CN107570705A - 金属增材制造磁控溅射方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属增材制造磁控溅射方法及装置，该方法包括探测3D打印机的激光束位置，形成一磁场，并控制磁场的位置、形状及方向，使磁场作用于激光束周围的区域，使得3D打印机中的金属漂浮物可定向收集在金属收集盒中。该装置包括3D打印机、磁场发生器、驱动机构、中控系统以及用于探测所述3D打印机的激光束位置的传感器，驱动机构调节磁场发生器的空间位置，使磁场发生器的磁场可作用于激光束周围的区域。本发明可在金属增材制造过程中使得金属漂浮物可定向地向金属收集盒方向运动，便于金属漂浮物的收集，避免造成加工缺陷。

Description

金属增材制造磁控溅射方法及装置

技术领域

本发明属于金属增材制造技术领域，具体涉及一种金属增材制造磁控溅射方法及装置。

背景技术

进入21世纪以来，科学技术日新月异，制造行业中的3D打印技术作为对技术要求较高的项目，开始崭露头角。金属零件3D打印技术作为“增材制造”的主要手段，有别于传统的制作模式。它可以利用计算机直接处理图形数据，无需原胚和模具，并利用材料的增减和网络化技术改变材料的形状，简化制作流程，节约原料，缩短制造时间，最大限度地减少资金费用，并降低风险。

随着金属零件3D打印技术的发展，现有技术包括激光工程化净成形技术、激光选区熔化技术、电子束选区熔化技术。其中，激光选区熔化技术有着较为广泛的应用，代表国家有德国、美国等；他们都开发出了不同的制造机型，甚至可以根据实际情况专门打造零件，满足个性化的需要。利用EOSING M270设备成形的金属零件尺寸较小，将其应用到牙桥、牙冠的批量生产中既不会影响人们对其的使用，也不会产生不适感，且它的致密度接近100％，精细度较好。与此同时，利用SLM技术生产出的钛合金零件还能够运用到医学植入体中，促进了医学工作的发展。

激光选区熔化技术的技术原理是运用计算机中的软件进行设计，然后切片分层，得到截面数据。其发展经历了从低熔点非金属粉末烧结到高熔点粉末直接熔化成形的过程。但在实际使用中，要注意激光束在实施扫描之前，必须做好粉末平推工作，经过层层加工后，方可进入下一道工序，以防金属在高温下发生反应。但在使用的过程中也存在一些不足之处，比如在激光烧结过程中金属粉末容易飞溅，在空中形成漂浮物，导致的结果就是当第N层扫描完后，在铺下一层粉时，金属漂浮物落到第N+1层上，致使在增材制造过程中导致冶金缺陷，影响整体性能。

发明内容

本发明实施例涉及一种金属增材制造磁控溅射方法及装置，至少可解决现有技术的部分缺陷。

本发明实施例涉及一种金属增材制造磁控溅射方法，包括：3D打印机中设置有一金属收集盒；探测3D打印机的激光束位置，形成一磁场，并控制所述磁场的位置、形状及方向，使所述磁场作用于所述激光束周围的区域，使得所述3D打印机中的金属漂浮物可定向收集在金属收集盒中。

作为实施例之一，向所述3D打印机中吹气，将所述3D打印机中的金属漂浮物向所述金属收集盒方向鼓吹；气体的吹入和所述磁场的形成可同时进行，也可分时进行。

作为实施例之一，检测所述3D打印机的激光强度，依据检测的激光强度控制所述磁场的强度，激光强度增大时，所述磁场的强度增大。

本发明实施例涉及一种金属增材制造磁控溅射装置，包括3D打印机，还包括磁场发生器、驱动机构、中控系统以及用于探测所述3D打印机的激光束位置的第一传感器，所述第一传感器、所述磁场发生器、所述驱动机构及所述3D打印机均与所述中控系统电性连接；所述3D打印机中设有金属收集盒，所述驱动机构调节所述磁场发生器的空间位置，使所述磁场发生器的磁场可作用于所述激光束周围的区域，使得所述3D打印机中的金属漂浮物可定向收集在金属收集盒中。

作为实施例之一，该金属增材制造磁控溅射装置还包括用于检测所述3D打印机的激光强度的第二传感器，所述第二传感器与所述中控系统电性连接；所述磁场发生器可根据所述第二传感器检测的激光强度调节磁场强度。

作为实施例之一，所述第一传感器及所述第二传感器均为光纤传感器。

作为实施例之一，所述3D打印机中设有至少一个吹气单元，各所述吹气单元均布置于所述工作台上方，用于将所述3D打印机中的金属漂浮物向所述金属收集盒方向鼓吹。

作为实施例之一，所述磁场发生器上罩设有磁场屏蔽罩，通过所述磁场屏蔽罩选择性屏蔽部分磁场，其余的磁场构成作用于所述3D打印机上的磁场。

作为实施例之一，所述驱动机构包括X向滑台、Y向滑台、Z向滑台及滑座，所述Y向滑台滑设于所述X向滑台上，所述Z向滑台滑设于所述Y向滑台上，所述滑座滑设于所述Z向滑台上，所述磁场发生器安装于所述滑座上。

作为实施例之一，所述Y向滑台在所述X向滑台上的滑移运动、所述Z向滑台在所述Y向滑台上的滑移运动以及所述滑座在所述Z向滑台上的滑移运动均为由伺服电机驱动的运动。

本发明实施例至少具有如下有益效果：通过控制磁场的位置、形状及方向，使得磁场作用于激光束加工位置附近的区域，可使得该磁场作用于该3D打印机中的金属漂浮物，对金属漂浮物施与一相应的磁场力，使得金属漂浮物可定向地向金属收集盒方向运动，便于金属漂浮物的收集，避免造成加工缺陷。通过探测该激光束的位置，并控制磁场的位置，使其与激光束的移动动作保持随动，保证磁场可持续作用，以最大程度地控制金属漂浮物的数量。

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它的附图。

图1为本发明实施例提供的金属增材制造磁控溅射装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的三维可移动平台的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的磁场发生器的结构示意图；

图4为图1中的金属增材制造磁控溅射装置的工作过程示意图；

图5为本发明实施例提供的滤波器的结构示意图。

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它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1，本发明实施例提供一种金属增材制造磁控溅射方法，包括：3D打印机1中设置有一金属收集盒(未图示)；探测3D打印机1的激光束位置，形成一磁场，并控制所述磁场的位置、形状及方向，使所述磁场作用于所述激光束周围的区域，使得所述3D打印机1中的金属漂浮物(包括漂浮的金属粉末和/或金属颗粒)可定向收集在金属收集盒中。上述的磁场可由磁场发生器2产生，磁场发生器2可由市面购得，具体结构此处不再赘述；本实施例中，通过控制磁场的位置、形状及方向，可使得该磁场作用于该3D打印机1中的金属漂浮物，对金属漂浮物施与一相应的磁场力，使得金属漂浮物可定向地向金属收集盒方向运动，便于金属漂浮物的收集，避免造成加工缺陷。由于在激光束的加工位置处易产生金属粉末飞溅的现象，且金属漂浮物主要集中在该激光束的周围区域，因此，本实施例中，通过探测该激光束的位置，并控制磁场的位置，使其与激光束的移动动作保持随动，保证磁场可持续作用，以最大程度地收集金属漂浮物。另外，加工过程中，激光的强度越强，金属粉末的飞溅现象越严重，反之则反，因此，本实施例中，进一步可检测所述3D打印机1的激光强度，依据检测的激光强度控制所述磁场的强度，激光强度增大时，所述磁场的强度增大，可使向金属收集盒方向运动的金属漂浮物增多，提高对金属漂浮物的收集效果；激光强度减弱时，也可相应减弱磁场强度，减少能耗。

本实施例中，激光束的位置及强度检测可通过传感器实现，这是本领域技术人员根据现有技术易于实现的；本实施例中，优选为采用两个光纤传感器分别检测激光束的位置及激光的强度，该光纤传感器的具体安装结构此处从略。使用光纤传感器主要考虑如下因素：光纤传感器抗电磁干扰的能力强，光纤传感器以光信号为载体，通过调制来携带被测信息，这是光纤传输光信号的特性所决定的，电绝缘性好，能在各种恶劣环境下使用，接入电磁信号不会产生危险，体积小、重量轻、便携性好，光在光纤中传输过程中信号衰减小；传递信号速度快，检测精度有保证，光纤位移传感器的测量范围为0.05～0.12mm，光纤微位移传感器可测位移为响应时间小于10μs，而且可以在比较恶劣的环境下继续使用而不失效。

作为优选实施例之一，为进一步提高金属漂浮物的收集效果，上述方法还包括：向3D打印机1中吹气，将3D打印机1中的金属漂浮物向金属收集盒方向鼓吹；气体的吹入和上述磁场的形成可同时进行，也可分时进行。本实施例中，通过增设吹气的技术手段，与上述通过磁场收集金属漂浮物的方式配合，可有效提高3D打印机1中金属漂浮物的收集效果。其中，如吹入气体与磁场作用同时进行，二者可同时同方向作用，使得飞溅的金属漂浮物快速定向地向金属收集盒方向运动，也可以在磁场作用的同时通过单方向气流(如竖直向下喷吹的气流提供下压作用力)或多方向气流协同作用，使得金属漂浮物可充分快速地收集在金属收集盒中；如吹入气体与磁场作用分时进行，优选为先进行吹气操作，可使得金属漂浮物向金属收集盒方向汇聚收集，再通过磁场作用，使得未被气流带动至金属收集盒附近的金属漂浮物以及位于金属收集盒周围的金属漂浮物被定向驱动至金属收集盒内。气体的吹入可通过吹风机或喷嘴等实现，由于气流的方向和流场等的控制不如磁场的方向、形状及强度的控制方便精准，气流在金属收集盒与相邻的打印机壳体之间以及与其它气流相互作用等情况下可能产生紊流场，磁场作用可抵消这种紊流场带来的负面的粉末收集效果，因此，采用吹入气体与磁场作用协同配合，可提高金属漂浮物的收集效果以及收集效率，同时可降低磁场收集产生的能耗。上述吹入的气体可采用氮气、氩气等保护性气体。

本实施例提供的方法主要适用于采用金属粉末的激光烧结技术，尤其是选区激光烧结技术，可靠性高，有效提高制得的产品质量。

实施例二

如图1，本发明实施例涉及一种金属增材制造磁控溅射装置，包括3D打印机1，该3D打印机1包括激光发生器101、工作台102、供粉盒104、收粉盒103、铺粉装置等，供粉盒104与收粉盒103分列于工作台102两侧，供粉盒104供应金属粉末，可通过铺粉装置将金属粉末铺展于工作台102上，铺粉过程中多余的金属粉末则通过收粉盒103回收。进一步在该3D打印机中还设有金属收集盒(未图示)，用以收集加工过程中飞溅的金属漂浮物，该金属收集盒可设于工作台102的附近，依实际情况而定，便于安装以及金属漂浮物的回收即可。该金属增材制造磁控溅射装置还包括磁场发生器2、驱动机构、中控系统4以及用于探测所述3D打印机1的激光束位置的第一传感器6，所述第一传感器6、所述磁场发生器2、所述驱动机构及所述3D打印机1均与所述中控系统4电性连接，所述驱动机构调节所述磁场发生器2的空间位置，使所述磁场发生器2的磁场可作用于所述激光束周围的区域，使得所述3D打印机1中的金属漂浮物可定向收集在金属收集盒中。一般地，上述的中控系统4可采用计算机4，通过该计算机4控制相应的各设备的工作。通过第一传感器6检测激光束的位置，并反馈信号给计算机4，由计算机4分析指导磁场发生器2以及驱动机构动作，获得合适的磁场位置、形状及方向，以便于该磁场作用于3D打印机1中的金属漂浮物，使得3D打印机1中的金属漂浮物可定向收集在金属收集盒中。上述第一传感器6优选为采用光纤传感器，其作用在实施例一中已有述及，此处不再赘述。

进一步地，该金属增材制造磁控溅射装置还包括用于检测所述3D打印机1的激光强度的第二传感器7，所述第二传感器7与所述中控系统4电性连接；所述磁场发生器2可根据所述第二传感器7检测的激光强度调节磁场强度。通过第二传感器7检测激光强度，并反馈信号给计算机4，由计算机4分析指导磁场发生器2采用合适的磁场强度，激光强度增大时，所述磁场的强度增大，可使向金属收集盒方向运动的金属漂浮物增多，提高对金属漂浮物的收集效果；激光强度减弱时，也可相应减弱磁场强度，减少能耗。该第二传感器7优选为光纤传感器，其作用在实施例一中已有述及，此处不再赘述。

基于上述的采用第一传感器6和第二传感器7的结构，进一步可对两传感器传输的信号进行调制或解调，以便能够充分地滤除所需信号外的噪声，提高输入信号的信噪比并且得到较纯净的信号。如图5，本实施例中，采用如下的滤波器：每个滤波器内部包括四个二阶单元，每个二阶单元皆有1个信号输入端、1个低通输出端和1个带通输出端，各二阶单元之间可以级联用于设计高阶(二阶以上)的滤波器，以其中一个二阶单元为例，可知滤波器有两个滤波输出端，分别是低通输出端LPO和带通输出端BPO，实现对输入信号的高精度检测。另外，也可利用3D打印机1开放式的内部控制系统，将计算机4与3D打印机1控制系统相连，计算机4可将光纤传感器探测到的信号反馈给3D打印机1控制系统，控制系统接收反馈信号并及时作出反应。

上述磁场发生器2可由市面购得；本实施例中，如图3，该磁场发生器2具有控制模块，在上述中控系统4的指导下，可调节控制产生的磁场强度、方向等。进一步地，如图1，所述磁场发生器2上罩设有磁场屏蔽罩5，通过所述磁场屏蔽罩5选择性屏蔽部分磁场，其余的磁场构成作用于所述3D打印机1上的磁场；也即在该磁场屏蔽罩5上开设有磁场通道，容许部分的磁场沿设定的方向延伸，以使得有磁场可作用于激光束加工位置周围区域，磁场的方向符合其作用于金属漂浮物且正好使金属漂浮物向金属收集盒方向运行的条件。通过磁场发生器2自身的磁场调节能力以及磁场屏蔽罩5的选择性屏蔽作用配合，可获得较好的磁场调控能力，保证最佳的金属漂浮物控制与收集效果。一般地，加工过程中激光束的位移、强度变化较缓慢且变化程度较小，相应地仅需对磁场进行微调，上述的磁场屏蔽罩5可固定安装在磁场发生器2上；当然，也可通过配置相应的调节机构对该磁场屏蔽罩5与磁场发生器2之间的相对位置以及该磁场屏蔽罩5上的磁场通道的方位、形状等进行相应调节，以获得最佳的磁场调控效果，上述调节机构的设置是本领域技术人员根据实际情况易于实现的，此处不再一一赘述。

接续上述金属增材制造磁控溅射装置的结构，上述驱动机构用于定位磁场发生器2的空间位置，其可采用现有技术中常用的三维空间定位设备，如多自由度机械手、龙门式驱动设备等，本实施例中，如图2，该驱动机构包括X向滑台302、Y向滑台303、Z向滑台304及滑座305，所述Y向滑台303滑设于所述X向滑台302上，所述Z向滑台304滑设于所述Y向滑台303上，所述滑座305滑设于所述Z向滑台304上，所述磁场发生器2安装于所述滑座305上。上述X向滑台302、Y向滑台303和Z向滑台304即构成一三维可移动平台3，该三维可移动平台3可安装于一基座301上，便于整体移动安装；其中，上述的X向滑台302与Y向滑台303可采用常用的十字滑台结构，上述的Z向滑台304则可采用丝杆机构式的结构以驱动滑座305上下升降滑移。进一步地，所述Y向滑台303在所述X向滑台302上的滑移运动、所述Z向滑台304在所述Y向滑台303上的滑移运动以及所述滑座305在所述Z向滑台304上的滑移运动均为由伺服电机驱动的运动。本实施例中，采用伺服电机以保证对磁场发生器2的定位精度，伺服电机可实现位置、速度和力矩的闭环控制，高速性能好，一般额定转速能达到2000～3000转，抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用，低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象；并且适用于有高速响应要求的场合，电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内，其轴向移动精度非常高，可实现微米级精度，可有效避免磁场发生器2相对于激光束随动时由于信息传输存在延时等因素影响下出现磁场发生器2移动反应滞后的现象。进一步优选地，上述计算机4能实现与伺服电机和磁场发生器2的实时交互，在信号传输存在延时时，计算机4通过获取网络延时值后对信号数据进行分析、处理，对不确定性延时进行正确预测，从而实现实时误差补偿。上述三维可移动平台3(X向滑台302等)布置于3D打印机附近，以便于磁场对3D打印机中的金属漂浮物的控制为宜，优选为布置于3D打印机1的侧方，可获得更佳的金属漂浮物控制效果，当然也可布置于3D打印机1下方等。

接续上述金属增材制造磁控溅射装置的结构，所述3D打印机1中设有至少一个吹气单元，各所述吹气单元均布置于所述工作台102上方，用于将所述3D打印机1中的金属漂浮物向所述金属收集盒方向鼓吹。各吹气单元可采用吹风机或喷嘴等常用吹气设备；吹气单元的作用及效果在上述实施例一中已有述及，此处不再赘述。可根据需要，设置其中部分吹气单元的吹气方向沿X向，部分沿Y向，或者，与X向和Y向均具有一夹角，也可进一步设置各吹气单元的吹气方向可调，包括在XY方向内摆动吹气或在竖直平面内摆动吹气等，本领域技术人员可根据需要选择其中一种或几种布置方式的组合，以在与磁场发生器2配合情况下获得最佳的金属漂浮物收集效果为准。

进一步地，还可在金属收集盒上方设置一个磁铁，可通过该磁铁对金属漂浮物产生吸附力，诱使金属漂浮物向收集盒方向汇聚，通过该磁铁与上述磁场发生器2和/或吹气单元的共同作用，有效提高金属漂浮物的收集效率。进一步优选的，上述磁铁采用电磁铁，其吸附的金属漂浮物在电磁铁失电后可在磁场发生器2的磁场作用下被收集在金属收集盒中。本实施例中，可在3D打印机1内设置一个或多个上述金属收集盒+磁场的组合。

本实施例中，上述的磁场发生器2与3D打印机1为外联式连接，与3D打印机1相对独立，用时即插、不用时即拔，因而对现有的3D打印机1内部结构无影响，适用于现有的增材制造设备的升级改造；上述的第一传感器6、第二传感器7以及根据需要可增设的吹气单元等都易于安装拆卸，改造困难较小，因此具有较好的应用前景。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属增材制造磁控溅射方法，其特征在于：

3D打印机中内置有一金属收集盒；探测所述3D打印机的激光束位置，形成一磁场，并控制所述磁场的位置、形状及方向，使所述磁场作用于所述激光束周围的区域，使得所述3D打印机中的金属漂浮物可定向收集在所述金属收集盒中。

2.如权利要求1所述的金属增材制造磁控溅射方法，其特征在于：向所述3D打印机中吹气，将所述3D打印机中的金属漂浮物向所述金属收集盒方向鼓吹；气体的吹入和所述磁场的形成可同时进行，也可分时进行。

3.如权利要求1所述的金属增材制造磁控溅射方法，其特征在于：检测所述3D打印机的激光强度，依据检测的激光强度控制所述磁场的强度，激光强度增大时，所述磁场的强度增大。

4.一种金属增材制造磁控溅射装置，包括3D打印机，其特征在于：还包括磁场发生器、驱动机构、中控系统以及用于探测所述3D打印机的激光束位置的第一传感器，所述第一传感器、所述磁场发生器、所述驱动机构及所述3D打印机均与所述中控系统电性连接；所述3D打印机中设有金属收集盒，所述驱动机构调节所述磁场发生器的空间位置，使所述磁场发生器的磁场可作用于所述激光束周围的区域，使得所述3D打印机中的金属漂浮物可定向收集在金属收集盒中。

5.如权利要求4所述的金属增材制造磁控溅射装置，其特征在于：还包括用于检测所述3D打印机的激光强度的第二传感器，所述第二传感器与所述中控系统电性连接；所述磁场发生器可根据所述第二传感器检测的激光强度调节磁场强度。

6.如权利要求5所述的金属增材制造磁控溅射装置，其特征在于：所述第一传感器及所述第二传感器均为光纤传感器。

7.如权利要求4所述的金属增材制造磁控溅射装置，其特征在于：所述3D打印机中设有至少一个吹气单元，各所述吹气单元均布置于所述工作台上方，用于将所述3D打印机中的金属漂浮物向所述金属收集盒方向鼓吹。

8.如权利要求4所述的金属增材制造磁控溅射装置，其特征在于：所述磁场发生器上罩设有磁场屏蔽罩，通过所述磁场屏蔽罩选择性屏蔽部分磁场，其余的磁场构成作用于所述3D打印机上的磁场。

9.如权利要求4所述的金属增材制造磁控溅射装置，其特征在于：所述驱动机构包括X向滑台、Y向滑台、Z向滑台及滑座，所述Y向滑台滑设于所述X向滑台上，所述Z向滑台滑设于所述Y向滑台上，所述滑座滑设于所述Z向滑台上，所述磁场发生器安装于所述滑座上。

10.如权利要求9所述的金属增材制造磁控溅射装置，其特征在于：所述Y向滑台在所述X向滑台上的滑移运动、所述Z向滑台在所述Y向滑台上的滑移运动以及所述滑座在所述Z向滑台上的滑移运动均为由伺服电机驱动的运动。