CN107900331B - 一种有效防止金属合金构件开裂的激光3d打印成型设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有效防止金属合金构件开裂的激光3D打印成型装置，属于金属粉末激光熔化成型技术领域，包括控制系统、激光扫描系统及成型系统，成型系统包括沿水平方向顺次设置的成型室、退火室及铺粉机构，且所述成型室、退火室及铺粉机构三者相互固定且底面均与成型平台触接，成型系统还包括驱动成型室、退火室及铺粉机构沿水平方向运动的滑动驱动机构，激光扫描系统设于成型室顶端，所述退火室内设有焊枪及驱动焊枪沿水平面位移的焊接位移机构，所述滑动驱动机构及焊接位移机构均与控制系统连接。本发明通过在逐层堆积的成型过程中加入同步退火处理，能够有效消除在长时间的增材制造过程中零件各个部位由大温度梯度而产生的易开裂问题。

Description

一种有效防止金属合金构件开裂的激光3D打印成型设备

技术领域

本发明涉及金属粉末激光熔化成型技术领域，尤其涉及一种能够有效防止构件开裂的激光3D打印成型设备。

背景技术

快速成形(Rapid Prototype,RP)技术是20世纪90年代迅速发展起来的一种先进制造技术，是服务于制造业新产品开发的一种关键技术。它对促进企业的产品创新、缩短新产品研发周期、提高产品竞争力等起着积极的推动作用。该技术自问世以来，逐渐在世界各国的制造业中得到了广泛的应用，并由此催生出一个新兴的技术领域-3D打印技术，作为一种新兴的快速成形技术，主要被应用于产品原型、模具制造以及艺术创作、珠宝制作等领域，用于替代这些领域的一些传统的精加工工艺。另外，3D打印技术也逐渐应用于医学、生物工程、建筑、服装等领域，为创新开拓了广阔的空间。目前，3D打印成形方式主要包括熔融沉积成形(Fused Deposition Modeling，FDM)、选择性激光烧结成形(Selective LaserSintering，SLS)、光固化成形(stereo lithography apparatus，SLA)、选择性激光熔化成形(Selective Laser Melting,SLM)。

SLM是利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成形的一种技术。SLM工艺一般需要添加支撑结构，其主要作用体现在：1)承接下一层未成形粉末层，防止激光扫描到过厚的金属粉末层，发生塌陷；2)由于成形过程中粉末受热熔化冷却后，内部存在收缩应力，导致零件发生翘曲等，支撑结构连接已成形部分与未成形部分，可有效抑制这种收缩，在一定范围内使成形件保持应力平衡。

基于SLM技术的高功率激光束长期循环往复“逐点扫描熔化－逐线扫描搭接－逐层凝固堆积”的激光熔化成形制造过程中，主要工艺参数、外部环境、熔池熔体状态的波动和变化、扫描填充轨迹的变换等不连续和不稳定，都可能在零件内部沉积层与沉积层之间、沉积道与沉积道之间、单一沉积层内部等局部区域产生各种特殊的内部冶金缺陷(如层间及道间局部未熔合、气隙、卷入性和析出性气孔、微细陶瓷加杂物、内部特殊裂纹等)并影响最终成形零件的内部质量、力学性能和构件的服役使用安全。因此，3D打印过程中的高升降温速率所引起的热应力和残余应力会使所打印的金属构件发生严重的变形、翘曲和开裂、堆积层的开裂和变形一直都是比较棘手的问题，这严重降低了金属合金优异的力学性能，SLM技术虽然通过支撑结构保持一定程度的应力平衡，但并不足以完全改善变形、翘曲和开裂的问题。那么，如何在保证较高打印效率的基础上抑制其裂纹和翘曲变形问题的产生，从而获得大尺寸无裂纹的合金构件，是目前激光3D打印合金构件迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是在保证较高打印效率的基础上提出一种能够抑制合金构件裂纹产生问题的激光3D打印成型设备，该设备通过在逐层堆积的成型过程中加入同步退火处理，能够有效消除在长时间的增材制造过程中零件各个部位由大温度梯度而产生的易开裂问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种有效防止金属合金构件开裂的激光3D打印成型设备，包括控制系统、激光扫描系统及成型系统，所述成型系统包括成型平台、设在成型平台上的成型基板及用于驱动成型基板沿垂直方向运动的基板驱动机构，所述激光扫描系统、基板驱动机构分别与控制系统相连，所述成型系统还包括沿水平方向顺次设置的成型室、退火室及铺粉机构，且所述成型室、退火室及铺粉机构三者相互固定且底面均与成型平台触接，所述成型系统还包括驱动成型室、退火室及铺粉机构沿水平方向运动的滑动驱动机构，所述激光扫描系统设于成型室顶端，所述退火室内设有焊枪及驱动焊枪沿水平面位移的焊接位移机构，所述滑动驱动机构及焊接位移机构均与控制系统连接；所述成型系统设于密闭仓室内，所述滑动驱动机构包括设置于密闭仓室内的水平导轨及沿水平导轨滑动的支撑臂，所述支撑臂设有三个分别与成型室、退火室及铺粉机构连接的固定端。

作为本发明对上述方案的优选，所述铺粉机构包括粉仓，且粉仓底部出粉口设有用于刮粉的刮粉板。

作为本发明对上述方案的优选，所述控制系统包括工控机及运动控制卡。

作为本发明对上述方案的优选，所述焊枪包括焊枪本体及焊枪固定座，所述焊枪固定座包括驱动焊枪本体竖向移动的气缸机构。

作为本发明对上述方案的优选，所述成型室上方通过管道外接保护气仓，且成型室与退火室之间有通气孔连通。

作为本发明对上述方案的优选，所述成型室下方通过管道外接粉尘净化装置，且粉尘净化装置气体出口连通至保护气仓。

作为本发明对上述方案的优选，所述成型平台还设有金属粉末回收仓，且所述回收仓设于成型室后方。

本发明的有益效果在于：

(1)在金属构件的激光增长制造过程中，实际上是“逐点扫描－逐线搭接－逐层堆积”的长期循环往复过程，在长时间的增材制造过程中，零件不同部位的每一沉积层的固体材料，在随后的逐层沉积过程中都经历了多周期、变循环、剧烈加热和冷却的短时热历史，本发明所述的设备中设有顺次设置的成形室、退火室及铺粉机构，因此在打印长期往复循环的过程中，完成一次“逐点扫描－逐线搭接－逐层堆积”的激光成形过程后，滑动驱动机构将成形室向一侧平移，使得退火室及铺粉机构依次经过成形基板，退火室内焊枪在焊枪位移机构的带动下沿着激光扫描系统逐点扫描的路径进行同步退火处理，能够改善大温度梯度所产生的构件内部开裂问题，成形过程构件内部存在收缩应力导致零件发生翘曲的问题，结合成形基板的支持作用，使得打印出的合金构件基本不会产生翘曲现象。然后再进行下个循环过程的铺粉过程，铺粉机构位移至成形基板上方，合金粉末由粉仓出粉口流出，通过刮粉板调整成形基板的铺粉厚度，并将多余的合金粉末收集至回收仓，同时提高粉末的回收效率，最后成型室移动至成型基板上方，进行下个“逐点扫描－逐线搭接－逐层堆积”的循环过程，最后所得到的构件层间的气隙、特殊裂纹等现象均得到有效控制。

(2)本发明所采用的3D打印设备结构简单，打印方法易于操作，适于工厂流程化的生产过程。

附图说明

图1为本发明所述的一种有效防止金属合金构件开裂的激光3D打印成型设备的结构示意图；

图2为本发明中的滑动驱动机构的结构示意图；

其中，1—控制系统，101—工控机，102—运动控制卡，2—激光扫描系统，3—成型系统，4—成型平台，5—成型基板，6—基板驱动机构，7—成型室，8—退火室，801—焊枪，802—焊接位移机构，9—铺粉机构，901—粉仓，902—出粉口，903—刮粉板，10—滑动驱动机构，11—密闭仓室，111—水平导轨，112—支撑臂，113—固定端，12—保护气仓，13—通气孔，14—粉尘净化装置，15—管道，16—金属粉末回收仓。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1及图2所示的一种有效防止金属合金构件开裂的激光3D打印成型设备，包括控制系统1、激光扫描系统2及成型系统3，所述成型系统3包括成型平台4、设在成型平台4上的成型基板5及用于驱动成型基板5沿垂直方向运动的基板驱动机构6，所述激光扫描系统2、基板驱动机构6分别与控制系统1相连，所述成型系统3还包括驱动成型室7、退火室8及铺粉机构9沿水平方向运动的滑动驱动机构10，所述激光扫描系统2设于成型室7顶端，所述退火室8内设有焊枪801及驱动焊枪801沿水平面位移的焊接位移机构802，所述焊枪801包括焊枪本体及焊枪固定座，所述焊枪固定座包括驱动焊枪本体竖向移动的气缸机构；所述滑动驱动机构10及焊接位移机构均802与控制系统1连接，所述铺粉机构9包括粉仓901，且粉仓901底部出粉口902设有用于刮粉的刮粉板903。所述控制系统1包括工控机101及运动控制卡102，工控机101通过PCI插槽与运动控制卡102连接，所述成型系统3还包括沿水平方向顺次设置的成型室7、退火室8及铺粉机构9，且所述成型室7、退火室8及铺粉机构9三者相互固定且底面均与成型平台4触接，运动控制卡102能够控制激光扫描系统的X、Y向的扫描移动，实现对成型基板5的扫描，同样也能够控制基板驱动机构6、滑动驱动机构10及焊接位移机构802的协同移动；且由于该设备中设有顺次设置的成型室7、退火室8及铺粉机构9，当滑动驱动机构10将成型室7滑动至成型基板5上方时，进行一次激光的扫描过程，而后利用滑动驱动机构10将退火室8行至成型基板5上方，在运动控制卡102的控制下焊枪801沿激光的扫描路径进行同步退火，然后成型基板5由基板驱动机构6带动下移单位距离，滑动驱动机构10带动铺粉机构9完成下一次激光扫描过程所需的铺粉工作，如此循环直至构件堆积成型。

在本实例中，所述成型系统3设于密闭仓室11内，所述滑动驱动机构10包括设置于密闭仓室11内的水平导轨111及沿水平导轨111滑动的支撑臂112，所述支撑臂112设有三个分别与成型室7、退火室8及铺粉机构9连接的固定端113。由于本发明中设有固定成型室7、退火室8及铺粉机构9的滑动驱动机构10，能够方便的在激光增材制造的过程中加入同步退火工艺，并形成连续性较好的加工过程，有效控制了构件层间的气隙、特殊裂纹等现象，同时不会大幅增加构件成型所需的时间。

在本实例中，所述成型室7上方通过管道15外接保护气仓12，且成型室7与退火室8之间有通气孔13连通。

在本实例中，所述成型室7下方通过管道15外接粉尘净化装置14，且粉尘净化装置14的气体出口连通至保护气仓12。

在本实例中，所述成型平台4还设有金属粉末回收仓16，且所述回收仓16设于成型室7后方。在滑动驱动机构10的回程时，铺粉机构9的出粉口902在出粉的同时，刮粉板903将成型基板上多余的金属粉末刮至回收仓16，既能提高金属粉末的利用率，同时避免粉末过量对激光成型过程的影响，同时本发明中的回收仓16设于成型室7后方，利用滑动驱动机构10驱动刮粉板903来收集多余的金属粉末，相比现有技术中的粉末回收方式更简单且方便。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种有效防止金属合金构件开裂的激光3D打印成型设备，包括控制系统、激光扫描系统及成型系统，所述成型系统包括成型平台、设在成型平台上的成型基板及用于驱动成型基板沿垂直方向运动的基板驱动机构，所述激光扫描系统、基板驱动机构分别与控制系统相连，其特征在于，所述成型系统还包括沿水平方向顺次设置的成型室、退火室及铺粉机构，且所述成型室、退火室及铺粉机构三者相互固定且底面均与成型平台触接，所述成型系统还包括驱动成型室、退火室及铺粉机构沿水平方向运动的滑动驱动机构，所述激光扫描系统设于成型室顶端，所述退火室内设有焊枪及驱动焊枪沿水平面位移的焊接位移机构，所述滑动驱动机构及焊接位移机构均与控制系统连接；所述成型系统设于密闭仓室内，所述滑动驱动机构包括设置于密闭仓室内的水平导轨及沿水平导轨滑动的支撑臂，所述支撑臂设有三个分别与成型室、退火室及铺粉机构连接的固定端。

2.根据权利要求1所述的一种有效防止金属合金构件开裂的激光3D打印成型设备，其特征在于，所述铺粉机构包括粉仓，且粉仓底部出粉口设有用于刮粉的刮粉板。

3.根据权利要求1所述的一种有效防止金属合金构件开裂的激光3D打印成型设备，其特征在于，所述控制系统包括工控机及运动控制卡。

4.根据权利要求1所述的一种有效防止金属合金构件开裂的激光3D打印成型设备，其特征在于，所述焊枪包括焊枪本体及焊枪固定座，所述焊枪固定座包括驱动焊枪本体竖向移动的气缸机构。

5.根据权利要求1所述的一种有效防止金属合金构件开裂的激光3D打印成型设备，其特征在于，所述成型室上方通过管道外接保护气仓，且成型室与退火室之间有通气孔连通。

6.根据权利要求5所述的一种有效防止金属合金构件开裂的激光3D打印成型设备，其特征在于，所述成型室下方通过管道外接粉尘净化装置，且粉尘净化装置气体出口连通至保护气仓。

7.根据权利要求1所述的一种有效防止金属合金构件开裂的激光3D打印成型设备，其特征在于，所述成型平台还设有金属粉末回收仓，且所述回收仓设于成型室后方。