CN109365814A - 一种单振镜大幅面增材制造激光成形设备及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单振镜大幅面增材制造激光成形设备及成形方法，属于增材制造技术领域，该设备包括点光源或线性光源、振镜、透镜、成形仓、成形基板、传动机构和固定平台，振镜或成形仓可绕成形仓中心轴旋转，使激光在成形表面上的扫描区域相对成形表面发生旋转；具体为在振镜底部安装有可使振镜绕成形仓中心轴旋转的旋转装置，或在成形仓底部安装有可使成形仓绕其中心轴旋转的旋转组件。本发明采用单一激光振镜实现了激光成形设备成形区域为传统设备的四倍，解决了传统增材制造设备单光源成形幅面有限的技术问题，避免了多激光振镜系统工作时复杂的协调控制过程，同时也避免了拼接区成形失败的问题；设备核心部件少，降低了设备研发制造成本。

Description

一种单振镜大幅面增材制造激光成形设备及成形方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，特别是涉及一种单振镜大幅面增材制造激光成形设备及成形方法。

背景技术

选区激光熔化(又称作增材制造或金属3D打印)技术，是近些年来出现的一种新型加工方法，该技术采用的原材料均为几十到几百微米的粉末，在成型过程中，通过供粉机构与铺粉机构将粉末均匀平摊在成形基板上，再利用激光等能量源将表面特定几何形状区域的粉末熔化，产生冶金结合，最终使零件逐层长出从而实现立体成型的过程。

随着该项技术的普及应用，对于成形尺寸较大的设备需求越来越旺盛，然而目前市面上的选择性激光熔化设备主要使用单激光振镜系统作为成形光路，受限于单振镜系统的工作区域范围，市面上的单激光SLM设备的成型区域最大仅约280mm×280mm，因此成形工件的尺寸也受到了限制，无法直接加工成形大尺寸零部件。为了解决单激光SLM设备成形工件的尺寸限制问题，公布号CN103071797A提出一种多振镜大幅面选择性激光熔化SLM设备，其中将成形区域划分为四个子区域，每个子区域上设置独立的激光振镜系统，从而可以加工生产出相比于传统设备尺寸扩大四倍的金属工件；公布号CN103658647A提出一种基于四激光双工位的选择性激光熔化设备及加工方法，该设备同样使用四个激光振镜系统，从而同样将SLM设备的加工范围尺寸扩大四倍。

现有多振镜系统技术仍存在以下技术缺陷或不足：一方面，多激光SLM成形设备关于三维模型的分割通常是一种平均分割，然而待激光熔化的实体区域并不是空间均匀分布的，譬如充满了薄壁、曲线柱状支撑等异形结构，导致每一个振镜扫描区域的待加工实体部分不仅面积差异巨大，而且温度场分布也会由此极度分布不均。此外，在相邻振镜扫描区域的连接处，需要一定宽度的拼接区，由于相邻激光振镜扫描系统扫描时间不一致，导致拼接区可能出现球化效应加剧甚至加工失败等情况，因此多振镜系统如何高效协调工作一直是亟待解决的问题。此外，激光成形设备中以激光器、振镜等光学元器件最为昂贵，因此多振镜系统直接导致设备成本翻倍增长。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种单振镜大幅面增材制造激光成形设备及成形方法，该设备采用单一振镜系统实现成形幅面为传统设备四倍的加工区域。

本发明的目的之一在于提供一种单振镜大幅面增材制造激光成形设备，包括光源、振镜、透镜、成形仓、成形基板、传动机构和固定平台，所述振镜或成形仓可绕成形仓中心轴旋转，使激光在成形表面上的扫描区域相对成形表面发生旋转。

在上述技术方案中，优选的，所述振镜底部安装有可使振镜绕成形仓中心轴旋转的旋转装置，在激光成形过程中使振镜旋转，则单一振镜在成形基板上的扫描区域发生旋转，从而使扫描区域直径扩大一倍，扫描区域面积变成之前的四倍。

在上述技术方案中，进一步优选的，所述旋转装置包括振镜转动电机、直角减速器和转动轴承B，所述振镜转动电机与直角减速器的一端连接，所述直角减速器的另一端与转动轴承B连接，所述转动轴承B安装在振镜底部，当振镜转动电机转动时，带动振镜连同透镜一起转动，从而使激光扫描区域发生旋转。

在上述技术方案中，优选的，所述成形仓底部安装有可使成形仓绕其中心轴旋转的旋转组件，在激光成形过程中使成形仓带动成形基板沿轴向旋转，则成形表面发生旋转，从而使扫描区域直径扩大一倍，扫描区域面积变成之前的四倍。

在上述技术方案中，进一步优选的，所述旋转组件包括转动基台、齿轮、转动轴承A和转台电机，所述转动基台设置在成形仓底部并通过转动轴承A安装在固定平台上，所述转动基台的外部为齿轮结构并与齿轮啮合，所述齿轮由转台电机控制转动。

在上述技术方案中，更进一步优选的，所述固定平台上开孔，所述传动机构穿过固定平台的孔安装在转动基台上，当转动基台带动成形仓旋转时，传动机构跟着一起旋转。

在上述技术方案中，进一步优选的，所述光源为点光源或线性光源，所述线性光源与振镜之间设有分光器。

本发明的另一个目的在于提供一种采用单振镜大幅面增材制造激光成形设备的成形方法，包括如下步骤：

1)设备采用点光源，成形零件在前处理激光路径规划过程中，对每一层的扫描区域进行扇形分割，再将成形零件的信息导入激光成形设备的数控系统中进行激光成形；

2)成形表面激光在其激光扫描范围中进行扫描，同时控制转动基台持续转动使成形表面同步转动，或控制振镜持续旋转使激光扫描范围同步旋转；

3)成形表面激光对于每个扇形区域形成扫描路径并进行扫描，成形表面或激光扫描范围旋转一周后，再进行中心区域的单独扫描，完成当前层激光成形过程；

4)当前层成形完后，成形基板下降一层，铺粉装置重新铺粉，重复步骤2)、3)，进行下一粉层的激光成形，通过层与层堆积完成大幅面增材零件的成形。

本发明的再一个目的在于提供一种采用单振镜大幅面增材制造激光成形设备的成形方法，包括如下步骤：

1)设备采用点光源，将成形零件的信息导入激光成形设备的数控系统中进行激光成形；

2)成形表面激光在其激光扫描范围中进行扫描，待本扫描范围中的工作结束后，控制转动基台转动90度使成形表面旋转90度，或控制振镜与透镜转动90度使激光扫描范围旋转90度；

3)成形表面激光继续在新的扫描范围中进行扫描，重复步骤2)，直到完成当前层的激光成形过程；

4)当前层成形完后，成形基板下降一层，铺粉装置重新铺粉，重复步骤2)、3)，进行下一粉层的激光成形，通过层与层堆积完成大幅面增材零件的成形。

在上述技术方案中，优选的，在整个扫描过程中，对于扫描范围中重复的搭接区，采用交替扫描，使每一层的扫描区只扫描一次。

本发明的又一个目的在于提供一种采用单振镜大幅面增材制造激光成形设备的成形方法，包括如下步骤：

1)设备采用线性光源，将成形零件的信息导入激光成形设备的数控系统中进行激光成形；

2)线性光源提供的平行光束通过线光源振镜投射到成形表面上产生激光线，成形过程中成形表面激光线在其激光扫描范围中进行扫描，同时控制转动基台持续转动使成形表面同步转动，或控制振镜持续旋转使激光扫描范围同步旋转，从而实现激光线沿顺时针或逆时针进行成形区域旋转扫描；

3)待整个圆周扫描完成后，对中心区域进行单独扫描，完成当前层的激光成形过程；

4)当前层成形完后，成形基板下降一层，铺粉装置重新铺粉，重复步骤2)、3)，进行下一粉层的激光成形，通过层与层堆积完成大幅面增材零件的成形。

本发明具有的优点和积极效果是：

(1)本发明采用单一激光振镜系统实现了激光成形设备成形区域为传统设备的四倍，解决了传统增材制造设备单光源成形幅面有限的技术问题，避免了多激光振镜系统工作时复杂的协调控制过程，同时也避免了拼接区成形失败的问题；

(2)本发明的激光成形设备核心部件少，降低了大幅面激光成形设备的研发制造成本；

(3)本发明提供的线性光源旋转扫描方法，可以高效率的实现上述单一激光振镜系统大幅面激光成形过程。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的激光成形设备的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的激光成形设备的成形区域俯视结构示意图；

图3是本发明实施例二提供的激光成形设备的结构示意图；

图4是本发明实施例二提供的激光成形设备的成形区域俯视结构示意图；

图5是本发明实施例三和四提供的一种单振镜大幅面增材制造激光成形设备的成形方法示意图；

图6是本发明实施例五和六提供的一种单振镜大幅面增材制造激光成形设备的成形方法示意图；

图7是本发明实施例七提供的激光成形设备的结构示意图；

图8是本发明实施例八提供的激光成形设备的结构示意图；

图9是本发明实施例九和十提供的一种单振镜大幅面增材制造激光成形设备的成形方法示意图。

图中：1-振镜；2-点光源；3-激光扫描范围；4-激光束；5-成形表面激光；6-粉末；7-成形基板；8-成形仓；9-转动基台；10-齿轮；11-转动轴承A；12-转台电机；13-传动机构；14-固定平台；15-铺粉装置；16-送粉仓；17-成形零件；18-振镜固定台；19-振镜转动电机；20-直角减速器；21-转动轴承B；22-单一扫描面；23-双重搭接区；24-三重搭接区；25-中心区域；26-扇形区域；27-扫描路径；28-线性光源；29-分光器；30-线光源振镜；31-激光线；32-已扫描区域。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，并配合附图对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

请参阅图1和图2，本实施例提供一种单振镜大幅面增材制造激光成形设备，包括振镜1、点光源2、成形仓8、成形基板7、传动机构13和固定平台14，振镜1安装在振镜固定台18上，成形仓8可绕其中心轴旋转，使激光在成形表面上的扫描区域相对成形表面发生旋转。

作为优选的实施例，成形仓8底部安装有可使成形仓绕其中心轴旋转的旋转组件，在激光成形过程中使成形仓带动成形基板沿轴向旋转，则成形表面发生旋转，从而使扫描区域直径扩大一倍，扫描区域面积变成之前的四倍。

作为进一步优选的实施例，旋转组件包括转动基台9、齿轮10、转动轴承A11和转台电机12，转动基台9设置在成形仓8底部并通过转动轴承A11安装在固定平台14上，转动基台9的外部为齿轮结构并与齿轮10啮合，齿轮10由转台电机12控制转动。

作为更进一步优选的实施例，固定平台14上开孔，传动机构13穿过固定平台14的孔安装在转动基台9上，当转动基台9带动成形仓8旋转时，传动机构13跟着一起旋转。

具体实施过程中，当激光成形设备在加工成形零件17时，铺粉装置15将送粉仓16中的粉末6平铺在成形幅面的当前层上，激光束4通过振镜1射向当前粉层，成形表面激光5在其激光扫描范围3中进行扫描，同时扫描过程中，转台电机12带动齿轮10转动，通过齿轮的啮合传动带动转动基台9转动，转动基台9带动成形仓8、成形基板7、成形零件17和传动机构13一起转动，从而使成形表面旋转，使成形表面激光5的扫描区域可以涉及所有成形幅面；待当前层激光扫描完毕后，传动机构13带动成形基板7下降一层，铺粉装置15重新铺粉，从而进行下一粉层的激光扫描。

实施例2

请参阅图3和图4，本实施例提供一种单振镜大幅面增材制造激光成形设备，包括振镜1、点光源2、成形仓8、成形基板7、传动机构13和固定平台14，振镜1可绕成形仓8中心轴旋转，使激光在成形表面上的扫描区域相对成形表面发生旋转。

作为优选的实施例，振镜1底部安装有可使振镜绕成形仓8中心轴旋转的旋转装置，在激光成形过程中使振镜旋转，则单一振镜在成形基板上的扫描区域发生旋转，从而使扫描区域直径扩大一倍，扫描区域面积变成之前的四倍。

作为进一步优选的实施例，旋转装置包括振镜转动电机19、直角减速器20和转动轴承B21，振镜转动电机19与直角减速器20的一端连接，直角减速器20的另一端与转动轴承B21连接，转动轴承B21安装在振镜1底部，当振镜转动电机19转动时，带动振镜1一起转动，从而使激光扫描区域发生旋转。

具体实施过程中，当激光成形设备在加工成形零件17时，铺粉装置15将送粉仓16中的粉末6平铺在成形幅面的当前层上，激光束4通过振镜1射向当前粉层，成形表面激光5在其激光扫描范围3中进行扫描，同时扫描过程中，振镜转动电机19通过直角减速器20带动振镜1在转动轴承B21上旋转，从而使激光扫描范围3发生旋转，使成形表面激光5的扫描区域通过旋转涉及所有成形幅面；待当前层激光扫描完毕后，传动机构13带动成形基板7下降一层，铺粉装置15重新铺粉，从而进行下一粉层的激光扫描。

实施例3

请参阅图1和图5，本实施例提供一种采用实施例1所述的单振镜大幅面增材制造激光成形设备的成形方法，包括如下步骤：

1)成形零件17在前处理激光路径规划过程中，对每一层的扫描区域进行扇形分割，再将成形零件的信息导入激光成形设备的数控系统中进行激光成形；

2)成形表面激光5在其激光扫描范围3中进行扫描，同时控制转动基台9持续转动使成形表面同步转动；

3)成形表面激光5对于每个扇形区域26形成扫描路径27并进行扫描，成形表面旋转一周后，再进行中心区域25的单独扫描，完成当前层激光成形过程；

4)当前层成形完后，成形基板下降一层，铺粉装置15重新铺粉，重复步骤2)、3)，进行下一粉层的激光成形，通过层与层堆积完成大幅面增材零件的成形。

实施例4

请参阅图3和图5，本实施例提供一种采用实施例2所述的单振镜大幅面增材制造激光成形设备的成形方法，包括如下步骤：

1)成形零件17在前处理激光路径规划过程中，对每一层的扫描区域进行扇形分割，再将成形零件的信息导入激光成形设备的数控系统中进行激光成形；

2)成形表面激光5在其激光扫描范围3中进行扫描，同时控制振镜持续旋转使激光扫描范围同步旋转；

3)成形表面激光5对于每个扇形区域26形成扫描路径27并进行扫描，激光扫描范围旋转一周后，再进行中心区域25的单独扫描，完成当前层激光成形过程；

4)当前层成形完后，成形基板下降一层，铺粉装置15重新铺粉，重复步骤2)、3)，进行下一粉层的激光成形，通过层与层堆积完成大幅面增材零件的成形。

实施例5

请参阅图1和图6，本实施例提供一种采用实施例1所述的单振镜大幅面增材制造激光成形设备的成形方法，包括如下步骤：

1)将成形零件的信息导入激光成形设备的数控系统中进行激光成形；

2)成形表面激光5在其激光扫描范围3中进行扫描，待本扫描范围中的工作结束后，控制转动基台9转动90度使成形表面旋转90度；

3)成形表面激光5继续在新的扫描范围中进行扫描，重复步骤2)，直到完成当前层的激光成形过程；

在整个扫描过程中，对于扫描范围中重复的搭接区，采用交替扫描，使每一层的扫描区只扫描一次，该方法在具体扫描过程中出现了四个单一扫描面22，四个双重搭接区23，四个三重搭接区24与一个中心区域25。对于单一扫描面22，激光扫描范围转动到该处，就进行该地方扫描；对于双重搭接区23，前后两次激光扫描范围都覆盖，整体成形过程中，各粉层进行激光扫描范围的交替扫描；对于三重搭接区24，前中后三次激光扫描范围都覆盖，整体成形过程中，各粉层进行激光扫描范围的交替扫描；对于中心区域25，四次激光扫描范围都覆盖，整体成形过程中，各粉层进行激光扫描范围的交替扫描。

4)当前层成形完后，成形基板下降一层，铺粉装置15重新铺粉，重复步骤2)、3)，进行下一粉层的激光成形，通过层与层堆积完成大幅面增材零件的成形。

实施例6

请参阅图2和图6，本实施例提供一种采用实施例2所述的单振镜大幅面增材制造激光成形设备的成形方法，包括如下步骤：

1)将成形零件的信息导入激光成形设备的数控系统中进行激光成形；

2)成形表面激光5在其激光扫描范围3中进行扫描，待本扫描范围中的工作结束后，控制振镜转动90度使激光扫描范围旋转90度；

3)成形表面激光5继续在新的扫描范围中进行扫描，重复步骤2)，直到完成当前层的激光成形过程；

在整个扫描过程中，对于扫描范围中重复的搭接区，采用交替扫描，使每一层的扫描区只扫描一次，该方法在具体扫描过程中出现了四个单一扫描面22，四个双重搭接区23，四个三重搭接区24与一个中心区域25。对于单一扫描面22，激光扫描范围转动到该处，就进行该地方扫描；对于双重搭接区23，前后两次激光扫描范围都覆盖，整体成形过程中，各粉层进行激光扫描范围的交替扫描；对于三重搭接区24，前中后三次激光扫描范围都覆盖，整体成形过程中，各粉层进行激光扫描范围的交替扫描；对于中心区域25，四次激光扫描范围都覆盖，整体成形过程中，各粉层进行激光扫描范围的交替扫描。

4)当前层成形完后，成形基板下降一层，铺粉装置15重新铺粉，重复步骤2)、3)，进行下一粉层的激光成形，通过层与层堆积完成大幅面增材零件的成形。

实施例7

如图7所示，与实施例1的不同之处在于采用线性光源28，线性光源28与线光源振镜30之间设有分光器29。线性光源28提供的平行光束通过分光器29调节激光线长度，再通过线光源振镜30投射到成形表面上，产生激光线31。

实施例8

如图8所示，与实施例2的不同之处在于采用线性光源，所述线性光源与线光源振镜之间设有分光器。线性光源28提供的平行光束通过分光器29调节激光线长度，再通过线光源振镜30投射到成形表面上，产生激光线31。

实施例9

请参阅图7和9，本实施例提供一种采用实施例7所述的单振镜大幅面增材制造激光成形设备的成形方法，包括如下步骤：

1)将成形零件17的信息导入激光成形设备的数控系统中进行激光成形；

2)线性光源28提供的平行光束通过分光器29调节激光线长度，再通过线光源振镜30投射到成形表面上产生激光线31，成形过程中成形表面激光线在其激光扫描范围中进行扫描，同时控制转动基台9持续转动使成形表面同步转动，从而实现激光线31沿顺时针或逆时针进行成形区域旋转扫描，逐步得到已扫描区域32；

3)待整个圆周扫描完成后，再对中心区域进行单独扫描，完成当前层的激光成形过程；

4)当前层成形完后，成形基板下降一层，铺粉装置重新铺粉，重复步骤2)、3)，进行下一粉层的激光成形，通过层与层堆积完成大幅面增材零件的成形。

实施例10

请参阅图8和9，本实施例提供一种采用实施例8所述的单振镜大幅面增材制造激光成形设备的成形方法，包括如下步骤：

1)将成形零件17的信息导入激光成形设备的数控系统中进行激光成形；

2)线性光源28提供的平行光束通过分光器29调节激光线长度，再通过线光源振镜30投射到成形表面上产生激光线31，成形过程中成形表面激光线在其激光扫描范围中进行扫描，同时控制线光源振镜30持续旋转使激光扫描范围同步旋转，从而实现激光线31沿顺时针或逆时针进行成形区域旋转扫描，逐步得到已扫描区域32；

3)待整个圆周扫描完成后，再对中心区域进行单独扫描，完成当前层的激光成形过程；

4)当前层成形完后，成形基板下降一层，铺粉装置重新铺粉，重复步骤2)、3)，进行下一粉层的激光成形，通过层与层堆积完成大幅面增材零件的成形。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种单振镜大幅面增材制造激光成形设备，包括光源、振镜、透镜、成形仓、成形基板、传动机构和固定平台，其特征在于：所述振镜或成形仓可绕成形仓中心轴旋转，使激光在成形表面上的扫描区域相对成形表面发生旋转。

2.根据权利要求1所述的一种单振镜大幅面增材制造激光成形设备，其特征在于：所述振镜底部安装有可使振镜绕成形仓中心轴旋转的旋转装置。

3.根据权利要求2所述的一种单振镜大幅面增材制造激光成形设备，其特征在于：所述旋转装置包括振镜转动电机、直角减速器和转动轴承B，所述振镜转动电机与直角减速器的一端连接，所述直角减速器的另一端与转动轴承B连接，所述转动轴承B安装在振镜底部。

4.根据权利要求1所述的一种单振镜大幅面增材制造激光成形设备，其特征在于：所述成形仓底部安装有可使成形仓绕其中心轴旋转的旋转组件。

5.根据权利要求4所述的一种单振镜大幅面增材制造激光成形设备，其特征在于：所述旋转组件包括转动基台、齿轮、转动轴承A和转台电机，所述转动基台设置在成形仓底部并通过转动轴承A安装在固定平台上，所述转动基台的外部为齿轮结构并与齿轮啮合，所述齿轮由转台电机控制转动。

6.根据权利要求5所述的一种单振镜大幅面增材制造激光成形设备，其特征在于：所述固定平台上开孔，所述传动机构穿过固定平台的孔安装在转动基台上。

7.根据权利要求1所述的一种单振镜大幅面增材制造激光成形设备，其特征在于：所述光源为点光源或线性光源，所述线性光源与振镜之间设有分光器。

8.一种采用权利要求1-7中任一项所述的单振镜大幅面增材制造激光成形设备的成形方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)设备采用点光源，成形零件在前处理激光路径规划过程中，对每一层的扫描区域进行扇形分割，再将成形零件的信息导入激光成形设备的数控系统中进行激光成形；

2)成形表面激光在其激光扫描范围中进行扫描，同时控制转动基台持续转动使成形表面同步转动，或控制振镜持续旋转使激光扫描范围同步旋转；

3)成形表面激光对于每个扇形区域形成扫描路径并进行扫描，成形表面或激光扫描范围旋转一周后，再进行中心区域的单独扫描，完成当前层激光成形过程；

4)当前层成形完后，成形基板下降一层，铺粉装置重新铺粉，重复步骤2)、3)，进行下一粉层的激光成形，通过层与层堆积完成大幅面增材零件的成形。

9.一种采用权利要求1-7中任一项所述的单振镜大幅面增材制造激光成形设备的成形方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)设备采用点光源，将成形零件的信息导入激光成形设备的数控系统中进行激光成形；

2)成形表面激光在其激光扫描范围中进行扫描，待本扫描范围中的工作结束后，控制转动基台转动90度使成形表面旋转90度，或控制振镜与透镜转动90度使激光扫描范围旋转90度；

3)成形表面激光继续在新的扫描范围中进行扫描，重复步骤2)，直到完成当前层的激光成形过程；在整个扫描过程中，对于扫描范围中重复的搭接区，采用交替扫描，使每一层的扫描区只扫描一次；

4)当前层成形完后，成形基板下降一层，铺粉装置重新铺粉，重复步骤2)、3)，进行下一粉层的激光成形，通过层与层堆积完成大幅面增材零件的成形。

10.一种采用权利要求1-7中任一项所述的单振镜大幅面增材制造激光成形设备的成形方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)设备采用线性光源，将成形零件的信息导入激光成形设备的数控系统中进行激光成形；

2)成形过程中成形表面激光线在其激光扫描范围中进行扫描，同时控制转动基台持续转动使成形表面同步转动，或控制振镜持续旋转使激光扫描范围同步旋转；

3)待整个圆周扫描完成后，再对中心区域进行单独扫描，完成当前层的激光成形过程；

4)当前层成形完后，成形基板下降一层，铺粉装置重新铺粉，重复步骤2)、3)，进行下一粉层的激光成形，通过层与层堆积完成大幅面增材零件的成形。