备的装置示意图；
图2是绘示依照本发明的一实施方式的一种沉积设备的承载件与激光器的下视示意图；以及
图3是绘示依照本发明的一实施方式的一种沉积方法的流程图。
具体实施方式
请参照图1与图2，其中图1是绘示依照本发明的一实施方式的一种沉积设备的装置示意图、以及图2是绘示依照本发明的一实施方式的一种沉积设备的承载件与激光器的下视示意图。在本实施方式中，沉积设备100可为直接沉积设备，其可将沉积原料熔化而直接沉积在所需物件上。在一些例子中，沉积设备100主要可包含承装件102、多个激光器104以及承载体106。
承装件102主要是配置以装载并供应沉积用的材料108。举例而言，材料108可为金属、或金属与非金属材料的组合。如图2所示，承装件102的底部110可具有材料供应孔112。在一些例子中，如图1所示，材料108可为焊条，且承装件102为夹具，因此承装件102可将焊条夹在材料供应孔112中。焊条可例如为金属焊条。当材料108为焊条时，可解决粉末材料飞溅的问题，而可提高材料108的利用率，减少材料108的浪费，并可提升沉积的一致性与精确性与沉积层表面的光洁度。
在一些例子中，如图2所示，沉积设备100更可选择性地包含一或多个气体喷嘴114。此外，气体喷嘴114设于承装件102的底部110，且位于材料供应孔112的外围。举例而言，沉积设备100可包含多个气体喷嘴114，且这些气体喷嘴114分布在材料供应孔112的外围。这些气体喷嘴114可以等距的方式排列，亦可以非等距的方式排列。这些气体喷嘴114的尺寸可相同，亦可不同。此外，这些气体喷嘴114的形状可相同，亦可不同。在一些特定例子中，沉积设备100可仅包含一个气体喷嘴114，此气体喷嘴114可为环状而围绕在材料供应孔112的外围。气体喷嘴114可用以喷射钝气，而在材料供应孔112的外围形成气墙。
由于气体喷嘴114的设置，因此在一些特定例子中，材料108亦可选用粉末，且承装件102为喷头，而承装件102可从底部110的材料供应孔112喷放这些粉末。粉末可例如为金属粉末。气体喷嘴114喷出钝气所形成的气墙不仅可导引粉末状的材料108喷出的流向，防止粉末状的材料108四处飞溅，亦可导引材料108熔化后所形成的沉积液滴落的方向，更可冷却沉积液。如此一来，可改善材料108飞溅所造成的污染问题，且可提高材料108的利用率，并可提高沉积制程的准确性，更可提升沉积效率。
请再次参照图1与图2，激光器104设置在承装件102的周围116，其中承装件102的周围116在图2中以虚线表示。这些激光器104可同时对承装件102的底部110的材料供应孔112所供应的材料108发射激光光束118。由于多道激光光束118同时照射在材料108上，因此这些激光光束118的能量一起对材料108加热，故激光器104采用低功率激光器即可将材料108顺利熔化成沉积液。举例而言，激光器104的功率可为约30W至约1000W。这些激光器104的功率可均相同、可部分相同而另一部分不同、或可彼此均不相同。在一些例子中，这些激光器104可在承装件102的周围116上等距设置，以使材料108可获得较均匀的加热。当然，在其他例子中，这些激光器104可非等距地设置在承装件102的周围116上。
透过多个激光器104的设置，可同时对材料108施加多道激光光束，因此激光器104可无需采用高功率激光器，故可大幅降低激光器104的成本，进而可减少直接沉积制程的成本。
如图1所示，承载体106设置在承装件102与激光器104的下方，且可承接材料108被激光器104所射出的激光光束118熔化后形成的沉积液。这些沉积在承载体106上的沉积液经固化后，在承载体106上形成沉积物120。承装件102与承载体106之间可相对移动。在一些例子中，承装件102为可动装置，承载体106为固定装置，承装件102可相对于承载体106移动。在另一些例子中，承载体106为可动装置，承装件102为固定装置，承载体106可相对于承装件102移动。在一些特定例子中，承装件102与承载体106均为可动装置，且承装件102与承载体106均可根据沉积制程的需求而相对移动。
在本实施方式中，沉积设备100的承装件102、承载体106、或承装件102及承载体106可与控制定位系统，例如计算机数值控制(CNC)系统连结。在沉积过程中，控制定位系统根据欲沉积的结构图案，来移动承装件102、承载体106、或承装件102及承载体106，借此调整承装件102与承载体106之间的相对位置，而使沉积液依照此结构图案沉积在承载体106上。
在一些例子中，请再次参照图1，沉积设备100可选择性地包含罩体122。罩体122罩覆住承装件102与激光器104，以避免材料108或沉积液喷溅而污染或损害到外部设备、或伤及工作人员，并降低外界空气对沉积制程的影响。在一些例子中，如图1所示，罩体122的下缘与承载体106之间具有间距，以利气体喷嘴114喷出的钝气排出罩体122。钝气排出罩体122时，可将部分未被熔化的材料108，例如粉末，带出罩体122。
在一些例子中，沉积设备100更可选择性地包含监控元件，例如电荷耦合元件124。如图1所示，此电荷耦合元件124设于承装件102上。在沉积制程期间，线上工作人员可利用此电荷耦合元件124监控沉积的过程有无异状。例如，可利用电荷耦合元件124监控沉积液的滴落位置。
请同时参照图1至图3，其中图3是绘示依照本发明的一实施方式的一种沉积方法的流程图。本实施方式的沉积方法可为直接沉积方法，其可利用上述实施方式的沉积设备100来进行。在一些例子中，可先进行步骤200，以利用沉积设备100的承装件102的底部110的材料供应孔112来供应材料108。在一些例子中，材料108为焊条，且承装件102为夹具，因此承装件102供应材料108的方式是将焊条夹在材料供应孔112中。在一些特定例子中，材料108为粉末，且承装件102为喷头，因此承装件102可从底部110的材料供应孔112喷放而供应这些粉末。在一些示范例子中，供应材料108时，更可利用设于承装件102的底部110的喷嘴来喷射钝气，以在材料供应孔112的外围形成气墙。对于材料108为粉末的例子中，气体喷嘴114喷出钝气所形成的气墙可导引这些粉末喷出的流向，防止粉末状的材料108四处飞溅。因此，气体喷嘴114较佳是以等距的方式排列，以提供均匀分布的气流。
接下来，可进行步骤202，以于承装件102供应材料108时，利用沉积设备100的激光器104同时对所供应的材料108发射激光光束118，以同时利用这些激光光束118将材料108熔化成沉积液。由于本方法是同时利用多道激光光束118照射材料108，且这些激光光束118的能量同时对材料108加热，因此激光器104采用低功率激光器即可将材料108顺利熔化成沉积液。故，本方法无需采用高功率的激光器。在一些示范例子中，这些激光器104的功率为约30W至约1000W。如图2所示，这些激光器104较佳是在承装件102的周围116上等距设置，以使材料108可获得较均匀的加热。当然，在其他例子中，这些激光器104可非等距地设置在承装件102的周围116上。
接着，可进行步骤204，以利用沉积设备100中的承载体106来承接熔化而滴落的沉积液。沉积液经固化后，在承载体106上形成沉积物120。在沉积设备100中，承装件102与承载体106之间可相对移动。此外，承装件102、承载体106、或承装件102及承载体106可与控制定位系统，例如计算机数值控制系统连结。在一些例子中，承装件102为可动装置，承载体106为固定装置，因此利用承载体106承接沉积液时，可利用控制定位系统而根据一预设图案相对承载体106来移动承装件102，以使沉积液依照此预设图案沉积在承载体106上。在另一些例子中，承载体106为可动装置，承装件102为固定装置，因此利用承载体106承接沉积液时，可利用控制定位系统而根据一预设图案相对承装件102来移动承载体106。在又一些例子中，承装件102与承载体106均为可动装置，且利用承载体106承接沉积液时，可利用控制定位系统而根据一预设图案来移动承装件102及/或承载体106。
在一些示范例子中，利用承载体106承接沉积液时更可选择性地包含利用沉积设备100的电荷耦合元件124来监控沉积液在沉积的过程有无异状。举例而言，可利用电荷耦合元件124来监控沉积液的滴落位置。
在本实施方式中，利用沉积设备100进行沉积时，更可选择性地利用罩体罩122覆住承装件102与激光器104，以避免材料108或沉积液喷溅而污染或损害到外部设备、或伤及工作人员，并降低外界空气对沉积制程的影响。在一些例子中，如图1所示，罩体122的下缘与承载体106之间具有间距，如此气体喷嘴114所喷出的钝气可从罩体122与承载体106之间的间隙排出罩体122。在钝气排出罩体122的同时，可将部分未被熔化的材料108带出罩体122。
由上述的实施方式可知，本发明的一优点就是因为本发明的沉积设备与沉积方法是利用多个激光器来同时对承载件所供应的材料发射多道激光光束。由于可同时对沉积材料施加多道激光光束，因此无需使用高功率激光器即可顺利将沉积材料熔化成沉积液，故大幅降低激光器的成本，进而可减少直接沉积制程的成本。
由上述的实施方式可知，本发明的另一优点就是因为本发明的沉积设备与沉积方法可以金属焊条取代金属颗粒或粉末，因此可解决金属颗粒或粉末飞溅的问题，而可提高沉积材料的利用率，降低沉积材料的浪费，并可提升沉积的一致性与精确性与沉积层表面的光洁度。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何在此技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (20)

1.一种沉积设备，其特征在于，包含：
一承装件，配置以装载一材料；
多个激光器，设于该承载件的一周围，且配置以同时对该材料发射多个激光光束来将该材料熔化成一沉积液；以及
一承载体，设于该承装件与所述多个激光器的下方，且配置以承接该沉积液。
2.根据权利要求1的沉积设备，其特征在于，
该材料为一焊条；以及
该承装件为一夹具，适用以夹持该焊条。
3.根据权利要求1的沉积设备，其特征在于，
该材料为一粉末；以及
该承装件为一喷头，适用以喷放该粉末。
4.根据权利要求1的沉积设备，其特征在于，该承装件是一可动装置，且适用以相对于该承载体移动。
5.根据权利要求1的沉积设备，其特征在于，该承载体是一可动装置，且适用以相对于该承装件移动。
6.根据权利要求1的沉积设备，其特征在于，所述多个激光器的功率为30W至1000W。
7.根据权利要求1的沉积设备，其特征在于，所述多个激光器在该承装件的该周围上等距设置。
8.根据权利要求1的沉积设备，其特征在于，该沉积设备还包含一罩体，配置以罩覆住该承装件与所述多个激光器。
9.根据权利要求1的沉积设备，其特征在于，该沉积设备还包含一电荷耦合元件，设于该承装件上，且配置以监控该沉积液。
10.根据权利要求1的沉积设备，其特征在于，该沉积设备还包含至少一气体喷嘴，其中该承装件的一底部具有一材料供应孔，该至少一气体喷嘴设于该承装件的该底部且位于该材料供应孔的外围，该至少一气体喷嘴配置以喷射一钝气而在该材料供应孔的外围形成一气墙。
11.一种沉积方法，其特征在于，包含：
利用一承装件的一底部的一材料供应孔供应一材料；
于该承装件的该底部的下方对该材料同时发射多个激光光束，以将该材料熔化成一沉积液；以及
利用一承载体承接该沉积液。
12.根据权利要求11的沉积方法，其特征在于，该材料为一焊条，且该承装件为一夹具，该焊条夹设于该材料供应孔中。
13.根据权利要求11的沉积方法，其特征在于，该材料为一粉末，且该承装件为一喷头，该粉末从该材料供应孔喷放。
14.根据权利要求11的沉积方法，其特征在于，对该材料同时发射所述多个激光光束包含利用多个激光器发射所述多个激光光束，且所述多个激光器的功率为30W至1000W。
15.根据权利要求14的沉积方法，其特征在于，所述多个激光器设于该承装件的一周围，且在该周围上等距设置。
16.根据权利要求14的沉积方法，其特征在于，该沉积方法还包含利用一罩体罩覆住该承装件与所述多个激光器。
17.根据权利要求11的沉积方法，其特征在于，供应该材料时包含利用至少一喷嘴喷射一钝气，以在该材料供应孔的外围形成一气墙。
18.根据权利要求11的沉积方法，其特征在于，利用该承载体承接该沉积液时包含根据一预设图案而相对于该承装件移动该承载体。
19.根据权利要求11的沉积方法，其特征在于，利用该承载体承接该沉积液时包含根据一预设图案而相对于该承载体移动该承装件。
20.根据权利要求11的沉积方法，其特征在于，利用该承载体承接该沉积液时包含利用一电荷耦合元件监控该沉积液。
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