CN107626919A - 一种同轴送粉式激光增材制造装备 - Google Patents

一种同轴送粉式激光增材制造装备 Download PDF

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Abstract

一种同轴送粉式激光增材制造装置,包括控制装置(1)、为半导体激光器供电的激光电源(5)、提供运动的机床或机械臂(3)、提供高能激光束的半导体激光器(4、用于冷却半导体激光器的水冷机(6)、提供粉末的送粉器(8)、将粉末准确喷入熔池的光粉耦合装置(9)，其征在于，还有形成保护气体环境的气体保护室(2)和提供保护气体的供气装置(10)，所述的机床或机械臂(3)安装在气体保护室(2)中，所述的半导体激光器(4)固定安装在机床或机械臂(3)上，所述的半导体激光器(4)的激光射出口端通过套筒(13)与光粉耦合装置(9)连接；半导体激光器与聚焦光学装置直接连接，避免了光纤的损伤或烧毁。本发明在保护气体中进行工作，提高了产品的质量。

Description

一种同轴送粉式激光增材制造装备
技术领域
本发明涉及一种同轴送粉式激光增材制造装备，属于激光增材制造技术领域，特别适用于大尺寸复杂金属零件的3D打印制造。
背景技术
同步送粉式激光增材制造是一种激光熔化沉积技术(Laser MeltingDeposition，LMD)，具体过程为：光学装置将激光束聚焦形成高能光斑，这个光斑在被加工零件上形成熔池，同时，金属粉末通过光粉耦合装置上的送粉管进入到熔池中熔化成液态，随着光斑按照事先设定的扫描路径以一定速度移动，熔化的金属快速凝固，同时光粉耦合装置跟随光斑同步运动，新的金属粉末被不断加入到熔池，零件则在这个过程逐步成形。为了避免发生氧化反应而影响成形件的质量，上述成形过程需要在很低的氧含量下进行，根据不同的工艺要求，通常氧含量为几十到几百ppm(Parts per million，百万分之一)。为形成低氧含量的气体环境，成形运动机构和工作台被置于气体保护室中，并在气体保护室中充满惰性气体。这种增材制造技术的特点是能够实现尺寸达到数米的大型复杂毛坯的制造，而且零件的金属组织晶粒细小、成分均匀、组织细密，综合力学性能达到锻件水平。
同步送粉式激光增材制造装备通常由9个部分组成：控制整个装备的控制装置、形成惰性气体环境的气体保护室、提供保护气体的供气装置(通常是惰性气体或氮气)、提供运动的机床或机械臂、提供高能激光束的光纤激光器用于冷却激光器的水冷机、将光束汇聚成光斑的聚焦光学装置、提供粉末的送粉器、将粉末送入熔池的光粉耦合装置。当前的同步送粉式激光增材制造装备中，多采用数千瓦到万瓦功率的光纤激光器。由于光纤激光器体积大，所以被放置在气体保护室之外，体积庞大、结构复杂，光路、粉路、气路均需要穿过气体保护室壁，连接到聚焦光学装置、光粉耦合装置等部位。光纤在成形过程中跟随运动机构不断往复弯曲，容易形成微小的损伤，而同时光纤需要承载和传输数千瓦到上万瓦功率的激光，这些微小的损伤容易造成热量聚集而导致光纤烧毁，给装置带来不稳定因素的同时，加大了制造和使用成本。
发明内容
本发明提供一种同轴送粉式激光增材制造装备，以提高同轴送粉式激光增材制造装备的质量。
一种同轴送粉式激光增材制造装置,包括控制装置1、为半导体激光器供电的激光电源5、提供运动的机床或机械臂3、提供高能激光束的半导体激光器4、用于冷却半导体激光器的水冷机6、提供粉末的送粉器8、将粉末准确喷入熔池的光粉耦合装置9，其征在于，还有形成保护气体环境的气体保护室2和提供保护气体的供气装置10，所述的机床或机械臂3安装在气体保护室2中，所述的半导体激光器4固定安装在机床或机械臂3上，所述的半导体激光器4的激光射出口端通过套筒13与光粉耦合装置9连接，在套筒13内安装有将光束汇聚成光斑的聚焦光学装置7；水冷机6的管道穿过气体保护室2的外壁进入气体保护室2内与半导体激光器4连接，激光电源5的电缆穿过气体保护室2的外壁进入气体保护室2内与半导体激光器4连接；送粉器8的送粉管11穿过气体保护室2的外壁进入气体保护室2内，金属粉末通过送粉管11送入到激光形成的熔池12中；供气装置10的供气管穿过气体保护室2的外壁进入气体保护室2内，供气装置10将保护气体输入供气装置10内；控制装置1分别与机床或机械臂3、半导体激光器4、水冷机6、送粉器8、光粉耦合装置9和供气装置10连接，以控制各部件的运行。
聚焦光学装置7的焦距是固定焦距。或者可调焦距的聚焦光学装置
聚焦光学装置7的焦距是可调焦距。
相比传统的同轴送粉式激光增材制造装备，采用本发明的技术方案，具有以下特点：
(1)半导体激光器与聚焦光学装置直接连接，而不需要光纤连接，降低了因光纤带来的损伤或烧毁的风险，也降低了同轴送粉式激光增材制造装备制造和使用的成本。
(2)所使用的半导体激光器相比光纤激光器结构简单，价格更低，且电光转换效率提高约一倍，对水冷机制冷量的要求也较低，降低了增材制造装备的复杂程度和制造成本，同时也降低了增材制造过程中的能量消耗。
(3)本发明在保护气体环境中进行工作，提高了产品的质量。
附图说明
图1、为本发明结构示意图；
图2、为本发明激光器4光粉耦合过程示意图。
其中，1为控制装置，2为气体保护室，3为机床或机械臂，4为半导体激光器，5为激光电源，6为水冷机，7为聚焦光学装置，8为送粉器，9为光粉耦合装置，10为供气装置，11为送粉管，12为熔池。
具体实施方式
一种同轴送粉式激光增材制造装置,包括控制装置1、为半导体激光器供电的激光电源5、提供运动的机床或机械臂3、提供高能激光束的半导体激光器4、用于冷却半导体激光器的水冷机6、提供粉末的送粉器8、将粉末准确喷入熔池的光粉耦合装置9，其征在于，还有形成保护气体环境的气体保护室2和提供保护气体的供气装置10，所述的机床或机械臂3安装在气体保护室2中，所述的半导体激光器4固定安装在机床或机械臂3上，所述的半导体激光器4的激光射出口端通过套筒13与光粉耦合装置9连接，在套筒13内安装有将光束汇聚成光斑的聚焦光学装置7；水冷机6的管道穿过气体保护室2的外壁进入气体保护室2内与半导体激光器4连接，激光电源5的电缆穿过气体保护室2的外壁进入气体保护室2内与半导体激光器4连接；送粉器8的送粉管11穿过气体保护室2的外壁进入气体保护室2内，金属粉末通过送粉管11送入到激光形成的熔池12中；供气装置10的供气管穿过气体保护室2的外壁进入气体保护室2内，供气装置10将保护气体输入供气装置10内；控制装置1分别与机床或机械臂3、半导体激光器4、水冷机6、送粉器8、光粉耦合装置9和供气装置10连接，以控制各部件的运行。
聚焦光学装置7的焦距是固定焦距。或者可调焦距的聚焦光学装置
聚焦光学装置7的焦距是可调焦距。
本发明的同轴送粉式激光增材制造装备由10部分组成：控制整个装备的控制装置、形成保护气体环境的气体保护室、提供保护气体(通常是惰性气体或氮气)的供气装置、提供运动的机床或机械臂、提供高能激光束的半导体激光器、为半导体激光器供电的激光电源、用于冷却半导体激光器的水冷机、将光束汇聚成光斑的聚焦光学装置、提供粉末的送粉器、将粉末准确喷入熔池的光粉耦合装置。其主要特征为使用半导体激光器为光源，且半导体激光器(不含激光电源)在气体保护室内部，通过连接机构固定在机床上；半导体激光器出射的激光束无需通过光纤传输，而是直接通过聚焦光学装置汇聚在成形面上。
所述气体保护室为一密闭腔室，通过送气管与供气装置相连，供气装置将惰性气体或氮气送入气体保护室，并将气体保护室内的空气赶出，在气体保护室内形成低氧含量的保护气体环境。
所述半导体激光器通过电缆与放置在气体保护室外的激光电源(含控制器)相连，半导体激光器将电能转化为光能，控制器控制激光器的输出功率。同时，半导体激光器通过进水管、出水管与放置在气体保护室外的水冷机相连，水冷机与半导体激光器之间形成水冷回路，冷却水将半导体激光器内的热量带走。
所述聚焦光学装置固定在套筒内部，又通过套筒直接连接在半导体激光器出光口出，半导体激光器发出的激光束直接进入并经过聚焦光学装置，在成形面上形成光斑。可以选择固定焦距的聚焦光学装置或者可调焦距的聚焦光学装置。
所述光粉耦合装置位于聚焦光学装置的下方，通过套筒与焦距光路连接成一体，将金属粉末准确地送入聚焦光斑形成的熔池中。光粉耦合装置可将多路粉末同时送入熔池中。
所述的半导体激光器、聚焦光学装置、光粉耦合装置三者通过套筒固定在一起，并直接固定在机床或者机械臂上，在机床或者机械臂带动下运动。
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的同轴送粉式激光增材制造装备由10部分组成：控制整个装备的控制装置1、形成保护气体环境的气体保护室2、提供运动的机床或机械臂3、提供高能激光束的半导体激光器4、为半导体激光器供电的激光电源5、用于冷却半导体激光器的水冷机6、将光束汇聚成光斑的聚焦光学装置7、提供粉末的送粉器8、将粉末准确喷入熔池的光粉耦合装置9，提供保护气体(通常是惰性气体或氮气)的供气装置10。
所述气体保护室2为一密闭腔室，通过送气管与供气装置10相连，供气装置10将惰性气体或氮气送入气体保护室2，并将气体保护室内2的空气赶出，形成低氧含量的保护气体环境。气体保护室2上留有贯穿气体保护室的电缆、粉管接口。
所述半导体激光器4通过电缆与放置在气体保护室2外的激光电源5(含控制器)相连，半导体激光器4将电能转化为光能，激光电源5中的控制器控制半导体激光器4的输出功率。同时，半导体激光器4通过进水管、出水管与放置在气体保护室外的水冷机6相连，水冷机6与半导体激光器4之间形成水冷回路，冷却水将半导体激光器4内的热量带走。半导体激光器4直接集成在机床3上，随机床3一同运动。
如图2所示，所述聚焦光学装置7固定在套筒13内部，又通过套筒13直接连接在半导体激光器4出光口出，半导体激光器4发出的激光束直接进入并经过聚焦光学装置7，在成形面上形成光斑，进而形成熔池12。可以选择固定焦距的聚焦光学装置或者可调焦距的聚焦光学装置。
所述光粉耦合装置9位于聚焦光学装置7的下方，通过套筒13与焦距光学装置连接成一体，将金属粉末通过送粉管11准确地送入激光形成的熔池12中。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种同轴送粉式激光增材制造装置,包括控制装置(1)、为半导体激光器供电的激光电源(5)、提供运动的机床或机械臂(3)、提供高能激光束的半导体激光器(4、用于冷却半导体激光器的水冷机(6)、提供粉末的送粉器(8)、将粉末准确喷入熔池的光粉耦合装置(9)，其征在于，还有形成保护气体环境的气体保护室(2)和提供保护气体的供气装置(10)，所述的机床或机械臂(3)安装在气体保护室(2)中，所述的半导体激光器(4)固定安装在机床或机械臂(3)上，所述的半导体激光器(4)的激光射出口端通过套筒(13)与光粉耦合装置(9)连接，在套筒(13)内安装有将光束汇聚成光斑的聚焦光学装置(7)；水冷机(6)的管道穿过气体保护室(2)的外壁进入气体保护室(2)内与半导体激光器(4)连接，激光电源(5)的电缆穿过气体保护室(2)的外壁进入气体保护室(2)内与半导体激光器(4)连接；送粉器(8)的送粉管(11穿过气体保护室(2)的外壁进入气体保护室(2)内，金属粉末通过送粉管(11)送入到激光形成的熔池(12中；供气装置(10)的供气管穿过气体保护室(2)的外壁进入气体保护室(2)内，供气装置(10)将保护气体输入供气装置(10)内；控制装置(1)分别与机床或机械臂(3)、半导体激光器(4)、水冷机(6)、送粉器(8)、光粉耦合装置(9)和供气装置(10)连接，以控制各部件的运行。
2.根据权利要求1所述的一种同轴送粉式激光增材制造装置,其特征在于，聚焦光学装置(7)的焦距是固定焦距。或者可调焦距的聚焦光学装置。
3.根据权利要求1所述的一种同轴送粉式激光增材制造装置,其特征在于，聚焦光学装置(7)的焦距是可调焦距。
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