CN204724851U - 一种双激光选区烧结及熔化非金属、金属的3d打印设备 - Google Patents

一种双激光选区烧结及熔化非金属、金属的3d打印设备 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种双激光选区烧结及熔化非金属、金属的3D打印设备，包括：两套激光扫描装置、主铺粉装置以及控制装置，其特征在于，还包括：辅助铺粉装置，辅助铺粉装置通过连接支架与主铺粉装置连为一体，且位于主铺粉装置前面，二者总体沿水平方向双向往复运动，主铺粉装置、辅助铺粉装置内分别装有金属粉末和非金属粉末，每运动一次主铺粉装置铺一层金属粉末，辅助铺粉装置在控制装置的控制下定点、定量的向下撒非金属粉末，所撒下的非金属粉末会被后面撒下的金属粉末覆盖。本实用新型的有益之处在于：采用双激光复合扫描，可有效提高零件的成形效率；二氧化碳激光对非金属粉末烧结的同时又预热了金属粉末，可有效避免金属件翘曲、开裂等缺陷。

Description

一种双激光选区烧结及熔化非金属、金属的3D打印设备
技术领域
本发明涉及一种3D打印设备，具体涉及一种双激光选区烧结及熔化非金属、金属的3D打印设备，属于增材制造领域。
背景技术
采用选择性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术直接制造金属零件的3D打印设备，它们能够实现直接制造任意复杂的金属零件。
对一些零件材料的性能，可以通过热处理得到改善；
对某些金属功能件有特殊要求，如承受极高和极低的温度，可以采用电子束自由制造设备为其涂覆一层含镍的超级合金；
然而，如果在材料内部某区域需用某种材料构成微小的且具有复杂几何形状的内部通道，目前的3D打印设备还无法顺利实现，零件的成形效率、精度也都无法得到保障。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种双激光选区烧结及熔化非金属、金属的3D打印设备，该3D打印设备不仅可以顺利成形复杂金属包容件，提高零件的成形效率，而且可有效避免金属件翘曲、开裂等缺陷，同时还能够确保成形出的金属零件具有较高的精度。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种双激光选区烧结及熔化非金属、金属的3D打印设备，包括：两套激光扫描装置(1，2)、机架(3)、工作腔(4)、主铺粉装置(5)、气氛保护装置以及控制装置，前述两套激光扫描装置(1，2)安装在机架(3)上，机架(3)设置在工作腔(4)的上方，主铺粉装置(5)设置在工作腔(4)内，工作腔(4)的底部设置有工作缸(8)，工作缸(8)的活塞沿竖直方向上下运动，其特征在于，还包括：辅助铺粉装置(6)，前述辅助铺粉装置(6)通过连接支架(7)与主铺粉装置(5)连为一体，并且位于主铺粉装置(5)铺粉平移运动的前后位置，主铺粉装置(5)与辅助铺粉装置(6)总体经外部信号变频控制沿水平方向双向往复运动，主铺粉装置(5)、辅助铺粉装置(6)内分别装有金属粉末和非金属粉末，主铺粉装置(5)每做一次铺粉运动，就根据制件模型结构要求的先后顺序，在往返行程中分别进行铺金属粉末或非金属粉末的铺粉作业，主铺粉机构(5)是在由控制装置控制开合的料斗闸门控制下以均匀方法铺一层金属粉末，而辅助铺粉装置(6)则是在控制装置的控制下定点、定量的向下铺撒非金属粉末。
前述两套激光扫描装置(1，2)分别是二氧化碳激光扫描装置(1)和光纤激光扫描装置(2)，二氧化碳激光扫描装置(1)对非金属粉末进行扫描烧结，光纤激光扫描装置(2)对金属粉末进行扫描熔化，控制装置根据制件模型结构要求控制两套激光装置扫描的区域、时段、激光参数进行复合扫描，总体实现粉床微区的两种粉末的包熔过程。
前述的双激光选区烧结及熔化非金属、金属的3D打印设备，其特征在于，前述辅助铺粉装置(6)包括：料斗(601)，设置在前述料斗(601)下部的送粉辊(602)，位于前述送粉辊(602)下方的铺粉口(603)，以及驱动前述送粉辊(602)转动一定角度来定量送粉的驱动机构。
前述的双激光选区烧结及熔化非金属、金属的3D打印设备，其特征在于，前述二氧化碳激光扫描装置(1)包括：二氧化碳激光器(101)、二氧化碳扩束镜(102)、反射镜(103，104)和二氧化碳振镜(105)，
前述二氧化碳激光器(101)发射出来的二氧化碳激光束先经由二氧化碳扩束镜(102)扩束，然后经由两个反射镜(103，104)反射，反射后的二氧化碳激光束与进入二氧化碳扩束镜(102)的二氧化碳激光束平行但方向相反，反射后的二氧化碳激光束最后进入到二氧化碳振镜(105)中。
前述的双激光选区烧结及熔化非金属、金属的3D打印设备，其特征在于，前述光纤激光扫描装置(2)包括：光纤激光器(201)、光纤扩束镜(202)、动态聚焦轴(203)和光纤振镜(204)，
前述光纤激光器(201)发射出来的光纤激光束先经由光纤扩束镜(202)扩束，然后经由动态聚焦轴(203)聚焦，聚焦后的光纤激光束进入到光纤振镜(204)中。
前述的双激光选区烧结及熔化非金属、金属的3D打印设备，其特征在于，前述二氧化碳激光扫描装置(1)和光纤激光扫描装置(2)的正下方均安装有保护镜。
本发明的有益之处在于：
(1)采用双激光复合扫描，并采用由一套驱动系统驱动连为一体一的主铺粉装置(5)和辅助铺粉装置(6)的结构，既使结构紧凑，又可有效提高零件的成形效率；
(2)二氧化碳激光对非金属粉末烧结的同时又预热了金属粉床，可有效避免金属件翘曲、开裂等缺陷；
(3)光纤激光具有较小的光斑直径，可成形出较高精度的金属零件。
附图说明
图1是本发明的3D打印设备的组成示意图；
图2是图1中的辅助铺粉装置的主视图；
图3是图2中的辅助铺粉装置的A-A剖面图；
图4是图1中的二氧化碳激光扫描装置的结构示意图；
图5是图1中的光纤激光扫描装置的结构示意图；
图6是两套激光扫描装置安装在机架上以后的结构示意图。
图中附图标记的含义：1-二氧化碳激光扫描装置，2-光纤激光扫描装置，3-机架，4-工作腔，5-主铺粉装置，6-辅助铺粉装置，7-连接支架，8-工作缸，9-制件，10-保护气进口，11-保护气出口，601-料斗，602-送粉辊，603-铺粉口，604-电机，605-联轴节，606-电机座，607-轴承座，101-二氧化碳激光器，102-二氧化碳扩束镜，103-反射镜，104-反射镜，105-二氧化碳振镜，201-光纤激光器，202-光纤扩束镜，203-动态聚焦轴，204-光纤振镜。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
参照图1，本发明的双激光选区烧结及熔化非金属、金属的3D打印设备，包括：两套激光扫描装置(二氧化碳激光扫描装置1、光纤激光扫描装置2)、机架3、工作腔4、主铺粉装置5、气氛保护装置(未图示)以及控制装置(未图示)，其中，两套激光扫描装置(二氧化碳激光扫描装置1、光纤激光扫描装置2)安装在机架3上，机架3设置在工作腔4的上方，主铺粉装置5设置在工作腔4内，工作腔4的底部设置有工作缸8，工作缸8的活塞沿竖直方向上下运动，制件9放置在工作缸8的活塞上面随活塞一起运动，制件9每被扫描一层，则工作缸8的活塞带动制件9下降一层的距离，工作腔4的侧壁上设置有保护气进口10和保护气出口11，工作腔4抽真空后，保护气从前方进来、从后方出去，形成保护气循环。此外，本发明的3D打印设备还包括：辅助铺粉装置6。辅助铺粉装置6通过连接支架7与主铺粉装置5连为一体，并且位于主铺粉装置5铺粉平移运动的前后位置，主铺粉装置5与辅助铺粉装置6总体经外部信号变频控制沿水平方向双向往复运动，主铺粉装置5、辅助铺粉装置6内分别装有金属粉末和非金属粉末，主铺粉装置5每做一次铺粉运动，就根据制件模型结构要求的先后顺序，在往返行程中分别进行铺金属粉末或非金属粉末的铺粉作业，主铺粉机构5是在由控制装置控制开合的料斗闸门控制下以均匀方法铺一层金属粉末，而辅助铺粉装置6则是在控制装置的控制下定点、定量的向下铺撒非金属粉末。
下面详细介绍辅助铺粉装置6的结构。
参照图2和图3，辅助铺粉装置6包括：料斗601、送粉辊602、铺粉口603以及驱动机构，其中，送粉辊602设置在料斗601的下部，铺粉口603位于送粉辊602的下方，送粉辊602由驱动机构驱动转动一定角度，从而实现定量送粉。驱动机构的组成比较常见，主要由电机604、联轴节605、电机座606组成，送粉辊602远离电机604的一端放置在轴承座607内。
在本发明中，两套激光扫描装置分别是二氧化碳激光扫描装置1和光纤激光扫描装置2，二氧化碳激光扫描装置(1)对非金属粉末进行扫描烧结，光纤激光扫描装置(2)对金属粉末进行扫描熔化，控制装置根据制件模型结构要求控制两套激光装置扫描的区域、时段、激光参数进行复合扫描，总体实现粉床微区的两种粉末的包熔过程。如此一来，不仅能够有效提高零件的成形效率，而且能够满足制件内部特殊结构的要求。
下面详细介绍二氧化碳激光扫描装置1和光纤激光扫描装置2的结构。
参照图4，二氧化碳激光扫描装置1包括：二氧化碳激光器101、二氧化碳扩束镜102、反射镜103、反射镜104和二氧化碳振镜105。
二氧化碳激光器101发射出来的二氧化碳激光束先经由二氧化碳扩束镜102扩束，然后经由反射镜103和反射镜104反射，反射后的二氧化碳激光束与进入二氧化碳扩束镜102的二氧化碳激光束平行但方向相反，反射后的二氧化碳激光束最后进入到二氧化碳振镜105中。
二氧化碳激光器101产生的二氧化碳激光束具有较大的光斑直径，非金属粉末对二氧化碳激光束的吸收率较高，所以二氧化碳激光束可以对非金属粉末进行烧结，而金属粉末对二氧化碳激光束的吸收率较低，所以二氧化碳激光束可以对金属粉床微区进行预热。
参照图5，光纤激光扫描装置2包括：光纤激光器201、光纤扩束镜202、动态聚焦轴203和光纤振镜204。
光纤激光器201发射出来的光纤激光束先经由光纤扩束镜202扩束，然后经由动态聚焦轴203聚焦，聚焦后的光纤激光束进入到光纤振镜204中。
光纤激光器201产生的光纤激光束具有较细的光斑直径，金属粉末对光纤激光束的吸收率较高，所以光纤激光束可以使金属粉末瞬间熔化。
参照图1和图6，二氧化碳激光扫描装置1和光纤激光扫描装置2都安装在工作腔4上方的机架3上，并且二者的激光振镜近距离排列，激光振镜与扫描工作面的距离按振镜要求确定。
将二氧化碳激光和光纤激光结合起来，根据制件模型结构要求控制两套激光装置扫描的区域、时段、激光参数进行复合扫描，从而可以实现粉床微区的非金属与金属两种粉末包熔过程，满足制件内部特殊结构的要求。
作为一种优选的方案，二氧化碳激光扫描装置1和光纤激光扫描装置2的正下方均安装有保护镜(未图示)。
综上所述，本发明的3D打印设备，将二氧化碳激光束烧结非金属和光纤激光束熔化金属结合起来，进行双激光复合扫描，具有以下优点：
(1)二氧化碳激光对非金属粉末烧结的同时又预热了金属粉床，当光纤激光扫描金属粉末时，金属粉末的温度不会骤然提高，所以可有效避免金属件翘曲、开裂等缺陷；
(2)双激光复合扫描，可提高零件的成形效率；
(3)光纤激光具有较小的光斑直径，可成形出较高精度的金属零件。
本发明的3D打印设备能够对多种金属粉末材料进行成形，如成形铁基、镍基、钛基、钨基金属合金的复杂零件，并满足精度及内部结构工艺的要求，具有很好的应用价值。
需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种双激光选区烧结及熔化非金属、金属的3D打印设备，包括：两套激光扫描装置(1，2)、机架(3)、工作腔(4)、主铺粉装置(5)、气氛保护装置以及控制装置，所述两套激光扫描装置(1，2)安装在机架(3)上，机架(3)设置在工作腔(4)的上方，主铺粉装置(5)设置在工作腔(4)内，工作腔(4)的底部设置有工作缸(8)，工作缸(8)的活塞沿竖直方向上下运动，其特征在于，还包括：辅助铺粉装置(6)，所述辅助铺粉装置(6)通过连接支架(7)与主铺粉装置(5)连为一体，并且位于主铺粉装置(5)铺粉平移运动的前面或后面，主铺粉装置(5)与辅助铺粉装置(6)总体经外部信号变频控制沿水平方向双向往复运动，主铺粉装置(5)、辅助铺粉装置(6)内分别装有金属粉末和非金属粉末，主铺粉装置(5)每做一次铺粉运动，就根据制件模型结构要求的先后顺序，在往返行程中分别进行铺金属粉末或非金属粉末的铺粉作业，主铺粉机构(5)是在由控制装置控制开合的料斗闸门控制下以均匀方法铺一层金属粉末，而辅助铺粉装置(6)则是在控制装置的控制下定点、定量的向下铺撒非金属粉末。
2.根据权利要求1所述的双激光选区烧结及熔化非金属、金属的3D打印设备，其特征在于，所述两套激光扫描装置(1，2)分别是二氧化碳激光扫描装置(1)和光纤激光扫描装置(2)，二氧化碳激光扫描装置(1)对非金属粉末进行扫描烧结，光纤激光扫描装置(2)对金属粉末进行扫描熔化，控制装置根据制件模型结构要求控制两套激光装置扫描的区域、时段、激光参数进行复合扫描，总体实现粉床微区的两种粉末的包熔过程。
3.根据权利要求1所述的双激光选区烧结及熔化非金属、金属的3D打印设备，其特征在于，所述辅助铺粉装置(6)包括：料斗(601)，设置在所述料斗(601)下部的送粉辊(602)，位于所述送粉辊(602)下方的铺粉口(603)，以及驱动所述送粉辊(602)转动一定角度来定量送粉的驱动机构。
4.根据权利要求2所述的双激光选区烧结及熔化非金属、金属的3D打印设备，其特征在于，所述二氧化碳激光扫描装置(1)包括：二氧化碳激光器(101)、二氧化碳扩束镜(102)、反射镜(103，104)和二氧化碳振镜(105)，所述二氧化碳激光器(101)发射出来的二氧化碳激光束先经由二氧化碳扩束镜(102)扩束，然后经由两个反射镜(103，104)反射，反射后的二氧化碳激光束与进入二氧化碳扩束镜(102)的二氧化碳激光束平行但方向相反，反射后的二氧化碳激光束最后进入到二氧化碳振镜(105)中。
5.根据权利要求2所述的双激光选区烧结及熔化非金属、金属的3D打印设备，其特征在于，所述光纤激光扫描装置(2)包括：光纤激光器(201)、光纤扩束镜(202)、动态聚焦轴(203)和光纤振镜(204)，所述光纤激光器(201)发射出来的光纤激光束先经由光纤扩束镜(202)扩束，然后经由动态聚焦轴(203)聚焦，聚焦后的光纤激光束进入到光纤振镜(204)中。
6.根据权利要求4或5所述的双激光选区烧结及熔化非金属、金属的3D打印设备，其特征在于，所述二氧化碳激光扫描装置(1)和光纤激光扫描装置(2)的正下方均安装有保护镜。
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