CN109382585A - 一种金属箔叠层增材制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属箔叠层增材制造装置及方法，本发明的装置包括一安装有惰性气体保护系统的密闭成形室，一激光系统，一金属箔放卷设备，该密闭成形室内底面为工作台，密闭成形室底部设置金属箔放卷设备，使金属箔从密闭成形室内底面移动，位于金属箔下方的密闭成形室底面设有用于吸附金属箔的真空吸附平台；该真空吸附平台中部设成型缸且内设可升降基板，该基板由底部的连接的升降装置驱动；本发明解决了金属箔难以铺置以及金属箔层与层之间难以紧密结合的问题，同时整个增材过程噪音低，材料利用率高，极大地提高了成形件性能。

Description

一种金属箔叠层增材制造装置及方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种金属箔叠层增材制造装置及方法。

背景技术

增材制造技术是一种能根据数字化模型直接制造出实体零件的新兴近净成形技术。相比传统制造技术，增材制造技术无需模具，能够成形形状复杂的零件，具有开发周期短、节省原料、成本较低且设计局限性小等优点。

目前可以直接打印金属的增材制造技术较少，其成型材料主要是粉末和丝材。金属增材制造技术根据材料类型(粉末和丝材)的不同，价格不同，粉末的价格昂贵，丝材较便宜；同时，所适用的金属种类也不一样，有些金属材料不适合制作成粉末，只能制成丝材，如铝、镁等金属，制作成粉末，易燃易爆、反射率很高、而且易氧化，难以保存。

随着材料制备技术的提高，现在很多薄板材料厚度可以控制在60μm-100μm之间,这个厚度已经和激光选区熔化每一层粉末的堆积层厚接近了，只要将多层几十到几百微米厚的薄板按照零件对应层轮廓层层堆积起来,层层通过某种焊接方式获得足够强度,便可以获得满足工程应用的金属零件。若将这种技术应用于制备金属构件，精度和性能都大于丝材的，使用箔板可以进一步拓展材料体系范围，箔板的价格也比粉末便宜，而且在制备多种材料组成的金属构件时不存在材料混合及回收等问题，但是目前缺少该技术的设备及工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属箔叠层增材制造装置及方法，解决了金属箔难以铺置以及金属箔层与层之间难以紧密结合的问题，同时整个增材过程噪音低，材料利用率高，极大地提高了成形件性能。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：一种金属箔叠层增材制造装置，包括一安装有惰性气体保护系统的密闭成形室，一激光系统，一金属箔放卷设备，

该密闭成形室内底面为工作台，密闭成形室底部设置金属箔放卷设备，使金属箔从密闭成形室内底面移动，位于金属箔下方的密闭成形室底面设有用于吸附金属箔的真空吸附平台；

该真空吸附平台中部设成型缸且内设可升降基板，该基板由底部的连接的升降装置驱动；

该激光系统包括设置于密闭成形室上方且相互连接的激光器和激光控制系统，密闭成形室上壁设有与激光控制系统对应设置的玻璃天窗。

本发明将金属箔至于真空条件下进行增材制造，在增材制造过程中使金属箔铺置平整并增强金属箔之间的紧密结合，对制备得到的成形件各项性能均具有提升效果，并且金属箔在被激光切割过程中采用金属箔放卷设备配合真空密闭成形室切割产生噪音难以传播使得加工环境下的噪音极低，对于增材完成后的废料由金属箔放卷装置收集，相比于现有技术中金属的增材制造废料难收集的现状，本发明可实现对未被激光切割的金属箔再次利用或直接回收，提高材料的利用率，降低增材制造的成本，成形件力学性能高。

进一步的，还包括设于密闭成形室的刮板系统，该刮板系统与密闭成形室内金属箔水平设置的导轨，该导轨上设有由伺服电机驱动且与金属箔接触的刮刀和滚压轮。刮刀和滚压轮底面与真空吸附平台基准面平齐，在真空条件下金属箔平整铺置在真空吸附平台上并且其金属箔之间紧密结合，通过在金属箔进行增材之前利用刮刀和滚压轮在金属箔表面进行往复移动对金属箔进行挤压，清理金属箔表面存在的颗粒物或毛刺并压实金属箔，去除金属箔与基板/成形件之间存在的气体，进一步提高金属箔层与层之间的紧密结合问题，同时提高成形件性能。

进一步的，滚压轮及刮刀内设电加热装置，滚轮表面温度控制在50℃～145℃范围内，刮刀表面温度控制在20℃～60℃范围内，通过控制滚压轮及刮刀表面温度对金属箔表面行往复移动过程中同时对金属箔进行预热处理，将刮刀表面温度范围控制在20℃～60℃范围内对进行预热，然后由温度控制在50℃～145℃范围内的滚压轮仅预热处理来实现金属箔晶内微观亚结构的细化来抑制金属箔在增材过程中缩松和锁孔的产生获得成形件组织致密达到成形件力学性能提高的效果，并且在对金属箔增材前预热处理也避免了成形件在激光增材制造中出现不完全热处理组织特征和成形件残余应力复杂分布的情况。

进一步的，金属箔放卷设备包括设于密闭成形室底部一端且配合连接放卷电机的放卷筒，设于密闭成形室底部另一端且配合连接收卷电机的收卷筒，放卷筒上的金属箔穿过密闭成形室内底面与收卷筒连接。使金属箔从真空吸附平台上经过，金属箔上被切割完成的残料直接由收卷筒进行收卷，无需进行分类收集，也避免现有技术中采用金属粉末增材中废料难收集的问题。

进一步的，放卷筒与密闭成形室之间设有用于张紧金属箔的张紧轮及用于金属箔导向的导向轮，保证金属箔传递过程正常、安全。

进一步的，收卷筒与密闭成形室之间的金属箔下方设有位置传感器，用于实现精确控制金属箔传送的距离，每层打印结束后，金属箔移动一个工作台的长度。

一种金属箔叠层增材制造方法，包括以下步骤：

1)密闭成形室抽真空后通过惰性气体保护系统充入惰性气体；

2)金属箔放卷设备将金属箔展开平铺在成形工作台上，真空吸附平台抽真空，将金属箔吸附在基板上；

3)刮板系统沿导轨移动对工作台上的金属箔进行清洁和平整；

4)激光器按照计算机分层提取的横截面轮廓线控制激光束熔化每层金属箔对应的形状，然后沿轮廓进行切割；

5)真空吸附平台充气，基板下降一个层厚，金属箔放卷设备将金属箔向前移动一个基板的长度，重复(2)(3)(4)步骤进行成形，直至零件打印完成。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明将金属箔至于真空条件下进行增材制造，在增材制造过程中使金属箔铺置平整并增强金属箔之间的紧密结合，对制备得到的成形件各项性能均具有提升效果，并且金属箔在被激光切割过程中采用金属箔放卷设备配合真空密闭成形室切割产生噪音难以传播使得加工环境下的噪音极低，对于增材完成后的废料由金属箔放卷装置收集，相比于现有技术中金属的增材制造废料难收集的现状，本发明可实现对未被激光切割的金属箔再次利用或直接回收，提高材料的利用率，降低增材制造的成本。

附图说明

图1为本发明一种金属箔叠层增材制造装置的示意图；

图2为本发明真空吸附平台的结构示意图。

附图标记说明：1.放卷电机；2.放卷筒；3.导向轮；4.张紧轮；5.金属箔；6.升降装置；7.成形缸；8.基板；9.位置传感器；10.收卷筒；11.收卷电机；12.真空吸附平台；13.刮刀；14.伺服电机；15.导轨；16.惰性气体保护系统；17.成形件；18.密闭成形室；19.玻璃天窗；20.激光控制系统；21.激光器；22.滚压轮。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

如图1、2所示，一种金属箔叠层增材制造装置，包括一安装有惰性气体保护系统16的密闭成形室18，一激光系统，一金属箔放卷设备，

该密闭成形室18内底面为工作台，密闭成形室18底部设置金属箔放卷设备，使金属箔5从密闭成形室18内底面移动，位于金属箔5下方的密闭成形室18底面设有用于吸附金属箔5的真空吸附平台12；

该真空吸附平台12中部设成型缸7且内设可升降基板8，该基板8由底部的连接的升降装置6驱动；

该激光系统包括设置于密闭成形室18上方且相互连接的激光器21和激光控制系统20，密闭成形室18上壁设有与激光控制系统20对应设置的玻璃天窗19。

本发明将金属箔至于真空条件下进行增材制造，在增材制造过程中使金属箔5铺置平整并增强金属箔5之间的紧密结合，对制备得到的成形件各项性能均具有提升效果，并且金属箔5在被激光切割过程中采用金属箔放卷设备配合真空密闭成形室18切割产生噪音难以传播使得加工环境下的噪音极低，对于增材完成后的废料由金属箔放卷装置收集，相比于现有技术中金属的增材制造废料难收集的现状，本发明可实现对未被激光切割的金属箔5再次利用或直接回收，提高材料的利用率，降低增材制造的成本，成形件力学性能高。

还包括设于密闭成形室18的刮板系统，该刮板系统与密闭成形室18内金属箔水平设置的导轨15，该导轨15上设有由伺服电机14驱动且与金属箔接触的刮刀13和滚压轮22。刮刀13和滚压轮22底面与真空吸附平台12基准面平齐，在真空条件下金属箔5平整铺置在真空吸附平台12上并且其金属箔5之间紧密结合，通过在金属箔5进行增材之前利用刮刀13和滚压轮22在金属箔5表面进行往复移动对金属箔5进行挤压，清理金属箔5表面存在的颗粒物或毛刺并压实金属箔5，去除金属箔5与基板/成形件之间存在的气体，进一步提高金属箔层与层之间的紧密结合问题，同时提高成形件性能。

滚压轮22及刮刀13内设电加热装置，滚轮表面温度控制在50℃～145℃范围内，刮刀13表面温度控制在20℃～60℃范围内，通过控制滚压轮22及刮刀13表面温度对金属箔5表面行往复移动过程中同时对金属箔5进行预热处理，将刮刀13表面温度范围控制在20℃～60℃范围内对进行预热，然后由温度控制在50℃～145℃范围内的滚压轮22仅预热处理来实现金属箔晶内微观亚结构的细化来抑制金属箔5在增材过程中缩松和锁孔的产生获得成形件组织致密达到成形件力学性能提高的效果，并且在对金属箔5增材前预热处理也避免了成形件在激光增材制造中出现不完全热处理组织特征和成形件残余应力复杂分布的情况。

金属箔放卷设备包括设于密闭成形室18底部一端且配合连接放卷电机1的放卷筒2，设于密闭成形室18底部另一端且配合连接收卷电机11的收卷筒10，放卷筒2上的金属箔穿过密闭成形室18内底面与收卷筒10连接。使金属箔5从真空吸附平台12上经过，金属箔5上被切割完成的残料直接由收卷筒10进行收卷，无需进行分类收集，也避免现有技术中采用金属粉末增材中废料难收集的问题。

放卷筒2与密闭成形室18之间设有用于张紧金属箔的张紧轮4及用于金属箔导向的导向轮3，保证金属箔5传递过程正常、安全。

收卷筒10与密闭成形室18之间的金属箔下方设有位置传感器9，用于实现精确控制金属箔传送的距离，每层打印结束后，金属箔移动一个工作台的长度。

本发明的真空吸附平台12和基板8表面设有耐磨涂层，该涂层采用如下方式设于真空吸附平台12和基板8表面：

将一定分量的Mo、Cr、Mn、Si、C、Fe粉末采用高温喷涂的方式喷涂到真空吸附平台12和基板8表面喷涂厚度控制在0.15-0.4mm之间，在喷涂完成后，在真空吸附平台12和基板8表面洒水持续3分钟，保证涂层表面均洒到，采用冷风吹干，再将Zr、Be、Ni粉末采用高温喷涂的方式喷涂到真空吸附平台12和基板8表面，厚度控制在0.43-0.5mm之间，空气冷却，真空吸附平台12和基板8表面加热至140℃～180℃持续30min，空冷，完成耐磨涂层涂覆，本发明通过将金属材料粉末采用高温喷涂的方式涂覆于真空吸附平台12和基板8表面，采用分层喷涂，通过在第一次高温喷涂完成后通过洒水的方式加速第一次高温喷涂完成的涂层中紧靠阴极表面的金属离子被阴极上的电子还原的速度，导致涂层的晶粒致密，在真空吸附平台12和基板8表面行程致密的金属膜来阻隔高温传递至真空吸附平台12和基板8表面，最终形成的耐磨涂层可显著提升真空吸附平台12和基板8表面的耐磨效果并具有优异的隔热作用。

上述耐磨涂层的组分及重量份如下：Mo粉末15-23份、Cr粉末6-8份、Mn粉末22-27份、Si粉末10-14份、C粉末7-9份、Fe粉末6-8份、Zr粉末7-10份、Be粉末3-4份、Ni粉末6-12份。

实施例2：

一种金属箔叠层增材制造方法，包括以下步骤：

1)密闭成形室18抽真空后通过惰性气体保护系统16充入惰性气体；

2)金属箔放卷设备将金属箔5展开平铺在成形工作台上，真空吸附平台12抽真空，将金属箔5吸附在基板8上；

3)刮板系统沿导轨15移动对工作台上的金属箔5进行清洁和平整；

4)激光器21按照计算机分层提取的横截面轮廓线控制激光束熔化每层金属箔对应的形状，然后沿轮廓进行切割；

5)真空吸附平台12充气，基板8下降一个层厚，金属箔放卷设备将金属箔5向前移动一个基板8的长度，重复(2)(3)(4)步骤进行成形，直至零件打印完成。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种金属箔叠层增材制造装置，其特征在于：包括一安装有惰性气体保护系统(16)的密闭成形室(18)，一激光系统，一金属箔放卷设备，

该密闭成形室(18)内底面为工作台，密闭成形室(18)底部设置金属箔放卷设备，使金属箔(5)从密闭成形室(18)内底面移动，位于金属箔(5)下方的密闭成形室(18)底面设有用于吸附金属箔(5)的真空吸附平台(12)；

该真空吸附平台(12)中部设成型缸(7)且内设可升降基板(8)，该基板(8)由底部的连接的升降装置(6)驱动；

该激光系统包括设置于密闭成形室(18)上方且相互连接的激光器(21)和激光控制系统(20)，密闭成形室(18)上壁设有与激光控制系统(20)对应设置的玻璃天窗(19)。

2.根据权利要求1所述的一种金属箔叠层增材制造装置，其特征在于：还包括设于密闭成形室(18)的刮板系统，该刮板系统与密闭成形室(18)内金属箔水平设置的导轨(15)，该导轨(15)上设有由伺服电机(14)驱动且与金属箔接触的刮刀(13)和滚压轮(22)。

3.根据权利要求2所述的一种金属箔叠层增材制造装置，其特征在于：滚压轮(22)内设电加热装置，滚轮表面温度控制在50℃～145℃范围内。

4.根据权利要求1所述的一种金属箔叠层增材制造装置，其特征在于：金属箔放卷设备包括设于密闭成形室(18)底部一端且配合连接放卷电机(1)的放卷筒(2)，设于密闭成形室(18)底部另一端且配合连接收卷电机(11)的收卷筒(10)，放卷筒(2)上的金属箔穿过密闭成形室(18)内底面与收卷筒(10)连接。

5.根据权利要求4所述的一种金属箔叠层增材制造装置，其特征在于：放卷筒(2)与密闭成形室(18)之间设有用于张紧金属箔的张紧轮(4)及用于金属箔导向的导向轮(3)。

6.根据权利要求4所述的一种金属箔叠层增材制造装置，其特征在于：收卷筒(10)与密闭成形室(18)之间的金属箔下方设有位置传感器(9)。

7.一种金属箔叠层增材制造方法，其特征在于以下步骤：

1)密闭成形室(18)抽真空后通过惰性气体保护系统(16)充入惰性气体；

2)金属箔放卷设备将金属箔(5)展开平铺在成形工作台上，真空吸附平台(12)抽真空，将金属箔(5)吸附在基板(8)上；

3)刮板系统沿导轨(15)移动对工作台上的金属箔(5)进行清洁和平整；

4)激光器(21)按照计算机分层提取的横截面轮廓线控制激光束熔化每层金属箔对应的形状，然后沿轮廓进行切割；

5)真空吸附平台(12)充气，基板(8)下降一个层厚，金属箔放卷设备将金属箔(5)向前移动一个基板(8)的长度，重复(2)(3)(4)步骤进行成形，直至零件打印完成。