CN109530698A - 基于高温纤维支撑的激光增材制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于高温纤维支撑的激光增材制造装置及方法，首先将高强度材料制成直径为0.1mm到0.2mm的单丝；然后将高强度单丝在设定温度下经喷头挤出均匀地涂覆在成型台上；最后使用铺粉装置将粉末在基板上铺上一层金属粉末，然后对但是和金属粉末进行烧结；接着按照上述步骤制备下一层，直至得到目标产品。本发明制备的激光增材制造方法满足了增材制造目前对铺粉质量越来越高的要求，可以有效防止成型件在打印过程中的热变形；本发明提高了零件的稳定性，减少了粉末消耗量，为粉末床铺粉方法提供了一种新的途径。

Description

基于高温纤维支撑的激光增材制造装置及方法

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体涉及基于高温纤维支撑的激光增材制造装置及方法。

背景技术

粉末床工艺是3D打印的一种主要工艺，其原理是将粉末材料在可以升降的缸内铺设薄薄一层，之后在特定区域选择性的运用激光烧结，使其固化，之后再铺设下一层粉末，再固化，如此循环层层累积成三维实体。

粉床融合技术工业化最主要的方向之一就是金属粉末成型，成型的高性能金属零部件和大尺寸金属结构件已经被应用于航空航天、医疗等领域。由于粉床融合技术对金属粉末的氧含量、球形度以及流动性有较高要求，因此最初适用于该技术的金属粉末种类较少，随着粉末制备技术的提升，目前适用于粉床融合技术的金属粉末有工具钢、不锈钢、商业纯钛、钛合金、铝合金、镍基合金、Co Cr合金、铜基合金，以及金银铂钯贵金属和高熔点金属钽，基本涵盖了各个行业金属材料的应用种类。

由于激光熔化过程须完全熔化选区内的金属粉末，并且金属硬度高、高温下易发生翘曲变形、在温度急速上升与冷却过程中，金属粉末熔化时易发生飞溅现象，会导致成型过程不稳定。因此，造成成形零件气孔、裂纹等缺陷，力学性能较差。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于高温纤维支撑的激光增材制造装置及方法，通过在金属粉末中铺入高强度纤维而构成的一种组合材料，以高强度纤维作为骨架来大幅增强成形件的力学性质。其目的在于突破条件的限制，改变传统金属零件的成型的工艺过程，将金属粉末作为成型材料，将高温纤维作为支撑材料，在成型过程中可以起到支撑作用，很好的承受动力载荷，减少热变形，从而可以成型出韧性高、强度高、硬度和刚度较好的金属零件。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于高温纤维支撑的激光增材制造装置，包括光纤激光器、激光振镜、喷头、成型缸、粉料缸、三维工作台及计算机控制系统，三维工作台包括壳体，壳体上端面开设有激光扫描口，激光扫描口正下方开设有成型口，成型口与成型缸顶端设置的基板间隙配合，壳体的底板上开设有送粉口，壳体中滑动连接有铺粉辊，成型缸顶端固定有基板，初始状态下，基板位于成型口中；粉料缸设置在壳体下方，粉料缸中滑动连接有移动板，移动板和粉料缸的内壁间隙配合，移动板上方用于放置金属粉末，当移动板向上运动时，能将其上的金属粉末送至壳体中；壳体上方设置有光纤激光器和激光振镜，激光振镜用于改变光纤激光器发射的激光的方向，将激光垂直入射到基板上；计算机控制系统用于根据目标产品的设计模型得到一系列截面的内外轮廓曲线，并得到轮廓曲线上各个点的坐标信息，然后根据轮廓曲线上各个点的坐标信息控制激光振镜进行选择性地扫描烧结。

进一步的，光纤激光器和激光振镜之间设置有扩束镜，扩束镜用于扩大光纤激光器发射的激光的光斑。

进一步的，壳体与气体循环系统连接。

进一步的，壳体与保护气体容器连接。

一种基于上述激光增材制造装置的激光增材制造方法，包括以下步骤：

步骤1、向壳体中充入保护气体；

步骤2、通过喷头将多根高温纤维丝线依次铺放于基板上；

步骤3、在基板上上铺一层金属粉末，金属粉末层厚度大于或等于高温纤维丝线直径；

步骤4、开启光纤激光器，利用计算机控制系统控制激光振镜，使激光有选择地扫描烧结，烧结的轮廓为目标产品在该厚度的轮廓；

步骤5，将基板下移，使步骤4得到的产物上端面和壳体的底板齐平，上移移动板，将金属粉末推入壳体中；

步骤6，重复步骤2至步骤5，直至得到的产品达到设计的厚度。

进一步的，步骤2中，喷头由GUC-T系列运动控制器控制定位，GUC-T系列运动控制器接口分别与驱动喷头在水平面内移动的两个电机连接。

进一步的，步骤1中，金属粉末材料的反射率小于60％。

进一步的，步骤1中，高温纤维丝线的直径小于金属粉末的平均粒径。

进一步的，步骤1中，金属粉末在被铺到基板上之前，对金属粉末进行加热，加热温度不超过粉末的玻璃转化温度Tg。

进一步的，步骤2中，高温纤维丝线的熔点大于金属粉末材料的熔点，金属粉末和高温纤维丝线的线膨胀系数相差小于0.5×10^-5/K。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

基于高温纤维支撑的激光增材制造装置，包括铺设纤维丝线的喷头和，铺粉装置及烧结装置，可制备含有高温纤维的增材，金属打印过程动辄上千度的高温及极大的温差很容易导致零件翘曲成型，高温纤维塑性较金属粉末好，可有较大变形，可以作为支撑，很好的承受动力载荷，较好的防止热变形；同时由于在成型过程中产生较高的热量，粉末的导热率较差，高温纤维在防止过热、快速导热方面可发挥重要作用；铺粉辊在铺粉过程中容易产生机械扰动，高温纤维可保证零件的稳定性。

进一步的，光纤激光器和激光振镜之间设置有扩束镜，扩束镜用于扩大将光纤激光器发射的激光的光斑，提高烧结效率。

基于高温纤维支撑的激光增材制造方法，在增材制造过程中加入高温纤维丝线，作为金属的支撑，很好的承受动力载荷，较好的防止热变形。

进一步的，步骤1中，高温纤维丝线的直径小于金属粉末的平均粒径，保证了铺粉过程的完整性，铺粉辊在铺粉过程中能够平整顺畅。

进一步的，步骤1中，金属粉末在被铺到基板之前，对金属粉末进行加热，加热温度不超过金属粉末的玻璃转化温度Tg，否则粉末颗粒之间会因相互粘接而结块，导致流动性下降。

进一步的，步骤2中，高温纤维丝线的熔点大于金属粉末材料的熔点，金属粉末和高温纤维丝线的线膨胀系数相差小于0.5×10^-5/K，避免产生过大的应力，提高产品的稳定性。

附图说明

图1为基于高温纤维支撑的铺粉装置结构示意图；

附图中：1、基板，2、高温纤维丝线，3、光束，4、扩束镜，5、激光振镜，6、保护气体容器，7、成型缸，8、粉料缸，9、铺粉辊，10、气体循环系统,11、光纤激光器，12、喷头，13、计算机控制系统，14、壳体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种基于高温纤维支撑的激光增材制造装置包括光纤激光器11、喷头12、成型缸7、粉料缸8、三维工作台及计算机控制系统13。

三维工作台包括气体保护气体容器6、气体循环系统10和壳体14，壳体两端连接有保护气体容器6和气体循环系统10，壳体上端面开设有激光扫描口，激光扫描口正下方开设有成型口，成型口与基板1间隙配合，成型口与基板1的形状相同，成型口一侧还设置有送粉口，送粉口的大小和粉料缸8大小相同，壳体中设置有可左右移动的铺粉辊9，铺粉辊9下端面和壳体底板向接触，铺粉辊9由第三直线电机带动起成型缸7上端通过紧固件固定有基板1，成型缸7由第一直线电机驱动其上下运动，初始状态下，基板1位于成型口中，且基板1的上表面与壳体底板的上表面齐平；粉料缸8设置在壳体下方，粉料缸8中滑动连接有移动板81，移动板81和粉料缸8的内壁间隙配合，移动板81上方放置有金属粉末，移动板81由气缸或第二直线电机驱动其上下运动，移动板81向上运动时，可将其上的金属粉末送至壳体中。

扩束镜4设置在光纤激光器的激光射出一侧，作用是对在光纤激光器发射的激光改变激光光束3直径和发散角，激光振镜5与扩束镜4设置在同一水平位置。光纤激光器出射光首先通过扩束镜4将光斑由405nm扩束到半径1mm大小，再经过激光振镜5里面的45°反射镜反射，使光束垂直入射到材料表面进行激光扫描。通过激光振镜5对光束3扫描路径进行实时调整，一个激光振镜5通常由两个反射镜、伺服驱动单元和控制系统等组成。在激光振镜5中激光在工作平面上的扫描移动完全靠X轴和Y轴这两个转动轴上的镜片来完成。通过转动X轴上的镜片和Y轴上的镜片来达到改变激光光斑的位置。

气体循环系统10采用的是米开罗那公司所制造的MK200型号气体循环装置，对工作台内氧气含量进行调整，保证氧气含量低于0.1％，除去工作台内漂浮的的粉尘，这些漂浮的粉尘大多是沸腾的金属熔池产生的电解金属蒸汽在瞬间形成的絮状冷凝物，这些粉尘的大小一般只有1μm左右。

工作过程中每加工一层后,成型缸7下降相应的层厚，供粉缸8中的移动板81相应上升一定距离，喷头12将高温纤维2均匀涂覆在成型缸的基板1上，水平方向运动的铺粉辊将粉均匀的铺送到成型缸中，然后进行下一层的烧结。

下面结合图1对本发明做进一步说明，一种基于高温纤维支撑的激光增材制造方法，包括以下步骤：

步骤1、打开气体保护气体容器6，向壳体14中充入氩气作为保护气体，防止金属粉末氧化；

步骤2、将多根高温纤维丝线2依次经过喷头12铺放于基板上，沿预设路径均匀地铺送，高温纤维丝线2直径在0.1mm～0.2mm，高温纤维丝线2直径小于金属粉末的平均粒径；

步骤3、利用铺粉辊9带动移动板81上金属粉末运动，在基板1上铺上一层金属粉末，金属粉末厚度0.1mm-0.5mm，金属粉末层厚度大于或等于高温纤维丝线2的直径；

步骤4、激光束在计算机控制下根据目标产品的设计模型利用magics软件得到的分层截面信息进行有选择地扫描烧结，一层扫描烧结完成后再进行下一层高温纤维丝线2的铺放，再铺放金属粉末，并进一步扫描烧结，不断重复上述工作，直至得到的产品达到设计的厚度。三维零件各层全部扫描烧结完后去掉多余的粉末，获得成型的零件。

开始加工工件前，铺粉辊9首先需要预置在右侧零位，成型缸7上的基板调平至水平；供粉缸满置粉末。开始加工工件后，首先喷头12将高温纤维2沿预设路径均匀铺放在基板上，喷头12由GUC-T系列运动控制器控制定位以达到精确运动的目的，其中两个GUC-T系列运动控制器接口分别与驱动喷头12运动的第一喷头驱动电机和第二喷头驱动电机相连接，第一和第二喷头驱动电机分别驱动喷头12在水平面内沿两个相互垂直的方向运动，GUC-T系列的运动控制器可将计算机控制系统13发出的控制命令转化为步进电机行走的脉冲命令，进而控制喷头12的运动方向和运动距离；粉料缸8中的移动板81缸体上升预设高度，预设高度大于一层金属粉末的的厚度；铺粉辊9向左侧运行，将粉末均匀的铺在成型缸7上端的基板上；通过计算机输入激光功率、激光扫描速度、填充方式等参数，对该层进行激光选区熔化，然后，基板下降一层粉末厚度；粉料缸缸中的移动板上升，铺粉辊9将粉末铺在基板和已固化的金属层上；进行下一层的激光选区熔化；依次重复该过程至加工完成。

其中，步骤1中，金属粉末材料可以是不锈钢，也可以是不限于不锈钢的多种金属粉末材料，如铝粉、钛合金、高温合金、高熵合金等多种。要求金属材料的反射率小于60％，要求金属材料不是铜和金等高反射材料，因为激光源大多采用波长为1um的红外激光，激光照射在铜和金表面会发生偏转，所以激光无法进入材料内部使之受热熔化。

进一步，步骤1中，将金属粉末通过筛选使其粒径较小，使最大的粉末颗粒直径不大于层厚。为了保证铺粉过程的完整性，铺粉辊在铺粉过程中能够平整顺畅。

进一步，步骤1中，金属粉末在被铺到基板之前，要对金属粉末进行加热，加热温度一般不超过粉末的玻璃转化温度Tg，否则粉末颗粒之间会因相互粘接而结块，导致流动性下降。

进一步，步骤2中，高温纤维丝线与金属粉末材料不同，其熔点大于金属粉末熔点，也可以是金属纤维、陶瓷纤维、碳纤维等多种。所选取的材料需具备以下性能：一具备较强的如拉伸强度和冲击强度，保证丝材在打印过程中不会发生断丝现象。二摩擦系数小于0.5，否则材料流动差，无法从喷头送出。三是丝材的热稳定性要好，保证在长时间的加热状态下不会发生分解变色，也不会堵塞喷头。四是金属粉末和高温纤维有着近似或相同的线膨胀系数，不会产生过大的应力，金属粉末和高温纤维的线膨胀系数相差小于0.5×10^-5/K。

进一步，步骤2中，高温纤维丝线2正交排布，形成网格状，利用喷头12排布完一层高温纤维丝线2后，将喷头12移开，防止其挡住烧结激光。

进一步，步骤3中，在这一工作过程中，整个三维工作台密封其作用一是保持工作腔具有恒定的温度；二是保证粉末只在工作腔内活动，余料回收方便；三是避免烧结过程中发生氧化反应。

将高强度纤维在设定温度下经喷头挤出均匀地涂覆在基板上，喷头在水平方向上作平面运动，而基板则在垂直方向上运动。在纤维铺层时每层分别采用0°、±45°、90°铺送方法，有利于受力分布均匀，若进行叶片制造，顺着叶片生长方向来铺设纤维，最外面的一层是直接受力的位置，在主载荷方向应该斜铺纤维，不能平铺或者垂直铺放；因为成型需要在高温条件下，在高温加热的时候材料会出现热膨胀，如果纤维的铺层不对称，加热过程中会有翘曲的情况出现，所以纤维的铺层要上下对称分布，且左右对称分布。

铺粉装置开始将粉末在基板上铺上薄薄的一层粉，这个厚度一般都很薄，最多不超过0.5mm，一般为0.1mm～0.2mm。激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地烧结，一层完成后，工作台下降一层金属粉末厚度，重复上述步骤，从而层层叠加而成三维实体。最终获得结构致密，成型精度和表面质量良好，高温力学性能优异的零件。

本发明公开了一种基于高温纤维支撑的铺粉方法，首先将高强度材料制成直径为0.1mm到0.2mm的单丝；度单丝在设定温度下经喷头挤出均匀地涂覆在基板上；最后使用铺粉装置将粉末在基板上铺上一层金属粉末；本发明制备的激光增材制造方法满足了增材制造目前对铺粉质量越来越高的要求，可以有效防止成型件在打印过程中的热变形；本发明提高了零件的稳定性，减少了粉末消耗量，为粉末床铺粉方法提供了一种新的途径。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (10)

1.基于高温纤维支撑的激光增材制造装置，其特征在于，包括光纤激光器(11)、激光振镜(5)、喷头(12)、成型缸(7)、粉料缸(8)、三维工作台及计算机控制系统(13)，

三维工作台包括壳体(14)，壳体(14)上端面开设有激光扫描口，激光扫描口正下方开设有成型口，成型口与成型缸(7)顶端设置的基板(1)间隙配合，壳体(14)的底板上开设有送粉口，壳体(14)中滑动连接有铺粉辊(9)，成型缸(7)顶端固定有基板(1)，初始状态下，基板(1)位于成型口中；粉料缸(8)设置在壳体下方，粉料缸(8)中滑动连接有移动板(81)，移动板(81)和粉料缸(8)的内壁间隙配合，移动板(81)上方用于放置金属粉末，当移动板(81)向上运动时，能将其上的金属粉末送至壳体(14)中；

壳体(14)上方设置有光纤激光器(11)和激光振镜(5)，激光振镜(5)用于改变光纤激光器(11)发射的激光的方向，将激光垂直入射到基板(1)上；

计算机控制系统(13)用于根据目标产品的设计模型得到一系列截面的内外轮廓曲线，并得到轮廓曲线上各个点的坐标信息，然后根据轮廓曲线上各个点的坐标信息控制激光振镜(5)进行选择性地扫描烧结。

2.根据权利要求1所述的基于高温纤维支撑的激光增材制造装置，其特征在于，光纤激光器(11)和激光振镜(5)之间设置有扩束镜(4)，扩束镜(4)用于扩大光纤激光器(11)发射的激光的光斑。

3.根据权利要求1所述的基于高温纤维支撑的激光增材制造装置，其特征在于，壳体(14)与气体循环系统(10)连接。

4.根据权利要求1所述的基于高温纤维支撑的激光增材制造装置，其特征在于，壳体(14)与保护气体容器(6)连接。

5.一种基于权利要求1所述的基于高温纤维支撑的激光增材制造装置的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、向壳体(14)中充入保护气体；

步骤2、通过喷头(12)将多根高温纤维丝线(2)依次铺放于基板(1)上；

步骤3、在基板上(1)上铺一层金属粉末，金属粉末层厚度大于或等于高温纤维丝线(2)直径；

步骤4、开启光纤激光器(11)，利用计算机控制系统(13)控制激光振镜(5)，使激光有选择地扫描烧结，烧结的轮廓为目标产品在该厚度的轮廓；

步骤5，将基板(1)下移，使步骤4得到的产物上端面和壳体(14)的底板齐平，上移移动板(81)，将金属粉末推入壳体(14)中；

步骤6，重复步骤2至步骤5，直至得到的产品达到设计的厚度。

6.根据权利要求5所述的基于高温纤维支撑的激光增材制造方法，其特征在于，步骤2中，喷头(12)由GUC-T系列运动控制器控制定位，GUC-T系列运动控制器接口分别与驱动喷头(12)在水平面内移动的两个电机连接。

7.根据权利要求5所述的基于高温纤维支撑的激光增材制造方法，其特征在于，步骤1中，金属粉末材料的反射率小于60％。

8.根据权利要求5所述的基于高温纤维支撑的激光增材制造方法，其特征在于，步骤1中，高温纤维丝线(2)的直径小于金属粉末的平均粒径。

9.根据权利要求5所述的基于高温纤维支撑的激光增材制造方法，其特征在于，步骤1中，金属粉末在被铺到基板(1)上之前，对金属粉末进行加热，加热温度不超过粉末的玻璃转化温度Tg。

10.根据权利要求5所述的基于高温纤维支撑的激光增材制造方法，其特征在于，步骤2中，高温纤维丝线(2)的熔点大于金属粉末材料的熔点，金属粉末和高温纤维丝线(2)的线膨胀系数相差小于0.5×10^-5/K。