CN217315884U - 一种高能激光增减材复合制造装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高能激光增减材复合制造装置，包括密闭成形腔室、惰性保护气源、加工成形平台、光路选取系统、计算机控制面板、成形缸、温度控制系统、待加工工件、保护气管，所述惰性保护气源与密闭成形腔室相连通，所述密闭成形腔室的内侧壁上设置有与外部连通的气孔阀门，所述成型缸的左侧设置有粉末供给缸、粉末收集缸。本实用新型，通过在激光增材加工过程中，同步利用飞秒激光减材技术可以逐层消除台阶效应，逐层剥离轮廓边缘的片层台阶和粘附粉末等多余材料，去除层内选定区域的局部材料并在逐层叠加后形成连续的复杂、精细内腔，可以有效地同步去除部分支撑材料，可打印更精密地无支撑结构零件。

Description

一种高能激光增减材复合制造装置

技术领域

本实用新型涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种高能激光增减材复合制造装置。

背景技术

选择性激光熔化是基于离散－堆积理念的增材制造技术，与传统的去除材料加工方法相反，利用高能激光束作为热源逐层选择性地熔化金属粉末堆积成形金属零件，可以直接制造出具有复杂结构、成形精度高的致密材料，具有生产周期短、零件几何形状复杂和材料加工种类繁多等明显优势，在航空、医疗等领域都具有广泛的应用前景。

然而，受制于粉末的尺寸、粉末的质量、粉末粘附和粉末球化、层间台阶效应、激光聚焦光斑尺寸以及受热不均导致的残余应力大、微裂纹和变形等的影响，目前SLM技术成形的零件仍存在着表面粗糙度差、表面精度无法达到用户预期水平等问题，通常都需要对SLM成形件进行进一步加工，如进行表面切削加工、表面热处理等工艺，这大大降低了生产效率，因此，需要开发一种高能激光增减材复合制造方法，使得激光增减材满足高精度、一体化，从而提高零件生产效率。

专利申请号为201811600280.4的发明公开了一种用于SLM设备的粉末预热装置及其工作方法，该专利为SLM设备的加工平台提供了预热装置，利用成形腔室内部流道通入液体对加工平台进行预热处理，内部流道连接着外部的温度控制系统，能使加工平台处于恒温状态，预热能改善增材过程中产生的残余应力，有效地提高了SLM技术下成形工件的力学性能，该专利对成形工件有力学性能有所改善，但成形精度仍无法达到用户预期，成形件仍需后处理加工，无法实现精密零件一体化高效率成形。

专利申请号为202010646377.X的发明提出一种SLM快速成形和飞秒激光减材一体化的增减材复合制造方法及设备，该方法利用SLM技术进行零件的增材制造，利用飞秒激光减材对加工件进行减材制造，通过可移动的成形平台对加工件实现增减材过程的自由切换，该方法实现了增减材复合制造一体化，简化了减材制造的复杂过程，有效提高了零件的生产效率，但该方法忽略了飞秒激光减材过程中产生的金属碎屑，若不处理将影响下一层增材的质量，此外该装置在移动加工平台过程中可能出现粉末飞散、工件变位等问题，且并未考虑加工前粉末质量问题，严重影响零件的综合成形性能。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种高能激光增减材复合制造装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：一种高能激光增减材复合制造装置，包括密闭成形腔室、惰性保护气源、加工成形平台、光路选取系统、计算机控制面板、成形缸、温度控制系统、待加工工件、保护气管，所述惰性保护气源与密闭成形腔室相连通；

所述密闭成形腔室的内侧壁上设置有与外部连通的气孔阀门，所述成型缸的左侧设置有粉末供给缸、粉末收集缸，所述粉末供给缸连接着外部的送粉装置，所述加工成形平台的右侧设置有铺粉刮刀，所述成形缸中设置有基板，所述基板的下方为内部流道，所述内部流道的下方为隔热板、升降装置；

所述光路选取系统中由增材光路激光器、增材光路扩束镜、增材光路扫描振镜及增材光路聚焦场镜形成增材独立激光光路，所述光路选取系统中由减材光路激光器、减材光路扩束镜、减材光路扫描振镜及减材光路聚焦场镜形成减材独立激光光路。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述计算机控制面板分别与惰性保护气源、送粉装置、铺粉刮刀、温度控制系统、增材光路激光器、减材光路激光器、成形缸及三轴移动导轨通过电信号连接。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述成形缸、粉末收集缸的位置位于加工成型平台的上表面。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述铺粉刮刀的位置位于加工平台面的上方。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述内部流道设置有内部流道液体出口，内部流道液体入口。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述成型缸为加工位，且成型缸通过升降装置可以进行Z轴上下移动。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述隔热板的位置位于升降装置的上方。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述计算机控制面板分别与铺粉刮刀、三轴移动导轨、增减材激光光路系统、温度控制系统、惰性保护气源、成形缸、送粉装置连接。

本实用新型具有如下有益效果：

1、与现有技术相比，该高能激光增减材复合制造装置，通过在激光增材加工过程中，同步利用飞秒激光减材技术可以逐层消除台阶效应，逐层剥离轮廓边缘的片层台阶和粘附粉末等多余材料，去除层内选定区域的局部材料并在逐层叠加后形成连续的复杂、精细内腔，可以有效地同步去除部分支撑材料，可打印更精密地无支撑结构零件。

2、与现有技术相比，该高能激光增减材复合制造装置，通过设置加入温度控制系统，通过对成形粉末的提前预热，改善了复杂精细增材制件的成形精度、表面质量、组织性能和残余应力状态，通过有机融合激光选区熔化技术和超快激光减材技术，克服了无法对于带有封闭空腔、深槽深孔、多道毛细管路等精细结构的复杂、精细零件进行后续处理的技术难题，最终实现一站式高效率、高精度、高性能增材制件的制备，同时在同一装置中完成两种工艺过程，很大程度上提高了加工效率和减少了后处理成本。

3、与现有技术相比，该高能激光增减材复合制造装置，通过连接在扫描振镜上方的移动导轨切换激光光路的方式，改进了现有技术利用移动加工平台实现复合制造的难操作性及不稳定性，避免了加工平台在移动过程中发生粉末飞散、工件变位等问题的出现，此外，通过增加减材完毕后铺粉刮刀空刮一个来回的操作，优化了现有技术，使得减材工艺过程产生的金属碎屑不再对下一层工件加工质量造成影响。

附图说明

图1为本实用新型提出的一种高能激光增减材复合制造装置的结构示意图；

图2为方案流程示意图。

图例说明：

1、计算机控制面板；2、温度控制系统；3、送粉装置；4、三轴移动导轨；5、增材光路扫描振镜；6、增材光路扩束镜；7、增材光路激光器；8、减材光路扫描振镜；9、减材光路扩束镜；10、减材光路激光器；11、粉末供给缸；12、粉末收集缸；13、铺粉刮刀；14、升降装置；15、隔热板；16、内部流道；17、密闭成形腔室；18、内部流道液体出口；19、内部流道液体入口；20、基板；21、惰性保护气源；22、保护气管；23、气孔阀门；24、增材光路聚焦场镜；25、减材光路聚焦场镜；26、待加工工件。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

参照图1-2，本实用新型提供的一种高能激光增减材复合制造装置：包括密闭成形腔室17、惰性保护气源21、加工成形平台、光路选取系统、计算机控制面板1、成形缸、温度控制系统2、待加工工件26、保护气管22，计算机控制面板1分别与惰性保护气源21、送粉装置3、铺粉刮刀13、温度控制系统2、增材光路激光器7、减材光路激光器10、成形缸及三轴移动导轨4通过电信号连接，成形缸、粉末收集缸12的位置位于加工成型平台的上表面，铺粉刮刀13的位置位于加工平台面的上方，成型缸为加工位，且成型缸通过升降装置14可以进行Z轴上下移动，计算机控制面板1分别与铺粉刮刀13、三轴移动导轨4、增减材激光光路系统、温度控制系统2、惰性保护气源21、成形缸、送粉装置3连接，惰性保护气源21与密闭成形腔室17相连通，为密封成形腔室17提供惰性保护气体。

温度控制系统包含嵌在密闭成形腔室17侧壁上可通入液体的内部流道16，密闭成形腔室17内部流道连接液体加热温度控制装置的液体进出口，基材内嵌有加热流道，加热流道的两端也分别连接的液体加热温度控制装置入口和出口。

密闭成形腔室17的内侧壁上设置有与外部连通的气孔阀门23，成型缸的左侧设置有粉末供给缸11、粉末收集缸12，粉末供给缸11连接着外部的送粉装置3，为加工平台提供粉末，其中粉末可为钛合金粉末、铝合金粉末、不锈钢粉末、高温合金粉末、高强钢粉末、陶瓷粉末、模具钢粉末等，加工成形平台的右侧设置有铺粉刮刀13，可通过计算机控制面板1控制左右来回移动，用于将送粉装置3提供的粉末平铺至成形缸，再将多余的粉末及减材过程中产生的金属碎屑推向粉末收集缸12，成形缸中设置有基板20，基板20的下方为内部流道16，内部流道16设置有内部流道液体出口18，内部流道液体入口19，内部流道16的下方为隔热板15、升降装置14，隔热板15的位置位于升降装置14的上方，升降装置14用于控制基板在成形缸中上下移动。

光路选取系统中由增材光路激光器7、增材光路扩束镜6、增材光路扫描振镜5及增材光路聚焦场镜24形成增材独立激光光路，光路选取系统中由减材光路激光器10、减材光路扩束镜9、减材光路扫描振镜8及减材光路聚焦场镜25形成减材独立激光光路，增材激光器发出的激光束为连续激光，其波长为1064nm，功率为100～1000W，光斑直径为50～200μm，扫描速度为50～2000mm/s，减材激光器发出的激光束为飞秒脉冲激光束，飞秒脉冲激光束的参数为：脉宽为190fs～10ps，频率为1kHz～1MkHz，功率为0～20W，扫描速度1～10mm/s，波长为1030nm。

工作原理：在使用时，先构建实体零件的三维结构模型，规划高能激光增材扫描路径及飞秒激光减材扫描路径，利用温度控制系统1通过加热流道对加工成形平台进行预热处理，而后控制惰性保护气源21使得密闭成形腔室17内充满惰性保护气体，根据规划好的路径，计算机控制面板1将控制整个增减材加工过程，开启保护气为密闭成形腔室17提供良好的成形环境；

通过送粉装置3将粉末输送到粉末供给缸12内，最后通过粉末供给缸12以及铺粉刮刀13加工成形平台上铺好一层粉末，通过连接在扫描振镜上方的移动导轨切换飞秒激光光路进行减材，去除零件表面粗糙部分铺粉刮刀13空刮一个来回，清理掉减材过程中产生的金属碎屑，将加工成形平台下移一层粉末厚度，并重复上述步骤直至整个零件成形以获得三维实体零件。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高能激光增减材复合制造装置，包括密闭成形腔室(17)、惰性保护气源(21)、加工成形平台、光路选取系统、计算机控制面板(1)、成形缸、温度控制系统(2)、待加工工件(26)、保护气管(22)，其特征在于：所述惰性保护气源(21)与密闭成形腔室(17)相连通；

所述密闭成形腔室(17)的内侧壁上设置有与外部连通的气孔阀门(23)，所述成形缸的左侧设置有粉末供给缸(11)、粉末收集缸(12)，所述粉末供给缸(11)连接着外部的送粉装置(3)，所述加工成形平台的右侧设置有铺粉刮刀(13)，所述成形缸中设置有基板(20)，所述基板(20)的下方为内部流道(16)，所述内部流道(16)的下方为隔热板(15)、升降装置(14)；

所述光路选取系统中由增材光路激光器(7)、增材光路扩束镜(6)、增材光路扫描振镜(5)及增材光路聚焦场镜(24)形成增材独立激光光路，所述光路选取系统中由减材光路激光器(10)、减材光路扩束镜(9)、减材光路扫描振镜(8)及减材光路聚焦场镜(25)形成减材独立激光光路。

2.根据权利要求1所述的一种高能激光增减材复合制造装置，其特征在于：所述计算机控制面板(1)分别与惰性保护气源(21)、送粉装置(3)、铺粉刮刀(13)、温度控制系统(2)、增材光路激光器(7)、减材光路激光器(10)、成形缸及三轴移动导轨(4)通过电信号连接。

3.根据权利要求1所述的一种高能激光增减材复合制造装置，其特征在于：所述成形缸、粉末收集缸(12)的位置位于加工成型平台的上表面。

4.根据权利要求1所述的一种高能激光增减材复合制造装置，其特征在于：所述铺粉刮刀(13)的位置位于加工平台面的上方。

5.根据权利要求1所述的一种高能激光增减材复合制造装置，其特征在于：所述内部流道(16)设置有内部流道液体出口(18)，内部流道液体入口(19)。

6.根据权利要求1所述的一种高能激光增减材复合制造装置，其特征在于：所述成形缸为加工位，且成形缸通过升降装置(14)可以进行Z轴上下移动。

7.根据权利要求1所述的一种高能激光增减材复合制造装置，其特征在于：所述隔热板(15)的位置位于升降装置(14)的上方。

8.根据权利要求1所述的一种高能激光增减材复合制造装置，其特征在于：所述计算机控制面板(1)分别与铺粉刮刀(13)、三轴移动导轨(4)、增减材激光光路系统、温度控制系统(2)、惰性保护气源(21)、成形缸、送粉装置(3)连接。

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