CN109570506B - 适用于大型3d打印的激光熔化设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于大型3D打印的激光熔化设备，至少两个激光炉系统固定设于机架上，激光炉系统上侧设有与成形空间正对的透光部，激光炉系统下侧设有与成形空间连通的通道，至少两个成形缸系统能运动的安装于机架上，成形缸系统上端分别能与激光炉系统的通道密封连通，成形缸的活塞形成能与激光炉内侧底面对齐的升降平台，激光炉内还设有供粉装置，运动的安装于机架上的激光‑振镜系统发射的激光恰能够经激光炉系统上侧的透明部对应射入各激光炉‑成形缸系统的成形空间内，本发明最充分发挥激光束扫描的功能，大大提高了激光成形效率，降低了激光熔化成形设备使用成本。

Description

适用于大型3D打印的激光熔化设备
技术领域
本发明涉及一种金属3D打印机成形箱，特别涉及一种适用于大型3D打印的激光熔化设备。
背景技术
SLM(选择性激光熔化)工艺存在一个重大的缺点，即每次成形(激光处于工作的状态)结束后，需进行大量的清理准备工作，此时激光-振镜系统处于不工作的状态的闲置状态。当前SLM设备正在从实验室进入工业应用领域，需大大提高成形效率，更加加剧了提高SLM设备效率的呼声。
目前，在激光-成形系统中采用多激光器配以多振镜——多激光-振镜系统，进一步提高成形速度，更成为SLM发展的潮流之一。但多激光束-振镜系统(如2～6个激光束)是昂贵的部件，约占总成本的40％。
发明内容
为了弥补以上不足，本发明提供了一种适用于大型3D打印的激光熔化设备，该适用于大型3D打印的激光熔化设备的成形效率高，使用成本低。
本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种适用于大型3D打印的激光熔化设备，包括机架、激光-振镜系统、激光炉系统、成形缸系统和控制系统，至少两个激光炉系统固定设于机架上，激光炉系统内形成密封的成形空间，激光炉系统上侧设有与成形空间正对的透光部，激光炉系统下侧面上设有与成形空间连通的通道，至少两个成形缸系统能够运动的安装于机架上，各个成形缸系统上端分别能够与各个激光炉系统下侧的通道密封连通，成形缸的活塞形成能与激光炉内侧底面对齐的升降平台，激光炉内还设有供粉装置，供粉装置能够给成形平台铺粉，激光-振镜系统能够运动的安装于机架上，激光-振镜系统能够分别与各个激光炉系统正对，激光-振镜系统能够发射用于熔化粉末的激光，激光-振镜系统发射的激光恰能够经激光炉系统上侧的透明部射入激光炉-成形缸系统的成形空间内并在升降平台上聚焦，控制系统控制激光-振镜系统、激光炉系统和成形缸系统内各部件工作，控制系统还控制激光-振镜系统和成形缸系统运动。
作为发明的进一步改进，机架上设有第一固定平台和升降驱动装置，所述第一固定平台能够升降的定位于机架上，升降驱动装置驱动第一固定平台升降运动，成型缸系统安装于第一固定平台上，所述成形缸系统上侧面上设有密封圈，所述密封圈能够紧密贴合于激光炉系统下侧面上。
作为发明的进一步改进，所述第一固定平台上固设有导轨和第一驱动装置，成形缸系统能够沿导轨滑动的安装于第一固定平台上，第一驱动装置驱动成形缸系统沿导轨滑动。
作为发明的进一步改进，所述第一驱动装置包括丝杆螺母机构和电机，所述电机动力输出给丝杆螺母机构的丝杆，丝杆螺母机构的螺母与第一固定平台固定，丝杆端部与成形缸系统轴向止动圆周方向能够转动的连接。
作为发明的进一步改进，还设有第一限位销和第二限位销，所述第一限位销和第二限位销沿成形缸系统运动方向固定定位于第一固定平台两端上，第一限位销和第二限位销分别能够止挡成形缸系统沿其运动方向的两侧壁表面。
作为发明的进一步改进，机架上还设有第二固定平台，第二固定平台上能够转动的安装有摇臂转轴，摇臂转轴上端设有摇臂本体，第二固定平台上还设有旋转驱动装置，旋转驱动装置驱动摇臂转轴旋转，激光-振镜系统固定安装于摇臂本体伸出摇臂转轴外侧的一端上，若干激光炉系统沿以摇臂转轴为中心的圆弧轨迹间隔排列于第二固定平台上。
作为发明的进一步改进，还设有升降机构，升降机构纵向能够升降的安装于摇臂转轴上，摇臂本体与升降机构的运动端固定连接。
作为发明的进一步改进，还设有激光定位平台，所述激光定位平台固定安装于摇臂本体另一端上，激光-振镜系统固定安装于激光定位平台上，激光定位平台上形成有供激光穿设的透明窗口，激光定位平台下侧能够设有定位销，激光炉-成形缸系统上侧表面上还设有定位孔，所述定位销恰能够插设于定位孔内。
作为发明的进一步改进，所述激光炉系统包括底板、侧壁和顶板，所述底板和顶板分别密封固定设于侧壁上、下两端形成密封的成形空间，顶板上设有镂空部，该镂空部密封嵌设有玻璃窗。
作为发明的进一步改进，所述成形缸系统的升降平台为加热板体，所述加热板体圆周方向止动且轴向能够滑动的插设于成型缸内，还设有丝杆和电机，所述丝杆与成型缸活动螺接，丝杆上端与加热板体圆周方向能够转动且轴向止动连接，电机驱动丝杆旋转。
本发明的有益技术效果是：本发明通过将激光-振镜系统、激光炉系统和成形缸系统形成三套单独的密封机构，加工时，激光炉系统和成形缸系统合并形成激光炉-成形缸系统，切换过程中激光-振镜系统与激光炉系统是两个独立的构件的重叠或分开，与密封系统无关，因而切换的可靠性和安全性高，产品成形后，将激光炉系统和成形缸系统分开，从成形缸中取出成形件，激光-振镜系统在多个激光炉系统之间进行切换工作，使得激光束几乎不停歇地连续工作，最充分发挥激光束扫描的功能，大大提高了激光成形效率，降低了激光熔化成形设备使用成本。
附图说明
图1为激光熔化成形原理图；
图2为激光熔化成形状态图；
图3本发明激光-振镜系统结构原理示意图；
图4为本发明激光炉系统主视图；
图5为本发明的成形缸结构立体图；
图6为本发明的结构原理示意图；
图7为本发明的结构原理立体图；
图8为本发明激光-振镜系统位置切换结构原理主视图；
图9为图8中A-A向剖视图。
具体实施方式
实施例：一种适用于大型3D打印的激光熔化设备，包括机架1、激光-振镜系统2、激光炉系统3、成形缸系统4和控制系统，至少两个激光炉系统3固定设于机架1上，激光炉系统3内形成密封的成形空间31，激光炉系统3上侧设有与成形空间31正对的透光部，激光炉系统3下侧面上设有与成形空间31连通的通道，至少两个成形缸系统4能够运动的安装于机架1上，各个成形缸系统4上端分别能够与各个激光炉系统3下侧的通道密封连通，成形缸的活塞形成能与激光炉内侧底面对齐的升降平台41，激光炉内还设有供粉装置，供粉装置能够给成形平台铺粉，激光-振镜系统2能够运动的安装于机架1上，激光-振镜系统2能够分别与各个激光炉系统3正对，激光-振镜系统2能够发射用于熔化粉末的激光，激光-振镜系统2发射的激光恰能够经激光炉系统3上侧的透明部射入激光炉-成形缸系统4的成形空间31内并在升降平台41上聚焦，控制系统控制激光-振镜系统2、激光炉系统3和成形缸系统4内各部件工作，控制系统还控制激光-振镜系统2和成形缸系统4运动。
进行加工时，惰性气体从激光炉系统3左侧的进口32进入成形空间31，然后从右侧的出口33排出，将炉内的氧气带走，使氧含量低到要求的水平，激光束通过振镜聚焦在压实的金属粉末(粉床)表面，有选择地熔化一层金属，升降平台41下降数十微米，铺粉装置铺一层粉，其厚度与升降平台41下降的深度相同，激光束有选地再熔化一层金属，如此反复就在成形空间31中形成一个三维结构的产品5，激光熔化成形过程中，激光炉-成形缸系统4内的供粉装置包括送粉装置34和铺粉装置35，其中送粉装置用于将金属粉送到激光炉内，铺粉装置将粉末刮平，并保证新粉末层的厚度达到要求，当一个激光炉系统3内的产品加工完成，激光-振镜系统2就从该激光炉系统3上移开到达下一个准备好的激光炉系统3上进行新产品的激光熔化成形加工，同时成形缸系统4移走离开激光炉系统3，成形缸系统4内加工好的产品则从成型缸系统的升降平台41上取出，取走产品的激光炉进行清理和升降平台41加热即进入等待状态，待激光-振镜系统2过来进行新一轮的成形加工，激光束几乎不停歇地连续工作，最充分发挥激光束扫描的功能，且切换过程中是两个独立的构件的重叠或分开，与密封系统无关，因而切换的可靠性和安全性高。
机架1上设有第一固定平台11和升降驱动装置12，所述第一固定平台11能够升降的定位于机架1上，升降驱动装置12驱动第一固定平台11升降运动，成型缸系统安装于第一固定平台11上，所述成形缸系统4上侧面上设有密封圈42，所述密封圈42能够紧密贴合于激光炉系统3下侧面上。
当工件加工完成后，通过第一平台下降，使得成形缸系统4与激光炉系统3脱离，此时可以将工件从升降平台41上取走，方便大型工件的搬运，以及成形缸系统4和激光炉系统3的清理所述升降驱动装置12为气缸，气缸的缸体与机架1固定定位，气缸的活塞杆与下固定平台固连，除了采用气缸外也可以采用电机44和丝杆43螺母机构14或者偏心轮机构等等。
所述第一固定平台11上固设有导轨13和第一驱动装置，成形缸系统4能够沿导轨13滑动的安装于第一固定平台11上，第一驱动装置驱动成形缸系统4沿导轨13滑动。通过成形缸系统4沿导轨13滑动实现在水平方向与激光炉系统3的相对运动，远离激光炉系统3或与激光炉系统3正对，更便于工件的搬运，避免与激光炉系统3发生碰撞和干涉。
所述第一驱动装置包括丝杆43螺母机构14和电机44，所述电机44动力输出给丝杆43螺母机构14的丝杆43，丝杆43螺母机构14的螺母与第一固定平台11固定，丝杆43端部与成形缸系统4轴向止动圆周方向能够转动的连接。通过电机44带动丝杆43螺母机构14驱动成形缸系统4运动，此外还可以是气缸来实现，此为本领域技术人员根据本专利很容易想到的等同替换结构。
还设有第一限位销15和第二限位销16，所述第一限位销15和第二限位销16沿成形缸系统4运动方向固定定位于第一固定平台11两端上，第一限位销15和第二限位销16分别能够止挡成形缸系统4沿其运动方向的两侧壁37表面。用于对成形缸系统4在第一固定平台11上运动为止限定，保证其与激光炉系统3位置正对，保证二者连接精度，同时避免其脱出第一固定平台11。
机架1上还设有第二固定平台17，第二固定平台17上能够转动的安装有摇臂转轴18，摇臂转轴18上端设有摇臂本体19，第二固定平台17上还设有旋转驱动装置，旋转驱动装置驱动摇臂转轴18旋转，激光-振镜系统2固定安装于摇臂本体19伸出摇臂转轴18外侧的一端上，若干激光炉系统3沿以摇臂转轴18为中心的圆弧轨迹间隔排列于第二固定平台17上。通过摇臂旋转，使得激光-振镜系统2与不同的激光炉系统3正对，实现激光-振镜系统2在各个激光炉系统3之间切换，此外，激光-振镜系统2也可以是直线往复运动，激光炉系统3沿直线排列。
还设有升降机构20，升降机构20纵向能够升降的安装于摇臂转轴18上，摇臂本体19与升降机构20的运动端固定连接。通过升降机构20使得激光-振镜系统2在不同的激光炉系统3之间切换时先升高与之脱离再旋转，避免发生干涉和磨损，同时能够保证激光-振镜系统2与激光炉系统3结合时保持紧密贴合状态，保证激光聚焦位置精确。
还设有激光定位平台21，所述激光定位平台21固定安装于摇臂本体19另一端上，激光-振镜系统2固定安装于激光定位平台21上，激光定位平台21上形成有供激光穿设的透明窗口22，激光定位平台21下侧能够设有定位销23，激光炉-成形缸系统4上侧表面上还设有定位孔，所述定位销23恰能够插设于定位孔内。通过激光定位平台21安装激光-振镜系统2，同时通过激光定位平台21上的定位销23实现激光-振镜系统2与激光炉-成形缸系统4的定位，确保二者位置正对，保证二者位置精度，进而保证产品加工精度。除了采用该结构实现二者定位外，还可以通过其它定位结构，如四面夹紧定位，止挡限位等等。
所述激光炉系统3包括底板36、侧壁37和顶板38，所述底板36和顶板38分别密封固定设于侧壁37上、下两端形成密封的成形空间31，顶板38上设有镂空部，该镂空部密封嵌设有玻璃窗39。
所述成形缸系统4的升降平台41为加热板体，所述加热板体圆周方向止动且轴向能够滑动的插设于成型缸内，还设有丝杆43和电机44，所述丝杆43与成型缸活动螺接，丝杆43上端与加热板体圆周方向能够转动且轴向止动连接，电机44驱动丝杆43旋转。
如图6所示，第一成工位A、第二工位B、第三工位C和第四工位D，两个成形缸系统4，两个激光炉系统3和一套激光-振镜系统2。第二工位正处于“成形状态”；第三工位的成形缸正处于激光炉与成形缸的分离过程，分离后，第三工位的成形缸系统4移至第四工位，取出成形件。第二工位处的成形过程完毕后，其成形缸与激光炉分离，成形缸移至第一工位，取出成形件，并进行清理。当在第四工位，成形件从成形缸中取出后，成形缸回到第三工位与激光炉连接，进入“待机状态”；当第三工位的“待机状态”完毕后，激光-振镜系统2才进行切换，移至第三工位——“先待机，后切换”，进入“成形状态”。
当在第二工位的激光炉与从第一工位回来的成形缸连接，完成准备工作，进入“待机状态”，且“待机状态”完成后，激光-振镜系统2又从第三工位切换到第二工位——“先待机，后切换”，SLM设备进入“成形状态”。
激光-振镜系统2就如此在第二工位和第三工位间切换。只要成形工作量与各切换时间配合恰当，一套激光-振镜系统2可匹配2～3套激光炉-成形缸系统4，大大提高了成形效率和设备利用率。
如图7所示：一号成形缸系统4与一号激光炉系统3连接，进行在激光熔化，完成熔化成形后，由气缸驱动成形缸系统4所在的第一固定平台11向下移动一定距离，以使一号成形缸系统4的密封圈42脱出激光炉系统3。由水平平移气缸通过移动成形缸系统4，驱动一号成形缸缸系统沿导轨13水平移动，离开激光炉系统3，进入清理位置，进行清理。此时激光振镜系统移动到二号激光炉系统3处，继续进行熔化打印，完打印成后，进行与上述各过程相同的过程。

Claims (7)

1.一种适用于大型3D打印的激光熔化设备，其特征在于：包括机架（1）、激光-振镜系统（2）、激光炉系统（3）、成形缸系统（4）和控制系统，至少两个激光炉系统固定设于机架上，激光炉系统内形成密封的成形空间（31），激光炉系统上侧设有与成形空间正对的透光部，激光炉系统下侧面上设有与成形空间连通的通道，至少两个成形缸系统能够运动的安装于机架上，各个成形缸系统上端分别能够与各个激光炉系统下侧的通道密封连通，成形缸的活塞形成能与激光炉内侧底面对齐的升降平台（41），激光炉内还设有供粉装置，供粉装置能够给成形平台铺粉，激光-振镜系统能够运动的安装于机架上，激光-振镜系统能够分别与各个激光炉系统正对，激光-振镜系统能够发射用于熔化粉末的激光，激光-振镜系统发射的激光恰能够经激光炉系统上侧的透明部射入激光炉-成形缸系统的成形空间内并在升降平台上聚焦，控制系统控制激光-振镜系统、激光炉系统和成形缸系统内各部件工作，控制系统还控制激光-振镜系统和成形缸系统运动，机架上设有第一固定平台（11）和升降驱动装置（12），所述第一固定平台能够升降的定位于机架上，升降驱动装置驱动第一固定平台升降运动，成型缸系统安装于第一固定平台上，所述成形缸系统上侧面上设有密封圈（42），所述密封圈能够紧密贴合于激光炉系统下侧面上，所述第一固定平台上固设有导轨（13）和第一驱动装置，成形缸系统能够沿导轨滑动的安装于第一固定平台上，第一驱动装置驱动成形缸系统沿导轨滑动，机架上还设有第二固定平台（17），第二固定平台上能够转动的安装有摇臂转轴（18），摇臂转轴上端设有摇臂本体（19），第二固定平台上还设有旋转驱动装置，旋转驱动装置驱动摇臂转轴旋转，激光-振镜系统固定安装于摇臂本体伸出摇臂转轴外侧的一端上，若干激光炉系统沿以摇臂转轴为中心的圆弧轨迹间隔排列于第二固定平台上。
2.如权利要求1所述的适用于大型3D打印的激光熔化设备，其特征是：所述第一驱动装置包括丝杆螺母机构（14）和电机，所述电机动力输出给丝杆螺母机构的丝杆，丝杆螺母机构的螺母与第一固定平台固定，丝杆端部与成形缸系统轴向止动圆周方向能够转动的连接。
3.如权利要求1所述的适用于大型3D打印的激光熔化设备，其特征是：还设有第一限位销（15）和第二限位销（16），所述第一限位销和第二限位销沿成形缸系统运动方向固定定位于第一固定平台两端上，第一限位销和第二限位销分别能够止挡成形缸系统沿其运动方向的两侧壁表面。
4.如权利要求1所述的适用于大型3D打印的激光熔化设备，其特征是：还设有升降机构（20），升降机构纵向能够升降的安装于摇臂转轴上，摇臂本体与升降机构的运动端固定连接。
5.如权利要求4所述的适用于大型3D打印的激光熔化设备，其特征是：还设有激光定位平台（21），所述激光定位平台固定安装于摇臂本体另一端上，激光-振镜系统固定安装于激光定位平台上，激光定位平台上形成有供激光穿设的透明窗口（22），激光定位平台下侧能够设有定位销（23），激光炉-成形缸系统上侧表面上还设有定位孔，所述定位销恰能够插设于定位孔内。
6.如权利要求1所述的适用于大型3D打印的激光熔化设备，其特征是：所述激光炉系统包括底板（36）、侧壁（37）和顶板（38），所述底板和顶板分别密封固定设于侧壁上、下两端形成密封的成形空间，顶板上设有镂空部，该镂空部密封嵌设有玻璃窗（39）。
7.如权利要求1所述的适用于大型3D打印的激光熔化设备，其特征是：所述成形缸系统的升降平台为加热板体，所述加热板体圆周方向止动且轴向能够滑动的插设于成型缸内，还设有丝杆（43）和电机（44），所述丝杆与成型缸活动螺接，丝杆上端与加热板体圆周方向能够转动且轴向止动连接，电机驱动丝杆旋转。
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