CN203635917U - 一种激光增材制造设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种新型的激光增材制造设备，包括机架、工作腔、激光系统、气氛保护系统和预热系统。工作腔是由保温隔热夹层板围成的封闭腔体；激光系统的扫描振镜安装于工作腔外部的顶部；预热系统是一种立体柔性加热系统，具有层间距可调的复数层辐射加热层，安装在工作腔内部的顶部；气氛保护系统的送气管和回气管通过U形三通分成若干通路分别与工作腔的两侧相接，实现不活跃气体在工作腔内的循环。本实用新型可以有效节省空间，减少了热量损失，提高了加热效率以及降低能源消耗，工作腔内温度分布更加均匀，内部气氛对加工过程的保护作用明显，可以成型不同种类(金属、高分子等)的材料，减少了加工变形，保证了成型零件的优异质量。

Description

一种激光增材制造设备

技术领域

本发明属于增材制造领域，特别是涉及一种利用激光3D打印技术将粉末逐层熔化/融化成型的增材制造设备。

背景技术

增材制造是一种应用广泛的快速成型技术，先由CAD三维造型软件设计出所需零件的计算机三维实体模型，然后按工艺要求将其按一定厚度分解成一系列二维截面，即把原来的三维立体信息变成二维平面信息，然后逐层扫描，逐层叠加，最终形成了所需要的原型或零件。

在使用激光扫描将粉末熔化/融化逐层叠加成型零件的增材制造模式中，需要采用气氛保护和预加热的方式，利用氮气或氩气等不活跃气体将空气与粉末隔离开，并且将粉末预热到较为接近熔融温度，从而避免空气对于粉末的氧化，同时减少或消除因为粉末加工前后温差过大造成的热应力的影响，避免零件产生裂纹或发生翘曲变形，从而确保成型精度。

CN201300207Y公开了“一种金属零件选区激光熔化快速成型设备”，其中设置了气体净化系统和加热板，但其设置有不尽合理之处。所述的气体净化系统的送气口和回气口位于该设备的同侧，气体无法在设备全部内部空间内循环，外部空气很容易与粉末接触。另外所述的加热板位于固定在基板下方，随着零件在基板上逐层叠加成型，热量难以传递到待加热粉末以及已加工好的工件表面，仍然会产生较大的温度梯度以及工作台面温度分布不均匀，使零件内部产生热应力，导致严重影响了零件的质量，预热效果非常差。尤其对于熔点较高的材料，材料成型困难甚至不能成型。

CN101107882公开了一种“用于在激光烧结装置中加热构造材料的辐射加热器”，公开了3种类型的辐射加热器，利用比如电阻加热、红外加热等方式，热量通过热传递到具有热惰性的石墨板辐射元件上，再通过石墨板面的辐射将热量辐射到工作台面。这种加热方式的热量经过两次中转才到工作台面，热量的利用率不高，难以达到部分材料的预热要求。

CN202028769U则公开了“一种选择性激光烧结用多区加热装置”，即将工作台面划分为多个区域，采用阵列组合方式在各区域安装一组石英加热管及一组反光板，缓解工作台面温度分布不均匀的问题。该装置的加热元件照射距离恒定，通过拆卸或加装的方式调整加热元件的数量以实现预期的加热温度，给操作带来不便。

发明内容：

为解决现有技术的缺陷，本发明提供一种新型的激光增材制造设备，用于增材制造过程中的气氛保护、系统加热、保温及温度均匀。本发明的技术方案如下：

一种激光增材制造设备，包括机架、工作腔、激光系统、气氛保护系统和预热系统，所述工作腔是一个封闭腔体，其顶部设有激光系统安装口，激光系统安装在工作腔的外部；工作腔的正面设有观察粉末成型用的窗口镜，左右两侧均设有气氛保护系统连接孔；工作腔内的顶部设有预热系统，下部设有粉末成型用的缸体。

所述激光系统包括激光源、光导管、扫描振镜和控制连接线，扫描振镜安装于工作腔的激光系统安装口的上方，激光源通过光导管与扫描振镜相连，激光源发出的激光以一定入射角进入光导管内，在光导管内全反射后进入扫描振镜，扫描振镜通过控制连接线接受外部信号，依信号控制进行扫描加工。

所述预热系统是一种立体柔性加热系统，具有层间距可调的复数层辐射加热层，至少包括有一层固定辐射加热层和一层活动辐射加热层，辐射加热层由辐射加热管按阵列方式构成，其中固定辐射加热层安装于工作腔内顶部，各层之间通过活动部件连接，在实际工作过程中，可以根据粉末材料的种类控制相应辐射加热层的启闭，或调整活动辐射加热层与粉末之间的间距，从而使粉末达到预定温度。所述辐射加热管为石英管，所述各层之间连接用的活动部件是铰链和连杆装置，也可以是齿轮齿条装置、凸轮装置或者活塞装置等。

所述工作腔是由保温隔热夹层板围成的封闭腔体，夹层板由隔热层、保温层和面板层构成，可减少工作腔内的热量外传；工作腔下部的粉末成型用缸体包括送粉缸、成型缸和粉末回收缸，缸体上部设有刮板，刮板将送粉缸内的粉末平铺到成型缸，多余粉末则被刮入粉末回收缸，当成型缸内铺好待成型粉末后，扫描振镜依据输入的被加工零件图层信号扫描加工，之后成型缸下降一个图层距离，送粉缸上升一个图层距离，刮板再将送粉缸的粉末覆盖到成型缸已加工好的粉末上，依次循环往复，直至零件最后成型。

所述气氛保护系统包括气罐、气体循环泵、气体过滤器、送气管和回气管，送气管和回气管通过U形三通分成若干通路分别与工作腔的两侧相接，送气管与气罐之间设有授气装置，气罐内的氮气或氩气类的不活跃气体通过授气装置进入送气管，从一侧进入工作腔的内部，气体循环泵启动后，不活跃气体从另一侧回气管，经气体过滤器净化后进入气体循环泵，循环往复使用。由于送气管和回气管均通过U形三通分支与工作腔的两侧有多个通路相连，可低速平稳地向工作腔内充入和回收不活跃气体，整个体系构成气流循环，在隔离空气的同时，带动气氛流动，使工作腔内部温度分布均匀。

与传统的增材制造装备和装置相比，采用本发明的技术方案，具有以下优点：

设备采用立体加热，相对于传统的平面加热，可以有效地节省空间，减少辐射加热管的数量，提高加热效率以及降低能源消耗。预热系统可以将工作腔加热到较高的温度，同时还兼有隔热与保温和温度均匀化功能，减少了热量损失。设备在工作腔的两侧分别装有多个送气口与回气管，送气管低速平稳充入气体，回气管低速平稳抽出气体，整个体系构成气流循环，带动气氛流动，起到对加工过程的保护作用，并且使工作腔内温度分布均匀。预热系统的柔性加热功能可以使工作腔内的温度得到有效的调整与控制，成型材料受热均匀，并且成型不同种类(金属、高分子等)的材料，保证了成型零件的优异质量，并且可以在较短时间内生产出形状结构复杂的零件。

附图说明

图1是本发明实施例的装配结构示意图。

图2是工作腔结构分解图。

图3是粉末成型用缸体结构示意图。

图4是图1中A处局部放大图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的内容作进一步的说明。

参见图1～图4，本发明的激光增材制造设备由机架1、工作腔3、激光系统4、气氛保护系统2和预热系统5等模块组成，工作腔3安装在机架1的上方；工作腔3是由工作台36、顶板34、前板31、背板35以及两块侧板33围成的一个封闭腔体，顶板34、前板31、背板35以及侧板33是保温隔热夹层板，由隔热层301、保温层302和面板层303复合而成，可减少所围成的封闭腔内的热量损失；在工作腔3下部的工作台36上装有粉末成型用的缸体32，顶板34上设有激光系统安装口341，激光系统4的扫描振镜41通过安装口341安装在顶板34的上方，预热系统5则安装在顶板34的下方；窗口镜311安装在前板31上，用于观察粉末成型过程和成型质量；侧板33上设有气氛保护系统连接孔331，用于安装连接气氛保护系统2的U形三通27。

本实施例的激光系统4由包括有激光源44、光导管43、扫描振镜41和控制连接线42，激光源44与扫描振镜41通过光导管43相连，激光源44发出的激光以一定入射角进入光导管43内，经光导管43全反射后进入扫描振镜41内，扫描振镜41还通过控制连接线42接受外部送来的加工图层信号，同时聚焦光导管43送来的激光，依加工图层信号对置于缸体32内的待加工粉末进行扫描加工。

预热系统5是一种立体柔性加热系统，具有复数层加热层，如图4所示，本实施例的预热系统5有两层辐射加热层，每层辐射加热层的发热元件均由辐射加热管55按阵列方式排布，辐射加热管55是石英加热管，固定辐射加热层51安装在顶板34的下方，活动辐射加热层52通过连杆53和铰链54安装在一起，连杆-铰链机构副动作时，活动加热层可以上下运动，调节活动辐射加热层52和固定辐射加热层51之间的间距。依据本发明公开的技术方案，还可以采用齿轮齿条装置、凸轮装置或者活塞装置等调节活动辐射加热层52和固定辐射加热层51之间的间距，基于齿轮齿条副、凸轮副或者活塞副等都是本领域一般技术人员所掌握的知识，均可简单替代本发明给出的连杆-铰链副，所有这些替代都落入本发明的保护范围。在成型加工过程中，本发明通过控制各辐射加热层的照射强度，并且调整活动辐射加热层52与待加工粉末之间的照射距离，达到待成型粉末材料的种类所要求的预热温度，从而使工作腔3内的温度满足粉末成型要求。

工作腔3下部的粉末成型用缸体32包括送粉缸321、成型缸322和粉末回收缸323，缸体32的上部设有刮板320，刮板320用于将送粉缸321内的粉末平铺到成型缸322上，多余粉末则被刮入粉末回收缸323。在成型工作开始后，送粉缸321的底面上升一个图层距离，成型缸322的底面下降一个图层距离，刮板320从左向右运动，将待成型粉末从送粉缸321内送入成型缸322，扫描振镜41依据输入的被加工零件图层信号扫描加工，加工好一个图层后，送粉缸321、成型缸322以有刮板320重复成型工作开始时的动作，依次循环往复，直至零件最后成型。

气氛保护系统2的作用一是避免被加工粉末与空气接触氧化，二是使工作腔3内的温度更加均匀。由气体循环泵23、气体过滤器24、送气管22、回气管25以及工作腔3构成气体回路，气罐21通过授气装置26向该回路配送氮气或氩气类的不活跃气体，送气管22和回气管23通过一级U形三通28和二级U形三通27分成四条通路分别与工作腔31两侧的连接孔331相接，气罐21内的不活跃气体通过授气装置26进入送气管22，从左侧进入工作腔3，气体循环泵23启动后，不活跃气体从右侧回气管25经气体过滤器24净化后回到气体循环泵23，循环往复使用。作为优先，送气管和回气管均采用两级U形三通分支，每级分支的通路比原有通路增加一倍，与工作腔3的两侧构成一排四通路，这样可以使气体更为均匀地分布在各个通路中。当然，作为备选方案，也可采用一级多通路的分支实现工作腔3内的保护气氛，同样落入本发明的公开和保护范围。根据工作腔3的容积大小，还可以采用多级U形三通，分支成多排多通路连接，低速、均匀和平稳地向工作腔内充入和回收不活跃气体气体，整个体系构成气流循环，在隔离空气的同时，带动气氛流动，使工作腔内部温度分布均匀。

依据本发明实施例制作的激光增材制造设备，比传统的增材制造装备具有显著的优势，主要体现在：

1、保证了粉末成型用的缸体和成形气氛的不同温度需求。

立体柔性加热方式可以使工作腔的气氛空间达到所需要的加工温度，多层可以调节的立体加热系统对于整个气氛进行辐射传热，最高温度可以达到400℃，而且温度可调节，以适应不同材质的成型要求。比如，气氛在加热到100℃时候，可以增材制造聚苯乙烯、蜡膜；气氛加热到100℃～200℃时，可以增材制造PP和尼龙材料；气氛加热到200℃～400℃时，可以增材制造难加工的材料陶瓷、金属、PEK等材料。

2、实现了立体柔性加热，节约能源。

根据零件大小可以选择不同的加热层，如果零件很小，只需要使用单层加热就可以达到加工效果，也可将活动加热层拉到离待加工粉末距离较近的位置，避免了无谓的能源消耗。

3、防止了热量的流失，节约了能源，提高了加热效率。

工作腔为封闭空间，三层夹层隔热保温可以很好地达到的保温的目的，达到了节能的目，同时可保护成型腔内器件，提高设备寿命。

4、循环气氛保护系统保证了工作腔温度分布均匀。

送气管和回气管通过多通路与工作腔连接，整个体系构成气流循环，带动工作腔内气体流动，使温度分布均匀。

Claims (6)

1.一种激光增材制造设备，包括机架、工作腔、激光系统、气氛保护系统和预热系统，其特征在于： 

所述工作腔是一个封闭腔体，其顶部设有激光系统安装口，激光系统安装在工作腔的外部； 

工作腔的正面设有观察粉末成型用的窗口镜，左右两侧均设有气氛保护系统连接孔； 

工作腔内的顶部设有预热系统，下部设有粉末成型用的缸体。 

2.根据权利要求1所述的一种激光增材制造设备，其特征在于激光系统包括激光源、光导管、扫描振镜和控制连接线，扫描振镜安装于工作腔的激光系统安装口的上方，激光源通过光导管与扫描振镜相连。 

3.根据权利要求1所述的一种激光增材制造设备，其特征在于所述预热系统是一种立体柔性加热系统，具有层间距可调的复数层辐射加热层，至少包括有一层固定辐射加热层和一层活动辐射加热层，辐射加热层由辐射加热管按阵列方式构成，其中固定辐射加热层安装于工作腔内顶部，各层之间通过活动部件连接。 

4.根据权利要求3所述的一种激光增材制造设备，其特征在于所述辐射加热管为石英管，所述各层之间连接用的活动部件是铰链和连杆装置。 

5.根据权利要求1所述的一种激光增材制造设备，其特征在于： 

所述工作腔是由保温隔热夹层板围成的封闭腔体，夹层板由隔热层、保温层和面板层构成； 

工作腔下部的粉末成型用缸体包括送粉缸、成型缸和粉末回收缸，缸体上部设有刮板。 

6.根据权利要求1所述的一种激光增材制造设备，其特征在于所述气氛保护系统包括气罐、气体循环泵、气体过滤器、送气管和回气管，送气管和回气管通过U形三通分成若干通路分别与工作腔的两侧相接，送气管与气罐之间设有授气装置。 

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