CN110523989A - 一种四激光四振镜激光选区熔化成型装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四激光四振镜激光选区熔化成型装置及方法，包括四激光四振镜系统、气体循环净化系统及双向送粉系统；所述四激光四振镜系统包括四路激光振镜光路，每一路激光振镜光路包括依次连接的激光器、扩束器、可变式扩束准直镜单元及扫描振镜，四路激光束均打至待加工零件的粉床上；所述气体循环净化系统包括进风口及出风口，所述进风口为隐式曲面填充多孔进风口，出风口为漏斗形。本发明利用隐式曲面多孔结构优化风口，均匀化腔体内部循环气体，极大提高激光选区熔化成型效率，降低内应力，提高成型产品质量。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种四激光四振镜激光选区熔化成型装置及方法。
背景技术
激光选区熔化成型技术是增材制造技术的一种，通过逐层铺粉利用激光进行选区熔化加工，可成型具有复杂空间零部件结构，其成型后的零部件精度相对于其他增材制造技术较高，是金属增材制造技术中最具有工业化应用前景的加工技术之一。然而其目前的激光选区熔化成型装备普遍存在的问题是加工效率较低，一般单激光单振镜激光选区熔化成型装备最快的成型效率为20cm3/h,极大限制了其装备的产业化应用推广。
发明内容
为了克服现有技术中激光选区熔化成型效率较低的问题，本发明提供一种四激光四振镜激光选区熔化成型装置及方法。
本发明采用如下技术方案：
一种四激光四振镜激光选区熔化成型装置，包括密封成型腔室及工控机，所述密封成型腔室内设置加工成型平台，所述加工成型平台设置待加工零件，四激光四振镜系统、气体循环净化系统及双向送粉系统；
所述四激光四振镜系统包括四路激光振镜光路，每一路激光振镜光路包括依次连接的激光器、扩束器、可变式扩束准直镜单元及扫描振镜，四路激光束均打至待加工零件的粉床上；
所述气体循环净化系统包括进风口及出风口，所述进风口为隐式曲面填充多孔进风口，出风口为漏斗形。
本发明四个扫描振镜为2×2互相平行排列。
所述隐式曲面为Gyroid型隐式曲面。
所述双向送粉系统为上送粉结构。
所述隐式曲面的开口为3mm-10mm。
一种四激光四振镜激光选区熔化成型装置的方法，包括:
打开电源，双向送粉系统实现金属粉末的均匀铺粉，将多余粉末刮到粉料回收槽中；
工控机发送信号至四路激光振镜光路，使得激光束打至待加工零件的粉床上，按照四区域划分进行加工；
将四束激光聚焦打印在待加工零件的粉末床时，产生的飞溅颗粒及黑烟，氩气从气泵抽出，经过进风口，输送至出风口，实现气体环境净化；
本发明在区域交界处，进行0.1-0.5mm余量的搭接扫描。
本发明的有益效果：
(1)由于其成型速度较快，其产生的飞溅，黑烟等杂质也随之成倍数地增多，一般的循环净化系统无法满足该成型质量的需求，为了解决上述问题，我们将循环净化系统的进风口和出风口进行优化设计，避免出风量和风速的不均匀而导致同一部件不同部位的性能产生差别；
(2)本发明采用四个激光器四振镜对同一零部件的四个部分进行加工，是单激光器单振镜成型加工效率四倍以上；
(3)本发明选用2×2阵列形式，每个振镜均具有动态聚焦功能，对激光光束的光斑大小进行控制，可实现光斑由30微米到100微米的变化，可实现在成型面积较宽的位置进行大光斑快速激光加工成型。
附图说明
图1是本发明的装置示意图；
图2是本发明的加工成型平台示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1-图2所示，一种四激光四振镜激光选区熔化成型装置，包括密封成型腔室及工控机，所述密封成型腔室内部设置加工成型平台，所述加工成型平台上设置待加工零件25，腔室为设备的加工腔室，其内还设置气体循环净化系统、双向送粉系统，粉料回收系统。
所述加工成型平台为250mm×250mm×300mm，通过精密电机控制其成型缸的上下移动，从而实现样品的逐层加工。
所述四激光四振镜系统包括四路激光振镜光路，每一路激光振镜光路包括依次连接的激光器、扩束器、可变式扩束准直镜单元及扫描振镜，四路激光束均打至待加工零件的粉床上；四个扫描振镜位于加工成型面的正上方，其排列为2×2阵列形式，每个振镜均具有动态聚焦功能，通过动态聚焦的控制系统对光斑大小进行控制，可实现光斑由30微米至100微米的变化，利用扫描路径动态聚焦规划，可实现在成型面积较宽的位置进行大光斑快速激光加工成型，在精细结构，例如多孔结构，细杆，小孔等结构，可利用小光斑精密加工成型。
采用该阵列形式，可以对待加工零件进行最大区域划分加工。
四个激光器通过扩束镜，动态聚焦等光路，光源由激光器激发至振镜系统，四组振镜通过振镜控制系统进行偏转，其偏转路径规划可为同一零部件的四个部分，即将一大尺寸零件通过路径规划分割为同一平面四个区域，四激光四振镜同时进行工作，实现对同一零部件的四个区域的同时加工。
四激光四振镜加工成型效率可达单激光单振镜成型加工效率四倍以上，即80cm3/h以上。由于其成型速度较快，其产生的飞溅，黑烟等杂质也随之成倍数地增多，一般的循环净化系统无法满足该成型质量的需求。为了解决上述问题，我们将循环净化系统的进风口和出风口进行优化设计，避免出风量和风速的不均匀而导致同一部件不同部位的性能产生差别。
所述气体循环净化系统包括进风口及出风口，所述进风口为隐式曲面填充多孔进风口，其隐式曲面为Gyroid型隐式曲面，该结构利用Matlab进行参数化生成，通过调节方程参数调整隐式曲面的开孔大小，其单元体大小可设置从3mm至10mm的变化。
所述出风口为漏斗形。
气体循环净化系统一般使用氩气，氩气从气泵抽出，经过Gyroid型隐式曲面多孔进风口，出风流动均匀化后，经过成型过程中的打印试样，大尺寸金属零部件在四激光四振镜同时加工时产生的飞溅与黑烟等物质，通过优化的流动气体将其输送至成型缸的另一端，即出风口位置，通过循环管道，将打印过程产生的微小颗粒输送到过滤网中，由此可将密封腔室的气体环境净化。
所述双向送粉系统包括送粉漏斗，铺粉装置以及铺粉导轨。金属粉末通过送粉漏斗进行控制粉末的是否漏下，通过位移传感器检测铺粉模块的位置，当铺粉模块运行至送粉漏斗下方时，送粉漏斗打开，粉末定量漏下，然后铺粉模块运行至成型平台位置，通过边漏边铺实现粉末的快速均匀铺平。
本发明的工作过程为：
打开工控机1电源，打开显示控制器电源2电源，打开激光器激光器3电源，激光器4电源，激光器5电源和激光器6电源。打开扫描振镜15电源，扫描振镜16电源，扫描振镜17电源和扫描振镜18电源。
送粉漏斗开关打开，将粉末输送至铺粉装置27上，铺粉装置27开始工作，通过控制软件控制其铺粉运行速度，沿着导轨26和导轨29滑行，铺粉装置27包括粉料槽，软体刮刀，漏粉口与漏粉开关，当铺粉装置经过加工基板平台19时，漏粉开关打开，通过控制漏粉量和软体刮刀配合，实现金属粉末的均匀铺粉。
铺粉装置27通过导轨运行至成型腔室左端粉料回收槽21位置上方，将铺粉多余的粉末以及表面飞溅污染的粉末刮至粉料回收槽21中。
工控机发送信号至激光器3，其发射的激光束通过扩束器7，进入可变式扩束准直镜单元11，通过可变式扩束准直镜单元进入具有动态聚焦功能的扫描振镜15，扫描振镜15将激光束进行动态聚焦与路径扫描，使激光束22打至正在加工的零件15的粉床上。
工控机发送信号至激光器4，其发射的激光束通过扩束器8，进入可变式扩束准直镜单元12，通过可变式扩束准直镜单元进入具有动态聚焦功能的扫描振镜17，扫描振镜17将激光束进行动态聚焦与路径扫描，使激光束20打至正在加工的零件15的粉床上。
工控机发送信号至激光器5，其发射的激光束通过扩束器9，进入可变式扩束准直镜单元13，通过可变式扩束准直镜单元进入具有动态聚焦功能的扫描振镜16，扫描振镜16将激光束进行动态聚焦与路径扫描，使激光束24打至正在加工的零件15的粉床上。
工控机发送信号至激光器6，其发射的激光束通过扩束器10，进入可变式扩束准直镜单元14，通过可变式扩束准直镜单元进入具有动态聚焦功能的扫描振镜18，扫描振镜18将激光束进行动态聚焦与路径扫描，使激光束28打至正在加工的零件15的粉床上。
激光束22，激光束20，激光束24和激光束28进行分区域打印，该区域划分通过控制软件的路径规划进行确定，在区域交界处，进行0.1-0.5mm余量的搭接扫描。
当四束激光束聚焦打印在待加工零件15的粉末床时，由激光与金属材料粉末的相互作用产生的飞溅颗粒，金属化合物黑烟，氩气从气泵抽出，经过Gyroid型隐式曲面多孔进风口30，出风流动均匀化后，经过成型过程中的打印试样，大尺寸金属零部件在四激光四振镜同时加工时产生的飞溅与黑烟等物质，通过优化的流动气体将其输送至成型缸的另一端，即出风口位置，通过循环管道，将打印过程产生的微小颗粒快速均匀输送到过滤网中，由此可将密封腔室的气体环境净化。其中，出风口23形状为漏斗型设计。
当四束激光束加工完成第N层加工幅面后，停在成型腔室左端的铺粉装置27往右端送粉槽方向刮回，同时漏粉和铺粉，在加工成型第N层的平面上铺上预设层厚的粉末。当铺粉装置再次停留在漏粉槽位置时，四激光四振镜再次开始工作，加工第N+1层加工幅面。
以此循环，直至工件完成激光选区熔化成型。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种四激光四振镜激光选区熔化成型装置，包括密封成型腔室及工控机，所述密封成型腔室内设置加工成型平台，所述加工成型平台设置待加工零件，其特征在于，还包括四激光四振镜系统、气体循环净化系统及双向送粉系统；
所述四激光四振镜系统包括四路激光振镜光路，每一路激光振镜光路包括依次连接的激光器、扩束器、可变式扩束准直镜单元及扫描振镜，四路激光束均打至待加工零件的粉床上；
所述气体循环净化系统包括进风口及出风口，所述进风口为隐式曲面填充多孔进风口，出风口为漏斗形。
2.根据权利要求1所述的一种四激光四振镜激光选区熔化成型装置，其特征在于，四个扫描振镜为2×2互相平行排列。
3.根据权利要求1所述的一种四激光四振镜激光选区熔化成型装置，其特征在于，所述隐式曲面为Gyroid型隐式曲面。
4.根据权利要求1所述的一种四激光四振镜激光选区熔化成型装置，其特征在于，所述双向送粉系统为上送粉结构。
5.根据权利要求1所述的一种四激光四振镜激光选区熔化成型装置，其特征在于，所述隐式曲面的开口为3mm-10mm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的四激光四振镜激光选区熔化成型装置的方法，其特征在于，
打开电源，双向送粉系统实现金属粉末的均匀铺粉，将多余粉末刮到粉料回收槽中；
工控机发送信号至四路激光振镜光路，使得激光束打至待加工零件的粉床上，按照四区域划分进行加工；
将四束激光聚焦打印在待加工零件的粉末床时，产生的飞溅颗粒及黑烟，氩气从气泵抽出，经过进风口，输送至出风口，实现气体环境净化。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在区域交界处，进行0.1-0.5mm余量的搭接扫描。
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