CN206794756U - 可在线热处理的增材制造装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于3D打印领域，公开了一种可在线热处理的增材制造装置，包括成形室，内部具有预设的低真空度，且其上设有气体入口和气体出口；等离子体发生器，连通于成形室，用于产生电子束对成形室内的粉末层扫描预热；激光发生器，安装在成形室上且位于气体入口的一侧，用于产生激光束来熔化所述粉末层；控制器，连接于等离子体发生器以及激光发生器。本实用新型采用等离子体发生器产生的电子束对粉末层扫描预热，不需要高真空环境，只需低真空度即可使用，使加工过程应力低，零件加工完成后无需额外进行热处理，保证了加工产品的精度和表面质量。采用激光发生器产生的激光束对粉末层进行熔化，精确地熔化截面。

Description

可在线热处理的增材制造装置

技术领域

本实用新型涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种可在线热处理的增材制造装置。

背景技术

增材制造(3D打印)是一种通过连续熔合一个以上薄层的材料来制造三维实体零件的制造技术。

目前铺粉式的增材制造一般有两种技术路线：采用激光作为热源以及采用电子束作为热源，其中：

采用激光作为热源时，成形室内一般灌流惰性气体，使得成形室内形成气体流动，气体的流动能够对透过激光的光学器件进行吹扫，使之免受金属蒸汽、粉末杂质的污染，保持足够的透明度。激光的光斑小，成形精度高。但激光的功率小，不能将粉床加热到很高温度(一般200摄氏度左右，最高500摄氏度)，导致成形的零件热应力很大，一方面会导致成形过程容易开裂，另一方面需要在成形之后额外进行热处理，以消除残余应力。

采用电子束作为热源时，由于电子束功率大，可以将粉床加热到很高温度(500-1000摄氏度)，成形过程应力低，开裂风险小；成形之后无需热处理就可以直接使用。但电子束的光斑大，成形精度较低。

如果将激光和电子束复合在一起进行成形操作，则既发挥激光精度高的优势，又能发挥电子束功率大、加热粉床温度高的优势，但上述方式存在以下问题：

电子束工作的腔室一般需要高真空(10^-2Pa量级)，如果腔室真空度不够，产生电子的阴极所处空间的真空度也不够，高温的阴极容易烧损，无法工作。而高真空的腔室中几乎不存在气体，无法形成气体流动，无法对激光的透过玻璃进行吹扫，使之免受金属蒸汽污染。因此，激光、电子束很难一起同时工作，存在非此即彼的矛盾。也就是说，电子束要求的高真空环境很难引入激光热源，而激光要求的气体流动环境很难引入电子束热源。

因此，如何设计一种能够既使用电子束同时能够使用激光的增材制造装置是目前要解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种可在线热处理的增材制造装置，以解决现有增材制造装置电子束要求的高真空环境很难引入激光热源，而激光要求的气体流动环境很难引入电子束热源的问题。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种可在线热处理的增材制造装置，包括：

成形室，内部具有预设的低真空度，且其上设有气体入口以及气体出口；

等离子体发生器，连通于所述成形室，用于产生电子束，并由所述电子束对成形室内的粉末层扫描预热；

激光发生器，安装在成形室上且位于气体入口的一侧，用于产生激光束来熔化所述粉末层；

控制器，连接于所述等离子体发生器以及激光发生器。

作为优选，所述预设的低真空度为10°Pa量级的真空度。

作为优选，所述气体入口处设有气体产生装置，所述气体出口连接有真空获得装置，所述气体产生装置和真空获得装置均连接有所述控制器。

作为优选，所述气体产生装置与所述气体入口之间设有连接于控制器的流量控制器。

作为优选，所述成形室上还设有连接于控制器的压力传感器。

作为优选，所述气体产生装置产生的气体为惰性气体或者氮气。

作为优选，还包括基板，所述等离子体发生器产生的电子束能够对所述基板扫描加热。

本实用新型采用等离子体发生器产生的电子束对粉末层进行扫描预热，其需要的工作温度低，不需要高真空环境，只需低真空度即可使用，能够使加工过程应力低，零件加工完成后无需额外进行热处理，保证了加工产品的精度和表面质量。采用激光发生器产生的激光束对粉末层进行熔化，能将粉末层加热到很高温度，精确地熔化截面。通过电子束与激光束的共同作用，提高了产品质量和生产效率。而且采用等离子发生器，能够引入气体流动对激光发生器光学器件的吹扫，以实现激光束对粉末层的熔化。

附图说明

图1是本实用新型可在线热处理的增材制造装置的结构示意图；

图2是本实用新型可在线热处理的增材制造装置显示有气体产生装置、真空获得装置、流量控制器以及压力传感器的结构示意图；

图3是本实用新型可在线热处理的增材制造方法的流程图；

图4是本实用新型通过电子束进行扫描预热的扫描路径示意图；

图5是本实用新型通过激光束进行扫描熔化时粉末层显示有轮廓和内部区域的一种示意图；

图6是本实用新型通过激光束进行扫描熔化时粉末层显示有轮廓和内部区域的另一种示意图。

图中：

1、成形室；2、等离子体发生器；3、激光发生器；4、控制器；5、气体产生装置；6、真空获得装置；7、流量控制器；8、压力传感器；9、料斗；10、粉末输送板；20、铺粉平台；30、成形缸；40、活塞；50、刮刀；11、气体入口；12、气体出口；31、激光控制器；32、光学器件；100、轮廓；101、内部区域。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

本实用新型提供一种可在线热处理的增材制造装置，如图1以及图2所示，该可在线热处理的增材制造装置包括成形室1、料斗9、粉末输送板10、铺粉平台20、成形缸30、活塞40、刮刀50、等离子体发生器2、激光发生器3以及控制器4，其中：

在成形室1内设置有至少一个料斗9，本实施例中对称设有两个料斗9，在料斗9内装有粉末材料，在料斗9下方设有有粉末输送板10，用于输送料斗9内的粉末。在粉末输送板10的下方设有铺粉平台20，粉末输送板10上的粉末材料被输送至铺粉平台20上。在铺粉平台20上设有成形缸30，该成形缸30中设有可上下运动的活塞40。在铺粉平台20上方设有可移动的刮刀50，该刮刀50至少具有水平方向的运动自由度，其能够将铺粉平台20上的粉末材料刮至成形缸30的活塞40上，形成粉末层。本实施例中，上述刮刀50可以双向刮粉，即从左到右可以刮粉，从右到左也可以刮粉。在进行三维物体的打印制造时，首先，将三维物体的模型存储在计算机中，模型在计算机中被分层，并得到每一层的加工信息。三维物体的制造在成形室1中进行，粉末输送板10向铺粉平台20上输送粉末材料，刮刀50在成形缸30的活塞40上方将粉末铺展成层，之后通过等离子体发生器2产生电子束对粉末层预热，通过激光发生器3产生的激光束对粉末进行熔化，直至第一层粉末层完全熔化；第一层完成熔化后，粉末输送板10再次向铺粉平台20上输送粉末材料，刮刀50在成形缸30的活塞40上方将粉末铺展成薄层，形成第二层粉末层，通过等离子体发生器2产生电子束对粉末层预热，通过激光发生器3产生的激光束对粉末进行熔化，直至第二层粉末层完全熔化……如此循环，通过连续加工两层以上的粉末层构建三维实体。其中没有被熔化的粉末，可以被回收再利用。

本实施例中，如图1所示，在成形室1上设有气体入口11以及气体出口12，用于流通激光发生器3所需的惰性气体，上述气体入口11设置在激光发生器3的光学器件32的附近，用于向成形室1内流通惰性气体，以实现对光学器件32的吹扫，使其免受金属蒸汽、粉尘的污染，保证其一直具备足够的激光通过率。气体出口12用于排出惰性气体，使得成形室1内的惰性气体能够流通，持续吹扫光学器件32。

在上述成形室1内还设有基板(图中未示出)，该基板是沉积成形的起始板，等离子体发生器2产生的电子束扫描基板时，还没有粉末层被铺设在基板上，在铺设粉末层前，可通过等离子体发生器2产生的电子束对其进行加热。

具体的，如图2所示，在气体入口11处设有连接于控制器4的气体产生装置5，该气体产生装置5用于产生惰性气体，其可以是气体发生装置或者气体存储装置。在气体出口12处连接有真空获得装置6，该真空获得装置6连接于控制器4，至少包括机械(旋片)泵，也可能需要分子泵、扩散泵等装置，用于将成形室1内的惰性气体排出，以使成形室1内的惰性气体流动，进而实现对激光发生器3的光学器件32进行吹扫。

本实施例中，上述惰性气体优选的是氦气，也可以是氩气等不与所用的原材料发生物理或化学反应的惰性气体。上述惰性气体一方面在成形室1内形成气流，对激光束通过的光学器件32进行吹扫，另一方面替换成形室1内的空气，保护粉末材料在熔化过程中不被氧化。

本实施例中，进一步的，在上述气体产生装置5与气体入口11之间还设有流量控制器7，在成形室1上还设有压力传感器8，上述压力传感器8与流量控制器7均连接于控制器4，控制器4通过压力传感器8检测成形室1内的压力，并将检测的气压值与给定的气压值进行比较，根据比较结果控制流量控制器7的流量。在测量的气压值大于给定的气压值时，通过流量控制器7降低进入成形室1的惰性气体的流量；在测量的气压值小于给定的气压值时，通过流量控制器7增加进入成形室1的惰性气体的流量。

上述控制器4可以是PLC控制器，也可是PC机等其他控制器。

本实施例中，进一步的，上述成形室1内部具有预设的低真空度，具体的该预设的低真空度为10°Pa量级的真空度(具体的气压值不会低于1Pa，为10°Pa量级以上)，该真空度能够满足上述等离子体发生器2的使用环境的要求。

本实施例中，上述等离子体发生器2连通于成形室1，能够产生电子束，该等离子体发生器2产生低压辉光放电，形成等离子体，其作用是作为电子源，产生电子束并将电子束汇聚，用于对成形室1内的粉末层进行扫描预热。上述等离子体发生器2对于真空度要求较低，10°Pa量级的真空度即可满足其使用要求。上述等离子体发生器2产生的电子束仅用来预热基板或粉末层，其精度要求不高。等离子体发生器2产生的电子束的光斑尺寸较大，可以满足预热基板或粉末层的要求。在本实施例中，上述电子束的最小光斑直径约200微米，加速电压45-60kV，最大功率超过3kW。优选的，上述等离子体发生器2是倾斜安装的，使得产生的电子束扫描的坐标原点与成形缸30上表面区域的坐标原点基本重合。可以理解的是，上述等离子体发生器2也可以设置成直立安装。

上述激光发生器3安装在成形室1上，其包括激光控制器31以及光学器件32，其中光学器件32位于气体入口11的一侧，激光控制器31位于光学器件32的上方，其产生的激光束通过光学器件32射入成形室1内，用于熔化经电子束扫描预热的粉末层。本实施例中，上述光学器件32包括透明玻璃，激光束通过该透明玻璃射入成形室1内。

本实施例中，通过上述等离子体发生器2以及激光发生器3的设置，由等离子体发生器2产生的电子束对粉末层进行扫描预热，其对电子束光斑的尺寸要求较低，工作温度低，不需要高真空环境，只需低真空度即可使用，能够使加工过程应力低，零件加工完成后无需额外进行热处理，保证了加工产品的精度和表面质量。由激光发生器3产生的激光束对粉末层进行熔化，能将粉末层加热到很高温度，精确地熔化截面。

而且采用等离子体发生器2，其不需高真空环境，进而能够引入惰性气体，也就能够引入激光发生器3，并通过惰性气体的流动对激光发生器3光学器件32的吹扫，以实现等离子体发生器2与激光发生器3的配合使用，完成对粉末层的预热和熔化。通过上述等离子体发生器2产生的电子束以及激光发生器3产生的激光束的共同作用，即通过电子束对粉末层扫描预热，通过激光束对粉末层熔化，在满足了电子束使用条件的同时能够满足激光束的使用条件，有效地提高了产品质量和生产效率。

本实施例中，上述等离子体发生器2与激光发生器3的个数可以根据需要进行设置，其可以均设置为一个，也可以均设置为多个。

本实施例中，需要指出的是，上述通入成形室1内的气体除了可以是惰性气体外，还可以是氮气。

本实施例还提供一种上述可在线热处理的增材制造方法，具体的，如图3所示，该可在线热处理的增材制造方法包括以下步骤：

S10、将成形室内的真空度调节为预设的低真空度。

具体的，控制器通过压力传感器检测成形室内的压力，并将检测的气压值与给定的气压值进行比较，根据比较结果控制流量控制器的流量，以调节成形室内的真空度。其中在测量的气压值大于给定的气压值时，通过流量控制器降低进入成形室的惰性气体的流量；在测量的气压值小于给定的气压值时，通过流量控制器增加进入成形室的惰性气体的流量。通过上述惰性气体的流量控制，能够控制成形室内的真空度达到预设的低真空度。本实施例中，上述预设的低真空度具体为10°Pa量级的真空度(具体的气压值不会低于1Pa，为10°Pa量级以上)，该真空度能够满足等离子体发生器的使用环境的要求。

S20、通过等离子体发生器产生电子束，并通过电子束对粉末层进行扫描预热。

在成形室内的真空度达到预设的低真空度后，控制器控制等离子体发生器产生电子束，随后该电子束对活塞上铺设好的粉末层进行扫描预热。

在本步骤中，上述扫描预热采用光栅式的扫描预热方式进行，上述光栅式的扫描预热为：电子束沿水平方向的扫描路径和竖直方向的扫描路径交替的对粉末层扫描。

更为具体的，可参照图4，首先，预先将粉末层沿竖直方向分成M₁个水平区域，上述M₁个区域覆盖整个三维零件的截面区域，在每个区域内平行设有N₁个扫描路径H；之后，将粉末层沿水平方向分成M₂个竖直区域，在每个竖直区域内平行设有N₂个扫描路径V，同样的，上述M₂个区域也覆盖整个三维零件的截面区域。

之后，控制电子束沿M₁个水平区域内的扫描路径H(m₁，n₁)以及M₂个竖直区域内的扫描路径V(m₂，n₂)交替的对粉末层进行扫描，直至所有扫描路径全部使用，其中m₁＝1，2，3…M₁，n₁＝1，2，3…N₁，m₂＝1，2，3…M₂，n₂＝1，2，3…N₂。

在进行预热扫描时，首先，将上述每个区域内的扫描路径编号，例如，将M₁个区域内的第一条扫描路径依次编号为H(1，1)、H(2，1)、H(3，1)…H(m₁，1)，将M₁个区域内的第二条扫描路径依次编号为H(1，2)、H(2，2)、H(3，2)…H(m₁，2)，以此类推，将M₁个区域内的第N₁条扫描路径依次编号为H(1，n₁)、H(2，n₁)、H(3，n₁)…H(m₁，n₁)。同时，将M₂个区域内的第一条扫描路径依次编号为V(1，1)、V(2，1)、V(3，1)…V(m₂，1)，将M₂个区域内的第二条扫描路径依次编号为V(1，2)、V(2，2)、V(3，2)…V(m₂，2)，以此类推，将M₂个区域内的第N₂条扫描路径依次编号为V(1，n₂)、V(2，n₂)、V(3，n₂)…V(m₂，n₂)。通过上述编号，即形成光栅式扫描所需的扫描路径。

随后，控制电子束依次根据上述形成的光栅式扫描路径进行扫描，具体是控制电子束按以下扫描规律依次对粉末层进行扫描：

H(1-1)、V(1-1)、H(2-1)、V(2-1)、H(3-1)、V(3-1)……H(m₁-1)、V(m₂-1)；H(1-2)、V(1-2)、H(2-2)、V(2-2)、H(3-2)、V(3-2)……H(m₁-2)、V(m₂-2)；……；H(1-n₁)、V(1-n₂)、H(2-n₁)、V(2-n₂)、H(3-n₁)、V(3-n₂)……H(m₁-n₁)、V(m₂-n₂)，直至电子束沿所有扫描路径对粉末层扫描一次，即完成了整个光栅式扫描，然后重复以上过程，反复加热该截面区域进行预热。

需要说明的是，对于M₁个水平区域内的扫描路径H，本实施例的扫描顺序可以是从上往下或从下往上；对于M₂个竖直区域内的扫描路径V，扫描顺序可以是从左往右或从右往左。因此可以引申出四种扫描顺序，即：从上往下+从左往右、从上往下+从右往左、从下往上+从左往右以及从下往上+从右往左，上述四种扫描顺序均处于本实施例的保护范围内。本实施例中，前述的扫描规律即为从下往上+从右往左的扫描顺序。

本实施例中，上述扫描路径H(m₁，n₁)与扫描路径H(m₁+1，n₁)之间的距离D₁大于所述扫描路径H(m₁，n₁)与扫描路径H(m₁，n₁+1)之间的距离d₁，其中，上述m₁小于M₁，上述n₁小于N₁；

上述扫描路径V(m₂，n₂)与扫描路径V(m₂+1，n₂)之间的距离D₂大于上述扫描路径V(m₂，n₂)与扫描路径V(m₂，n₂+1)之间的距离d₂，其中，上述m₂小于M₂，上述n₂小于N₂。通常，上述距离D₁和D₂在5mm以上，距离d₁和d₂在0.1mm-2mm之间，以便于多次的扫描，而且通过水平、垂直交替进行的扫描可以使预热扫描形成的温度场更加均匀，也最大限度地避免电荷集中。

本实施例中，可以采用上述方式进行多遍扫描预热，使得扫描区域内材料(基板或者粉末材料)的温度按照预设的速率升温或者降温。

S30、通过激光发生器产生激光束，并通过激光束对经电子束扫描预热的粉末层进行熔化。

在步骤S20完成一次粉末层的扫描预热后，控制器控制激光发生器产生激光束，由该激光束对扫描预热后的粉末层进行熔化。

具体的，如图5以及图6所示，可将粉末层分为至少一条轮廓100，以及位于轮廓100内的内部区域101，上述激光束可以先扫描熔化内部区域101，然后扫描熔化轮廓100，也可以先扫描熔化轮廓100，再扫描熔化内部区域101，直至粉末层完全被扫描熔化。上述轮廓100可以是一条，也可以是经过偏置后的多条，该多条轮廓100之间相互平行。

进一步的，当上述轮廓100所包围的内部区域101面积较大时，可以将其内部区域101分割成更小的子区域，如如图5所示的棋盘状分割方式，或者如如图6所示的条纹状分割方式。激光束按照固定顺序或者随机顺序扫描所述的子区域，所有子区域以及轮廓100共同组成粉末层。上述扫描子区域的路径可以是一组平行的线段，线段的方向可以是0度、90度以及其他角度，激光束依次或者随机沿所有线段扫描熔化，即可完成该子区域的熔化。本实施例中，上述激光束的最小光斑直径为20-50微米，以达到扫描熔化所需的精度要求。

本实施例中，优选的，上述步骤S20中的扫描预热以及步骤S30中的熔化的顺序可以根据需要进行调整，例如，其可以先进行步骤S20中的扫描预热，之后再进行步骤S30中的熔化，来完成粉末层的成形过程。也可以先进行步骤S20中的扫描预热，随后进行步骤S30中的熔化，之后再进行一次骤S20中的扫描预热，以达到进一步消除应力的目的。还可以先进行步骤S20中的扫描预热，随后通过步骤S30中的熔化对粉末层的一部分进行熔化，之后再进行一次骤S20中的扫描预热，随后通过步骤S30中的熔化对粉末层的另一部分进行熔化，循环上述过程直至粉末层被完全熔化成形，以适用于截面区域很大、激光束熔化过程太长、粉末层表面不属于截面的区域的温度下降较多的环境。

通过上述依次交替对粉末层进行扫描预热步骤和熔化步骤，且对粉末层进行扫描预热的步骤数不小于对粉末层进行熔化的步骤数，直至粉末层被完全熔化成形的方式，能够更精确地熔化截面，提高了加工产品的精度和表面质量。而且通过电子束对粉末层扫描预热，其相当于对粉末层进行了在线热处理，避免了热应力导致的裂纹，降低了成形件的残留应力，零件加工完成后无需额外进行热处理，节省了时间，提高了产品质量。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可在线热处理的增材制造装置，其特征在于，包括：

成形室(1)，内部具有预设的低真空度，且其上设有气体入口(11)以及气体出口(12)；

等离子体发生器(2)，连通于所述成形室(1)，用于产生电子束，并由所述电子束对成形室(1)内的粉末层扫描预热；

激光发生器(3)，安装在成形室(1)上且位于气体入口(11)的一侧，用于产生激光束来熔化所述粉末层；

控制器(4)，连接于所述等离子体发生器(2)以及激光发生器(3)。

2.根据权利要求1所述的可在线热处理的增材制造装置，其特征在于，所述预设的低真空度为10°Pa量级的真空度。

3.根据权利要求1所述的可在线热处理的增材制造装置，其特征在于，所述气体入口(11)处设有气体产生装置(5)，所述气体出口(12)连接有真空获得装置(6)，所述气体产生装置(5)和真空获得装置(6)均连接有所述控制器(4)。

4.根据权利要求3所述的可在线热处理的增材制造装置，其特征在于，所述气体产生装置(5)与所述气体入口(11)之间设有连接于控制器(4)的流量控制器(7)。

5.根据权利要求4所述的可在线热处理的增材制造装置，其特征在于，所述成形室(1)上还设有连接于控制器(4)的压力传感器(8)。

6.根据权利要求5所述的可在线热处理的增材制造装置，其特征在于，所述气体产生装置(5)产生的气体为惰性气体或者氮气。

7.根据权利要求1所述的可在线热处理的增材制造装置，其特征在于，还包括基板，所述等离子体发生器产生的电子束能够对所述基板扫描加热。