CN110238396A - 一种金属材料彩色成型装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种金属材料激光加工装置及方法，针对金属材料激光近净成型，设定激光发射端发射出的激光束的功率数值以及送粉腔通过同轴送粉方式输送至成型位置的金属粉末的送粉率、送粉气流量，确定激光近净成型加工路径上的加工速度，以设定的参数与路径进行激光近净成型加工，获得冶金结合的成型单元，通过主控制器将已成型金属的三维模型的表面各点的坐标信息转化为三维扫描加工头的辐照路径，开启三维扫描加工头，对已成型金属的表面进行预处理，以获得相对光滑的金属表面；以设定的颜色对已成型金属表面进行着色。通过该装置及方法，实现金属材料的彩色3D成型，无需添加任何颜料；在线与实时着色，提高彩色成型效率。

Description

一种金属材料彩色成型装置及方法
技术领域
本发明涉及一种金属材料激光加工装置及方法，特别涉及一种可以实现金属材料彩色成型的装置及方法，属于金属材料彩色3D打印成型技术领域。
背景技术
3D打印作为快速成型制造技术的一种，在近些年得到广泛研究与飞速发展。此技术以数字模型文件为基础，将所需成型的复杂3D形体通过计算机处理成简单的2D截面组合，运用金属或塑料等可粘合材料，使其沿着确定方向逐层沉积成一系列2D截面层，再采用一些方式使截面层互相粘结并堆积为所需的3D工件。3D打印相较于传统的制造技术具有制造复杂物品不增加成本、无须组装、灵活便携、可以多材料组合、减少废弃原材料以及精确地实体复制等优势。
激光近净成型技术是近年发展起来的一种新的3D打印技术，是一种基于局部送粉的快速成型技术。该方法是激光熔覆(LC)与熔丝沉积制造(FDM)两种技术的有效结合，充分利用了同轴送粉和在线成型两种方法的优势，通过熔化已输送到基材表面的金属粉末，来逐层堆积以制造致密度和强度均较高金属的零部件。所制部件具有力学高强度、高致密、无粘连、加工精度高的特点，同时，加工过程用料省、节能高。
对于塑料等有机高分子材料的激光近净成型，利用不同颜色的塑料粉末，通过计算机建模、辅助设计与控制，可实现成型件中不同区域指定颜色粉末的送料与熔化成型，可以获得彩色的成型工件。然而对于金属材料，目前无成熟方法可获得彩色金属成型件。但是，金属彩色成型件的使用性能与研究价值远超过彩色塑料成型件。
现有3D打印技术可有效实现金属材料的成型，但成型件都为金属烧结后的本色，无法实现彩色3D打印。存在问题包括：1.效率低、周期长：不能随打印过程实时上色或在位上色，需要将成型件放置特殊的环境或装置内进行二次处理；2.强度低、无法着彩色图案：传统的着色技术，如化学染料上色，可实现彩色图案的上色，但是强度低，使用寿命短。阳极氧化上色，强度相对化学染料上色强度高，但是无法实现选区图案上色。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种金属材料激光加工装置及方法，针对金属材料激光近净成型技术，实现金属材料的彩色3D成型，无需添加任何颜料，通过对已成型层表面的在线与实时辐照，获得金属材料的彩色成型件。本发明中，基于激光近净成型技术，实现金属材料的彩色3D成型。
本发明解决的技术方案为：一种金属材料彩色成型装置，包括：三个三维扫描加工头(1，2，8)、激光发射端(3)、激光束(4)、送粉腔(5)、光束整形器件(6)、成型台(9)、主控制器(10)和收粉盒(11)；
激光发射端(3)，用于发射未经整形、聚焦的金属材料激光近净成型所用激光束(4)，送至光束整形器件(6)；
送粉腔(5)，以同轴送粉方式输送金属粉末至成型台(9)上的成型位置；
光束整形器件(6)位于激光发射端(3)发出激光束方向的光路上，用以对激光束进行整形、聚焦，获得金属材料激光近净成型用激光光束(即光束整形激光束)，打至成型台(9)上；
主控制器(10)，用于金属材料彩色3D成型的控制，通过将待加工的成型件(7)形成数字化三维模型，将该三维模型分解为逐层的二维截面，控制光束整形器件(6)出射的激光光束以近净成型的方式将送粉腔(5)喷出的粉末融化，融化物射到成型台(9)上，将融化物按照二维截面逐层堆积后凝固成型获得成型件(7)，三维扫描加工头用于发射激光束在三维曲面上的扫描，实现对每一层制造出的实体表面进行激光辐照着色；
收粉盒(11)位于成型台(9)下方，用于收纳激光近净成型过程中溅射的金属粉末。
优选的，三个三维扫描加工头发出的激光束指向成型件(7)或部分成型件，三个三维扫描加工头在水平面的投影位置位于以成型件为圆心的圆上，且三等分该圆。
优选的，三维扫描加工头位于成型件上方，三维扫描加工头的激光出射口与成型件的着色点的连线与成型台所在平面所成角度满足成型要求。
优选的，成型台可以不是正的，只要保证金属粉末可以准确送到激光成型加工位置即可。
优选的，三维扫描加工头与成型件的连线与成型台所在平面所成角度要满足要求为：三维扫描加工头的扫描激光光束对成型件表面辐照点的辐照角度小于80度。
优选的，每个三维扫描加工头与成型件的距离相同，且每个三维扫描加工头的激光出射口与成型件的着色点的距离数值在扫描用激光束焦距附近。
优选的，每个三维扫描加工头，包含扫描用激光源、三维振镜和场镜，激光源发射激光束至三维振镜，三维振镜通过主控制器给予的辐照路径进行激光束的扫描传输，激光束再经场镜进行聚焦并辐照金属材料成型件表面以着色。
优选的，送粉腔(5)，以同轴送粉方式输送金属粉末至成型位置，具体如下：
送粉腔(5)为中空圆柱，成型位置位于成型台(9)上，同轴送粉方式是指中空圆柱的中心轴与激光发射端(3)发出的激光束的光轴重合。
优选的，送粉腔除最下端以外的部分为截面半径相同的中空圆柱；最下端部分的截面为半径逐渐减小的圆环，送粉腔除最下端半径的收敛以获得金属粉末经送粉腔出射后聚交的效果。
一种金属材料彩色成型方法，实现金属材料彩色3D成型，步骤依次如下：
步骤1：通过主控制器将待成型件的三维模型转化为激光近净成型的加工路径与金属粉末熔化堆积模型，设定激光发射端发射出的激光束的功率数值以及送粉腔通过同轴送粉方式输送至成型位置的金属粉末的送粉率、送粉气流量，确定激光近净成型加工路径上的加工速度；
步骤2：送粉腔工作，送粉腔内的金属粉末以设定的送粉率、送粉气流量输出金属粉末流，以同轴送粉方式输送至成型台上指定位置，且金属粉末流的交点也落在该位置；
步骤3：开启激光发射端，激光束以设定功率输出，经光束整形器件后获得平顶圆光斑，并聚焦于同轴送粉粉末流的交点位置；
步骤4：以设定的路径与速度进行激光近净成型加工，金属粉末在激光束辐照下熔化，形成金属熔池，随后凝固在成型台上获得冶金结合的成型单元，在加工路径上金属粉末之间、金属粉末与已凝固金属形成熔化物堆积，形成已成型金属；
步骤5：通过主控制器将已成型金属的三维模型的表面各点的坐标信息转化为三维扫描加工头的辐照路径；
步骤6：开启三维扫描加工头，对已成型金属的表面进行预处理，以获得相对光滑的金属表面；
步骤7：在完成已成型金属表面预处理后，以设定的颜色对已成型金属表面进行着色；
步骤8：重复步骤4-7，设定的路径改为加工下一层二维截面，成型完成后进行第二层二维截面成型部分的表面的着色，以此类推，直至完成整个三维模型的金属成型与着色；
步骤9：金属成型工作结束后关闭激光发射端，停止金属粉末送粉，金属着色工作完成后关闭三维扫描加工头。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明可实现打印过程实时上色或者打印完成后打印件不下料直接在位着色，可提高加工效率、缩短上色周期。
(2)本发明通过激光辐照成型件表面生成氧化膜，利用光学干涉原理获得不同的颜色呈现。氧化膜与成型件表面为冶金结合，强度高。
(3)本发明利用三维扫描振镜着色路径的可编辑与可控制，实现不同图案的辐照扫描，着色过程中可以改变辐照参数以实现不同颜色或者渐变色的着色。
(4)本发明为保证颜色的高度再现，防止金属材料已成型部分表面有未完全熔化的粉末粘结，导致表面粗糙，对呈现颜色产生影响，需要增加对材料表面的预处理，即通过激光辐照将成型表面未完全熔化粉末去除，同时获得相对光滑的金属表面(Ra≤10μm)。所使用的加工参数为：扫描激光辐照成型金属表面的每个点的离焦量一致，且数值为0～2mm，扫描激光输出功率值为30-60W，重复频率为20～40kHz，扫描速度值为1000～1200mm/s。
(5)本发明能够.提高加工效率、缩短上色周期。可实现打印过程实时上色或者打印完成后打印件不下料直接在位着色。
(6)本发明能够提高着色强度。本发明着色方法，通过激光辐照成型件表面生成氧化膜，利用光学干涉原理获得不同的颜色呈现。氧化膜与成型件表面为冶金结合，强度高。
(7)本发明可实现彩色图案着色。由于三维扫描振镜着色路径的可编辑与可控制，可以实现不同图案的辐照扫描，过程中可以改变辐照参数以实现不同颜色或者渐变色的着色。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明一种金属材料激光加工装置及方法，针对金属材料激光近净成型，通过主控制器将待成型件的三维模型转化为激光近净成型的加工路径与金属粉末熔化堆积模型，设定激光发射端发射出的激光束的功率数值以及送粉腔通过同轴送粉方式输送至成型位置的金属粉末的送粉率、送粉气流量，确定激光近净成型加工路径上的加工速度，以设定的参数与路径进行激光近净成型加工，获得冶金结合的成型单元。通过主控制器将已成型金属的三维模型的表面各点的坐标信息转化为三维扫描加工头的辐照路径，开启三维扫描加工头，对已成型金属的表面进行预处理，以获得相对光滑的金属表面；以设定的颜色对已成型金属表面进行着色。通过该装置及方法，实现金属材料的彩色3D成型，无需添加任何颜料；在线与实时着色，提高彩色成型效率。
如图1所示是本发明工作结构示意图，左图为三维视图，右图为俯视图。其中，1-三维扫描加工头，2-三维扫描加工头，3-激光发射端，4-激光束，5-送粉腔，6-光束整形器件，7-成型件，8-三维扫描加工头，9-成型台，10-主控制器，11-收粉盒。
本发明优选用在不锈钢制品上，提高艺术性、外观辨识性。着色持久、耐磨、强度高，加工周期短、效率高。
一种金属材料彩色成型装置，包括：三个三维扫描加工头(1，2，8)、激光发射端(3)、激光束(4)、送粉腔(5)、光束整形器件(6)、成型台(9)、主控制器(10)和收粉盒(11)；
激光发射端(3)，用于发射未经整形、聚焦的金属材料激光近净成型所用激光束(4)，送至光束整形器件(6)；
送粉腔(5)，以同轴送粉方式输送金属粉末至成型台(9)上的成型位置；
光束整形器件(6)位于激光发射端(3)发出激光束方向的光路上，用以对激光束进行整形、聚焦，获得金属材料激光近净成型用激光光束(即光束整形激光束)，打至成型台(9)上；
主控制器(10)，用于金属材料彩色3D成型的控制，通过将待加工的成型件(7)形成数字化三维模型，将该三维模型分解为逐层的二维截面，(可由主控制器)控制光束整形器件(6)出射的激光光束以近净成型的方式将送粉腔(5)喷出的粉末融化，融化物射到成型台(9)上，将融化物按照二维截面逐层堆积后凝固成型获得成型件(7)，三维扫描加工头用于发射激光束在三维曲面上的扫描，实现对每一层制造出的实体表面(即二维截面)进行激光辐照着色。
收粉盒位于成型台(9)下方，用于收纳激光近净成型过程中溅射的金属粉末。
优选的，三个三维扫描加工头发出的激光束指向成型件(7)或部分成型件，三个三维扫描加工头在水平面的投影位置位于以成型件为圆心的圆上，且三等分该圆。
优选的，三维扫描加工头位于成型件上方，三维扫描加工头的激光出射口与成型件的着色点的连线与成型台所在平面所成角度满足成型要求，这种加工方式成型台可以不是正的，只要保证金属粉末可以准确送到激光成型加工位置即可，因为粉末流交点位置会受到重力影响而下移，当成型台不是正的的时候，需要考虑这种影响
优选的，三维扫描加工头与成型件的连线与成型台所在平面所成角度要满足要求：三维扫描加工头的扫描激光光束对成型件表面辐照点的辐照角度优选小于80度。
优选的，每个三维扫描加工头与成型件的距离相同，且每个三维扫描加工头的激光出射口与成型件的着色点的距离数值在扫描用激光束焦距附近。
优选的，每个三维扫描加工头，包含扫描用激光源、三维振镜和场镜，补充说一下怎么协同工作：激光源发射激光束至三维振镜，三维振镜通过主控制器给予的辐照路径进行激光束的扫描传输，激光束再经场镜进行聚焦并辐照金属材料成型件表面以着色。
优选的，送粉腔(5)，以同轴送粉方式输送金属粉末至成型位置，具体如下：
送粉腔(5)为中空圆柱，成型位置位于成型台(9)上，同轴送粉方式是指中空圆柱的中心轴与激光发射端(3)发出的激光束的光轴重合。
优选的，送粉腔除最下端以外的部分为截面半径相同的中空圆柱；最下端部分的截面为半径逐渐减小的圆环，送粉腔除最下端半径的收敛以获得金属粉末经送粉腔出射后聚交的效果。
本发明的一种金属材料彩色成型方法，实现金属材料彩色3D成型，包括如下步骤：
步骤1：通过主控制器将待成型件的三维模型转化为激光近净成型的加工路径与金属粉末熔化堆积模型，设定激光发射端发射出的激光束的功率数值以及送粉腔通过同轴送粉方式输送至成型位置的金属粉末的送粉率、送粉气流量，确定激光近净成型加工路径上的加工速度。
步骤2：送粉腔工作，送粉腔内的金属粉末以设定的送粉率、送粉气流量输出金属粉末流，以同轴送粉方式输送至成型台上指定位置，且金属粉末流的交点也落在该位置。
步骤3：开启激光发射端，激光束以设定功率输出，经光束整形器件后获得平顶圆光斑，并聚焦于同轴送粉粉末流的交点位置。步骤4：以设定的路径与速度进行激光近净成型加工，金属粉末在激光束辐照下熔化，形成金属熔池，随后凝固在成型台上获得冶金结合的成型单元(冶金结合的成型单元为二维截面的最小单元，冶金结合的成型单元能够组成二维截面)，在加工路径上金属粉末之间、金属粉末与已凝固金属形成熔化物堆积，形成已成型金属(即成型件的一部分)。
步骤5：通过主控制器将已成型金属的三维模型的表面各点的坐标信息转化为三维扫描加工头的辐照路径。
步骤6：开启三维扫描加工头，对已成型金属的表面进行预处理，以获得相对光滑的金属表面；步骤7：在完成已成型金属表面预处理后，以设定的颜色对已成型金属表面进行着色。
步骤8：通过步骤4-7，完成了三维模型一层二维截面部分的成型，以及该成型部分表面的着色。重复步骤4-7，设定的路径改为加工下一层二维截面，成型完成后进行第二层二维截面成型部分的表面的着色，以此类推，直至完成整个三维模型的金属成型与着色
步骤9：金属成型工作结束后关闭激光发射端，停止金属粉末送粉，金属着色工作完成后关闭三维扫描加工头。
优选的，所述步骤2中，金属粉末包括所有金属、金属合金粉末，优选为不锈钢粉末，如304、316L不锈钢。
优选的，步骤5中，三个三维扫描加工头分别对应三维模型表面三分之一的加工区域，同时，扫描幅面大于成型件在扫描方向的投影面积。
优选的，步骤6中，预处理的优选参数为：扫描激光辐照成型金属表面的每个点的离焦量一致，且数值为0～2mm，扫描激光输出功率值为30-60W，重复频率为20～40kHz，扫描速度值为1000～1200mm/s，通过激光辐照将成型表面未完全熔化粉末去除，同时提高成型表面的平整度，获得相对光滑的金属表面(Ra≤10μm)。
优选的，步骤7中，对成型件表面所着的颜色受扫描激光的离焦量、输出功率值、重复频率值与扫描速度值影响，辐照在成型件表面的每个点的激光光束的离焦量一致，优选数值为6～10mm或-10mm～-6mm，其他参数如下：
打印件呈现黄色，扫描激光输出功率值为80～120W，重复频率为180～200kHz，扫描速度值为1000～1200mm/s；
打印件呈现橙色，扫描激光输出功率值为90～130W，重复频率为160～200kHz，扫描速度值为900～1100mm/s；
打印件呈现红色，扫描激光输出功率值为90～140W，重复频率为140～200kHz，扫描速度值为850～950mm/s；
打印件呈现紫色，扫描激光输出功率值为100～160W，重复频率为120～160kHz，扫描速度值为800～900mm/s；
打印件呈现蓝色，扫描激光输出功率值为120～170W，重复频率为120～160kHz，扫描速度值为700～800mm/s；
打印件呈现绿色，扫描激光输出功率值为130～180W，重复频率为100～160kHz，扫描速度值为600～800mm/s。
进一步的优选方案为：通过满足约束条件：2＜α·(ρ·V·D2)/m+β＜4，其中，ρ为金属粉末密度，V为激光束沿金属材料成型加工轨迹的运动速度，D为激光束的光斑直径，m为送粉率，α、β为常数，取值分别为0.4、1。满足该优化条件，可获得高质量、成型均匀致密的成型件。
进一步的优选方案为：通过满足1＜α·P/(V·f)＜9，其中，P为扫描激光输出功率值，f为扫描激光脉冲的重复频率值，V为激光束经三维振镜的扫描速度值，α为常数3米/(毫焦·秒)。满足该公式条件，可获得稳定颜色呈现。
进一步的，本发明为保证颜色的高度再现，防止金属材料已成型部分表面有未完全熔化的粉末粘结，导致表面粗糙，对呈现颜色产生影响，需要增加对材料表面的预处理，即通过激光辐照将成型表面未完全熔化粉末去除，同时获得相对光滑的金属表面(Ra≤10μm)。所使用的加工参数优选为：扫描激光辐照成型金属表面的每个点的离焦量一致，且数值为0～2mm，扫描激光输出功率值为30-60W，重复频率为20～40kHz，扫描速度值为1000～1200mm/s。
本发明可实现打印过程实时上色或者打印完成后打印件不下料直接在位着色，可提高加工效率、缩短上色周期。通过激光辐照成型件表面生成氧化膜，利用光学干涉原理获得不同的颜色呈现。氧化膜与成型件表面为冶金结合，强度高。利用三维扫描振镜着色路径的可编辑与可控制，实现不同图案的辐照扫描，着色过程中可以改变辐照参数以实现不同颜色或者渐变色的着色。

Claims (10)

1.一种金属材料彩色成型装置，包括：三个三维扫描加工头(1，2，8)、激光发射端(3)、激光束(4)、送粉腔(5)、光束整形器件(6)、成型台(9)、主控制器(10)和收粉盒(11)；
激光发射端(3)，用于发射未经整形、聚焦的金属材料激光近净成型所用激光束(4)，送至光束整形器件(6)；
送粉腔(5)，以同轴送粉方式输送金属粉末至成型台(9)上的成型位置；
光束整形器件(6)位于激光发射端(3)发出激光束方向的光路上，用以对激光束进行整形、聚焦，获得金属材料激光近净成型用激光光束(即光束整形激光束)，打至成型台(9)上；
主控制器(10)，用于金属材料彩色3D成型的控制，通过将待加工的成型件(7)形成数字化三维模型，将该三维模型分解为逐层的二维截面，控制光束整形器件(6)出射的激光光束以近净成型的方式将送粉腔(5)喷出的粉末融化，融化物射到成型台(9)上，将融化物按照二维截面逐层堆积后凝固成型获得成型件(7)，三维扫描加工头用于发射激光束在三维曲面上的扫描，实现对每一层制造出的实体表面进行激光辐照着色；
收粉盒(11)位于成型台(9)下方，用于收纳激光近净成型过程中溅射的金属粉末。
2.根据权利要求1所述的一种金属材料彩色成型装置，其特征在于，三个三维扫描加工头发出的激光束指向成型件(7)或部分成型件，三个三维扫描加工头在水平面的投影位置位于以成型件为圆心的圆上，且三等分该圆。
3.根据权利要求1所述的一种金属材料彩色成型装置，其特征在于，三维扫描加工头位于成型件上方，三维扫描加工头的激光出射口与成型件的着色点的连线与成型台所在平面所成角度满足成型要求。
4.根据权利要求1所述的一种金属材料彩色成型装置，其特征在于，成型台可以不是正的，只要保证金属粉末可以准确送到激光成型加工位置即可。
5.根据权利要求1所述的一种金属材料彩色成型装置，其特征在于，三维扫描加工头与成型件的连线与成型台所在平面所成角度要满足要求为：三维扫描加工头的扫描激光光束对成型件表面辐照点的辐照角度小于80度。
6.根据权利要求1所述的一种金属材料彩色成型装置，其特征在于，每个三维扫描加工头与成型件的距离相同，且每个三维扫描加工头的激光出射口与成型件的着色点的距离数值在扫描用激光束焦距附近。
7.根据权利要求1所述的一种金属材料彩色成型装置，其特征在于：每个三维扫描加工头，包含扫描用激光源、三维振镜和场镜，激光源发射激光束至三维振镜，三维振镜通过主控制器给予的辐照路径进行激光束的扫描传输，激光束再经场镜进行聚焦并辐照金属材料成型件表面以着色。
8.根据权利要求1所述的一种金属材料彩色成型装置，其特征在于：送粉腔(5)，以同轴送粉方式输送金属粉末至成型位置，具体如下：
送粉腔(5)为中空圆柱，成型位置位于成型台(9)上，同轴送粉方式是指中空圆柱的中心轴与激光发射端(3)发出的激光束的光轴重合。
9.根据权利要求1所述的一种金属材料彩色成型装置，其特征在于：送粉腔除最下端以外的部分为截面半径相同的中空圆柱；最下端部分的截面为半径逐渐减小的圆环，送粉腔除最下端半径的收敛以获得金属粉末经送粉腔出射后聚交的效果。
10.一种金属材料彩色成型方法，实现金属材料彩色3D成型，其特征在于，步骤依次如下：
步骤1：通过主控制器将待成型件的三维模型转化为激光近净成型的加工路径与金属粉末熔化堆积模型，设定激光发射端发射出的激光束的功率数值以及送粉腔通过同轴送粉方式输送至成型位置的金属粉末的送粉率、送粉气流量，确定激光近净成型加工路径上的加工速度；
步骤2：送粉腔工作，送粉腔内的金属粉末以设定的送粉率、送粉气流量输出金属粉末流，以同轴送粉方式输送至成型台上指定位置，且金属粉末流的交点也落在该位置；
步骤3：开启激光发射端，激光束以设定功率输出，经光束整形器件后获得平顶圆光斑，并聚焦于同轴送粉粉末流的交点位置；
步骤4：以设定的路径与速度进行激光近净成型加工，金属粉末在激光束辐照下熔化，形成金属熔池，随后凝固在成型台上获得冶金结合的成型单元，在加工路径上金属粉末之间、金属粉末与已凝固金属形成熔化物堆积，形成已成型金属；
步骤5：通过主控制器将已成型金属的三维模型的表面各点的坐标信息转化为三维扫描加工头的辐照路径；
步骤6：开启三维扫描加工头，对已成型金属的表面进行预处理，以获得相对光滑的金属表面；
步骤7：在完成已成型金属表面预处理后，以设定的颜色对已成型金属表面进行着色；
步骤8：重复步骤4-7，设定的路径改为加工下一层二维截面，成型完成后进行第二层二维截面成型部分的表面的着色，以此类推，直至完成整个三维模型的金属成型与着色；
步骤9：金属成型工作结束后关闭激光发射端，停止金属粉末送粉，金属着色工作完成后关闭三维扫描加工头。
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