CN203635915U

CN203635915U - 基于四激光双工位的激光选区熔化slm设备

Info

Publication number: CN203635915U
Application number: CN201320812374.4U
Authority: CN
Inventors: 杨永强; 宋长辉; 王迪; 叶梓恒
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2023-12-10

Abstract

本实用新型公开了一种基于四激光双工位的激光选区熔化SLM设备，所述设备包括光学系统、中央工控机、密封成型室以及移动面板，所述光学系统与中央工控机相连，所述密封成型室与光学系统相隔离且位于移动面板下方；所述光学系统包括两组光纤激光器以及与每组光纤激光器对应的光阀转向单元、可变式扩束准直镜单元和扫描振镜单元，所述光阀转向单元、可变式扩束准直镜单元和扫描振镜单元均设置在移动面板上，所述密封成型室在其中一个扫描振镜单元的双工位定位位置下方分别设有一个光学透镜，在另一个扫描振镜单元的双工位定位位置下方也分别设有一个光学透镜。本实用新型可以实现双工位扫描，保证了大尺寸成型零件的高效率、高精度加工。

Description

基于四激光双工位的激光选区熔化SLM设备

技术领域

本实用新型涉及一种激光选区熔化SLM设备，尤其是一种基于四激光双工位的激光选区熔化SLM设备，属于激光选区熔化技术领域。

背景技术

激光选区熔化SLM(Selective Laser Melting)设备集成了激光、精密传动、新材料、CAD/CAM等技术，通过30～80微米的精细激光聚焦光斑，逐线搭接扫描新铺粉层上选定区域，形成面轮廓后，层与层堆积成型制造，从而直接获得几乎任意形状、具有完全冶金结合的金属功能零件，致密度可达到近乎100％；SLM设备将复杂三维几何体简化为二维平面制造，制造成本不取决于零件的复杂性，而是取决于零件的体积和成型方向。

SLM设备作为直接制造金属功能零件的重要方式，其优势主要表现在：

1)采用分层制造技术，成型件不受几何复杂度的影响，对任意复杂成型金属零件可直接制造，对于个性化小批量复杂产品制造方便；

2)使用高功率密度的光纤激光器，光束模式好，激光光斑小，成型精度较高；

3)直接制成终端金属产品，由于激光能量密度较高，对熔点高难加工金属材料可直接加工成为终端金属产品；

4)成型金属零件是具有冶金结合的实体，其相对密度几乎达到100％，性能超过传统铸造件。

但目前市面上的激光选区熔化SLM设备成型面积受限于光学系统，单振镜最大成型区域280×280×350mm，不适用于大尺寸成型件。同时高功率大光斑扫描可提高效率，小光斑可以保证成型精度，现有的SLM设备很难保证高效率高精度同步进行，因此精度、效率、成型尺寸一直约束了SLM设备的应用与发展(尤其是在大尺寸零件成型时)。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种可以实现双工位扫描，保证了大尺寸成型零件的高效率、高精度加工的基于四激光双工位的激光选区熔化SLM设备。

本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于四激光双工位的激光选区熔化SLM设备，包括光学系统、中央工控机以及密封成型室，所述光学系统与中央工控机相连，其特征在于：还包括可实现双工位定位的移动面板，所述密封成型室与光学系统相隔离且位于移动面板下方；所述光学系统包括两组光纤激光器以及与每组光纤激光器对应的光阀转向单元、可变式扩束准直镜单元和扫描振镜单元，所述每组光纤激光器包括两台光纤激光器，所述每个光阀转向单元用于切换两台光纤激光器的输入，所述两个光阀转向单元、两个可变式扩束准直镜单元和两个扫描振镜单元均设置在移动面板上，所述密封成型室在其中一个扫描振镜单元的双工位定位位置下方分别设有一个光学透镜，在另一个扫描振镜单元的双工位定位位置下方也分别设有一个光学透镜。

作为一种优选方案，所述两组光纤激光器分别为第一组光纤激光器和第二组光纤激光器，所述第一组光纤激光器包括第一低功率光纤激光器和第一高功率光纤激光器，所述第二组光纤激光器包括第二低功率光纤激光器和第二高功率光纤激光器，所述第一低功率光纤激光器和第二低功率光纤激光器用于成型金属零件边界扫描，所述第一高功率光纤激光器和第二高功率光纤激光器用于成型金属零件内部填充扫描；所述两个光阀转向单元分别为第一光阀转向单元和第二光阀转向单元，所述第一光阀转向单元用于切换第一低功率光纤激光器与第一高功率光纤激光器的输入，所述第二光阀转向单元用于切换第二低功率光纤激光器与第二高功率光纤激光器的输入。

作为一种优选方案，所述SLM设备还包括相互平行的第一滑动导轨和第二滑动导轨，所述移动面板分别与第一滑动导轨和第二滑动导轨连接，所述移动面板与第一滑动导轨连接的部分向右延伸，与第二滑动导轨连接的部分向左延伸；所述两个可变式扩束准直镜单元分别为第一可变式扩束准直镜单元和第二可变式扩束准直镜单元，所述两个扫描振镜单元分别为第一扫描振镜单元和第二扫描振镜单元，所述第一光阀转向单元、第一可变式扩束准直镜单元和第一扫描振镜单元依次相连，所述第二光阀转向单元、第二可变式扩束准直镜单元和第二扫描振镜单元依次相连；所述第一可变式扩束准直镜单元和第一光阀转向单元从左至右依次设置在移动面板向右延伸的部分，所述第二可变式扩束准直镜单元和第二光阀转向单元从右至左依次设置在移动面板向左延伸的部分，所述第一扫描振镜单元和第二扫描振镜单元对称设置在移动面板的中心，所述密封成型室在第一扫描振镜单元的双工位定位位置下方分别设有第一光学透镜和第二光学透镜，在第二扫描振镜单元的双工位定位位置下方分别设有第三光学透镜和第四光学透镜。

作为一种优选方案，所述SLM设备还包括螺旋丝杠，所述螺旋丝杠通过螺旋丝杠传动单元与中央工控机相连，所述螺旋丝杠在螺旋丝杠传动单元的作用下，通过固定连接件带动移动面板沿着第一滑动导轨和第二滑动导轨在双工位之间移动。

作为一种优选方案，所述第一光阀转向单元采用45度全反射镜片切换第一低功率光纤激光器与第一高功率光纤激光器的输入，所述第二光阀转向单元采用45度全反射镜片切换第二低功率光纤激光器与第二高功率光纤激光器的输入。

作为一种优选方案，所述第一扫描振镜单元上设有用于将第一可变式扩束准直镜单元传输的激光束进行偏转的第一组扫描振镜片，所述第二扫描振镜单元上设有用于将第二可变式扩束准直镜单元传输的激光束进行偏转的第二组扫描振镜片，所述第一组扫描振镜片和第二组扫描振镜片分别由两片相互正交的振镜片组成；所述第一扫描振镜单元和第二扫描振镜单元的底部分别设有用于对激光束进行偏转矫正的场镜。

作为一种优选方案，所述螺旋丝杠传动单元采用伺服电机。

作为一种优选方案，所述密封成型室内部设有铺粉单元，底部两侧分别设有多余粉末回收单元，底部中心处设有用于放置成型金属零件的成型平台，所述成型平台通过与中央工控机相连形成可向下移动的结构。

本实用新型相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本实用新型的激光选区熔化SLM设备在成型时，采用低功率光纤激光器先对成型金属零件轮廓边界沟边4～10层厚后，再采用高功率光纤激光器对成型金属零件轮廓内部进行填充，从而极大程度减少激光扫描时间，提高4～5倍成型效率。

2、本实用新型的激光选区熔化SLM设备结构简单，使用方便，螺旋丝杠在螺旋丝杆传动单元的作用下带动移动面板可以实现双工位之间的移动与定位，从而实现双工位的扫描，保证了大尺寸成型零件的高效率、高精度加工。

3、本实用新型的激光选区熔化SLM设备通过可变式扩束准直镜可直接与中央工控机交换信息，根据输入激光束对扩束倍数进行自动调整，密封成型室在扫描振镜双工位下方设置有四个光学透镜，便于激光束能量无损进入成型室。

附图说明

图1为本实用新型的激光选区熔化SLM设备正面结构示意图。

图2为本实用新型的激光选区熔化SLM设备俯视结构示意图。

图3为本实用新型的激光选区熔化SLM设备中第一光阀转向单元的切换原理示意图。

图4为本实用新型的激光选区熔化SLM设备中第二光阀转向单元的切换原理示意图。

其中，1-密封成型室，2-移动面板，3-螺旋丝杠，4-第一滑动导轨，5-第二滑动导轨，6-螺旋丝杠传动单元，7-固定连接件，8-铺粉单元，9-多余粉末回收单元，10-成型金属零件，11-成型平台，12-第一光阀转向单元，13-第二光阀转向单元，14-第一可变式扩束准直镜单元，15-第二可变式扩束准直镜单元，16-第一扫描振镜单元，17-第二扫描振镜单元，18-第一低功率光纤激光器，19-第一高功率光纤激光器，20-第二低功率光纤激光器，21-第二高功率光纤激光器，22-第一组扫描振镜片，23-第二组扫描振镜片，24-场镜，25-第一光学透镜，26-第二光学透镜，27-第三光学透镜，28-第四光学透镜，29-金属粉末。

具体实施方式

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例的激光选区熔化SLM设备，包括光学系统、中央工控机、密封成型室1、移动面板2、螺旋丝杠3、第一滑动导轨4以及第二滑动导轨5，所述光学系统与中央工控机相连，所述密封成型室1与光学系统相隔离且位于移动面板2下方；所述第一滑动导轨4和第二滑动导轨5相互平行，所述移动面板2分别与第一滑动导轨4和第二滑动导轨5连接，所述移动面板2与第一滑动导轨4连接的部分向右延伸，与第二滑动导轨5连接的部分向左延伸，所述螺旋丝杠3通过螺旋丝杠传动单元6与中央工控机相连，所述螺旋丝杠3在螺旋丝杠传动单元6的作用下，通过固定连接件7带动移动面板2沿着第一滑动导轨4和第二滑动导轨5在双工位之间移动，所述螺旋丝杠传动单元6采用伺服电机；所述密封成型室1内部设有铺粉单元8，密封成型室1底部两侧分别设有多余粉末回收单元9，在铺粉时有多余的粉末即进入该多余粉末回收单元9，密封成型室1底部中心处设有用于放置成型金属零件10的成型平台11，所述成型平台11与中央工控机相连，在中央工控机的作用下成型平台11可以向下移动。

所述光学系统包括第一组光纤激光器、第二组光纤激光器以及设置在移动面板2上的第一光阀转向单元12、第二光阀转向单元13、第一可变式扩束准直镜单元14、第二可变式扩束准直镜单元15、第一扫描振镜单元16和第二扫描振镜单元17，所述第一光阀转向单元12、第一可变式扩束准直镜单元14和第一扫描振镜单元16依次相连，所述第二光阀转向单元13、第二可变式扩束准直镜单元15和第二扫描振镜单元17依次相连，所述第一组光纤激光器包括第一低功率光纤激光器18和第一高功率光纤激光器19，所述第二组光纤激光器包括第二低功率光纤激光器20和第二高功率光纤激光器21，所述第一低功率光纤激光器18和第二低功率光纤激光器20用于成型金属零件10边界扫描，所述第一高功率光纤激光器19和第二高功率光纤激光器21用于成型金属零件10内部填充扫描，所述第一光阀转向单元12用于切换第一低功率光纤激光器18与第一高功率光纤激光器19的输入，所述第二光阀转向单元13用于切换第二低功率光纤激光器20与第二高功率光纤激光器21的输入；所述第一扫描振镜单元16上设有第一组扫描振镜片22，所述第二扫描振镜单元17上设有第二组扫描振镜片23，所述第一组扫描振镜片22和第二组扫描振镜片23分别由两片相互正交的振镜片组成；所述第一扫描振镜单元16和第二扫描振镜单元17的底部分别设有场镜24；所述第一可变式扩束准直镜单元14和第一光阀转向单元12从左至右依次设置在移动面板2向右延伸的部分，所述第二可变式扩束准直镜单元15和第二光阀转向单元13从右至左依次设置在移动面板2向左延伸的部分，所述第一扫描振镜单元16和第二扫描振镜单元17对称设置在移动面板2的中心；所述密封成型室1在第一扫描振镜单元16的双工位定位位置下方分别设有第一光学透镜25和第二光学透镜26，在第二扫描振镜单元17的双工位定位位置下方分别设有第三光学透镜27和第四光学透镜28。

如图1和图3所示，所述第一光阀转向单元12采用45度全反射镜片切换第一低功率光纤激光器18与第一高功率光纤激光器19的输入，在采用第一低功率光纤激光器18对成型金属零件10轮廓边界沟边时，此时45度全反射镜片打开，第一低功率光纤激光器18通过45度全反射镜片的反射进入第一可变式扩束准直镜单元14；在采用第一高功率光纤激光器19对成型金属零件10轮廓内部填充时，此时45度全反射镜片移开(如虚线部分所示)，第一高功率光纤激光器19直接通过第一光阀转向单元12进入第一可变式扩束准直镜单元14。

如图1和图4所示，所述第二光阀转向单元13采用45度全反射镜片切换第二低功率光纤激光器20与第二高功率光纤激光器21的输入，在采用第二低功率光纤激光器20对成型金属零件10轮廓边界沟边时，此时45度全反射镜片打开，第二低功率光纤激光器20通过45度全反射镜片的反射进入第二可变式扩束准直镜单元15；在采用第二高功率光纤激光器21对成型金属零件10轮廓内部填充时，此时45度全反射镜片移开(如虚线部分所示)，第二高功率光纤激光器21直接通过第二光阀转向单元13进入第二可变式扩束准直镜单元15。

如图1和图2所示，本实施例的激光选区熔化SLM设备的加工方法，包括以下步骤：

1)将密封成型室1沿中线划分成I区和II区两个区域，I区和II区分别对应移动面板2的两个工位；

2)当移动面板2上的光学系统处于I区，此时第一扫描振镜单元16正对第一光学透镜25，所述第二扫描振镜单元17正对第三光学透镜27；

3)中央工控机发送信号给第一低功率光纤激光器18、第二低功率光纤激光器20、第一光阀转向单元12、第二光阀转向单元13、第一可变式扩束准直镜单元14和第二可变式扩束准直镜单元15；

打开第一低功率光纤激光器18，其发射的低功率激光束通过光纤进入第一光阀转向单元12，第一光阀转向单元12采用45度全反射镜片将低功率激光束反射进入第一可变式扩束准直镜单元14，第一可变式扩束准直镜单元14根据低功率激光束更改扩束倍数，将扩束后的低功率激光束传输给第一扫描振镜单元16，通过第一组扫描振镜片22偏转以及场镜24偏转矫正后，通过第一光学透镜25对I区内的成型金属零件10边界进行轮廓沟边扫描；

打开第二低功率光纤激光器20，其发射的低功率激光束通过光纤进入第二光阀转向单元13，第二光阀转向单元13采用45度全反射镜片将低功率激光束反射进入第二可变式扩束准直镜单元15；第二可变式扩束准直镜单元15根据低功率激光束更改扩束倍数，将扩束后的低功率激光束传输给第二扫描振镜单元17，通过第二组扫描振镜片23偏转以及场镜24偏转矫正后，通过第三光学透镜27对I区内的成型金属零件10边界进行轮廓沟边扫描；

4)I区的沟边扫描完成后，通过中央工控机关闭第一低功率光纤激光器18和第二低功率光纤激光器20，移动面板2在螺旋丝杠3的带动下进行移动，使移动面板2上的光学系统进入II区，此时第一扫描振镜单元16正对第二光学透镜26，所述第二扫描振镜单元17正对第四光学透镜28，继续打开第一低功率光纤激光器18和第二低功率光纤激光器20，对II区内的成型金属零件10边界进行轮廓沟边扫描；

5)II区的沟边扫描完成后，成型平台11在中央工控机的作用下自动下降一层，此时铺粉单元8铺一层金属粉末29，继续采用第一低功率光纤激光器18和第二低功率光纤激光器20，对II区内的成型金属零件10边界进行轮廓沟边扫描，扫描完成后通过中央工控机关闭第一低功率光纤激光器18和第二低功率光纤激光器20，移动面板2在螺旋丝杠3的带动下进行移动，使移动面板2上的光学系统进入I区，返回步骤3)，直至完成4～10层铺粉沟边扫描工作，此时移动面板2上的光学系统处于II区，即第一扫描振镜单元16正对第二光学透镜26，所述第二扫描振镜单元17正对第四光学透镜28；

6)中央工控机发送信号给第一组光纤激光器、第二组光纤激光器、第一光阀转向单元12、第二光阀转向单元13、第一可变式扩束准直镜14和第二可变式扩束准直镜15；

第一低功率光纤激光器18关闭，第一高功率光纤激光器19打开，此时第一光阀转向单元12的45度全反射镜移出，第一高功率光纤激光器19发射的高功率激光束直接通过第一光阀转向单元12进入第一可变式扩束准直镜单元14，第一可变式扩束准直镜单元14根据高功率激光束的输出光斑调整扩束倍数，将扩束后的高功率激光束传输给第一扫描振镜单元16，通过第一组扫描振镜片22偏转以及场镜24偏转矫正后，通过第二光学透镜26对II区内的成型金属零件10进行轮廓内部填充扫描；

第二低功率光纤激光器20关闭，第二高功率光纤激光器21打开，此时第二光阀转向单元13的45度全反射镜移出，第二高功率光纤激光器21发射的高功率激光束直接通过第二光阀转向单元13进入第二可变式扩束准直镜单元15，第二可变式扩束准直镜单元15根据高功率激光束的输出光斑调整扩束倍数，将扩束后的高功率激光束传输给第二扫描振镜单元17，通过第二组扫描振镜片23偏转以及场镜24偏转矫正后，通过第四光学透镜28对II区内的成型金属零件10进行轮廓内部填充扫描；

7)在II区的内部填充完成后，通过中央工控机关闭第一高功率光纤激光器19和第二高功率光纤激光器21，移动面板2在螺旋丝杠3的带动下进行移动，使移动面板2上的光学系统进入I区，此时第一扫描振镜单元16正对第一光学透镜25，所述第二扫描振镜单元17正对第三光学透镜27，继续打开第一高功率光纤激光器19和第二高功率光纤激光器21，对I区内的成型金属零件10进行轮廓内部填充扫描；

8)采用第一低功率光纤激光器18和第二低功率光纤激光器20对下一个4～10层完成铺粉沟边扫描工作，完成后再采用第一高功率光纤激光器19和第二高功率光纤激光器21进行内部填充扫描，通过层与层堆积完成大尺寸成型金属零件的加工。

以上所述，仅为本实用新型较佳的实施例，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型所公开的范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.基于四激光双工位的激光选区熔化SLM设备，包括光学系统、中央工控机以及密封成型室，所述光学系统与中央工控机相连，其特征在于：还包括可实现双工位定位的移动面板，所述密封成型室与光学系统相隔离且位于移动面板下方；所述光学系统包括两组光纤激光器以及与每组光纤激光器对应的光阀转向单元、可变式扩束准直镜单元和扫描振镜单元，所述每组光纤激光器包括两台光纤激光器，所述每个光阀转向单元用于切换两台光纤激光器的输入，所述两个光阀转向单元、两个可变式扩束准直镜单元和两个扫描振镜单元均设置在移动面板上，所述密封成型室在其中一个扫描振镜单元的双工位定位位置下方分别设有一个光学透镜，在另一个扫描振镜单元的双工位定位位置下方也分别设有一个光学透镜。

2.根据权利要求1所述的基于四激光双工位的激光选区熔化SLM设备，其特征在于：所述两组光纤激光器分别为第一组光纤激光器和第二组光纤激光器，所述第一组光纤激光器包括第一低功率光纤激光器和第一高功率光纤激光器，所述第二组光纤激光器包括第二低功率光纤激光器和第二高功率光纤激光器，所述第一低功率光纤激光器和第二低功率光纤激光器用于成型金属零件边界扫描，所述第一高功率光纤激光器和第二高功率光纤激光器用于成型金属零件内部填充扫描；所述两个光阀转向单元分别为第一光阀转向单元和第二光阀转向单元，所述第一光阀转向单元用于切换第一低功率光纤激光器与第一高功率光纤激光器的输入，所述第二光阀转向单元用于切换第二低功率光纤激光器与第二高功率光纤激光器的输入。

3.根据权利要求2所述的基于四激光双工位的激光选区熔化SLM设备，其特征在于：所述SLM设备还包括相互平行的第一滑动导轨和第二滑动导轨，所述移动面板分别与第一滑动导轨和第二滑动导轨连接，所述移动面板与第一滑动导轨连接的部分向右延伸，与第二滑动导轨连接的部分向左延伸；所述两个可变式扩束准直镜单元分别为第一可变式扩束准直镜单元和第二可变式扩束准直镜单元，所述两个扫描振镜单元分别为第一扫描振镜单元和第二扫描振镜单元，所述第一光阀转向单元、第一可变式扩束准直镜单元和第一扫描振镜单元依次相连，所述第二光阀转向单元、第二可变式扩束准直镜单元和第二扫描振镜单元依次相连；所述第一可变式扩束准直镜单元和第一光阀转向单元从左至右依次设置在移动面板向右延伸的部分，所述第二可变式扩束准直镜单元和第二光阀转向单元从右至左依次设置在移动面板向左延伸的部分，所述第一扫描振镜单元和第二扫描振镜单元对称设置在移动面板的中心，所述密封成型室在第一扫描振镜单元的双工位定位位置下方分别设有第一光学透镜和第二光学透镜，在第二扫描振镜单元的双工位定位位置下方分别设有第三光学透镜和第四光学透镜。

4.根据权利要求3所述的基于四激光双工位的激光选区熔化SLM设备，其特征在于：所述SLM设备还包括螺旋丝杠，所述螺旋丝杠通过螺旋丝杠传动单元与中央工控机相连，所述螺旋丝杠在螺旋丝杠传动单元的作用下，通过固定连接件带动移动面板沿着第一滑动导轨和第二滑动导轨在双工位之间移动。

5.根据权利要求3所述的基于四激光双工位的激光选区熔化SLM设备，其特征在于：所述第一光阀转向单元采用45度全反射镜片切换第一低功率光纤激光器与第一高功率光纤激光器的输入，所述第二光阀转向单元采用45度全反射镜片切换第二低功率光纤激光器与第二高功率光纤激光器的输入。

6.根据权利要求3所述的基于四激光双工位的激光选区熔化SLM设备，其特征在于：所述第一扫描振镜单元上设有用于将第一可变式扩束准直镜单元传输的激光束进行偏转的第一组扫描振镜片，所述第二扫描振镜单元上设有用于将第二可变式扩束准直镜单元传输的激光束进行偏转的第二组扫描振镜片，所述第一组扫描振镜片和第二组扫描振镜片分别由两片相互正交的振镜片组成；所述第一扫描振镜单元和第二扫描振镜单元的底部分别设有用于对激光束进行偏转矫正的场镜。

7.根据权利要求4所述的基于四激光双工位的激光选区熔化SLM设备，其特征在于：所述螺旋丝杠传动单元采用伺服电机。

8.根据权利要求1-7任一项所述的基于四激光双工位的激光选区熔化SLM设备，其特征在于：所述密封成型室内部设有铺粉单元，底部两侧分别设有多余粉末回收单元，底部中心处设有用于放置成型金属零件的成型平台，所述成型平台通过与中央工控机相连形成可向下移动的结构。