CN203992397U - 一种同步送粉空间激光加工与三维成形装置 - Google Patents

一种同步送粉空间激光加工与三维成形装置 Download PDF

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朱刚贤
史建军
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Abstract

本实用新型公开了一种同步送粉空间激光加工与三维成形装置，包括光内送粉喷头、激光发生器、机械臂、控制模块、传递光纤、气载送粉器和气源，所述控制模块分别与机械臂、激光发生器、气载送粉器相连，所述光内送粉喷头固定在机械臂的前端，所述激光发生器的激光输出经传递光纤连接到光内送粉喷头上端，所述气源的一个送气分支与气载送粉器连通，所述气载送粉器与光内送粉喷头的喷粉管连通，所述喷粉管外围套设有准直气管，所述气源的另一个送气分支经管道与准直气管连通。本实用新型能够实现在空间任意表面上熔覆加工和立体堆积成形，能进行悬垂、空腔等复杂结构零构件无支撑三维成形。

Description

一种同步送粉空间激光加工与三维成形装置
技术领域
本实用新型涉及一种激光加工成形装置，具体涉及一种同步送粉空间激光加工与三维成形装置。
背景技术
增材制造技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术。其中金属常用激光增材制造有两种方法：激光粉床选区烧结熔化和激光同步送料熔覆成形。选区烧结有粉床作支撑，能成形复杂形状、带悬垂结构的金属零件，但设备较昂贵，成本较高，成形尺寸受限。激光同步送料法熔覆成形金属可接近或达到锻件性能，成本较低，该工艺可与各种数控加工机床、移动机器人等集成，自由成形大尺寸三维实体；可在重要零部件表面熔覆高性能合金层，成倍提高寿命或赋予其特殊功能；可对机件进行破损位的修复再制造，使之起死回生；可灵活地完成固定地点、工程现场或战争前线装备的抢修、抢险等作业。激光同步送料熔覆加工与成形在很多领域已经成了先进的甚至不可或缺的加工成形手段。
现有技术中，同步送粉激光三维成形的步骤为：首先将需成形实体的计算机三维模型用一系列水平面切片得到若干层片的二维截面模型，由光粉耦合喷头送出的激光束和金属粉末同时在成形面上聚焦和汇聚，聚焦光斑照射到粉斑上使之与基面浅表层同时快速熔化形成熔池，随着光粉耦合喷头按预定路径扫描，熔池快速凝固而形成固态熔道，这样按照各层片形状扫描成形，每成形完毕一层实体，光粉耦合喷头垂直上升一个层片高度距离，进行下一层扫描成形；将各层片叠层堆积，最后可得到三维成形实体。这种方法的实质是降维法，即将三维实体切片后降为多层水平平行的二维层片，然后各水平层片依次叠层垂直堆积成为三维实体，称为“垂直生长法”。三维成形的一个基本要求是光粉耦合喷头在二维层片内沿任意方向扫描时，光粉同轴以保持二者的耦合姿态不变，以得到各向同性的熔道，所以，为保持扫描各向同性，一般选用同轴送粉方法进行层片叠层堆积三维成形。同轴送粉的方式有两种：一种如美国专利（US5418350; US5477026; US5961862）、欧洲专利（WO2005028151）、日本专利（JP2005219060）等公开的同轴送粉喷头，其基本结构是采用在围绕实心聚焦激光束13周围倾斜布置环形或多道送粉管结构，再将输出的粉束14汇聚到激光束在成形基面上的聚焦光斑内，可称之为“光外送粉法”，如图1所示。光外送粉法为多路粉束汇聚，粉末发散，粉斑较为粗大，且在空间只有一个汇聚点，与光束可耦合区间短，不易耦合；另一种是专利CN2006101164131等公开的光内送粉喷头，它是将激光束13变换为中空的环形聚焦光束，然后将单根粉束14从光束内部与光束同轴垂直送到成形面上的聚焦光斑内，如图2所示。光内送粉法为单根粉束，粉束细长，粉斑细小，由于光粉真正同轴，故光粉耦合区间长，容易耦合。特别在送粉喷粉管的外围套装一保护气管时，粉束外围形成一环形气帘，可对粉束起到进一步集束和准直作用。
发明内容
本实用新型的发明目的是提供一种同步送粉激光三维成形装置，能够实现在空间任意表面上熔覆加工和立体堆积成形，能进行悬垂、空腔等复杂结构零构件无支撑三维成形。
为达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案是：一种同步送粉空间激光加工与三维成形装置，包括光内送粉喷头、激光发生器、机械臂、控制模块、传递光纤、气载送粉器和气源，所述控制模块分别与机械臂、激光发生器、气载送粉器相连，所述光内送粉喷头固定在机械臂的前端，所述激光发生器的激光输出经传递光纤连接到光内送粉喷头上端，所述气源的一个送气分支与气载送粉器连通，所述气载送粉器与光内送粉喷头的喷粉管连通，所述喷粉管外围套设有准直气管，所述气源的另一个送气分支经管道与准直气管连通。
上述技术方案中，所述喷粉管喷出的气载粉末压力可调节为0～0.2MPa。
上述技术方案中，所述准直气管喷出的环形准直气压力可调节为0.05～0.3MPa。
上述技术方案中，所述喷粉管直径与准直气管直径之比为1:2～1:6。
上述技术方案中，所述喷粉管出口伸出准直气管出口之外，伸出长度为0～20mm。
上述技术方案中，所述气源输出的气体为惰性气体。
由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：
本实用新型将光内送粉喷头固定设于机械臂前端，可随机械臂作空间运动，能够按照控制模块给定的路径规划完成空间任意角度基面上的成形和连续变方位变姿态熔覆成形，得到成型件，从而实现在空间任意表面上熔覆加工和立体堆积成形，能进行悬垂、空腔等复杂结构零构件无支撑三维成形。
附图说明
图1是背景技术中现有光外送粉喷头原理图。
图2是背景技术中现有光内送粉喷头原理图。
图3是实施例一中本实用新型同步送粉空间激光加工与三维成形装置连接示意图。
图4是实施例一中本实用新型喷粉管与准直气管关系图。
其中：1、光内送粉喷头； 2、气源；3、气载送粉器；4、控制模块； 5、传输光纤；6、激光发生器；7、机械臂；8、成形件；9、喷粉管； 10、准直气管；11、气载粉末；12、环形准直气； 13、激光束；14、粉束。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：
实施例一：参见图3和4所示，一种同步送粉空间激光加工与三维成形装置，包括光内送粉喷头1、激光发生器6、机械臂7、控制模块4、传递光纤5、气载送粉器3和气源2，所述控制模块4分别与机械臂7、激光发生器6、气载送粉器3相连并控制机械臂7的运动，所述光内送粉喷头1固定在机械臂7的前端，可随机械臂7作空间运动，按照控制模块4给定的路径规划完成空间任意角度基面上的成形和连续变方位变姿态熔覆成形，得到成形件8。所述激光发生器6的激光输出经光纤连接到光内送粉喷头1上端，所述气源2的一个送气分支与气载送粉器3连通，所述气载送粉器3与光内送粉喷头1的喷粉管9连通，用于输送气载粉末11；所述喷粉管9外围套设有准直气管10，所述气源2的另一个送气分支经管道与准直气管10连通，用于输送环形准直气12。
在本实施例中，所述喷粉管9喷出的气载粉末11压力可调节为0～0.2MPa，所述准直气管10喷出的环形准直气12压力可调节为0.05～0.3MPa，所述喷粉管9直径与准直气管10直径之比为1:2～1:6，所述喷粉管9出口伸出准直气管10出口之外，伸出长度为0～20mm，所述气源2输出的气体为惰性气体。

Claims (5)

1.一种同步送粉空间激光加工与三维成形装置，其特征在于：包括光内送粉喷头、激光发生器、机械臂、控制模块、传递光纤、气载送粉器和气源，所述控制模块分别与机械臂、激光发生器、气载送粉器相连，所述光内送粉喷头固定在机械臂的前端，所述激光发生器的激光输出经传递光纤连接到光内送粉喷头上端，所述气源的一个送气分支与气载送粉器连通，所述气载送粉器与光内送粉喷头的喷粉管连通，所述喷粉管外围套设有准直气管，所述气源的另一个送气分支经管道与准直气管连通。
2.根据权利要求1所述的一种同步送粉空间激光加工与三维成形装置，其特征在于：所述喷粉管喷出的气载粉末压力范围为0～0.2MPa。
3.根据权利要求1所述的一种同步送粉空间激光加工与三维成形装置，其特征在于：所述准直气管喷出的环形准直气压力范围为0.05～0.3MPa。
4.根据权利要求1所述的一种同步送粉空间激光加工与三维成形装置，其特征在于：所述喷粉管直径与准直气管直径之比为1:2～1:6。
5.根据权利要求1所述的一种同步送粉空间激光加工与三维成形装置，其特征在于：所述喷粉管出口伸出准直气管出口之外，伸出长度为0～20mm。
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