CN112139506A - 复合工件成型装置及复合工件成型方法 - Google Patents
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Abstract
一种复合工件成型装置包括基板、第一激光源、第二激光源基材粉末平铺装置、扫描振镜装置及改性粉末平铺装置。基材粉末平铺装置将基材粉末输送并平铺于基板上，第一激光源发射连续激光束，第二激光源发射脉冲激光束，第一激光源及第二激光源择一地发射激光束，扫描振镜装置将激光束聚焦到基板上，使连续激光束将基材粉末熔化并经冷却后形成待成型工件的基材层，及使脉冲激光束对基材层进行切割以去除基材层上附着的多余的基材粉末，改性粉末平铺装置将使改性粉末输送并平铺至切割后的基材层上，扫描振镜装置还使连续激光束聚焦到基板上，将基材层上的改性粉末熔化并经冷却后与基材层粘接形成加工层。本发明还提供了一种复合工件成型方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合工件成型装置及复合工件成型方法。
背景技术
针对高硬度要求的工件，常用的方法是对成型的工件进行表面渗氮或碳氮共渗以提高硬度。表面渗氮是在一定温度下一定介质环境中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺，传统的气体渗氮是把工件放入密闭容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气分解产生活性氮原子，不断吸附到工件表面，并渗入工件表层内，从而提高工件表层的硬度。虽然表面渗氮可以提高工件的硬度，但该工艺耗时间长，需要数十到数百小时，成本较高，表面渗氮处理后排放的氨气等废气也会造成环境污染。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种提高生产效率的复合工件成型装置及复合工件成型方法。
一种复合工件成型装置，包括基板、第一激光源、基材粉末平铺装置、扫描振镜装置，所述基材粉末平铺装置用于将基材粉末输送并平铺于所述基板上，还包括第二激光源、改性粉末平铺装置及控制装置，所述第一激光源用于发射连续激光束，所述第二激光源用于发射脉冲激光束，所述控制装置与所述第一激光源及第二激光源连接，用于控制所述第一激光源及所述第二激光源择一地发射激光束，所述扫描振镜装置用于将激光束聚焦到所述基板上，使所述第一激光源发射的连续激光束将基板上的基材粉末熔化并经冷却后形成待成型工件的基材层，及使所述第二激光源发射的脉冲激光束对所述基材层进行切割以去除基材层上附着的多余的基材粉末，所述改性粉末平铺装置用于将使所述基材层改性的改性粉末输送并平铺至切割后的所述基材层上，所述扫描振镜装置还用于在所述基材层上平铺有改性粉末时，使所述第一激光源发射的连续激光束聚焦到所述基板上，将所述基材层上的改性粉末熔化并经冷却后与所述基材层粘接形成加工层。
进一步地，所述改性粉末平铺装置包括可运动的送粉管，所述改性粉末容置于所述送粉管内。
进一步地，还包括升降驱动装置，所述升降驱动装置与所述基板连接，用于在形成所述加工层时驱动所述基板远离所述扫描振镜装置向下运动，使所述基板下降一加工层的厚度。
进一步地，还包括加工平台，所述加工平台形成第一开口，所述基板位于所述加工平台下方并正对所述第一开口设置。
进一步地，还包括成型室及保护镜，所述加工平台置于所述成型室内，所述成型室的顶部设置有穿射孔，所述扫描振镜装置可移动地置于所述成型室外并正对所述穿射孔设置，所述保护镜与所述穿射孔正对，用于防止粉末飞扬至所述扫描振镜装置上。
进一步地，所述基材粉末平铺装置包括容置缸及刮刀移动装置，所述基材粉末容置于所述容置缸内，所述刮刀移动装置包括刮刀，用于移动所述刮刀将所述基材粉末刮至所述基板上。
进一步地，还包括加工平台，所述加工平台形成第二开口，所述容置缸位于加工平台下方且正对所述第二开口设置，所述容置缸内设置有移动驱动装置及与移动驱动装置连接的承载板，所述基材粉末容置于所述容置缸内且位于所述承载板上，所述移动驱动装置用于驱动所述承载板靠近所述加工平台移动使所述基材粉末高出所述加工平台。
一种复合工件成型方法，包括以下步骤：步骤A：将基材粉末输送并平铺于基板上；步骤B：发送连续激光束到所述基板上以将基板上的基材粉末熔化并经冷却后形成待成型工件的基材层；步骤C：发送脉冲激光束到所述基板对所述基材层进行切割以去除基材层上附着的多余的基材粉末；步骤D：将改性粉末输送并平铺至切割后的所述基材层上；及步骤E：发送连续激光束到所述基板上以将基材层上的改性粉末熔化并经冷却后与所述基材层粘接形成加工层。
进一步地，在步骤E之后还包括：判断工件成型是否完成；及在工件成型未完成时驱动所述基板下降一加工层的厚度，并转至步骤A。
进一步地，步骤A包括步骤：驱动承载有基材粉末的承载板上升使基材粉末高出一加工平台；及移动刮刀将高出所述加工平台的基材粉末刮至所述基板上。
上述复合工件成型装置及复合工件成型方法将基材粉末与改性粉末通过激光选择性熔化进行复合，使得打印出来的工件具有基材的力学性能，而表面又具有改性粉末的特殊性能，工件一次成型，避免了工件表面的二次加工，加快生产效率，降低生产成本，同时避免了表面因渗氮处理产生环境污染。
附图说明
图1为一种复合工件成型装置的示意图。
图2为一种复合工件成型方法的流程图。
主要元件符号说明
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1，一种复合工件成型装置100，所述复合工件成型装置100包括基板20、加工平台22、升降驱动装置24、基材粉末平铺装置28、改性粉末平铺装置26、扫描振镜装置30、第一激光源32、第二激光源34及控制装置36。
所述加工平台22置于一成型室38内且形成有第一开口40。所述基板20位于所述加工平台22下方并正对所述第一开口40设置。所述基材粉末平铺装置28用于将基材粉末62输送并平铺于基板20上。所述基材粉末62为金属粉末。
在本实施方式中，所述加工平台22形成第二开口48。所述基材粉末平铺装置28包括容置缸50及刮刀移动装置52。所述容置缸50位于加工平台22下方且正对所述第二开口48设置。所述容置缸50内设置有移动驱动装置54及与移动驱动装置54连接的承载板56，所述基材粉末62容置于所述容置缸50内且位于所述承载板56上。所述移动驱动装置54用于驱动所述承载板56靠近所述加工平台22移动使所述基材粉末62高出所述加工平台22。所述刮刀移动装置52位于所述加工平台22上方且置于所述成型室38内。所述刮刀移动装置52包括刮刀58，用于移动所述刮刀58将高出所述加工平台22的所述基材粉末62刮至所述基板20上。
所述第一激光源32用于发射连续激光束。所述第一激光源32可包括单个或多个激光器组成，在包括多个激光源时，可成倍提高打印效率。所述第二激光源34用于发射脉冲激光束。所述脉冲激光可为短脉冲激光束或超快脉冲激光束，脉冲时间可以是纳秒、皮秒、飞秒级别。
所述控制装置36与所述第一激光源32及所述第二激光源34连接，用于控制所述第一激光源32及所述第二激光源34的开关，使所述第一激光源32及所述第二激光源34择一地发射激光束。
所述成型室38的顶部设置有穿射孔44，所述扫描振镜装置30可移动地置于所述成型室38外并正对所述穿射孔44设置。所述扫描振镜装置30用于按照预设路径运动使所述第一激光源32发射的连续激光束聚焦到所述基板20上，将基板20上的基材粉末62熔化并经冷却后形成待成型工件60的基材层，及按照预定路径运动使所述第二激光源34发射的脉冲激光束聚焦到所述基板20上对所述基材层进行切割，以去除基材层上附着的多余的基材粉末62。
所述扫描振镜装置30包括f-θ透镜及一个或多个扫描振镜。所述扫描振镜用于调整所述激光束的路径，使所述激光束与所述基材对准。所述f-θ透镜用于将所述激光束聚焦到所述基材上。
所述复合工件成型装置100还包括保护镜46，所述保护镜46与所述穿射孔44正对，用于防止粉末飞扬至所述扫描振镜装置30上。
在一实施方式中，所述复合工件成型装置100还包括扩束装置。所述扩束装置置于所述扫描振镜装置30与所述第一激光源32、第二激光源34之间，用于调整所述激光束的直径和发散角，使激光束在加工工件60时形成的光斑大小符合需求。
所述改性粉末平铺装置26用于将改性粉末输送并平铺至切割后的所述基材层上。所述改性粉末为可使所述基材层改性的粉末，如增加基材层的硬度、耐磨性或防腐性等的粉末，具体可为增加硬度的钨粉或钼粉及其合金粉末，增加耐磨性的金属陶瓷复合粉末，增加防腐性的钛合金粉末等。在本实施方式中，所述改性粉末平铺装置26包括置于所述加工平台22上方且位于所述成型室38内的可运动的送粉管42，所述改性粉末容置于所述送粉管42内。
在另一实施方式中，所述改性粉末平铺装置26与所述基材粉末平铺装置28具有相同结构，包括装有改性粉末的另一容置缸50及另一刮刀移动装置52，通过所述另一刮刀移动装置52将改性粉末刮至所述基板20上。当然，在另一实施方式中，所述基材粉末平铺装置28也同样可设置为与本实施方式的所述改性粉末平铺装置26相同的结构，包括位于所述加工平台22上方的可移动的另一送粉管42，所述另一送粉管42中容置基材粉末62，通过所述另一送粉管42的移动将基材粉末62平铺至所述基板20上。
所述扫描振镜装置30还用于在所述基材层上平铺改性粉末时按照既定路径运动使所述第一激光源32发射的连续激光束聚焦到所述基板20上，将所述基材层上的改性粉末熔化并经冷却后与所述基材层粘接形成加工层。
所述升降驱动装置24与所述基板20连接，用于在形成所述加工层时驱动所述基板20远离所述扫描振镜装置30向下运动，使所述基板20下降一加工层的厚度。所述升降驱动装置24可为直线电机模组、伺服直线驱动模组等。
所述基材粉末平铺装置28在所述基材下降一加工层的厚度时再次将基材粉末62输送并平铺于所述基板20上，即所述加工层上，如此循环，形成多个加工层，进行工件60增材制作，直至工件60成型。
请参阅图2，为本发明提供的一种复合工件成型方法的流程图，所述复合工件成型方法包括的步骤如下。
步骤S212：将基材粉末62输送并平铺于基板20上。
具体地，包括步骤：驱动承载有基材粉末62的所述承载板56上升使基材粉末62高出所述加工平台22及移动所述刮刀58将高出所述加工平台22的基材粉末62刮至所述基板20上。
步骤S214：发送连续激光束到所述基板20上以将基板20上的基材粉末62熔化并经冷却后形成待成型工件60的基材层。
其中，在发送连续激光束时，还对连续激光束的直径和发射角进行调整，以使激光束在加工工件60时形成的光斑大小符合需求。
步骤S216：发送脉冲激光束到所述基板20对所述基材层进行切割以去除基材层上附着的多余的基材粉末62。
其中，在发送脉冲激光束时，还对脉冲激光束的直径和发射角进行调整，以使激光束在加工工件60时形成的光斑大小符合需求。
步骤S218：将改性粉末输送并平铺至切割后的所述基材层上。
步骤S220：发送连续激光束到所述基板20上以将基材层上的改性粉末熔化并经冷却后与所述基材层粘接形成加工层。
步骤S222：判断工件60成型是否完成。如工件60成型未完成，进入步骤S224，如工件60成型已完成，流程结束。
步骤S224：驱动所述基板20下降一加工层的厚度，并转至步骤212。
上述复合工件成型装置100及复合工件成型方法将基材粉末62与改性粉末通过激光选择性熔化进行复合，使得打印出来的工件60具有基材粉末62的力学性能，而表面又具有改性粉末的特殊性能，工件60一次成型，避免了工件60表面的二次加工，加快生产效率，降低生产成本，同时避免了表面因渗氮处理产生环境污染。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本发明所公开的范围之内。
Claims (10)
1.一种复合工件成型装置，包括基板、第一激光源、基材粉末平铺装置、扫描振镜装置，所述基材粉末平铺装置用于将基材粉末输送并平铺于所述基板上，其特征在于，还包括第二激光源、改性粉末平铺装置及控制装置，所述第一激光源用于发射连续激光束，所述第二激光源用于发射脉冲激光束，所述控制装置与所述第一激光源及第二激光源连接，用于控制所述第一激光源及所述第二激光源择一地发射激光束，所述扫描振镜装置用于将激光束聚焦到所述基板上，使所述第一激光源发射的连续激光束将基板上的基材粉末熔化并经冷却后形成待成型工件的基材层，及使所述第二激光源发射的脉冲激光束对所述基材层进行切割以去除基材层上附着的多余的基材粉末，所述改性粉末平铺装置用于将使所述基材层改性的改性粉末输送并平铺至切割后的所述基材层上，所述扫描振镜装置还用于在所述基材层上平铺有改性粉末时，使所述第一激光源发射的连续激光束聚焦到所述基板上，将所述基材层上的改性粉末熔化并经冷却后与所述基材层粘接形成加工层。
2.如权利要求1所述的复合工件成型装置，其特征在于，所述改性粉末平铺装置包括可运动的送粉管，所述改性粉末容置于所述送粉管内。
3.如权利要求1所述的复合工件成型装置，其特征在于，还包括升降驱动装置，所述升降驱动装置与所述基板连接，用于在形成所述加工层时驱动所述基板远离所述扫描振镜装置向下运动，使所述基板下降一加工层的厚度。
4.如权利要求3所述的复合工件成型装置，其特征在于，还包括加工平台，所述加工平台形成第一开口，所述基板位于所述加工平台下方并正对所述第一开口设置。
5.如权利要求4所述的复合工件成型装置，其特征在于，还包括成型室及保护镜，所述加工平台置于所述成型室内，所述成型室的顶部设置有穿射孔，所述扫描振镜装置可移动地置于所述成型室外并正对所述穿射孔设置，所述保护镜与所述穿射孔正对，用于防止粉末飞扬至所述扫描振镜装置上。
6.如权利要求1所述的复合工件成型装置，其特征在于，所述基材粉末平铺装置包括容置缸及刮刀移动装置，所述基材粉末容置于所述容置缸内，所述刮刀移动装置包括刮刀，用于移动所述刮刀将所述基材粉末刮至所述基板上。
7.如权利要求6所述的复合工件成型装置，其特征在于，还包括加工平台，所述加工平台形成第二开口，所述容置缸位于加工平台下方且正对所述第二开口设置，所述容置缸内设置有移动驱动装置及与移动驱动装置连接的承载板，所述基材粉末容置于所述容置缸内且位于所述承载板上，所述移动驱动装置用于驱动所述承载板靠近所述加工平台移动使所述基材粉末高出所述加工平台。
8.一种复合工件成型方法，包括以下步骤：
步骤A：将基材粉末输送并平铺于基板上；
步骤B：发送连续激光束到所述基板上以将基板上的基材粉末熔化并经冷却后形成待成型工件的基材层；
步骤C：发送脉冲激光束到所述基板对所述基材层进行切割以去除基材层上附着的多余的基材粉末；
步骤D：将改性粉末输送并平铺至切割后的所述基材层上；及
步骤E：发送连续激光束到所述基板上以将基材层上的改性粉末熔化并经冷却后与所述基材层粘接形成加工层。
9.如权利要求8所述的复合工件成型方法，其特征在于，在步骤E之后还包括：
判断工件成型是否完成；及
在工件成型未完成时驱动所述基板下降一加工层的厚度，并转至步骤A。
10.如权利要求8所述的复合工件成型方法，其特征在于，步骤A包括步骤：
驱动承载有基材粉末的承载板上升使基材粉末高出一加工平台；及
移动刮刀将高出所述加工平台的基材粉末刮至所述基板上。
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