CN114505498A - 一种易于实体分离的激光快速成型方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种易于实体分离的激光快速成型方法及装置，属于激光快速成型技术领域，该易于实体分离的激光快速成型方法通过改变激光扫描组件的加工参数和扫描角度在铺粉基板与所加工的实体中间设置一层隔离层，并利用该隔离层静态强度低、剪切阻力低的特性以易于将制造后的实体与铺粉基板分离，从而避免所加工的实体的外形结构在分离过程中受到破坏；该易于实体分离的激光快速成型装置能够实现粉末在送粉缸和成型缸之间的全方位封闭转移，进而避免造成粉末浪费。

Description

一种易于实体分离的激光快速成型方法及装置
技术领域
本发明属于激光快速成型技术领域，具体涉及一种易于实体分离的激光快速成型方法及装置。
背景技术
激光快速成型(Laser Rapid Prototyping:LRP)是将CAD、CAM、CNC、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集成的一种全新制造技术。而且与传统制造方法相比，激光快速成型技术具有:原型的复制性、互换性高，制造工艺与制造原型的几何形状无关，加工周期短，成本低等优点。
激光快速成型技术的原理是先用计算机软件生成三维实体模型，再通过分层软件对三维实体模型分层，并通过每个薄层断面的二维数据驱动控制激光光束扫射待成型区域内的粉末，并在高能激光作用下先使粉末快速熔融，再经散热冷却后快速固化，从而加工出要求形状的薄层，并逐层积累形成实体模型。
目前，由于激光烧结件普遍存在致密度低、强度低、尺寸精度差等不足，如何提高铺粉精度、铺粉压实密度，降低所形成实体的表面粗糙度，提高所形成实体的致密度，以及如何避免形成的实体与铺粉基板之间发生烧结和如何简便分离快速成型后的实体等问题，都是困扰研究者的难题。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种便于将成型缸内加工完成后的实体和铺粉基板分离的激光快速成型方法及装置，以避免所加工的实体的外形结构在分离过程中受到破坏。
为了解决上述技术问题，本发明一方面提供了一种易于实体分离的激光快速成型方法，其步骤如下：
步骤一，在铺粉基板上表面铺设第一层粉末层，并对第一层粉末层进行调平和压实；
步骤二，通过激光扫描组件对铺粉基板上的第一层粉末层进行照射和烧结，使第一层粉末层形成粉末颗粒与铺粉基板之间存在空间孔隙或粉末颗粒之间接触面积小于所加工的实体的隔离体；
步骤三，在铺粉基板上表面铺设第二层粉末层，并对第二层粉末层进行调平和压实；
步骤四，根据所加工的实体的要求，调整激光扫描组件的参数，然后再通过激光扫描组件对铺粉基板上的第二层粉末层进行选择性照射和烧结，并在步骤二所构成的隔离体的上方形成所加工的实体的底层；
步骤五，重复步骤三和步骤四，直至在铺粉基板上形成所加工的实体；
步骤六，对铺粉基板施加超声波，并通过超声波使所加工的实体、隔离体和铺粉基板之间彼此分离。
这样在利用本方法进行激光快速成型加工时，可以通过调整激光扫描组件的加工参数和扫描角度，在所加工的实体的底层和铺粉基体中间制造一层存在空间孔隙或1接触面积小的隔离体，即该隔离体为全部区域内粉末颗粒之间为接触面积小的点接触和/或线接触的结构，或者该隔离体为部分区域内粉末颗粒之间为接触面积小的点接触和/或线接触的结构；从而使该隔离体具有静态强度低、剪切阻力低等特性，以易于将制造后的实体与铺粉基板分离。
进一步地，所述步骤一中铺设第一层粉末层所用粉末与步骤三中铺设第二层粉末层所用粉末为同一种粉末，这样在铺粉过程中不需要进行粉末更换，也不需要配制额外的专用粉末。
进一步地，在步骤二中，所述隔离体的烧结温度低于步骤四中所加工的实体的烧结温度，所述隔离体的烧结用激光功率低于步骤四中所加工的实体的烧结用激光功率。具体地，激光扫描组件烧结隔离体时的激光功率为0.3W，激光扫描频率为8kHz，激光扫描速度为600mm/s；激光扫描组件烧结所加工的实体时的激光功率为1W，激光扫描频率为8kHz，激光扫描速度为600mm/s。这样仅需要改变激光扫描组件的加工参数即可分别实现隔离体的构造和所加工的实体的构造，并使隔离体和所加工的实体之间具有不同的结构和特性，即使隔离体内形成具有较小接触面积和空间孔隙的结构，使所加工的实体内形成致密、平滑的结构，从而便于将实体与铺粉基板分离。
另一方面，本发明还提供了一种易于实体分离的激光快速成型装置，以实现上述方法，具体地，其包括机架，所述机架上设置有成型缸，所述成型缸内竖直滑动连接有铺粉基板，所述铺粉基板的上方设置有激光扫描组件，所述铺粉基板的下端传动连接有用来驱动铺粉基板上下移动的成型驱动组件；所述机架上还设置有送粉缸，所述送粉缸内竖直滑动连接有送粉板，所述送粉板的下端传动连接有用来驱动送粉板上下移动的送粉驱动组件；所述机架上还设置有环形刮刀，所述环形刮刀的一端传动连接有铺粉驱动组件，所述铺粉驱动组件能够驱动环形刮刀从送粉缸上方移动至成型缸上方，并将送粉缸内的粉末均匀地铺设在成型缸内的铺粉基板上；而当粉末被均匀地铺设在铺粉基板上后，本装置可以通过激光扫描组件将激光束引导至铺粉基板处，并通过外部声光调制器使激光束以脉冲模式或连续模式对粉末层表面进行均匀烧结，以此产生非常均匀的烧结层，而且每层烧结层可以根据目标需求增大激光功率或改变工作方式，以调整所产生实体水平特性、垂直特性的梯度分布。
进一步地，所述环形刮刀为上端封闭，下端开口的筒状结构，并通过该结构实现粉末在送粉缸和成型缸之间的全方位封闭转移。
进一步地，还包括位移传感器，所述位移传感器用来测量铺粉基板与环形刮刀之间距离或用来测量铺粉基板上所铺粉末的上表面与环形刮刀之间距离；所述位移传感器上通信连接有高度调节控制器，所述高度调节控制器能够根据位移传感器的输出信号控制成型驱动组件调整铺粉基板的高度。这样当铺粉基板在成型驱动组件的驱使下沿着成型缸下降一定距离h，以使得铺粉基板上表面与环形刮刀之间理论上具有垂直距离H时，本发明可以先将环形刮刀转动至铺粉基板上方，再通过位移传感器测试此时垂直距离H的实际数值，并将实际数值与理论数值之间的误差值反馈给上位工控机，从而精细调整此距离，确保最终理论垂直距离H等于h，且此垂直距离H为事先设定的铺粉层单层层厚，然后再驱动环形刮刀将送粉缸内的粉末均匀的铺设到铺粉基板上。
进一步地，还包括保护气体处理室，所述机架、成型缸、送粉缸、环形刮刀均位于保护气体处理室内，且在加工开始前先将保护气体处理室内部抽至真空，再向保护气体处理室内冲入工艺保护气体。
进一步地，所述保护气体处理室内还设置有超声波发生器，并通过超声波发生器所发超声波使铺粉基板进行震动，并随着铺粉基板的震动将其上方所铺粉末振实，或者随铺粉基板的震动将铺粉基板、隔离体、所加工的实体彼此分离。
进一步地，所述保护气体处理室内还设置有干燥组件和加热组件，并通过干燥组件和加热组件保证加工所用粉末的干燥和实现激光加工前的预热。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：首先，本发明提供了一种易于实体分离的激光快速成型方法，该方法通过改变激光扫描组件的加工参数和扫描角度在铺粉基板与所加工的实体中间设置了一层隔离层，并利用该隔离层静态强度低、剪切阻力低的特性以易于将制造后的实体与铺粉基板分离，从而避免所加工的实体的外形结构在分离过程中受到破坏；其次，本发明还提供了一种易于实体分离的激光快速成型装置，并利用该装置实现上述方法；同时该装置还能够实现粉末在送粉缸和成型缸之间的全方位封闭转移，进而避免造成粉末浪费。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种易于实体分离的激光快速成型装置的结构示意图。
图2为本发明一种易于实体分离的激光快速成型装置中环形刮刀、成型缸、送粉缸的结构示意图。
图中：1、保护气体处理室，2、铺粉基板，3、调制激光束，4、送粉缸，5、成型缸，6、实体，7、送粉板，8、机架，9、环形刮刀，10、铺粉驱动组件，11、成型驱动组件，12、送粉驱动组件，13、窗口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
首先，本发明提供了一种易于实体分离的激光快速成型方法，其包括以下步骤：
步骤一，在铺粉基板上表面铺设第一层粉末层，并对第一层粉末层进行调平和压实；
步骤二，通过激光扫描组件对铺粉基板上的第一层粉末层进行照射和烧结，使第一层粉末层形成粉末颗粒与铺粉基板存在空间孔隙或粉末颗粒之间接触面积小于所加工的实体的隔离体；
步骤三，在铺粉基板上表面铺设第二层粉末层，并对第二层粉末层进行调平和压实；
步骤四，根据所加工的实体的要求，调整激光扫描组件的参数，然后再通过激光扫描组件对铺粉基板上的第二层粉末层进行选择性照射和烧结，并在步骤二所构成的隔离体的上方形成所加工的实体的底层；
步骤五，重复步骤三和步骤四，直至在铺粉基板上形成所加工的实体；
步骤六，对铺粉基板施加超声波，并通过超声波使所加工的实体、隔离体和铺粉基板之间彼此分离。
而且上述步骤一中铺设第一层粉末层所用粉末与步骤三中铺设第二层粉末层所用粉末为同一种粉末，即所述隔离体的材料和所加工的实体的材料为同一种粉末材料。
上述步骤二中所述隔离体的烧结温度低于步骤四中所加工的实体的烧结温度，所述隔离体的烧结用激光功率低于步骤四中所加工的实体的烧结用激光功率。具体地，所述激光扫描组件烧结隔离体时的激光功率优选为0.3W，激光扫描频率优选为8kHz，激光扫描速度优选为600mm/s；激光扫描组件烧结所加工的实体时的激光功率优选为1W，激光扫描频率优选为8kHz，激光扫描速度优选为600mm/s。且此时所加工出的隔离体为全部区域内粉末颗粒之间为接触面积小的点接触和/或线接触的结构，或者该隔离体为部分区域内粉末颗粒之间为接触面积小的点接触和/或线接触的结构；所加工的实体为致密、平滑的结构，从而便于将所加工的实体与铺粉基板分离，以及避免所加工的实体的外形在分离过程中发生变形。
其次，如图1和图2所示，本发明还提供了一种易于实体分离的激光快速成型装置，以实现上述方法，具体地，其包括保护气体处理室1，所述保护气体处理室1内设置有机架8，所述机架8上设置有成型缸5和送粉缸4。其中，所述成型缸5内竖直滑动连接有铺粉基板2，所述铺粉基板2的上方设置有激光扫描组件，所述铺粉基板2的下端传动连接有用来驱动铺粉基板2上下移动的成型驱动组件11；所述送粉缸4内竖直滑动连接有送粉板7，所述送粉板7的下端传动连接有用来驱动送粉板7上下移动的送粉驱动组件12；所述机架8上还设置有环形刮刀9，所述环形刮刀9为上端封闭，下端开口的筒状结构，且所述环形刮刀9的一端传动连接有铺粉驱动组件10，所述铺粉驱动组件10能够驱动环形刮刀9从送粉缸4上方移动至成型缸5上方，并将送粉缸4内的粉末封闭地转移至铺粉基板2上，并将粉末均匀地铺设在铺粉基板2上。而且所述铺粉驱动组件10既可以为直线驱动组件，也可以为旋转驱动组件。
所述保护气体处理室1内还设置有超声波发生器、干燥组件和加热组件，并通过超声波发生器所发超声波使铺粉基板2进行震动，并随着铺粉基板2的震动将其上方所铺粉末振实，以保证所加工的实体的致密度，另外，在对所加工进行分离时，还可以随铺粉基板2的震动使铺粉基板2、隔离体、所加工的实体之间成功分离；通过干燥组件保证加工所用粉末的干燥，通过加热组件实现激光加工前的预热。
另外，为了提高铺粉基板2的运动精度，本发明还设置有用来测量铺粉基板2与环形刮刀9之间距离或用来测量铺粉基板2上所铺粉末的上表面与环形刮刀9之间距离的位移传感器，所述位移传感器的测量精度小于1μm。而且所述位移传感器上通信连接有高度调节控制器，所述高度调节控制器能够根据位移传感器的输出信号控制成型驱动组件11调整铺粉基板2的高度，并最终达到精准调整铺粉基板2与环形刮刀9之间距离的目的。
此外，以生产分辨率小于50μm的微型钨体为例，当利用本发明进行易于实体分离的激光快速成型加工时，其包括以下步骤：
步骤一，干燥并预热纳米钨粉末，对保护气体处理室1进行抽真空处理，直至保护气体处理室1内压力＜10-5mbar；然后再冲入工艺气体直至保护气体处理室1内压力达到500mbar，其中工艺气体优选为氩气和氦气；
步骤二，铺粉基板2在成型驱动组件11的控制下下移一定距离，环形刮刀9在铺粉驱动组件10的控制下移动到成型缸5上端，并通过位移传感器测试其与铺粉基板2上表面之间的距离，然后再根据位移传感器所得数据和激光快速成型加工要求的层高对实际粉层厚度进行高度调节；
步骤三，环形刮刀9返回到送粉缸4上方，送粉板7上移一定距离将钨粉推出，环形刮刀9将钨粉均匀铺在铺粉基板2的上表面上并调平，然后再通过500Hz的超声波将铺粉基板2上的钨粉压实，并减少钨粉在环形刮刀9内壁上的滑动；
步骤四，通过激光扫描组件将激光整形为方形或高斯光束后引导至铺粉基板2上，并通过较低的激光功率和烧结温度将铺粉基板2上的第一层钨粉层选择性烧结成隔离体；
步骤五，重复步骤二和步骤三，在铺粉基板2上表面铺设第二层钨粉层，并通过超声波对铺粉基板2上的第二层钨粉层进行调平和压实；
步骤六，根据微型钨体的形状、结构要求，调整激光扫描组件的参数，然后再通过激光扫描组件对铺粉基板2上的第二层钨粉层进行选择性照射和烧结，并在步骤四所构成的隔离体的上方形成所加工的微型钨体的底层；
步骤七，重复步骤五和步骤六，直至成型缸5中形成所要加工的微型钨体；
步骤八，对铺粉基板2施加超声波，并通过超声波将所加工的实体、隔离体、铺粉基板2彼此分离，随后结束加工。
需要说明的是，本发明所提供的易于实体分离的激光快速成型装置中成型缸5、送粉缸4和环形刮刀9的数量既可以为一个，也可以为多个，其具体数量和位置关系可以根据具体的生产情况进行确定。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种易于实体分离的激光快速成型方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一，在铺粉基板上表面铺设第一层粉末层，并对第一层粉末层进行调平和压实；
步骤二，通过激光扫描组件对铺粉基板上的第一层粉末层进行照射和烧结，使第一层粉末层形成粉末颗粒与铺粉基板之间存在空间孔隙或粉末颗粒之间接触面积小于所加工的实体的隔离体；
步骤三，在铺粉基板上表面铺设第二层粉末层，并对第二层粉末层进行调平和压实；
步骤四，根据所加工的实体的要求，调整激光扫描组件的参数，然后再通过激光扫描组件对铺粉基板上的第二层粉末层进行选择性照射和烧结，并在步骤二所构成的隔离体的上方形成所加工的实体的底层；
步骤五，重复步骤三和步骤四，直至在铺粉基板上形成所加工的实体；
步骤六，对铺粉基板施加超声波，并通过超声波使所加工的实体、隔离体和铺粉基板之间彼此分离。
2.根据权利要求1所述的易于实体分离的激光快速成型方法，其特征在于，所述步骤一中铺设第一层粉末层所用粉末与步骤三中铺设第二层粉末层所用粉末为同一种粉末。
3.根据权利要求2所述的易于实体分离的激光快速成型方法，其特征在于，在步骤二中，所述隔离体的烧结温度低于步骤四中所加工的实体的烧结温度，所述隔离体的烧结用激光功率低于步骤四中所加工的实体的烧结用激光功率。
4.根据权利要求3所述的易于实体分离的激光快速成型方法，其特征在于，激光扫描组件烧结隔离体时的激光功率为0.3W，激光扫描频率为8kHz，激光扫描速度为600mm/s；激光扫描组件烧结所加工的实体时的激光功率为1W，激光扫描频率为8kHz，激光扫描速度为600mm/s。
5.一种易于实体分离的激光快速成型装置，其特征在于，包括机架，所述机架上设置有成型缸，所述成型缸内竖直滑动连接有铺粉基板，所述铺粉基板的上方设置有激光扫描组件，所述铺粉基板的下端传动连接有用来驱动铺粉基板上下移动的成型驱动组件；所述机架上还设置有送粉缸，所述送粉缸内竖直滑动连接有送粉板，所述送粉板的下端传动连接有用来驱动送粉板上下移动的送粉驱动组件；所述机架上还设置有环形刮刀，所述环形刮刀的一端传动连接有铺粉驱动组件，所述铺粉驱动组件能够驱动环形刮刀从送粉缸上方移动至成型缸上方。
6.根据权利要求5所述的易于实体分离的激光快速成型装置，其特征在于，所述环形刮刀为上端封闭，下端开口的筒状结构。
7.根据权利要求6所述的易于实体分离的激光快速成型装置，其特征在于，还包括位移传感器，所述位移传感器用来测量铺粉基板与环形刮刀之间距离或用来测量铺粉基板上所铺粉末的上表面与环形刮刀之间距离；所述位移传感器上通信连接有高度调节控制器，所述高度调节控制器能够根据位移传感器的输出信号控制成型驱动组件调整铺粉基板的高度。
8.根据权利要求6所述的易于实体分离的激光快速成型装置，其特征在于，还包括保护气体处理室，所述机架、成型缸、送粉缸、环形刮刀均位于保护气体处理室内。
9.根据权利要求8所述的易于实体分离的激光快速成型装置，其特征在于，所述保护气体处理室内还设置有超声波发生器。
10.根据权利要求8所述的易于实体分离的激光快速成型装置，其特征在于，所述保护气体处理室内设置有干燥组件和加热组件。
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