CN218873735U - 一种金属激光3d打印熔化成形装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种金属激光3D打印熔化成形装置，所述的金属激光3D打印熔化成形装置包括激光发生装置和激光熔化成形腔、粉末床。激光发生装置通过光纤激光布置基座设置于激光熔化成形腔内与铺粉刮刀运动方向垂直的两侧壁上；该装置中光纤激光布置基座的斜面与激光熔化成形腔的侧壁形成为直角三角形，发射激光束的光纤头位于直角三角形的斜边上，且发生的激光束垂直于光纤激光布置基座的斜面。本实用新型利用激光发散角得到发散的光束对粉末床进行预热处理，相比现有的预热技术更加的高效可控。

Description

一种金属激光3D打印熔化成形装置

技术领域

本实用新型属于金属粉末激光熔化增材制造技术，具体涉及一种金属激光3D打印熔化成形装置。

背景技术

3D打印”技术(业内称为增量制造技术)产生于上个世纪80年代的美国，CAD(计算机辅助设计)、CNC(数字化控制)、自动控制、激光等技术的发展是其产生的前因，数十年的发展已经成为全球先进制造领域兴起的一项集光/机/电、计算机、数控及新材料于一体的制造技术。在此领域，我国与世界发达国家之间的技术差距较小，几乎位于同一起跑线上。之所以称之为增量制造，依据其与传统切削等材料“去除”制造工艺不同，该技术通过将粉末、液体、薄片等离散材料逐层堆积，“自然生长”成三维实体，因此被通俗叫做“3D打印”技术。该技术将三维实体整体成形，改变为若干二维平面的叠加成形，大大降低了制造复杂度。理论上，但凡能够在计算机上设计的结构模型，即可应用该技术在无需刀具、模具及复杂工艺条件下快速地将设计原型变为实物。目前，该技术在国防、航空航天、汽车、生物医学、模具、铸造、农业、家电、工艺美术、动漫等领域发挥着重要的作用。

3D打印技术产业当中，激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术处于高端，是未来极具发展潜力的一项金属零部件激光直接成形技术。SLM技术成形系统工作腔内基材与粉末温度控制是一个重要的技术环节，它涉及打印出零件的质量，因此也具有重要的作用。

在进行激光打印的时候，需要对金属粉末床上的金属粉末进行预热，对此现有的技术预热实现技术有很多，包括中国专利“一种用于激光选区熔化设备的粉末快速预热方法和装置”(CN108188398A)所记载的内容，也包括发明专利“一种电子束与激光束双控熔化成形装置及成形方法”(CN114570949A)所公布的相关技术。

实用新型内容

实用新型目的：针对现有激光熔覆和激光3D打印技术中涉及的金属粉末加热成形问题，本实用新型提供一种金属激光3D打印熔化成形装置。

技术方案：一种金属激光3D打印熔化成形装置，包括激光发生装置和激光熔化成形腔，所述的激光熔化成形腔内设有粉末床，所述的激光发生装置通过光纤激光布置基座设置于激光熔化成形腔内与铺粉刮刀运动方向垂直的两侧壁上；所述的光纤激光布置基座的斜面与激光熔化成形腔的侧壁形成为直角三角形，发射激光束的光纤头位于直角三角形的斜边上，且发生的激光束垂直于光纤激光布置基座的斜面。

优选的，所述的光纤激光布置基座底边与激光熔化成形腔的侧壁活动连接，形成夹角，且夹角设有调节机构。

进一步的，所述光纤激光布置基座的宽度与激光熔化成形腔内的粉末成形区域相等。

进一步的，所述光纤激光布置基座的斜面上点阵式均匀排布光纤头。

进一步的，所述的光纤激光布置基座为陶瓷材料制备而成。

进一步的，所述的光纤激光布置基座以直角三角形设置或以基板设置；当以基板设置时基板为直角三角形的斜面，且与激光熔化成形腔侧壁构成直角三角形。

更进一步的，所述装置还包括设置用于调节激光功率的激光调节装置，包括在光纤激光布置基座的斜面上布置激光聚焦镜片。

一种金属激光3D打印预热方法，包括激光发生装置和激光熔化成形腔，过程如下：

首先在激光熔化成形腔内布置光纤激光布置基座，在激光熔化成形腔与铺粉刮刀运动方向垂直的两侧壁上各对称安放一块；然后调节光纤激光布置基座与激光熔化成形腔侧壁的夹角，使得光纤激光布置基座发射出激光相对，各自照射粉末床上成形对称区域的一半面积。

优选的，通过调节激光发生功率及激光在成形区域内的光斑大小控制预热的温度。

基于该装置的实施，一种基于激光熔化成形腔尺寸控制激光在成形区域覆盖面积的计算方法，所述方法包括计算光纤激光布置基座的尺寸，设光纤激光布置基座的斜面长度位AB,激光熔化成形腔的长度位L，光纤激光布置基座与激光熔化成形腔内壁的夹角为α，存在如下关系式：

2H＝Lsinαcosα

通过上述计算表达式确定光纤激光布置基座AB的最小值，且据此控制两边光纤激光布置基座上发出的激光将成形区域完全覆盖。

有益效果：本实用新型与底部电阻丝加热的方式相比，采用激光加热的方式显著效果包括：

(1)加热定位准确。

(2)加热过程热损失小。

(3)没有底部加热积累过程，加热迅速。

(4)不会造成底部加热积累过程给机械结构带来的变形。

(5)预热温度可以达到比底部加热更高的程度。

(6)加热均匀，减少了温度梯度带来的应力积累。

(7)能够将加热点准确定位。

附图说明

图1是本实用新型所述的装置的结构布置及激光照射示意图；

图2是本实用新型所述光纤激光布置基座上光纤头布置的结构示意图；

图3是本实用新型所述预热方法控制激光光斑在成形平面上的分布情况图；

图4是该装置设计中计算方法中光纤激光布置基座在成形腔内位置关系图。

具体实施方式

为详细的说明本实用新型所提供的技术方案，下面结合说明书附图做详细的介绍。

结合图1-图4，本实用新型基于金属激光3D打印熔化成形装置实现，包括激光发生装置和激光熔化成形腔，对于激光熔化成形腔及相关的设备技术在背景技术中已经提及，在此，本领域技术人员应当得知，不做赘述。在本实用新型中，所述的激光熔化成形腔内设有粉末床，激光发生装置通过光纤激光布置基座设置于激光熔化成形腔内与铺粉刮刀运动方向垂直的两侧壁上；光纤激光布置基座的斜面与激光熔化成形腔的侧壁形成为直角三角形，发射激光束的光纤头位于直角三角形的斜边上，且发生的激光束垂直于光纤激光布置基座的斜面。

在实际的生产过程中，对于光纤激光布置基座可以设置以为直角三角形块，即，其截面为直角三角形，在直角三角形的斜面上布置发生激光的光纤头。另一种方式是光纤激光布置基座仅仅为一个基板，为直角三角形的斜面，与激光熔化成形腔的内壁够成一个直角三角形。光纤激光布置基座一般采用的是陶瓷或同类材料的基座上。

进一步的指出，光纤激光布置基座为基板的形式下，基板一面布置光纤头，另一面也方便设置激光调节器，用于控制激光的发生功率及相关的辅助电路，包括发生时间等。基板与激光熔化成形腔内壁之间，其底部的连接处活动连接，例如活页，铰链方式等实现。包括采用自动化的控制其夹角大小，以此实现更好的调节激光成形覆盖区域。其中一个锐角(夹角α)和直角边的长度作为控制直角三角块形状和尺寸的参数。此类直角三角块在激光熔化成形腔与铺粉刮刀运动方向垂直的两侧壁上各对称安放一块，安放在斜边平面上的光纤头垂直与斜边平面，发射激光相对，各自照射成形对称区域的一半面积。

本实用新型是利用激光发散角得到发散的光束对粉末床进行预热处理。

结合附图3-4，可以看出发射激光到达成形平面区域情况。图3为激光束覆盖在成形平面的光斑大体形状和覆盖重叠情况。每一行的光纤激光到达成形平面位置形成的光斑为椭圆形，光程越长，椭圆的面积越大，由于发散角与光程综合作用的结果。合理匹配光纤数量和间距，可以完全将成形位置的粉末表面完全覆盖。

进一步的指出，加热三角块在成形腔内位置关系：

AB＝H/cosα                         (1)

AB/(L/2)＝sinα                     (2)

因此，联合式(1)和(2)

可得：2H＝Lsinαcosα

其中，L是成形腔的长度，而三角块与成形区域等宽。据此关系两边布置三角形可将成形区域完全覆盖，包括据此关系计算光纤激光布置基座最小尺寸，并据此来调节、控制夹角的大小，控制激光束在成形区域的覆盖面积。

Claims (7)

1.一种金属激光3D打印熔化成形装置，包括激光发生装置和激光熔化成形腔，其特征在于：所述的激光熔化成形腔内设有粉末床，所述的激光发生装置通过光纤激光布置基座设置于激光熔化成形腔内与铺粉刮刀运动方向垂直的两侧壁上；所述的光纤激光布置基座的斜面与激光熔化成形腔的侧壁形成为直角三角形，发射激光束的光纤头位于直角三角形的斜边上，且发生的激光束垂直于光纤激光布置基座的斜面。

2.根据权利要求1所述的金属激光3D打印熔化成形装置，其特征在于：所述的光纤激光布置基座底边与激光熔化成形腔的侧壁活动连接，形成夹角，且夹角设有调节机构。

3.根据权利要求1所述的金属激光3D打印熔化成形装置，其特征在于：所述光纤激光布置基座的宽度与激光熔化成形腔内的粉末成形区域相等。

4.根据权利要求1所述的金属激光3D打印熔化成形装置，其特征在于：所述光纤激光布置基座的斜面上点阵式均匀排布光纤头。

5.根据权利要求1所述的金属激光3D打印熔化成形装置，其特征在于：所述的光纤激光布置基座为陶瓷材料制备而成。

6.根据权利要求1所述的金属激光3D打印熔化成形装置，其特征在于：所述的光纤激光布置基座以直角三角形设置或以基板设置；当以基板设置时基板为直角三角形的斜面，且与激光熔化成形腔侧壁构成直角三角形。

7.根据权利要求1所述的金属激光3D打印熔化成形装置，其特征在于：所述装置还包括设置用于调节激光功率的激光调节装置，包括在光纤激光布置基座的斜面上布置激光聚焦镜片。

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