CN201300207Y - 一种金属零件选区激光熔化快速成型设备 - Google Patents

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陈光霞
王泽敏
曾晓雁
关凯
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Abstract

本实用新型公开了一种三缸可加热式选区激光熔化快速成型设备，主要包括激光器、扫描振镜、F－θ组合透镜、回收缸、成型缸、送粉缸、加热板、基板调平和铺粉装置、气体净化系统和控制系统。基板调平、加热和铺粉装置，以及三个工作缸体位于腔体内，气体净化系统通过管道与腔体相连。控制系统分别与激光器、扫描振镜、加热板、驱动各活塞和丝杠的伺服电机、以及气体净化系统电连接。利用该设备，在预热和保温的金属基板上逐层铺粉，然后利用连续的固体激光器，配合送粉缸上升、成型缸和回收缸下降，将粉末逐层熔化，可以快速地加工出任意形状的金属零件，并能基本消除零件的变形，零件具有良好的尺寸精度和表面粗糙度、高的致密度和机械性能。

Description

一种金属零件选区激光熔化快速成型设备
技术领域
本实用新型涉及一种金属零件的选区激光熔化快速成型设备，特别涉及一种三缸可加热式金属零件的激光选区熔化快速成型设备。
背景技术
目前，用于金属零件的激光快速成型技术主要有三种：①激光熔覆直接制造技术(DLF)；②选择性激光烧结制造技术(SLS)；③选择性激光熔化制造技术(SLM)。
激光熔覆直接制造技术是采用大功率的Nd:YAG或CO2激光器为能量源，以同轴喷嘴输送金属粉末，输送的粉末汇聚点与激光作用点重合。工作时，金属粉末通过喷嘴源源不断地送入熔池而形成与基体金属冶金结合且稀释率很低的新金属层，通过工作台或喷嘴的移动，获得堆积的金属实体。其缺点在于：激光光斑较大，所得零件的尺寸精度和表面光洁度较差，需要进一步进行精加工才能使用；同时，该方法难以制造形状复杂程度高的零件，特别是对具有悬空特征和曲率过大零件的制造无能为力。
选择性激光烧结制造技术将金属粉末和某种粘结剂按一定比例混合均匀，用激光束对混合粉末进行选择性扫描，激光的作用使低熔点的粘结剂熔化并将金属粉末粘结在一起，形成金属零件的坯体。再将金属零件坯体进行适当的后处理，如进行二次烧结来进一步提高金属零件的强度和其它力学性能。其缺点在于：工艺过程较复杂，无法获得高致密度的零件，零件的力学性能较差且尺寸精度不高，需要进行二次高温烧结以提高力学性能。
选择性激光熔化制造技术是通过滚筒或刮板铺粉，聚焦激光束根据图形作选择性扫描熔化实现金属零件的直接制造，主要适合制作高尺寸精度和表面光洁度的小型金属零件。中国专利文献“一种金属零件选区激光熔化快速成型装置”(ZL200420094739.5)公开了一种采用选择性激光熔化技术制造金属零件的加工系统。该系统主要包括激光器、光束聚焦系统、铺粉滚筒、成型件缸和粉末缸。铺粉时，粉末缸上升，铺粉滚筒依次经过粉末缸和成型件缸完成铺粉过程。光束聚焦系统位于成型件缸上方，激光通过该聚焦系统聚焦于成型件缸表面，由扫描振镜控制激光光斑移动，完成单层激光加工后，铺粉滚筒回至初始位置。循环进行粉末缸上升、滚筒铺粉、激光扫描和成型件缸下降完成整个零件的成型制造。但根据上述描述和附图可以看出，该设备具有以下几个不足：
(1)该设备只对成型件缸进行了局部的气体保护，对于钛合金等高活性金属难以防止零件发生氧化。由于整个设备没有气体净化系统，激光熔化金属粉末产生的纳米粉末粉尘弥散在整个工作腔体中，污染激光聚焦镜，导致聚焦镜在激光的作用下容易发生损坏。设备排出的粉尘对操作人员的健康不利。
(2)铺粉滚筒易粘粉，特别不适合小粒径金属粉末材料的平铺，同时获得的最小铺粉层厚较厚，限制了后续制造零件的精密程度。
(3)该设备中没有粉末无回收缸，每一层激光扫描完成后，铺粉滚筒直接经成型件缸、粉末缸回至初始位置，将熔化层表面残留的的大颗粒杂质刮回了粉末缸。再次铺粉时，这些大颗粒杂质不但阻碍滚筒运动导致铺粉不均匀，还会夹杂在成型零件之中影响其组织性能。
(4)设备的成型件缸内以松散的金属粉末作为零件的底层支撑，第一层粉末材料在熔化后会发生收缩翘曲而不平整，直接导致后续铺粉层的厚度不均匀，粉末在熔化后表面凹凸不平，从而影响整个零件的成型精度或导致激光成型过程终止。
(5)选择性激光熔化制造零件是急冷急热的过程，零件内部会产生较大的内应力，该设备制造的金属零件处于自由状态，零件的变形无法控制，尤其难以制造薄壁的金属零件。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种金属零件选区激光熔化快速成型设备，采用该设备可快速地加工出任意形状的金属零件，能基本消除零件的变形，零件具有良好的尺寸精度和表面粗糙度、高的致密度和机械性能。
本实用新型提供的金属零件选区激光熔化快速成型设备，它包括激光器、X-Y两轴扫描振镜、F-θ组合透镜、成型缸、送粉缸、第一、第二活塞，其特征在于：它还包括基板调平和铺粉装置、气体净化系统、回收缸和控制系统。
激光器的出光口、扩束镜、X-Y两轴扫描振镜、F-θ组合透镜和保护镜片依次位于同一光路上。
成型缸位于回收缸和送粉缸之间，并均位于腔体内；三个缸的工作表面位于同一水平面上，构成一个工作台，回收缸、成型缸和送粉缸的下端分别与各活塞连接，各活塞分别连接有伺服电机；回收缸上部安装有金属过滤筛，成型缸内设有加热板，加热板通过螺栓固定在第二活塞的上表面，加热板的上表面加工有定位螺纹孔，用于固定基板。
基板调平和铺粉装置位于腔体内，它包括悬臂梁、滑轨、刮板和丝杠；悬臂梁上部沿Y轴方向安装有滑轨，滑轨与工作台面与平行；调平支架垂直安装在滑轨上，并能沿着滑轨在Y轴方向前后滑动，调平支架上开有贯穿圆孔和紧固螺钉，紧固螺钉的轴线与圆孔的几何轴心垂直；刮板被置于定位板下端的凹槽处，刮板的上端面和侧面分别与定位板的凹槽的两个端面紧靠，利用压板将刮板平整压紧并紧固；刮板的长度与基板沿Y轴方向的长度相等；定位板通过螺栓沿Y轴方向安装在悬臂梁的下部；所述工作台的Y方向一侧沿X轴方向平行安装有丝杠，丝杠与伺服电机连接；悬臂梁垂直安装在丝杠上。
气体净化系统通过管道与腔体相连；控制系统分别与激光器、X-Y两轴扫描振镜、加热板、驱动各活塞和丝杠的伺服电机、以及气体净化系统电连接，计算机与控制系统相连。
本实用新型将快速成型技术与激光加工技术相结合，将扫描振镜用于金属零件的直接成型，大幅度提高了成型件的成型效率、成型精度和质量。为获得精密、少或无缺陷的金属零件，本实用新型采用了三工作缸设置、基板加热及调平、刮板铺粉等新设计。具体而言，本实用新型具有以下技术效果：
(1)采用三工作缸设置，增加了粉末回收缸。每一层加工完毕后，刮板将铺粉过程中多余的粉末以及熔化层表面的大颗粒杂质一同刮入设有过滤网的粉末回收缸中，保证了新的熔化层的激光成型质量。过滤后贮存在回收缸中的粉末可直接重新利用，提高了粉末的利用率。
(2)在成型件缸的活塞上方固定一定厚度的表面平整的金属板作为成型基板，金属零件牢固结合生长在基板表面，从而可以控制零件在成型过程中发生热变形。
(3)基板调平和定位装置可充分保证基板与刮板平行，结合无磁性且具有特殊形状的刮板进行铺粉，能获得最小铺粉层厚较小的均匀粉末层，实现高精度零件的成型加工。
(4)成型件缸内设有加热系统，可预热基板和金属粉末，能减少成型零件内部产生的内应力，防止工件尤其是复杂薄壁工件的变形和产生裂纹。同时热的粉末也增加了对激光的吸收率。
(5)激光快速成型在封闭的腔体内进行，腔体配备有抽气、换气和过滤功能的气体净化系统，不但能防止金属零件发生氧化，而且能过滤吸收激光成型过程中产生的烟尘，使激光聚焦镜免受污染，同时保护操作人员不受有害粉尘的伤害。
附图说明
图1为本实用新型的选区激光熔化快速成型设备的结构示意图；
图2为本实用新型的基板的安装和调平俯视图；
图4为本实用新型的铺粉刮板安装示意图，其中，3A为主视图，3B为侧视图；
图4为本实用新型的一种铺粉刮板的结构示意图，其中，4A为主视图，4B为侧视图，4C为俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，本实用新型主要包括激光器1、X-Y两轴扫描振镜3、F-θ组合透镜4、控制系统10、回收缸11、成型缸13、送粉缸16、加热板15、气体净化系统18、腔体20、基板调平和铺粉装置。
激光器1的出光口、扩束镜2、X-Y两轴扫描振镜3、F-θ透镜4和保护镜片5依次位于同一光路上。激光器1发出的水平激光束经过扩束镜2后射入X-Y两轴扫描振镜3中被转变90°，转向后的激光束被F-θ组合透镜4聚焦后经过保护镜片5形成聚焦激光束6，聚焦激光束6的焦点位置位于成型缸13的表面。保护镜片5的作用是为了防止激光成型过程中产生的烟尘污染F-θ组合透镜4。
成型缸13位于回收缸11和送粉缸16之间，三个缸的工作表面位于同一水平面上，构成一个工作台，并且各个缸的下端分别连接有升降活塞17、17′、17″。回收缸11上部安装有金属过滤筛12，能将刮板8刮入的粉末进行过滤，除去其中的大颗粒杂质，避免其累积后将刮板8抬起影响铺粉质量，过滤后的金属粉末落入回收缸11内被回收再利用。金属过滤筛12的网眼尺寸根据激光成型所用粉末的最大粒径而定。成型缸13内设有加热板15，加热的温度范围为25～120℃。加热板15通过4个螺栓被固定在活塞17′的上表面，在固定后其上表面与工作台面保持平行。加热板15的上表面加工有三个定位螺纹孔，设备工作时通过这三个定位螺孔能将基板14固定在加热板15的上表面。
参见图1和图2，基板调平和铺粉装置的结构为：悬臂梁9上部沿Y轴方向安装有滑轨26，滑轨26与工作台面保持平行。调平支架7垂直安装在滑轨26上，并能沿着滑轨26在Y轴方向前后滑动，调平支架7上开有贯穿圆孔25和紧固螺钉24，紧固螺钉24的轴线与圆孔25的几何轴心垂直。
参见图3，刮板8被置于定位板28下端的凹槽处，刮板8的上端面和侧面分别与定位板28的凹槽的两个端面紧靠，利用压板29将刮板8平整压紧并用4个螺钉30紧固。刮板8的长度与基板14沿Y轴方向的长度相等。通过2个贯穿的方形槽27用螺栓将定位板28沿Y轴方向初步固定在悬臂梁9的下部。当需要更换刮板时，将定位板28从悬臂梁9上卸下，松开螺钉30取下旧刮板，然后重复上述步骤安装新的刮板。工作台的Y方向一侧沿X轴方向平行安装有丝杠21，丝杠21由伺服电机驱动。悬臂梁9垂直安装在丝杠21上，在伺服电机的带动下，丝杠21能够带动悬臂梁9及其上的调平支架7、滑轨26、定位板28及其上的刮板8整体沿X轴方向左右运动，实现基板调平、刮板铺粉和回收粉末的动作。
激光成型的工作台、基板调平和铺粉装置整体位于封闭的腔体20中，气体净化系统18通过进气管道和出气管道分别与腔体20相连，构成一个封闭的内部气体循环系统。气体净化系统18具有抽真空、回充气体、换气和过滤粉尘的功能，能够将腔体20抽真空至10Pa的真空度，同时回充氮气或氩气等保护气体，并能在激光成型过程通过换气维持腔体20内的氧含量小于1PPM，防止激光成型零件的表面发生氧化。气体净化系统18中设置的过滤器可以将激光成型过程中产生的纳米烟尘过滤吸收，保护操作人员不受有害粉尘的伤害。
控制系统10分别用控制线与激光器1的光闸、X-Y两轴扫描振镜3的摆动电机、加热板15的温控设备、驱动活塞17、17′、17″和丝杠21的伺服电机、以及气体净化系统18的开关电连接。计算机19与控制系统10相连，由计算机19中的专用激光成型软件发出指令可分别或同时控制激光器1的开光或关光，扫描振镜3的启动、停止、扫描速度和扫描路径，加热板15的开启、停止和温度控制，活塞17的上升、下降和升降速度，悬臂梁9的左右运动和运动速度，以及气体净化系统18的开启或停止。
激光成型前，需要完成基板14的安装和调平。参见图2，安装前，基板14需要进行机械加工，使基板14的上下表面平行。同时在基板14上加工出贯穿基板的三个定位螺纹孔22和三个调平螺孔23，基板14上的三个定位螺纹孔22与加热板15上的三个定位螺纹孔的位置相同，螺纹孔22和23同时作用能实现基板14的固定和调平。
基板14的安装和调平步骤如下：首先将基板14的上表面喷砂获得一定的粗糙度，以利于激光成型时第一层金属粉末熔化后和基板牢固结合。将喷砂后的基板14装入成型缸13中加热板15的上面，将基板14上的三个定位螺纹孔22与加热板15的三个定位螺纹孔上下对齐，用螺杆将基板14初步固定在加热板15上。同时，将另外三个螺杆分别旋入基板14的三个调平螺纹孔23中，但不紧固。将千分表垂直安装于调平支架7上的圆孔25中，调整千分表的上下位置，使表针刚好作用于基板14的表面，此时用紧固螺钉24将千分表紧固。利用丝杠21和滑轨26可以使千分表到达基板14表面的任何位置，根据三点确定一个平面的原理和千分表在各个位置的高度变化，反复配合调节定位螺纹孔22和调平螺纹孔23内的螺杆，最终使基板14表面上各个位置的高度差别在±1μm以内，同时保证基板14牢牢固定在加热板15上。此时基板14的上表面与工作台面平行。
当基板14完成安装和调平后，还需将刮板8的位置进行最后的调整和定位。步骤如下：通过升高或降低成型缸13中的活塞17′，使基板14的上表面与工作台面处于同一水平面上。用手垂直向下轻压定位板28，并利用方形槽27调整定位板28的上下位置，使刮板8的刃口与基板14之间无间隙接触，此时紧固方形槽27中的螺栓完成刮板8在悬臂梁9上的最后安装。
当完成基板14的安装和调平，以及刮板8的安装后，整个激光快速成型设备就可以开始工作。具体的工作流程如下：
(1)刮板8移动至送粉缸16右侧的初始位置(见图1)，送粉缸16中的活塞17″和成型缸13中的活塞17′分别下降一定距离。通过腔体20上的操作窗口，用一定数量和粒径的金属或合金粉末把送粉缸16装满。然后关闭手动操作窗口，将腔体20密封。
(2)开启气体净化系统18，气体净化系统18内的真空泵开始工作将腔体20抽真空。当真空度达到10Pa时，真空泵自动停止工作，向腔体20中充入纯度为99.999％的保护气体(氮气、氩气、氦气或上述气体组成的混合气体)，当腔体20内的氧含量降低到1PPM以下时，充气停止。在整个激光成型过程中，气体净化系统18将一直处于工作状态，利用换气功能使腔体20内的氧含量保持在1PPM以下。
(3)在气体净化系统18开始工作的同时，加热板15开始工作，将金属基板14加热到80～100℃(根据零件的材料而定)，金属基板14在整个激光成型过程中保持在设定的加热温度。
(4)将设计好的三维零件以STL格式文件输入计算机19中，利用分层切片软件对零件进行分层离散，生成激光加工数控指令。开启激光器1，启动激光成型控制软件，在控制系统10的控制下，激光选区熔化快速制造零件的过程自动开始进行。
(5)送粉缸16中的活塞17″推动金属或合金粉末上升一定距离，保证有足够的粉末用于后续铺粉。刮板8以一定的速度从右向左运动，经过成型缸13时将粉末平铺在基板14的表面，获得一定厚度的均匀金属粉末层。刮板8最后在回收缸11的中间位置停止，铺粉过程中多余的粉末经过过滤筛12后落入回收缸11中。
(6)控制系统10控制X-Y两轴扫描振镜3使聚焦激光束6按照设定的运动轨迹扫描，并根据填充路径的需要自动控制激光器1的光闸开启或关闭，在一定的激光成型工艺参数下将基板14表面的粉末层熔化。
(7)回收缸11中的活塞17下降一定距离，同时成型缸13中的活塞17′带动基板14也下降一定距离，然后刮板8以一定的速度从左向右运动，回到右侧的初始位置。重复上述步骤(5)、(6)和(7)，直至完成整个零件的熔化堆积制造。
(8)加热板15停止工作，待基板14及其表面生长的零件的温度降至室温后，气体净化系统18停止工作，打开腔体20上的操作窗口，将基板和成型的金属零件一同取出，然后用线切割的方法从基板上切下零件。
为更好实现本实用新型，激光器为高光束质量连续固体激光器，激光功率为150～200W，聚焦光斑的直径为10～100μm。
本实用新型的刮板采用Al2O3或SiO2等陶瓷材料加工而成。由于陶瓷材料硬度高，在刮粉过程中不会因为摩擦产生磁性，不但能获得厚度均匀的预置粉末层，而且刮板的使用寿命很长。本实用新型的刮板的形状可采用多种方式实现，图4列举了刮板的一种具体的结构形式，但本实用新型所使用的刮板的形状并不局限于此。
本设备适用于铁基、不锈钢、工具钢、钴基合金、镍基合金、钛及钛合金等不同粒径的金属或合金粉末，但最大粒径大于或等于10μm；金属过滤筛的网眼尺寸比激光成型所用粉末的最大粒径略大。基板的材料特性与粉末材料相接近，基板的厚度为25～40mm，基板的最佳预热温度范围为80～100℃。
成型过程中，每次送粉缸上升的高度为1～3mm，回收缸下降的高度为1～2mm，成型缸下降的高度为10～30μm，基板表面铺粉的厚度为20～60μm。铺粉刮板的运动速度为1～10m/min，激光的扫描速度为50～3000mm/s。
实施例
为达到本实用新型的发明目的，可以选用GSI公司生产的X-Y两轴扫描振镜来实现激光束的扫描运动。为实现对腔体20的抽气、换气和过滤，同时保证腔体20在整个激光快速成型过程中始终保持低的氧含量(小于1PPM)，可以采用米开罗有限公司生产的MK100型超级净化系统作为本实用新型的气体净化系统。至于本实用新型设备的扩束镜、F-θ组合透镜、保护镜片、控制系统、工作台、活塞、刮板等结构，本领域技术人员可以通过商业化采购或以多种方式设计加工来具体实现。

Claims (1)

1、一种金属零件选区激光熔化快速成型设备，它包括激光器(1)、X-Y两轴扫描振镜(3)、F-θ组合透镜(4)、成型缸(13)、送粉缸(16)、第一、第二活塞(17、17′)，其特征在于：它还包括基板调平和铺粉装置、气体净化系统(18)、回收缸(11)和控制系统(10)；
激光器(1)的出光口、扩束镜(2)、X-Y两轴扫描振镜(3)、F-θ组合透镜(4)和保护镜片(5)依次位于同一光路上；
成型缸(13)位于回收缸(11)和送粉缸(16)之间，并均位于腔体(20)内；三个缸的工作表面位于同一水平面上，构成一个工作台，回收缸(11)、成型缸(13)和送粉缸(16)的下端分别与各活塞连接，各活塞分别连接有伺服电机；回收缸(11)上部安装有金属过滤筛(12)，成型缸(13)内设有加热板(15)，加热板(15)通过螺栓固定在第二活塞(17′)的上表面，加热板(15)的上表面加工有定位螺纹孔，用于固定基板(14)；
基板调平和铺粉装置位于腔体(20)内，它包括悬臂梁(9)、滑轨(26)、刮板(8)和丝杠(21)；悬臂梁(9)上部沿Y轴方向安装有滑轨(26)，滑轨(26)与工作台面与平行；调平支架(7)垂直安装在滑轨(26)上，并能沿着滑轨(26)在Y轴方向前后滑动，调平支架(7)上开有贯穿圆孔(25)和紧固螺钉(24)，紧固螺钉(24)的轴线与圆孔(25)的几何轴心垂直；刮板(8)被置于定位板(28)下端的凹槽处，刮板(8)的上端面和侧面分别与定位板(28)的凹槽的两个端面紧靠，利用压板(29)将刮板(8)平整压紧并紧固；刮板(8)的长度与基板(14)沿Y轴方向的长度相等；定位板(28)通过螺栓沿Y轴方向安装在悬臂梁(9)的下部；所述工作台的Y方向一侧沿X轴方向平行安装有丝杠(21)，丝杠(21)与伺服电机连接；悬臂梁(9)垂直安装在丝杠(21)上；
气体净化系统(18)通过管道与腔体(20)相连；控制系统(10)分别与激光器(1)、X-Y两轴扫描振镜(3)、加热板(15)、驱动各活塞和丝杠(21)的伺服电机、以及气体净化系统(18)电连接，计算机(19)与控制系统(10)相连。
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