CN1603031A - 一种金属零件选区激光熔化快速成型方法及其装置 - Google Patents
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本发明提供一种金属零件选区激光熔化快速成型方法及其装置，该方法包括建立CAD几何模型、对几何模型进行分层离散、逐层铺粉、采用高功率密度、高光束质量因子的激光器，通过光束聚焦系统形成30～50μm的聚焦光斑，把金属或合金粉末逐层熔化，堆积成一个冶金结合、组织致密的实体。该装置包括半导体泵浦YAG激光器或光纤激光器、光束聚焦系统、成型件缸和粉末缸组成，半导体泵浦YAG激光器或光纤激光器与光束聚焦系统相光路连接，并聚焦扫描于成型件缸，成型件缸通过铺粉滚筒与粉末缸相连接，铺粉滚筒连接有驱动电机，驱动电机与计算机相连接。本发明光束模式好，金属零件加工后机械性能良好、尺寸精度和表面光洁度高，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及金属零件成型加工领域，特别涉及一种金属零件选区激光熔化快速成型方法及其装置。
背景技术
目前，用于直接制造金属零件的快速原型制造技术主要有两类：(1)选区激光烧结SLS(Selective Laser Sintering)；(2)激光熔覆为基的金属件直接成型技术。
选区激光烧结SLS(Selective Laser Sintering)制造金属零件的方法包括采用低熔点金属或有机粘接材料包覆在金属粉末表面，选区激光照射时，在激光作用下低熔点金属或粘接材料熔化，而金属粉末不熔化，形成的三维实体为类似粉末冶金烧结的坯件，实体存在一定比例孔隙，一般为60％左右，远不能达到100％的密度。金属零件成型后，需再经过后处理，一般采用高温烧结或渗金属的方法，使成型件致密化。这种方法的设备配置方面采用50～200W的CO2激光器，光斑尺寸0.1～0.7mm，由于激光的功率密度不高，工业上难应用于金属粉末的烧结，多用于工程塑料或有机材料粉末的烧结。
激光熔覆为基的金属件直接成型技术，美国称之为LENS(LaserEngineered N et Shaping)，在德国称之为LG(Laser Generating)，在我国也称为“激光熔覆快速成型”、“激光近形制造”或简称“激光快速成型”。该方法采用一种同轴环形粉末喷嘴，大功率Nd:YAG固体激光器或CO2激光器，输送的粉末汇聚点与激光作用点重合，通过工作台或喷嘴移动，获得堆积的熔覆实体，致密度达到近乎100％，组织具有快速凝固特征，性能较常规方法略有提高。然而此技术使用的是大功率激光器，包括千瓦级的CO2和Nd:YAG激光器，虽然可以得到冶金结合的致密金属实体，但由于激光作用区的光斑较大，一般在1mm左右，所以所得金属零件尺寸精度和表面光洁度都比较差，只能制作粗毛坯，需进一步进行精加工后才能使用。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种能够直接制造出具有较高尺寸精度和表面光洁度的金属模具、功能原型、有复杂形状或空腔结构的部件、医学植入体等的金属零件选区激光熔化快速成型方法，本发明的目的还在于提供一种实现上述方法的金属零件选区激光熔化快速成型装置。
本发明通过下述技术方案实现：所述一种金属零件选区激光熔化快速成型方法包括下列步骤和工艺条件：
第一步给金属零件建立CAD几何模型，并进行分层离散；
第二步采用粉末缸和成型件缸组成的双缸结构，将粉末缸中的金属或合金粉末，铺至成型件缸中；
第三步采用输出功率100～200W、光束质量因子为M2＝1.1～2的半导体泵浦YAG激光器或光纤激光器扫描金属或合金粉末，在激光与金属或合金粉末交互作用面上获得30～50μm的聚焦光斑，将金属或合金粉末熔化；
第四步通过分层离散，重复第二、三步的过程，使金属或合金粉末逐层熔化，堆积成一个实体，获得成型金属零件。
为了更好地实现本发明，所述金属或合金粉末包括不锈钢、钛合金、镍基合金和工具钢的粉末材料，粉末粒子尺寸＜10μm；所述成型件缸中实施惰性气体保护。
所述一种金属零件选区激光熔化快速成型装置包括半导体泵浦YAG激光器或光纤激光器、光束聚焦系统、成型件缸和粉末缸组成，其相互连接关系为，所述半导体泵浦YAG激光器或光纤激光器与光束聚焦系统相光路连接，并聚焦扫描于成型件缸，所述成型件缸通过铺粉滚筒与粉末缸相连接，所述成型件缸和粉末缸分别连接有升降活塞，所述铺粉滚筒连接有驱动电机，驱动电机与计算机相连接。
为了更好地实现本发明，所述半导体泵浦YAG激光器或光纤激光器的输出功率为100～200W，光束质量因子为M2＝1.1～2；所述光束聚焦系统包括依次光路连接的扩束镜、聚焦镜和扫描振镜，扫描振镜与计算机相连接；所述光束聚焦系统还包括依次光路连接的扩束镜、扫描振镜和Fθ组合透镜，扫描振镜与计算机相连接；所述扫描振镜包括X、Y双振镜，有效宽度24～30mm，响应速度＜1微秒。
本发明的原理如下：根据公式d＝4λM2F/(πD)，其中：d为聚焦光斑，M2为光束质量因子，d与M2成正比关系。本发明的核心是要获得30～50μm的聚焦光斑，这样才能达到所需的功率密度＞5×106W/cm2，才能把金属粉末熔化，而只有M2＝1.1～2才能达到聚焦光斑的要求(能够达到上述要求的激光发生器包括半导体泵浦YAG激光器和光纤激光器)。高质量、高功率密度激光的聚焦光斑把金属或合金粉末逐层熔化，堆积成一个冶金结合、组织致密的实体，实体密度达到90～100％。把成型后的金属零件在密封并充满高纯惰性气体的成型件缸内进行整体保护。同时，在金属或合金粉末成型件分层熔化过程中，为了保证活性元素不产生氧化，还需要进行局部气体保护。
本发明相对于现有技术具有如下优点和效果：
1、光束模式好，本发明使用功率在100～200W的半导体泵浦YAG激光器或光纤激光器，可以达到30～50μm的聚焦光斑，功率密度达到5×106W/cm2以上。
2、金属零件机械性能良好，本发明采用聚焦光斑把金属或合金粉末逐层熔化，堆积成一个冶金结合、组织致密的实体，实体密度接近100％，可以防止裂纹和气孔的发生，并使加工后的金属零件具有较好的机械性能，具有比冶炼方法获得的同成分材料较高的强度和硬度。
3、金属零件尺寸精度和表面光洁度高，由于采用的聚焦光斑尺寸为30～50μm，加工后金属零件的表面粗糙度可达30～50μm，尺寸精度可达0.1mm，这为精密零件的成型奠定了基础，金属零件在经过表面抛光或喷沙处理后即可作为成品零件使用。
4、适用范围广，本发明可以直接制造不锈钢、工具钢、钛合金、镍基合金和工具钢的三维实体构件，完成各种复杂形状零件的快速成型，如金属模具、功能原型、有复杂形状或空腔结构的部件、医学植入体等。
附图说明
图1是本发明的一种金属零件选区激光熔化快速成型方法的工艺流程原理图；
图2是本发明实施例一的一种金属零件选区激光熔化快速成型装置的结构示意图；
图3是本发明实施例二的一种金属零件选区激光熔化快速成型装置的结构示意图；
图4是本发明金属零件成型后局部气体保护示意图。
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。
如图1所示，本发明的一种金属零件选区激光熔化快速成型方法的工艺流程是：(1)建立几何模型——(2)对几何模型进行分层离散——(3)将粉末缸中的金属或合金粉末，铺至成型件缸中——(4)激光扫描进行激光熔化快速成型——(5)重复铺粉、扫描的过程，直至成型完成——(6)取下工件。
实施例一
如图2所示，金属零件选区激光熔化快速成型装置采用前聚焦方式，包括激光器1以及扩束镜2、聚焦镜3、扫描振镜4组成的光束聚焦系统，成型件缸5通过铺粉滚筒6与粉末缸7相连接，成型件缸5和粉末缸7连接有升降活塞8。成型件缸5、铺粉滚筒6、粉末缸7、升降活塞8以及相应控制驱动部件和计算机构成粉末铺设系统。其中，激光器1采用半导体泵浦YAG激光器及其附设的电源、水冷系统，激光功率100瓦，波长1.06μm，光束质量因子M2＝1.5，激光输出光斑3～6毫米；扫描振镜4采用X、Y双振镜，有效宽度24～30mm，响应速度＜1微秒；聚焦镜3采用Φ40、焦距f＝500mm的透镜。激光9从激光器1输出后，经扩束镜2扩束成24mm，经聚焦镜3照射在扫描振镜4表面，然后在距透镜500mm处聚焦，即成型件缸5内激光9与金属粉末的交互作用点，通过扫描振镜4的微小摆动，可以实现聚焦点的平面移动。升降活塞8采用精度为±1μm的精密丝杠带动，实现成型件缸30～50μm的升降移动。铺粉滚筒6由电机带动，在计算机的控制下自动完成铺粉和回位的动作，粉末缸7中的金属粉末采用工具钢粉末材料，粉末粒子尺寸＜10μm。计算机把设计的CAD三维模型经Magics等通用软件切片，然后通过针对本装置扫描振镜模块参数编写的路径生成软件实现几何模型扫描加工控制。
实施例二
如图3所示，金属零件选区激光熔化快速成型装置采用后聚焦方式，光束聚焦系统包括扩束镜2、扫描振镜4和Fθ组合透镜10，激光器1采用光纤激光器。其中，Fθ组合透镜10的焦距f＝160～200mm。激光9从激光器1输出，经扩束镜2扩束后，先照射在扫描振镜4表面，然后经过Fθ组合透镜10聚焦，即成型件缸5内激光9与金属粉末的交互作用点，同样通过扫描振镜4的微小摆动，可以实现聚焦点的平面移动。粉末缸7中的金属粉末采用不锈钢粉末材料，粉末粒子尺寸＜10μm。其它结构与实施例一相同。
实施例三
金属零件选区激光熔化快速成型装置中的激光器1采用半导体泵浦YAG激光器及其附设的电源、水冷系统，激光功率150瓦，光束质量因子M2＝1.1；粉末缸7中的合金粉末采用镍基合金粉末材料，粉末粒子尺寸＜10μm。其它结构与实施例一相同。
实施例四
金属零件选区激光熔化快速成型装置中的激光器1采用半导体泵浦YAG激光器及其附设的电源、水冷系统，激光功率200瓦，光束质量因子M2＝2；粉末缸7中的合金粉末采用钛合金粉末材料，粉末粒子尺寸＜10μm。其它结构与实施例一相同。
在金属零件成型后，需放入成型件缸进行惰性气体保护，成型件缸密封并充满高纯氩气。如图4所示，在合金粉末成型件11分层熔化过程中，为了保证活性元素不产生氧化，还需要局部气体保护，即将高纯氩气输送管设计成“回”字形或圆环形，环绕在进行熔化的合金粉末成型件11周围，在管壁上开有小孔，向合金粉末成型件11周围释放高纯氩气，形成局部气体保护。
如上所述，即可较好地实现本发明。
Claims (8)
1、一种金属零件选区激光熔化快速成型方法，其特征是，包括下列步骤和工艺条件：
第一步给金属零件建立CAD几何模型，并进行分层离散；
第二步采用粉末缸和成型件缸组成的双缸结构，将粉末缸中的金属或合金粉末，铺至成型件缸中；
第三步采用输出功率100～200W、光束质量因子为M2＝1.1～2的半导体泵浦YAG激光器或光纤激光器扫描金属或合金粉末，在激光与金属或合金粉末交互作用面上获得30～50μm的聚焦光斑，将金属或合金粉末熔化；
第四步通过分层离散，重复第二、三步的过程，使金属或合金粉末逐层熔化，堆积成一个实体，获得成型金属零件。
2、根据权利要求1所述的一种金属零件选区激光熔化快速成型方法，其特征是，所述金属或合金粉末包括不锈钢、钛合金、镍基合金和工具钢的粉末材料，粉末粒子尺寸＜10μm。
3、根据权利要求1所述的一种金属零件选区激光熔化快速成型方法，其特征是，所述成型件缸中实施惰性气体保护。
4、一种金属零件选区激光熔化快速成型装置，其特征是，包括半导体泵浦YAG激光器或光纤激光器、光束聚焦系统、成型件缸和粉末缸组成，其相互连接关系为，所述半导体泵浦YAG激光器或光纤激光器与光束聚焦系统相光路连接，并聚焦扫描于成型件缸，所述成型件缸通过铺粉滚筒与粉末缸相连接，所述成型件缸和粉末缸分别连接有升降活塞，所述铺粉滚筒连接有驱动电机，驱动电机与计算机相连接。
5、根据权利要求4所述的一种金属零件选区激光熔化快速成型装置，其特征是，所述半导体泵浦YAG激光器或光纤激光器的输出功率为100～200W，光束质量因子为M2＝1.1～2。
6、根据权利要求4所述的一种金属零件选区激光熔化快速成型装置，其特征是，所述光束聚焦系统包括依次光路连接的扩束镜、聚焦镜和扫描振镜，扫描振镜与计算机相连接。
7、根据权利要求4所述的一种金属零件选区激光熔化快速成型装置，其镜，扫描振镜与计算机相连接。
8、根据权利要求4所述的一种金属零件选区激光熔化快速成型装置，其特征是，所述扫描振镜包括X、Y双振镜，有效宽度24～30mm，响应速度＜1微秒。
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